密度计法测颗粒级配指导书.docx
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密度计法测颗粒级配指导书
颗粒级配分析（密度计法）
一、目的和适用围
通过数据分析，判断土的组成、级配性质。
本试验方法使用于分析粒径小于0.075mm的细粒土，具体方法步骤参照《土工试验方法标准》（GBT50123-1999）、（公路土工试验规程）（JTGE40-2007）及材料（第2版公路工程试验检测人员考试用书）。
二、试验原理
对应于粒径小于0.075mm的细粒土，采用比重计法。
小球体在水中下沉时满足：
①小球体在水中沉降的速度是恒定的；②小球体沉降速率与球体直径d的平方成正比。
比重计是利用这一原理来进行颗粒分析的。
密度计是测定液体密度的仪器。
它的主体是个玻璃浮泡，浮泡下端有固定的重物，使密度计能直立地浮于液体中；浮泡上为细长的刻度杆，其上有刻度数和读数。
目前，使用的有甲种密度计和乙各密度计两种型号，本试验采用甲种密度计。
甲种密度计刻度杆上的刻度单位表示20℃时每1000cm3悬液所含土粒的质量。
由于受实验室多种因素的影响，若悬液温度不是20℃时悬液的密度（或土粒质量），必须将初读数经温度校正；此外，还需进行弯液面校正、刻度校正、分散剂校正。
本试验采用斯托可斯公式来求土粒在静水中沉降速度；密度计法是通过测定土粒直沉降速度后求相应的土粒直径，如下式所示：
。
各符号见操作步骤中说明。
已知密度的均匀悬液在静置过程中，由于不同粒径土粒的下沉速度不同，粗、细颗粒发生分异现象。
随粗颗粒不断沉至容器底部，悬液密度逐渐减小。
密度计在悬液中之沉浮决定于悬液之密度变化。
密度大时浮得高，读数大；密度小时浮得低，读数小。
若悬液静置一定时间t后，将密度计放入盛有悬液的量筒中，可根据密度计刻度杆与液面指示的读数测得某深度Ht（称有效深度）处的密度，并可按上述公式求出下沉至Ht处的最大粒径d；同时，通过计算即可求出Ht处单位体积悬液中直径小于d的土粒含量，以及这种土粒在全部土样中所占的百分含量。
由于悬液在静置过程中密度逐渐减小，相隔一段时间测定一次读数，就可以求出不同粒径在土中之相对含量。
三、仪器设备与试剂
1仪器设备：
1）密度计：
甲种密度计，刻度－5～50，最小分度值为0.5℃，本试验室所用密度计规格如下：
密度计
（一）：
浮泡体积（Vb）：
62cm3
浮泡中心至最低刻度的距离L0：
10cm
标尺总长：
14cm
密度计
（二）：
浮泡体积（Vb）：
66cm3
浮泡中心至最低刻度的距离L0：
10.6cm
标尺总长：
15.2cm
2）量筒：
径约60mm，容积1000mL，高约420mm，刻度0～1000mL，准确至10mL。
3）洗筛：
孔径0.075mm。
4）洗筛漏斗：
上口直径大于洗筛直径，下口直径略小于量筒径。
5）天平：
称量1000g，最小分度值0.1g；称量200g，最小分度值0.01g。
6）搅拌器：
轮径50mm，孔径3mm，杆长约450mm，带螺旋叶。
7）煮沸设备：
附冷凝管装置。
8）温度计：
刻度0～50℃，最小分度值0.5℃。
9）其他：
秒表，锥形瓶（容积500mL）、研钵、木杵、电导率仪等。
2试剂：
1）4%六偏磷酸钠溶液：
溶解4g六偏磷酸钠于100mL水中。
2）5%酸性硝酸银溶液：
溶解5g硝酸银于100mL的10%硝酸溶液中。
3）5%酸性氯化钡溶液：
溶解5g氯化钡于100mL的10%盐酸溶液中。
2试验步骤
1试验的试样，宜采用风干试样。
当试样中易溶盐含量大于0.5%时，应洗盐。
具体方法步骤详见《土工试验方法标准》GBT50123-1999。
2称取具有代表性风干试样200—300g，过2mm筛，求出筛上试样占试样总质量的百分比。
取筛下土测定试样风干含水率。
3将土样拌和均匀，称取30g的风干土样作为试样，当采用天然含水量为土样作为试样时，按下式计算所需湿土质量：
为30g的风干试样质量按下式计算：
当易溶盐含量小于1%时，
m0＝30（1+0.01）
当易溶盐含量大于、等于1%时，
m0＝[30（1+0.01）]/（1-）
