ふるい分析

粒度分布測定
基本概念
粒子サイズ、粒度、粒度分布、形態
方法とテクニック
メッシュスケール、光学粒度測定、ふるい分析、土壌粒度分布
関連概念
造粒、粒状物質、鉱物粉塵、パターン認識、動的光散乱
ヴ t e

ふるい分析（または粒度分布試験）は、地質学、土木工学^[1]、化学工学^[2]において、粒状物質を段階的に小さなメッシュサイズの一連のふるいに通過させ、各ふるいに止まった物質の量を全体の質量の割合として計量することによって、粒状物質の粒度分布（粒度分布とも呼ばれる）を評価するために使用される実践または手順です。

粒度分布は、使用時に材料がどのように機能するかにとって非常に重要であることが多い。ふるい分析は、砂、砕石、粘土、花崗岩、長石、石炭、土、広範囲の人工粉末、穀物、種子など、あらゆる種類の非有機または有機の粒状材料に対して、正確な方法に応じて最小サイズまで実行できます。粒子サイズを測る非常に単純な技術であるため、おそらく最も一般的なものです。^[3]

粒度分布試験は、実験室で骨材サンプルに対して行われます。典型的なふるい分析では、メッシュ サイズが段階的に設定された金網スクリーンを備えたふるいの列を使用します。

代表的な計量サンプルを、最も大きなスクリーン開口部を持つ上部のふるいに注ぎます。列内の下部のふるいは、上部のふるいよりも開口部が小さくなっています。底部には、レシーバーと呼ばれる受け皿があります。

カラムは通常、機械式シェーカー内に配置され、一定時間カラムを振動させて、すべての材料をスクリーンの開口部にさらし、穴を通過できるほど小さい粒子が次の層に落ちるようにします。振動が完了したら、各ふるい上の材料を計量します。各ふるいのサンプルの質量を総質量で割ると、各ふるいに残った割合が算出されます。次に、各ふるい上の平均粒子サイズを分析してカットオフ ポイントまたは特定のサイズ範囲を取得し、それをスクリーンに取り込みます。

このテストの結果は、骨材の特性を説明し、コンクリート混合物やアスファルト混合物に適した骨材の選択や水生産井戸スクリーンのサイズ決定など、さまざまな土木工学目的に適しているかどうかを確認するために使用されます。

この試験の結果は、骨材の粒度分布の種類を識別するためにグラフ形式で提供されます。この試験の完全な手順は、米国材料試験協会（ASTM）C 136 ^[4]および米国州間道路交通局（AASHTO）T 27 ^{[5]に概説されています。}

ふるいの巣の下に骨材に適したふるいサイズがあり、最も小さいふるいを通過した骨材を集めます。次に巣全体をかき混ぜ、メッシュの開口部よりも小さい直径の材料がふるいを通過します。骨材がパンに到達した後、各ふるいに残った材料の量を計量します。^[6]

試験を行うには、十分な量の骨材サンプルを採取する必要があります。サンプルを準備するには、骨材をよく混ぜ、試験に適した大きさにする必要があります。サンプルの総質量も必要です。^[6]

結果は、ふるいサイズに対する通過率のグラフで示されます。グラフでは、ふるいサイズの目盛りは対数です。各ふるいを通過する骨材の割合を求めるには、まず各ふるいに残る割合を求めます。そのためには、次の式を使用します。

保持率 = ×100% ${\displaystyle {\frac {W_{ふるい}}{W_{合計}}}}$

ここで、W _Sieveはふるい内の骨材の質量、W _Totalは骨材の総質量です。次のステップは、各ふるいに残った骨材の累積パーセントを求めることです。そのためには、各ふるいに残った骨材の総量と、前のふるいの量を合計します。骨材の累積通過パーセントは、100% から残ったパーセントを引くことで求められます。

累積合格率 = 100% - 累積留年率。

次に、累積通過率をy軸に、ふるいサイズを対数でx軸にとったグラフに値をプロットします。^[6]

% 合格率の式には 2 つのバージョンがあります。.45 累乗式は .45 累乗グラデーション チャートに示され、より単純な % 合格率は片対数グラデーション チャートに表示されます。合格率グラフのバージョンは、.45 累乗チャートと .45 合格式を使用して表示されます。

.45 パワー パーセンテージの合格式

合格率 = P _i = x100% ${\displaystyle {\frac {Sieve_{Largest}}{Aggregate_{max-size}}}}$

