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砂当量的研究之砂当量方程的建立与讨论及应用

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砂当量的研究之砂当量方程的建立与讨论及应用 Establishment,Discussion and Application 0f the Sand equivalent equation In the Sand eq livalent researchan e uiValent e Uati0n 1n tlle antl e Uiva t researcII 豳大连公路工程集团金州有限公司 姜增IIN/JIANG Zengshun肖庆元/XIAO Qingyuan门永 ̄I]/MEN Yonggang 摘要:本文通过向石屑(水洗后所得,粒径0.075N2.36 mm)中添加不同比例的同产地的石粉、泥土以及二者 的混合物(细粉)进行砂当量试验,找出砂当量与含泥量、石粉含量以及细粉含量(含泥量+石粉含量)的关系。并在 试验及有关文献的基础上总结并提出了理想状态下砂当量方程的概念,且结合试验对砂当量方程进行了相关的分析 与讨论。最后在总结试验经验的基础上以砂当量方程为基础,以实例说明了运用砂当量方程求解细集料中真正含泥量 的方法。 关键词:砂当量研究方程建立讨论应用 1 砂当量与含泥量的关系,表示为SE=f(Q 线性关系,数学表达式为 E (Q )= Q.2+BQ +c, 它们因试样的不同而不同。 当含泥量为0时,SE=C。 通过试验发现砂当量与含泥量之间存在着良好的 对于试验1和试验2来说, 当On=0时,它们的砂当 表1 其中的 、 、c为方程系数,当Q =0时,SE=C,试 验结果见表1及图1。 分析总结:从图1中我们可以很清楚地可以看出砂 试验1:Qn/% 0 5 10 15 20 试验1:SE/% 94.5 87.6 78.5 69.9 62-3 试验2:Qn/% O 5 1O 15 试验2:SE/% 81 72 54 38.3 当量随含泥量变化的规律:砂当量随含泥量的增加而 减小,而且砂当量与含泥量呈现良好的线性关系,其 相关系数分别为0.9984和0.9941。我们用数学表达式 表示为: A样石屑 土样 0.075~2.36mm <0.075mm B样石屑 土样 0.075~2.36ram <0.075ram SE=AQn + Q 十C, 、 、C为与方程有关的系数, 产成本比使用煤直接燃烧节约15%,比使用重油节约 生污染的能源变成了清洁能源,对保护生态环境,降 62%,比使用柴油节约78.5%;从表2的使用效果可以 低能源消耗等具有现实意义。 看出,使用煤气化技术具有环保、经济及燃烧热效率 高等特点,因此该技术值得在施工机械相关产品中推 广应用。 参考文献 [1]董耀武,王晓东,刘公德.沥青搅拌站燃烧器的合理选用. 维修与节能.建设机械技术与管理,2005,46(9):107~108. 4结语 [2】韩启元,许世森.大规模煤气化技术的开发与进展[J].热 力发电,2008,37(1):4~8. 煤气发生装置具有产气量大、气化完全、煤种适 应陛强,使用成本低,燃烧充分,有害物质排放少,符 [3]骆晓玲,徐坤山.煤气发生炉工作原理的研究[J】.煤炭工 合国家环保要求等特点。只要掌握好煤气化过程中的 产生的气体资源完全是清洁、安全、环保的。因此煤 转气技术如果在施工机械相关设备中得到推广和应用, 程,2009,53(8):98~100. 4]陈强,仇性启,孙亮.煤气发生炉气化过程能量分析计算[J]_ 关键控制技术,在其生产过程中不产生污染,其反应 [工业加热,2008,37(31:33~35. 0—12—10 不仅可以替代石油资源、同时也把煤炭这个直接燃烧产 收稿日期:2012011.01建设机械技术与管理1O3 量分别为94.5和81。 