4将风干试样或洗盐后在滤纸上的试样，倒入500mL锥形瓶，注入纯水200mL，浸泡过夜，然后置于煮沸设备上煮沸，煮沸时间宜为40min。
5试验冷却后，搅拌，静置1min，通过洗筛漏斗将上部悬液过0.075mm筛转移到颗分试验用的量筒中，再加适量水搅拌，静置1min，再将上部悬液过0.075mm筛，如此重复清洗（每次清洗，最后所得悬液不得超过1000mL）直至锥形瓶中上部悬液清澈。
向量筒中加入4％六偏磷酸钠10mL，再注入纯水至1000mL。
6将搅拌器放入量筒中，沿悬液深度上下搅拌1min，取出搅拌器，立即开动秒表，将密度计放入悬液中，测记0.5、1、2、5、15、30、60、120和1440min时的密度计读数。
每次读数均应在预定时间前10～20s，将密度计放入悬液中。
且接近读数的深度，保持密度计浮泡处在量筒中心，不得贴近量筒壁。
7密度计读数均以弯液面上缘为准，甲种密度计应准确至0.5，乙种密度计应准确至0.0002。
每次读数后，应取出密度计放入盛有纯水的量筒中（0.5、1min时除外），并应测定相应的悬液温度计准确至5℃，放入或取出密度计时，应小心轻放，不得扰动悬液。
8小于某粒径的试样质量占试样总质量的百分比应按下式计算：
（甲种密度计）。
式中X——小于某粒径的试样质量百分比（％）；
md——试样干质量（g）；
CG——土粒比重校正值（查附录A表1）；
mT——悬液温度校正值（查附录A表2）；
n——弯月面校正值（查附录A表3，具体步骤详见“附录B.0.3”）；
CD——分散剂校正值（具体步骤详见“附录B.0.4”；）；
R——甲种密度计读数。
10试样颗粒粒径按下式计算：
式中，d——试样颗粒粒径（mm）；
（查附录A表4）；
η——水的动力粘滞系数（kPa·s×10
）；
GwT——T℃时水的比重；
ρwT——4℃时纯水的密度（g／cm
）；
L——某一时间的土粒沉降距离（cm）；
t——沉降时间（s）；
g——重力加速度（cm／s2）。
11颗粒大小分布曲线，应按筛析法中规定的步骤绘制，当密度计法和筛析法联合分析时，应将试样总质量折算后绘制颗粒大小分布曲线；并应将两段曲线连成一条平滑的曲线。
附录A密度计校正表
表1土粒比重校正表
土粒比重
校正值
土粒比重
校正值
土粒比重
校正值
土粒比重
校正值
2.50
1.038
2.60
1.012
2.70
0.989
2.80
0.969
2.52
1.032
2.62
1.007
2.72
0.985
2.82
0.965
2.54
1.027
2.64
1.002
2.74
0.981
2.84
0.961
2.56
1.022
2.66
0.998
2.76
0.977
2.86
0.958
2.58
1.017
2.68
0.993
2.78
0.973
2.88
0.954
表2悬液温度校正表
温度（℃）
校正值
温度（℃）
校正值
温度（℃）
校正值
温度（℃）
校正值
10.0
-2.0
15.0
-1.2
19.5
-0.1
25.0
+1.7
10.5
-1.9
15.5
-1.1
20.0
0.0
25.5
+1.9
11.0
-1.9
16.0
-1.0
21.0
+0.3
26.0
+2.1
11.5
-1.8
16.5
-0.9
21.5
+0.5
26.5
+2.2
12.0
-1.8
17.0
-0.8
22.0
+0.6
27.0
+2.5
12.5
-1.7
17.5
-0.7
22.5
+0.8
27.5
+2.6
13.0
-1.6
18.0
-0.5
23.0
+0.9
28.0
+2.9
13.5
-1.5
18.0
-0.5
23.5
+1.1
28.5
+3.1
14.0
-1.4
18.5
-0.4
24.0
+1.3
29.0
+3.3
14.5
-1.3
19.0
-0.3
24.5
+1.5
29.5
+3.5
30.0
+3.7
表3弯月面校正值
20℃时
密度计
刻度
20℃时标准溶液浓度
每升标准
溶液中所
需的
试验时温度
由实测溶液密度所计算的密度计准确读数
校正时由密度计测定的平均读数
刻度及弯液
面校正值
甲1
乙1
NaC1
H2SO4
甲1
乙1
甲1
乙1
甲1
乙1
（g/L）
