土壤的粒度分布原理

土壤的滲透率取決于其顆粒分布情況，從而影響其對肥料和水的需求量。如果土壤顆粒較大，則可以確保更好的滲透率。相反，小顆粒提供更高的保水率。如表1所示，粘土、淤泥和沙子是由它們的顆粒大小來定義的。在ISO 14688-1:2002所規(guī)定的國際分類中，單位為毫米。

粒度測定不僅有助于確定風化過程發(fā)生的位置，如在水面以上或在海洋深處，而且有助于確定這些顆粒在海洋大陸架中的位置。

傳統(tǒng)中測定土壤和海洋沉積物粒度分布的方法是篩分和沉積分析。然而，與這些相比，激光衍射有很多優(yōu)點。如激光衍射測量速度快，測量范圍更大，同時大大提高對小顆粒尺寸(< 2μm)檢測的準確性。此外，激光衍射法還可以進行系列測量，且其測量結(jié)果具有可重復性。

• 土壤

樣品為某建筑企業(yè)提供的兩種土壤樣品。采樣深度分別為3米(樣本3米)和5米(樣本5米)。此外，還對耕層(最上層20厘米)的樣品進行了測試。為了研究粘土和淤泥顆粒的最佳分散條件，實驗中應用了三種樣品制備方法。

1：樣品預處理

對樣品進行預處理，確保去除其中的有機物和碳酸鹽。預處理后，粘土和淤泥顆粒之間的粘連被破壞，從而減少顆粒之間的團聚。

2：樣品預分散

在第二種樣品制備方法中，不進行預處理。將濕樣品在放置在0.1% SHMP溶液中預分散過夜。一般情況下，SHMP溶液濃度可達4%即可。

3：無樣品預處理，無樣品預分散

在第三種樣品制備方法中，樣品在50°C的烘箱中干燥，粉碎。然后將樣品分散在充0.1% SHMP溶液的分散池中。

• 海洋沉積物

測試樣品為海洋中的泥漿沉積物。測量時，使用0.1%的SHMP溶液作為分散介質(zhì)(方法3)。輸入表2中的參數(shù)，先進行測量背景，后進行加樣測試。

• 土壤

1、樣品深度3 m

圖2為3 m樣品經(jīng)三種不同制備方法分散后的光強分布和累積分布疊加圖。圖中可以看出，方法3制備的樣品，沒有進行預處理和預分散，粒徑分布向更大尺寸范圍偏移。這意味著顆粒仍然處于聚集狀態(tài)。其中，顆粒范圍< 2μm占2.8%，范圍2 - 50μm占73.6%(見表3)。方法1和2制備的樣品，其粒徑在粘土和淤泥顆粒區(qū)域分布更多。

樣品3 m由于有機組分(動植物碎屑)的存在，大顆粒的團聚體含量較高。樣品經(jīng)預處理后，大大改善了其分散狀態(tài)，因此，小顆粒含量也更高。

結(jié)合土壤類型三角圖和方法1測量結(jié)果(見圖1)，將樣品劃分為淤泥土類型。

圖2  三種分散方法處理后樣品（3m）的光強和累積分布結(jié)果

2、5 m深度采樣

三種樣品制備方法同樣用于樣品5 m的分散。圖3為測試的光強分布和累積分布峰形，累積分布詳細結(jié)果見表4。5 m深處的粘土和淤泥中含較少的有機物質(zhì)，使用添加劑如H3O3、HCl和SHMP對分散沒有太大影響。測試的結(jié)果如圖所示。

