加權(quán)平均法在砂復(fù)配中的應(yīng)用

劉臻一，黃振興

（杭州申華混凝土有限公司，浙江 杭州 311108）

加權(quán)平均法在砂復(fù)配中的應(yīng)用

劉臻一，黃振興

（杭州申華混凝土有限公司，浙江 杭州 311108）

為了使復(fù)合砂更好地應(yīng)用于混凝土配合比設(shè)計中，快速得到復(fù)合砂的顆粒級配性能，本文通過大量試驗數(shù)據(jù)分析和驗證了加權(quán)平均法計算得到的復(fù)合砂的顆粒級配性能值和實測值具有極高的一致性，表明此方法的準確性。通過此方法，可以快速地計算出兩種或多種砂在不同比例下相應(yīng)的復(fù)合砂的顆粒級配，并計算出細度模數(shù)。

復(fù)合砂；應(yīng)用；加權(quán)平均法；顆粒級配

0　前言

由于天然中砂資源的日益枯竭及成本上漲，越來越多的預(yù)拌混凝土企業(yè)和工程單位在實際生產(chǎn)中開始采用粗砂或機制砂復(fù)合一定比例的細砂或特細砂，以求達到 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標準》[1]規(guī)定的Ⅱ區(qū)中砂的使用效果。但在實際中使用這種復(fù)合砂時，不同細度的砂用多少比例，顆粒級配性能是否能達到規(guī)范規(guī)定的Ⅱ區(qū)中砂的要求，則沒有多少工程技術(shù)人員從理論上進行細致的研究[2]。一些實踐經(jīng)驗比較豐富的工程技術(shù)人員，憑借自己的實踐積累，在實際中應(yīng)用會有一個大概的數(shù)據(jù)。而對于一些經(jīng)驗不足的技術(shù)人員，就會顯得無所適從，找不到恰當?shù)氖褂帽壤?，在?yīng)用中顯得問題重重。有些工程技術(shù)人員會使用原始的篩分試驗，用很長時間，費很大力氣才找到合適的比例，但當某種砂的性能發(fā)生較大的變化時，又要重新通過試驗來找出新的比例參數(shù)，形成較大的工作量。

為了快速有效地得到復(fù)合砂的顆粒級配數(shù)據(jù)，本文通過大量的試驗數(shù)據(jù)進行分析，借鑒數(shù)學(xué)上的加權(quán)平均法的算法，發(fā)現(xiàn)在已知幾種砂的累計篩余值后，通過加權(quán)平均法計算出復(fù)合砂不同粒徑的累計篩余值，與按相同比例復(fù)合砂的實際累計篩余值是一致的。由此可以通過加權(quán)平均法，快速地計算出復(fù)合砂的各個粒徑的累計篩余值，從而得出復(fù)合砂的顆粒級配性能并計算出細度模數(shù)，為配合比設(shè)計及實際生產(chǎn)提供服務(wù)。

1　加權(quán)平均法計算砂顆粒級配性能的驗證

1.1加權(quán)平均法

加權(quán)平均法是數(shù)學(xué)上的一種計算方式，主要使用在統(tǒng)計預(yù)算領(lǐng)域，是一種趨勢分析法。本文的算法是結(jié)合砂復(fù)合計算的特性，在一般的加權(quán)平均法上，稍作改進，具體算法為：

式中：

s ——復(fù)合砂在某一公稱粒徑下的累計篩余計算值；

sk—— k 砂在相對應(yīng)公稱粒徑下的累計篩余實測值；

fk—— k 砂在復(fù)合砂中的權(quán)重，%。

1.2加權(quán)平均法計算值與實際篩余值比較

通過公式 (1) 計算出各砂在不同公稱粒徑下的累計篩余值，可以得出復(fù)合砂的顆粒級配，與規(guī)范所要求的值進行比較，看是否滿足配合比設(shè)計所需要的Ⅱ區(qū)中砂級配要求，再通過細度模數(shù)公式就可以計算出復(fù)合砂的細度模數(shù)，為配合比設(shè)計提供服務(wù)。