2 砂当量与石粉含量的关系,表示为阳 通过类似方法分别向 石屑和曰石屑中加入不同 比例的石粉进行试验,绘制曲线并进行回归校正的结 果见表2及图2。 表2 试验3:Qn/% 试验3:SE/% 试验4:Qn/% 试验4:SE/% O 95 0 8l 5 93.4 5 72 l0 85.6 10 54 15 74.9 15 38-3 20 64.9 A样石屑 0.075-2.36mm B样石屑 0.075-2.36mm 石粉 <0.075mm 石粉 <0.075mm 圈2 分析总结:从上述2个试验可知砂当量随石粉含 量变化的规律。砂当量随石粉含量的增加而减小,且 呈线性关系。这种变化类似于砂当量随含泥量变化而 变化的规律,我们记作:距=DQ +EQ +F;其相关系 数分别为0.9927和0.9941。 1 04 CMTM 2011.01 3砂当量与细粉含量的关系,记作:阳 Q ) =,’(p +p厂) 从以上的试验分析中我们知道了砂当量与含泥量 及石粉含量的关系,但我们知道任何的细集料都不可 能是单纯的含泥或含石粉,而是二者的混合物。所以若 是单纯以含泥量或石粉含量所对应的砂当量来考察细 集料的洁净程度是不科学的。因为当石粉含量达到一 定量时,如试验4当石粉含量为10%和15%时,其砂 当量分别为54和38.3,它们均小于规范所规定的60% 的要求,但此时细集料的洁净程度是100%的。所以 要是以国家规定的60%标准来进行评定,那么此石屑 是不符合要求的,这显然是不符合科学事实的。因此 说研究砂当量必须同时考虑含泥量及石粉含量的综合 影响。 下面是石屑中当细粉含量Qn+Qf=5%、 Qn+Qf=lO%、Qn+Qf=15%时进行砂当量试验并绘制 砂当量与含泥量的曲线图(因为我们想要知的是含泥量 有多大,故而选择含泥量为自变量)表3及图3。 表3 试验5 Qn+Qf-5% 试验6Qn+Qf=10% 试验7 Qn+Qf-15% Qn/% SE/% Qf/% Qn/% SE/% Qf/% Qn/% SE Qf/% O 77.8 5 0 69 1O 0 59 15 1 76 4 2 68 8 2 58 13 3 72 2 4 66.9 6 4 54.2 13 5 70 O 6 64.5 4 6 49.7 9 8 62.5 2 8 45 7 10 57.9 O 10 41 5 l2 36 3 l5 30.4 0 图3 分析总结:(1)从以上3个试验可以看到,砂当 料的性能,而砂当量方程在这一点上确实也说明了这个  量SE随着细粉总量Qn+ 的增加而减小,呈下降趋 问题。势且呈线性关系,在细粉含量分别为5%,10%和15% 时,它们的相关系数分别为0.9962,0.9924,0.9934;(2) 4砂当量方程的确立 (1)通过大量的试验研究及有关文献【 l的论证, 砂当量是含泥量及石粉含量的综合反映,也就是说砂  当量与细粉总含量是息息相关的。从试验中可知当细粉 我们得出了如下的砂当量方程:总量分别为5%,10%和15%时且当试样的含泥量分 别均为0%,5%和10%的时候,它们的砂当量是不相 同的。当含泥量同为0%的时候,砂当量从77.8%降到 了69%和59%;当含泥量同为5%时,砂当量从70% 降到65.4%(内插法得),进而又降到了53.7%(内插); 当含泥量同为10%的时候,砂当量从57.9降到了41%, 也呈下降趋势。所有这一切都证明了砂当量与细粉的总 含量是有关系的,如果单单从含泥量或石粉含量出发 来考察砂当量或来评价细集料的洁净程度,这显然是 不可取的。