1
（g/ml）
（g）
（ml）
（℃）
（g/L）
1
（g/L）
1
（g/L）
1
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
（7）
0
1.000
0.998232
0
0
20
6
1.0000
-1.8
0.9996
1.8
0.0004
5
1．0031
1.001349
4.56
2.5
20
5.1
1.0034
3.0
1.0030
2.1
0.0004
10
1．0062
1.004465
8.94
4.9
20
9.7
1.0064
8.6
1.0059
1.1
0.0005
15
1．0094
1.007582
13.30
7.4
20
15.1
1.0096
12.9
1.0088
2.2
0.0008
20
1．0125
1.010698
17.79
9.8
20
20.0
1.0128
19.0
1.0120
1.0
0.0008
25
1．0256
1.013815
22.30
12.6
20
25.1
1.0158
23.2
1.0152
1.9
0.0006
30
1．0187
1.016931
26.73
15.5
20
30.1
1.0188
28.3
1.0180
1.8
0.0008
35
1．0219
1.020048
31.11
18.3
20
34.6
1.0220
33.5
1.0210
1.1
0.0010
40
1.023165
35.61
20.8
20
40.0
38.0
2.0
45
1.025282
40.32
23.4
20
45.1
42.6
2.5
50
1.029398
44.88
26.0
20
49.9
47.1
2.8
表4粒径计算系数
值表
温度
密度
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
2.45
0.1385
0.1365
0.1344
0.1324
0.1305
0.1288
0.1270
0.1253
0.1235
0.1221
0.1205
0.1189
0.1173
2.50
0.1360
0.1342
0.1321
0.1302
0.1283
0.1267
0.1249
0.1232
0.1214
0.1200
0.1184
0.1169
0.1154
2.55
0.1339
0.1320
0.1300
0.1281
0.1262
0.1247
0.1229
0.1212
0.1195
0.1180
0.1165
0.1150
0.1135
2.60
0.1318
0.1299
0.1280
0.1260
0.1242
0.1227
0.1209
0.1193
0.1175
0.1162
0.1148
0.1132
0.1118
2.65
0.1298
0.1280
0.1260
0.1241
0.1224
0.1208
0.1190
0.1175
0.1158
0.1149
0.1130
0.1115
0.1100
2.70
0.1279
0.1261
0.1241
0.1223
0.1205
0.1189
0.1173
0.1157
0.1141
0.1127
0.1113
0.1098
0.1085
2.75
0.1261
0.1243
0.1224
0.1205
0.1187
0.1173
0.1156
0.1140
0.1124
0.1111
0.1096
0.1083
0.1069
2.80
0.1243
0.1225
0.1206
0.1188
0.1171
0.1156
0.1140
0.1124
0.1109
0.1095
0.1081
0.1067
0.1047
2.85
0.1226
0.1208
0.1189
0.1182
0.1164
0.1141
0.1124
0.1109
0.1094
0.1080
0.1067
0.1053
0.1039
温度
密度
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
2.45
0.1159
0.1145
0.1130
0.1118