圖3 三種分散方法處理后樣品（5m）的光強和累積分布結(jié)果

粘土(0.04 - 2μm)和淤泥(2 - 50μm)約為4%和90%，通過查找土壤三角形，樣本被定義為淤泥土壤類型。

3、耕層取樣

未預分散的耕層土樣(方法3)和0.1% SHMP預分散后(方法2)的光強和累積分布如圖4所示。

圖4耕層樣品光強和累積分布結(jié)果

從圖4可以看出，樣品預處理使測量的粒徑分布向更小的粒徑范圍偏移。事實上，與樣品3 m和樣品5 m相比，耕層土壤中粘土的含量更高(見表5)。其含量為6.3%，淤泥的有效含量約為92%。

這種成分比例，使密實的耕層土壤具有很低的過濾能力，因此在降雨或灌溉之后，通常會出現(xiàn)飽和和積水問題。

• 海洋沉積物

海洋沉積物粒徑分布結(jié)果顯示其為多分散樣品，粒度分布的跨度為5.7(圖5)。為了縮小對其粒徑測試的范圍，軟件對小于63μm的顆粒進行統(tǒng)計，測量結(jié)果顯示90%的顆粒小于此粒徑。粘土和淤泥的含量較高表明，沉積物樣品是強風化作用的結(jié)果，風化的巖石經(jīng)風和水的傳播，沉積而成。

這種海洋沉積物通常沉積在海洋盆地的最深處，遠離海岸，受波浪和湍流的影響減小。

• 激光衍射法與篩分法和沉降法的對比

為了研究激光衍射法與其他更傳統(tǒng)的方法如篩分和沉降法(包括移液管法和比重計法)在土壤測量方面的主要差異，對其結(jié)果進行了對比分析。

1、篩分

圖6海洋沉積物的激光衍射光強與累積分布結(jié)果

表6 篩選法和激光衍射法測量海洋沉積物中土壤粒徑分布結(jié)果的對比。

與激光衍射測量相比，篩分檢測到的細顆粒比例更小。因為在篩分分析中，顆粒在粘結(jié)力的作用下迅速團聚增大，使顆粒不容易通過篩眼而堵塞在其上 。相比之下，激光粒度儀測試中由于攪拌和超聲的存在，能對顆粒進行更好的分散，減少團聚。

2、沉降

沉降技術將顆粒直徑定義為與未知尺寸顆粒在液體中具有相同沉降速度的理想球形顆粒的直徑相等。

另一個耕層土壤樣品的粒徑分布如圖7所示，表7是沉降和激光衍射法結(jié)果的對比

圖7激光衍射測得的耕層土樣光強和累積分布結(jié)果

表7: 沉降法和激光衍射法測量耕層土壤粒徑分布結(jié)果的對比

方程1：斯托克斯定律，其中??重力加速度，??(??)顆粒密度，??(??)液體密度，??粒徑和μ粘度。

由表7可見，沉降法中小于2μm的顆粒含量明顯高于激光衍射法。因為粘土等顆粒在沉降過程中不是球形，而是板狀或管狀的，其最大截面積垂直于運動方向(8)，因此顆粒的阻力增大，沉降速度減小。而沉降法中粒徑與沉降速度成正比(如公式1所示)，因此，隨著速度的降低，計算出的粒徑也隨之減小。因此，沉降法粒徑分布在< 2μm的范圍內(nèi)的含量更高。

本文用激光衍射法測定了土壤和海洋沉積物的粒度分布及其含量。從實驗結(jié)果可得到，PSA的測量范圍很廣，涵蓋了所有主要的沉積物組分，從亞微米級的粘土到毫米級的沙子，使PSA能夠滿足對廣泛樣本的表征。

從實驗得出，不同的測量技術得出不同的粒徑分布結(jié)果，因為每種技術都有特定的原理并因此引入其特有的偏差。

因此，只有在適當?shù)臈l件下，才能將激光衍射分析提供的數(shù)據(jù)與篩分和沉積技術提供的數(shù)據(jù)進行直接比較，這有助于解釋結(jié)果中存在的差異。

可以肯定的是，與其他技術相比，激光衍射粒度儀可以在更寬的粒徑范圍內(nèi)進行更快速且重復性好的測試。