而规范中所规定的砂当量不小于60%的指 标在某种度上也是不科学的,如下为证(见表4): 表4 试验1 试验4 试验6 试验7 Qn/% SE/% Qn/% SE/% Qn/% SE/% Qf/% Qn/% SE/% Qf/% O 94.5 0 81 0 69 10 O 59 15 5 87.6 5 72 2 68 8 2 58 l3 lO 78.5 lO 54 4 66.9 6 4 54.2 11 15 69.9 15 38.3 6 64.5 4 6 49.7 9 20 62.3 8 62.5 2 8 45 7 A样石屑 00,75436mm A#硼 0 075 ̄236mm 10 57..9 0 10 41 5 t样 <0.075arm 石粉 <0.075mm 12 36 3 15 30.4 O 试验1中当含泥量为20%的时候,砂当量仍大于 60%,符合规范要求。但此时细集料已经很不洁净, 因此尽管此时的砂当量大于60%也是不能证明细集料 是洁净的。 试验4是砂当量与石粉含量的关系试验,此试验 证明在石粉含量分别为10%和15%的时候,其砂当量 均小于规范所规定的60%的规定,但此时细集料是十 分洁净的。因此也不能说砂当量小于60%的细集料就 是不洁净的。 试验6的砂当量为62.5%所对应的含泥量为8%, 试验7中的砂当量为59%而含泥量为0%同时也说明 了以上问题。因此评价细集料的洁净程度必须从细粉 的总量出发来考察砂当量,这样才能客观地评价细集 距_厂(Qn)=AQn +BQn+C (1) (单纯含泥或当细粉含量一定时以含泥量为自变 量时); sE=U( Q C (2) (只含石粉时) 上述两方程与有关文献 提出的砂当量方程 .SfE + +C+D +E 斤表达的意义是完一 致的,只不过是形式上有所不同,应该说文献中的方程 更具普遍性。为了研究的方便,我们统一表示为: SE=AQn +DQF + 厂+(C ) … =AQn2+gQn+DQF2+EQ Z 3 而方程(1)和(2)是方程(3)的具体化的表现。 下面论证两者的关系: a.当细粉中仅为泥土时,即Qf=O的时候,砂当量 方程(3)表现为与泥土的关系,此时的砂当量方和即 为SE=AQn +BQn+C,是方程(1),其中 、 、c是 方程的系数; b.当砂当量与Qn+产Qn+Q厂有关系时,砂当量方 程也为SE=AQn +BQn+C,不过此时 、B、C在意义 上已不同于a式中的 、 、C,因为此时的系数是受 Q厂和Q 的共同影响的; C.当砂当量仅与石粉含量有关系时砂当量方程表现 为SE=A’ ’Q,+C’,是方程(2),其中的 ’、 ’、 C’也是此时与方程有关的系数。 (2)论证方程(3)的由来 a.当含泥量Qn=O时,文献方程为阳 石。+ 石+c, 此时它与方程(2)是完全一致的; b.当石粉含量Qf=O时,文献方程为晒 + 十E 此时它与方程(1)是完全一致的; C.当砂当量与Q 有关时,因为此时 石已知,若 可知Qn(即 ),则Q厂(即 石)也就确定下来了。因 此为了研究方便,我们可以将Q厂对砂当量的影响用 Qn的影响来表示,(这里只是一个系数的问题),于是 我们将文献的方程转化为SE + +BKX ̄ + 2011.O1建设机械技术与管理105 + 士+(c十F)=(AK+D) 十 +(BK+E) 十+(c十F) 反映出来,因此说上述砂当量方程还存在着某种局限 =aX ̄ 十6 ++ ,其中 为石粉含量与泥土含量的比 性。为了解决这一问题有关系,而这些从砂当量方程中 值,令a=AK+D,b=BK+E, =c+ 于是方程转化成 均没有反映出来,因此说上述砂当量方程还存在着某 为SE=aX+ +6 ++c的形式,这与方程1的第二种意 种局限性。为了解决这一问题有关系,而这些从砂当量 义正好相同,所以为了方便起见,我们将其全部统一为 方程中均没有反映出来,因此说上述砂当量方程还存 SE=AQn + Q,z+C的形式。 通过以上论证,我们可知以上几种砂当量方程是 统一的,为了研究的方便,我们统一确立的砂当量方程 为: 砂当量方程1:(一般方程)SE=(AQn +BQn+C) +(DQ +EQ厂+F)其中前半部分是砂当量与含泥量的 关系方程,后一部分为砂当量与石粉含量的关系方程; 它是解决砂当量的最普遍,最一般的方程。 