0.1103
0.1091
0.1078
0.1065
0.1054
0.1041
0.1032
0.1019
0.1008
2.50
0.1140
0.1125
0.1111
0.1099
0.1085
0.1072
0.1061
0.1047
0.1035
0.1024
0.1014
0.1002
0.0991
2.55
0.1121
0.1108
0.1093
0.1081
0.1067
0.1055
0.1044
0.1031
0.1019
0.1007
0.0998
0.0986
0.0975
2.60
0.1103
0.1090
0.1075
0.1064
0.1050
0.1038
0.1028
0.1014
0.1003
0.0992
0.0982
0.0971
0.0960
2.65
0.1085
0.1073
0.1059
0.1043
0.1035
0.1023
0.1012
0.0999
0.0988
0.0977
0.0967
0.0956
0.0945
2.70
0.1071
0.1058
0.1043
0.1033
0.1019
0.1007
0.0997
0.0984
0.0973
0.0962
0.0953
0.0941
0.0931
2.75
0.1055
0.1031
0.1029
0.1018
0.1004
0.0993
0.0982
0.0970
0.0959
0.0948
0.0940
0.0928
0.0918
2.80
0.1040
0.1088
0.1014
0.1003
0.0990
0.0979
0.0960
0.0957
0.0946
0.0935
0.0926
0.0914
0.0905
2.85
0.1026
0.1014
0.1000
0.0990
0.0977
0.0966
0.0956
0.0943
0.0933
0.0923
0.0913
0.0903
0.0893
备注：
温度单位为℃，密度单位为g/cm3。
附录B密度计校正
B.0.1密度计校正包括下列容：
1土粒沉降距离校正：
密度计读数不仅表示悬液密度，同时也由悬液面至密度计浮泡体积中心的距离来表示土粒的沉降深度。
试验时，当密度计放入悬液后，液面随之升高，致使土粒沉降距离较实际为大，故在试验前应对密度计进行土粒沉降距离校正。
2刻度及弯液面校正：
密度计制造时，刻度不易准确，使用前必须进行校正。
另外，密度计的刻度一般以弯液面的下缘为准，而试验时密度计读数是以弯液面的上缘为准，故应进行弯液面校正。
刻度及弯液面校正可合并进行。
3分散剂校正：
密度计刻度是以纯水为标准的，当悬液中加入分散剂后，使悬液密度增大，故必须校正。
B.0.2土粒沉降距离校正（参照JTGE40-2007）：
1仪器设备：
1）密度计：
甲种（刻度为－5°~50°，最小分度值为0.5°）；乙种（20℃/20℃刻度为0.995~1.020，最小分度值为0.0002）。
2）量筒：
容量1L（径约60mm，刻度精确至10mL）；容积250mL，最小分度值1mL。
3）直尺：
长约（200±1）mm。
4）恒温水槽：
精确为±1℃。
5）其他设备：
密度计固定架，温度计。
2校正步骤：
1）测定密度计浮泡体积：
在250mL量筒加入约130mL纯水，并保持水温为20℃，测定量筒水面读数（以弯月面上缘为准）后画一标记，将密度计放入量筒中，使水面达密度计最低刻度处（以弯月面上缘为准），同时测记水面在量筒上的读数（以弯月面上缘为准）后再画一标记，两者之差即为密度计浮泡体积（Vb）读数准确至1mL。
2）测定密度计浮泡体积中心：
在测定浮泡体积Vb之后，将密度计向上缓缓垂直提起使水面恰落至两标记的正中间，此时水面与浮泡相切处（以弯月面上缘为准），即为浮泡体积中心。
将密度计固定在支架上，用直尺准确量出水面至密度计最低刻度的垂直距离（L0）。
图B.0.2土粒沉降距离校正
3）测定1L量筒径，准确至1mm，并算出量筒面积。
4）量出自密度计最低刻度至玻璃杆上各分度处的距离（L1），每隔5格或10格测量一次，估读至0.1mm。
3土粒有效沉降距离按下式计算（见图B.0.2）：
（D.2.2）