Ⅱ區(qū)中砂顆粒級配規(guī)范要求見表 1，顆粒級配區(qū)間見圖1。

細度模數(shù)計算為公式為：

表1?、騾^(qū)中砂顆粒級配規(guī)范要求

圖1?、騾^(qū)中砂級配區(qū)間圖

式中：

μf——砂的細度模數(shù)；

β1, β2, β3, β4, β5, β6——分別為公稱直徑 5.00mm、2.50mm、1.25mm、630μm、315μm、160μm方孔篩上的累計篩余。

以某一天然中砂為基準，另一特細砂以每 5% 質(zhì)量為一檔，以 5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40% 八檔不同比例替代天然中砂，按 JGJ 52—2006 標準要求進行篩分析試驗，試驗結(jié)果見表 2。

為了驗證加權(quán)平均法的準確性，便于比較計算值和實測值之間的差異性，在各篩累計篩余值和細度模數(shù)上，數(shù)據(jù)精度取值比規(guī)范要求大一位。

以天然中砂和特細砂的篩分結(jié)果為基礎(chǔ)，用加權(quán)平均法計算各不同公稱粒徑篩的累計篩余，以細度模數(shù)公式來計算復(fù)合砂細度模數(shù)，計算結(jié)果見表 3。

表2　砂不同比例復(fù)合實測試驗篩分析結(jié)果

表3　加權(quán)平均法計算復(fù)合砂篩分析結(jié)果

不同比例特細砂和中砂所組成的復(fù)合砂實測值和加權(quán)平均法計算值各公稱粒徑累計篩余對應(yīng)關(guān)系見圖 2～9。

圖2　5% 細砂 95% 中砂復(fù)合結(jié)果實測值和計算值對比圖

圖3　10% 細砂 90% 中砂復(fù)合結(jié)果實測值和計算值對比圖

圖4　15% 細砂 85% 中砂復(fù)合結(jié)果實測值和計算值對比圖

圖5　20% 細砂 80% 中砂復(fù)合結(jié)果實測值和計算值對比圖

從表 2 和表 3 及圖 2～9 分析來看，加權(quán)平均法計算出的結(jié)果值和實際篩分值具有極高的一致性。由此可以判定，在已知基本砂篩分析結(jié)果的情況下，設(shè)定復(fù)合砂所需要各基本砂的比例，通過加權(quán)平均法計算各基本砂某一公稱粒徑下累計篩余值，就得到復(fù)合砂的相同公稱粒徑下的累計篩余值。所以，細度模數(shù)在兩種方法下所得值也應(yīng)該相同。細度模數(shù)實測值和計算值對比關(guān)系見圖 10。

圖6　25% 細砂 75% 中砂復(fù)合結(jié)果實測值和計算值對比圖

圖7　30% 細砂 70% 中砂復(fù)合結(jié)果實測值和計算值對比圖

圖8　35% 細砂 65% 中砂復(fù)合結(jié)果實測值和計算值對比圖

圖9　40% 細砂 60% 中砂復(fù)合結(jié)果實測值和計算值對比圖

圖10　不同比例細砂摻量實測細度模數(shù)和計算細度模數(shù)對比圖

分析可知，復(fù)合砂通過加權(quán)平均法計算后，就是根據(jù)每種基本砂在復(fù)合砂中的使用比例，各基本砂某一相同公稱粒徑下的累計篩余值，分別計算后進行相加，得到復(fù)合砂的在此公稱粒徑下的累計篩余值。從理論上來講，試驗值和計算值應(yīng)該是相等的，但因基本砂在復(fù)合后實測過程中，會有一定的人為誤差，使實測值和計算值稍有出入。

因此在使用此方法進行計算時，一定要把需要復(fù)合的基本砂的篩分分析做準確，因為復(fù)合砂在計算時所使用的基本砂的各公稱粒徑累計篩余值，只能通過試驗實測得出，只有基本砂測出的值越準確，通過加權(quán)平均法計算后的復(fù)合砂就越接近于實際值。