砂当量方程2:(具体方程)SE=aQn +bQn+C, 它是一般方程的简化与具体化形式,适用于细粉中同时 含有石粉与泥土的情况,只不过为了研究的方便而省略 了Q.厂而已,其实这个方程的系数a、b、C已包括了 的影响,只不过于表面上好像看不出来似的,这里不加 论述。 5砂当量方程的局限性 5.1 试验过程中的总结与发现之未解决的问题 问题1:试验1和试验3中两个试验中所用的石 屑是一样的,试验环境及条件也是一样的,所以当试 验1中的含泥量为0且试验3中的石粉含量也为0时, 此时的砂当量只受0.075~2.36 mm的细集料的影响, 理论上它们的砂当量应该是相同的。但实际上一个为 94.5%,一个为95.0%,确实不相等,这是相差比较小的。 在实际的试验中我们发现有时这种差别很大,有时能 差到3~4%个含量。这说明砂当量受细集料(0.075~ 2.36 mm)的影响是很大的。造成如此的误差,主要原 因是这一部分集料的级配不同以及其膨胀率不同所造 成的。而用上面的砂当量方程是解释不通的; 问题2:我们在试验过程中有这样的发现:当单独 对泥土,单纯对石粉和单独对石粉和泥土的混合物进 行砂当量试验时发现它们的砂当量均为0%。至于为何 为0,用砂当量方程从理论上来说也是解释不清的; 问题3:砂当量不仅受含泥量,石粉含量以及含 泥量和石粉含量的总量的影响,且还与集料级配以及 密度,试验条件有关系,而这些从砂当量方程中均没有 106 CMTM 2011.01 在着某种局限陛。为了解决这一问题图4为絮状物稳定 20分钟时的理想模式: 图4 SE 2 KxSE KxHS/H KxHs, N HF七Hs、 =K MS/PS QS/PS —— K—— 此方程为砂当量基本方程,它不但可以反映出砂当 量与含泥量及石粉含量的关系,而且也反映出了影响砂 当量的因素。其中的 、 、日,、 分别为0.075~ 2.36 mm的细集料的沉淀物高度f,以后简称细集料高 度 ,泥土沉淀高度,石粉沉淀高度和沉淀物质及絮状 物的总高度; 、 、^ 分别为其相应的质量; 、 P P,分别为其相应的密度,Q ,Q 、Q,分别为其 相应的占总质量(120克干料)的含量, 为系统系数, SE为理论砂当量,SE’为实际砂当量 5.2用基本方程解决上述问题 (1)当Qn=Qf=O时 E= 。K为系统常数,在 试样一定的条件下K为常数。试验中发现K<100,说 明了由于试验过程中某些因素的影响导致了 的不同, 且K<100。它主要受试验条件,如活塞配重、冲洗程度、 测量时间、石屑级配及膨胀率等因素的影响。试验中发 现砂当量系数很难达到100,说明系统对砂当量是有影 响的。试验中实际砂当量与理论砂当量有差异便是由 影响的,最主要就是集料级配和膨胀率的影响。因为 和不同。因此当Q =0时,试验1与3的砂当量是不等 的。而当Qn=Qf=O时, 就是一般方程中的c,此时 SE=K=C=94.5%(对于试验1来说); (1)试验所用的泥土及石粉的组成及性状与试验 样的,且为同一产地的料; (2)石粉密度大于泥土的密度; (3)进行砂当量试验时,用于曲线标定的细集料 075 mm的细料的组成、性状是完全 每份料的性能不可能完全相同,从而导致了 的发生 用细集料中小于0.一(2)当 或者是Q =0时,SE=0。因此基本方 应用四分法分均匀,且认为它们在密度、膨胀率以及级 程解决了当试样全部为泥或石粉或全部为两者的混合 物时为什么砂当量等于0的理论解释; (3)从基本方程我们还可以看到影响砂当量的因 素,那就是除了 以外,还有最为重要的是密度的影响。 当然密度的影响很复杂,这里不再一一讲述。有关这 方面的可以参考有关的文献; (4)通过试验,我们知道砂当量基本方程与一般 方程所表达的意义是一致的。基本方程从理论上能够 很好地解释一些现象并分析影响砂当量的各种因素并 指导实践(当然它也可以进行定量分析),而一般方程 则在定量研究方面则更有优势(但定性方面不如基本方 程)。鉴于此,我们把基本方程和一般方程很好地结合 起来,这样对于我们更好地研究砂当量问题就更有帮 助了。