式中L——土粒有效沉降距离（cm）；
L1——自最低刻度至玻璃杆上各刻度的距离（cm）；
L0——密度计浮泡中心至最低刻度的距离（cm）；
Vb——密度计浮泡体积（cm3）；
A——1L量筒的面积（cm2）。
4土粒沉降距离校正计算表，应符合表B.0.2-1或表B.0.2-2的要求。
表B.0.2-1土粒沉降距离校正计算表
密度计编号甲1
1L量筒编号1号
密度计浮泡体积（Vb）86.0cm3
1L量筒径（D）6.79cm
密度计浮泡中心至最低分度距离（L0）8.6cm
1L量筒面积（A）36.19cm2
弯液面校正值（n）-1.2
密度计刻度
由最低分度至各分度距离
土粒有效沉降距离
密度计读数
密度计读数RH
密度计读数RH~土粒沉降距离L关系图
R
L1
L
R＋n
（cm）
（cm）
0
10.58
17.99
-1.2
10
8.41
15.82
8.8
20
6.35
13.76
18.8
30
4.22
11.63
28.8
40
2.02
9.43
38.8
50
0
7.41
48.8
表B.0.2-2土粒沉降距离校正计算表
密度计编号乙1
1L量筒编号9号
密度计浮泡体积（V'b）60.0cm3
1L量筒直径（D）6.63cm
密度计浮泡中心至最低分度距离（L'0）8.8cm
1L量筒面积（A）34.52cm2
弯液面校正值（n'）-0.0004
密度计刻度
由最低分度至各分度距离
土粒有效沉降距离
密度计读数
密度计读数
密度计读数
~土粒沉降距离L'关系图
R'
L'1
L'
R'＋n'
（cm）
（cm）
0.955
14.180
22.411
0.9946
1.000
11.651
19.582
0.9996
1.005
8.759
16.690
1.0046
1.010
5.863
13.794
1.0096
1.015
2.910
10.841
1.0146
1.020
0
7.931
1.0196
B.0.3刻度及弯液面校正：
1仪器设备：
1）量瓶：
容积100ml。
2）烧杯：
容量1000ml。
3）电动拌搅器。
4）分析天平：
称量100g，分度值0.1mg。
5）无水氯化钠或密度为1.84g/cm3的硫酸。
6）其他设备同B.0.2。
2校正步骤：
1）于1L烧杯中加纯水700ml，按附录A表3中第（3）项规定的硫酸数量，用滴定管依次加入密度为1.84g/cm3的硫酸于烧杯中，用玻棒搅拌均匀；或按表附录A表3中第3项规定称取化学纯氯化钠数量于500ml烧杯中，加纯水约200ml，用玻棒搅拌至完全溶解。
然后倒入1L量筒中并用纯水稀释至刻度，另取一盛纯水的量筒以供清洗、存放密度计之用。
2）将盛有标准溶液的量筒放入20℃恒温水槽中，用搅拌器搅拌筒溶液，待筒温度达20℃时，将擦干净的密度计依次放入各量筒中，以弯液面上缘为准读数，甲种密度计估读至0.1；乙种密度计估读至0.0001，每次读数后，取出密度计放入盛纯水的量筒中清洗。
至少测记读数两次，取其平均值记入附录A表3第（6）栏中。
3）从量筒取出一部分溶液，分别装满两个100ml（或50ml）的量瓶，放入恒温为20℃的水槽，待恒温后，塞好瓶塞，擦干量瓶，称量，精确至0.0001g。
4）倾去量瓶溶液，洗净后装满纯水放入恒温20℃水槽，待恒温后，盖好瓶塞，擦干后称量，精确至0.0001g。
B.0.4分散剂校正
1仪器设备
1）搅拌器：
搅拌杆应高出量筒。
2）分散剂：
4％六偏磷酸钠。
其他设备同B.0.2.。
2校正步骤
1）注适量纯水于1L量筒中，再加入用量与试验时相同的4％六偏磷酸钠（NaPO3）6溶液，然后用纯水稀释至刻度。
2）放搅拌器于量筒上、上搅拌均匀；另取一个1L量筒注纯水至刻度，两者同时放入恒温水槽中使至20℃恒温。
3）先将密度计放入纯水量筒中，测记密度计读数；取出密度计再放入加分散剂的量筒中，测记密度计读数，两者读数之差即为分散剂校正值。
3分散剂校正值计算：
CD=RD20-RH20
式中CD——分散剂校正值；
RD20——加分散剂溶液密度计读数；
RH20——纯水中密度计读数。
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