由此可以采用此方法，作為一種工具，在知道兩種或多種砂篩分分析結(jié)果的情況下，快速計算出復(fù)合砂的累計篩余值，判斷出復(fù)合砂的顆粒級配性能，再根據(jù)細度模數(shù)公式，計算出復(fù)合砂的細度模數(shù)，為配合比設(shè)計做好服務(wù)。

2　加權(quán)平均法的案例應(yīng)用

某公司配合比設(shè)計時的砂細度模數(shù)是 2.5 左右的天然中砂，因某些原因?qū)е略瓉碛玫纳安荒苷９?yīng)，而當時市場上能采購到細度 3.1 左右的天然粗砂和細度 1.5 左右的天然細砂。因臨時更換比較緊急，采用試驗來找砂的使用參數(shù)已來不及，為保證生產(chǎn)，通過加權(quán)平均法計算砂的顆粒級配性能，在計算的基礎(chǔ)上通過混凝土驗證砂的使用性能。

原用中砂和現(xiàn)在采購到的兩種砂篩分析性能見表 4。加權(quán)平均法計算出的復(fù)合砂篩分分析性能見表 5。原用中砂和復(fù)合砂的顆粒機配性能對比見圖 11。

表4　原用中砂和現(xiàn)采購天然砂的篩分析結(jié)果

通過表 4～5 和圖 11 分析來看，復(fù)合砂 A、B、C 的顆粒級配曲線和原用中砂的曲線是比較相近的。從數(shù)據(jù)上來看，粗砂和細砂比例為 70:30 時，所復(fù)合出的復(fù)合砂 B 的細度模數(shù)和原用中砂是一致的，顆粒級配曲線最為接近，滿足 Ⅱ 區(qū)中砂的技術(shù)要求。為了實際生產(chǎn)使用方便，把粗砂和細砂比例控制在 75:25 與 65:35 之間，砂的顆粒級配性能和細度模數(shù)都符合原來配合比設(shè)計的要求，應(yīng)該不會對混凝土性能產(chǎn)生影響。

表5　加權(quán)平均法計算復(fù)合砂篩分析結(jié)果

圖11　原用中砂和復(fù)合砂的顆粒機配性能對比圖

采用復(fù)合砂 B 進行小級配試驗驗證，混凝土性能正常，確認了復(fù)合砂的性能，快速地應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，順利地通過了材料的轉(zhuǎn)換，未對生產(chǎn)造成任何不利影響。

3　結(jié)語

在今天優(yōu)良的天然中砂資源日益緊缺，機制砂顆粒級配性能還不是很合理，各地又具有細砂或特細砂資源的大背景下，采用粗的天然砂或機制砂與一定比例的細砂或特細砂進行復(fù)合使用，對砂資源缺少或不好的地區(qū)，是比較現(xiàn)實也是比較經(jīng)濟的選擇。

本文通過大量試驗，驗證了加權(quán)平均法計算值與實測值的一致性，表明加權(quán)平均法計算復(fù)合砂的細度模數(shù)和顆粒級配性能是非常實用且簡單的，可以從理論上供工程技術(shù)人員在使用不同砂進行復(fù)合時作以參考，為配合比設(shè)計或?qū)嶋H生產(chǎn)提供服務(wù)。

[1] JGJ 52—2006，普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標準[S]．

[2] 王瓊．復(fù)合砂配制技術(shù)及其性能研究[J]．粉煤灰，2011,2: 21-23．

［通訊地址］浙江省杭州市余杭區(qū)崇賢街道四維村 杭州申華混凝土有限公司（311108）

劉臻一（1982—），男，工程師，主要研究混凝土和外加劑的應(yīng)用，參與過京滬線、石武線、滬寧線、滬杭線、寧杭線、杭甬線、杭長線、合福線等高鐵建設(shè)。