どこ：

_{最大ふるい}- 使用される最大直径のふるい (mm)。
骨材最大_サイズ- サンプル内の骨材の最大片 (mm)。

合格率の計算式

合格率 = x100% ${\displaystyle {\frac {W_{下}}{W_{合計}}}}$

どこ：

W_下- 現在のふるいの下のふるい内の骨材の合計質量。現在のふるいの骨材は含まれません。

W_合計- サンプル内のすべての骨材の合計質量。

測定対象となる材料に応じて、ふるい分析を実行するためのさまざまな方法があります。

ここで、サンプルに投げる動作が作用します。垂直の投げる動作にわずかな円運動が重なり、サンプル量がふるい面全体に分散されます。粒子は垂直方向に加速されます (上向きに投げられます)。空気中では粒子は自由回転し、落下時にふるいのメッシュの開口部と相互作用します。粒子が開口部よりも小さい場合は、ふるいを通過します。粒子が大きい場合は投げられます。浮遊中の回転運動により、粒子が再び落下するときにメッシュに対して異なる方向を示す可能性が高まり、最終的にメッシュを通過する可能性があります。最新のふるい振とう機は、スプリングマスシステムを動かし、その結果生じる振動をふるいスタックに伝える電磁駆動装置で動作します。振幅とふるい分け時間はデジタルで設定され、統合された制御ユニットによって継続的に監視されます。したがって、ふるい分けの結果は再現可能で正確です (重要な分析のための重要な前提条件)。振幅やふるい分け時間などのパラメータを調整することで、さまざまな種類の材料のふるい分けを最適化できます。この方法は、研究室部門で最も一般的です。^[7]

水平ふるい振とう機では、ふるいスタックが平面内で水平方向に円を描いて移動します。水平ふるい振とう機は、針状、平ら、長い、または繊維状のサンプルに適しています。水平方向に配置されているため、方向が定まっていない粒子がメッシュに入ることが少なく、ふるいがすぐに詰まることはありません。ふるい分け領域が広いため、たとえば建設資材や骨材の粒度分析で発生する大量のサンプルをふるい分けることができます。

水平方向の円運動が、叩く衝撃によって生じる垂直運動の上に重なります。これらの運動プロセスは、手作業によるふるい分けの特徴であり、スローアクションふるい振とう機よりも密度の高い粒子 (研磨剤など) のふるい分けの度合いが高くなります。

ふるい分析のほとんどは乾式で行われます。しかし、湿式ふるい分けでしか実行できないアプリケーションもあります。これは、分析するサンプルが例えば乾燥してはならない懸濁液である場合、またはサンプルが凝集する傾向がある非常に細かい粉末である場合（ほとんどの場合、< 45 μm）の場合です。乾式ふるい分けプロセスでは、この傾向によりふるいのメッシュが詰まり、それ以上のふるい分けプロセスが不可能になります。湿式ふるい分けプロセスは乾式プロセスのようにセットアップされます。つまり、ふるいスタックをふるい振とう機に固定し、サンプルを上部のふるいに置きます。上部のふるいの上には、ふるい分け動作に加えてふるい分けプロセスをサポートする水噴霧ノズルが配置されます。すすぎは、レシーバーから排出される液体が透明になるまで行われます。ふるい上のサンプル残留物は、乾燥させて計量する必要があります。湿式ふるい分けでは、サンプルの体積が変化しないこと（膨張、溶解、液体との反応がない）が非常に重要です。

エアジェットふるい機は、凝集しやすく振動ふるいでは分離できない非常に細かい粉末に最適です。このふるい分け方法が効果的な理由は、ふるいチャンバー内の回転するスロット付きノズルと、チャンバーに接続された強力な工業用掃除機の 2 つのコンポーネントに基づいています。掃除機はふるいチャンバー内に真空を発生させ、スロット付きノズルから新鮮な空気を吸い込みます。ノズルの狭いスリットを通過すると、空気の流れが加速され、ふるいのメッシュに吹き付けられ、粒子を分散させます。メッシュ上では、エアジェットがふるいの表面全体に分散され、ふるいのメッシュを通して低速で吸い込まれます。このようにして、より細かい粒子がメッシュの開口部から掃除機に運ばれます。

濃密なグラデーション

密粒度とは、様々な大きさの骨材がほぼ同量含まれているサンプルを指します。密粒度では、材料間の空気の隙間のほとんどが粒子で満たされます。密粒度では、粒度グラフ上で均一な曲線が得られます。^[8]

狭いグラデーション

均一粒度分布とも呼ばれる狭粒度分布は、ほぼ同じ大きさの骨材を持つサンプルです。粒度分布グラフの曲線は非常に急勾配で、骨材の狭い範囲を占めます。^[6]

ギャップグラデーション

ギャップ粒度分布とは、中粒度範囲の骨材が非常に少ないサンプルを指します。これにより、粗骨材と細骨材のみになります。粒度分布グラフでは、中粒度範囲の曲線は水平になります。^[6]

オープングラデーション

オープン粒度分布とは、骨材サンプルに非常に小さな細骨材粒子が含まれていることを意味します。細骨材粒子が充填されていないため、多くの気孔が生じます。粒度分布グラフでは、小さな粒度範囲で水平の曲線として表示されます。^[6]

豊かなグラデーション

粒度分布が豊富な骨材サンプルとは、小粒度の粒子の割合が高い骨材サンプルを指します。^[8]

編み金網ふるい

織り金網ふるいはISO 3310-1の技術要件に準拠しています。^[9]これらのふるいの公称開口部は通常20マイクロメートルから3.55ミリメートルの範囲で、直径は100から450ミリメートルの範囲です。

多孔板ふるい

多孔板ふるいはISO 3310-2に準拠しており、公称開口部は1ミリメートルから125ミリメートルの範囲の円形または正方形です。^[10]ふるいの直径は200ミリメートルから450ミリメートルの範囲です。

アメリカ標準ふるい

ASTMふるいとしても知られるアメリカ標準ふるいは、ASTM E11規格に準拠しています。^[11]これらのふるいの公称口径は20マイクロメートルから200ミリメートルの範囲ですが、これらのふるいの直径サイズは8インチ（203ミリメートル）と12インチ（305ミリメートル）のみです。

ふるい分析は、一般的に、粒子サイズに基づいて材料の品質を監視するために数十年にわたって使用されてきました。#100 メッシュ (150 μm) までの粗い材料の場合、ふるい分析と粒子サイズ分布は正確で一貫性があります。

ただし、100 メッシュより細かい材料の場合、乾式ふるい分けの精度は大幅に低下する可能性があります。これは、粒子が開口部を通過するために必要な機械的エネルギーと、粒子同士および粒子とスクリーン間の表面引力効果が、粒子サイズが小さくなるにつれて増加するためです。湿式ふるい分け分析は、分析対象の材料が液体の影響を受けない場合 (分散させる場合を除く) に利用できます。粒子を適切な液体に懸濁すると、乾式材料を振るよりも、細かい材料がはるかに効率的にふるいを通過します。

ふるい分析では、すべての粒子が丸い（球形）かそれに近い形であり、粒子の直径がスクリーンの四角い開口部のサイズより小さい場合は四角い開口部を通過すると想定されます。細長い粒子や平らな粒子の場合、報告される粒子サイズは粒子が球形であると想定するため、ふるい分析では信頼できる質量ベースの結果は得られません。実際には、細長い粒子はスクリーンの端から通過する可能性がありますが、横から通過した場合は通過できません。

粒度分布は、嵩密度、物理的安定性、透水性など、骨材の多くの特性に影響します。粒度分布を慎重に選択することで、高い嵩密度、高い物理的安定性、低い透水性を実現できます。舗装設計では、耐水性を備えた作業性が高く安定した混合物が重要であるため、これは重要です。粒度分布が開いている場合、微粒子が不足しているため嵩密度は比較的低く、物理的安定性は中程度で、透水性は非常に高くなります。粒度分布が豊富な場合、嵩密度も低く、物理的安定性も低く、透水性も低くなります。粒度分布は、特定のエンジニアリング用途に望ましい特性を実現するために影響を与えることができます。^[8]

粒度分布は通常、使用される各工学用途ごとに指定されます。たとえば、基礎には粗骨材のみが必要な場合があり、そのため開放粒度分布が必要になります。ふるい分析は、特定の土壌サンプルの粒度分布を判定するため、土壌の機械的特性を簡単に特定するのに役立ちます。これらの機械的特性により、特定の土壌が提案された工学構造をサポートできるかどうかが判定されます。また、土壌に適用できる変更と、土壌の強度を最大限に高める最適な方法を決定するのにも役立ちます。

• 土壌の粒度分布
• 光分析による自動ふるい分け
• 光学粒度測定

• さまざまな材料のふるい分析のための ASTM 試験方法のリスト
• ASTM C136 / C136M - 14 細骨材および粗骨材のふるい分析のための標準試験方法
• ASTM B214 - 16 金属粉末のふるい分析のための標準試験方法