我们现将砂当量方程作了如下的归纳和总结: 砂当量方程的几种模式: a.基本方程: SEt=KxH H KxH 《H HF+H = —————— : ————一= Q P s  一:K M Ps+M P +M PF Q《P Q P Q PF 此方程为砂当量基本方程,它不但可以反映出 砂当量与含泥量及石粉含量的关系,而且也反映出了 影响砂当量的因素.其中的 、 、 、 分别为 0.075 ̄2.36 mm的细集料的沉淀物高度r以后简称细 集料高度 ,泥土沉淀高度,石粉沉淀高度和沉淀物质 及絮状物的总高度; 、MN、 分别为其相应的质量; 、尸Ⅳ、 分别为其相应的密度, ,QⅣ、 分别为 其相应的占总质量(120克干料)的含量, 为系统系数。 b.一般方程:距=( QⅣ + QⅣ+C)+(DQF2+EQF+F) C.简化方程:SE=aQn +bQn+C,它是一般方程的 简化与具体化形式 至此砂当量三大方程已经完全确立。 上面的所说的砂当量方程是基于理想状态下的情 况的砂当量方程。所谓理想状态包含以下几层含义: 配方面是一样的。只有符合上述条件才可以使用砂当量 方程,但基本方程不受所限; (4)试验过程中的环境因素的影响认为是同等的。 以保系统系数 的稳定。 6砂当量方程的应用 砂当量的三大方程已经确立并讨论清楚了’下面我 们就以实例讲述—下用砂当量方程来解决实际问题,即 如何分析出细集料中真正的含泥量,以此来评价细集 料的洁净程度。 用理想状态下的砂当量方程求解细集料中的含泥量 (曲线标定法一一电子表格的图表功能) 6.1原料 某石屑以及同产地所得的石粉和泥土。石粉密 度2.610 g/cm ,泥土密度2.532 g/cm ,粒径均小于 0.075 mm。它们符合理想状态下的砂当量方程的应用 条件。求此石屑中的含泥量及相应的砂当量。 6.2试验 (1)将此石屑(0.075~2.36 mm)烘干后分成两份, A和B。A份用水洗法通过0.075 mm筛,洗去小于 0.075 mm的部分。然后将大于0.075 mm的筛上部分 放入烘箱中于105±5℃烘干以备用。烘干后计算出小于 0.075 mm的细料含量为17%; (2)将烘干料A用四分法分成N份(一般分5~ 6份,每份含泥量相差2~3个含量),此处为7份。 尽量分均匀,以减小试验误差; (3)将石粉和泥土按不同比例组合,其总量不变为 17%,然后与分好的7份石屑样品分别混合,组成7个 样进行砂当量试验。这里的比例是含泥量分别为0、3、 6、9、12、15、17; (4)根据所得砂当时的实测值绘制砂当量与含泥 量的关系曲线,并同时进行线性回归以求解方程,得出 砂当量方程的数学表达式,结果如下(表5、表6及图5): Q 17%,SE=0.0666Q.2-2.245Q +47.393 2011.01建设机械技术与管理1 07 表5 表6 实测值 按回归曲线所得结果 Qn/% SE/% Qn/ ̄/o SE/ ̄/o A B C Qf O 47.8 0 47.4 o.0666 —2.245 47.393 17 3 41.0 3 41.3 o.0666 —2.245 47.393 14 6 36.2 6 36.3 o.0666 .2.245 47.393 11 9 33.O 9.6 32.O o.0666 —2.245 47.393 7.6 12 3Ol8 12 30.O o.0666 —2.245 47.393 5 l5 28.9 15 28.7 o.0666 —2.245 47.393 2 17 28.O 17 28.5 o.0666 —2.245 47.393 O 当QN+F=l 7%时的砂当量与含泥量的关系方程 —..-SE(%) ——回归曲线 含泥量 O 3 6 9 l2 15 18 图5 (5J测定原 样当含泥量为17%的时候的砂当量 为32%; (61查曲线或代入公式得当砂当量为32%时对应 的真正含泥量为9.6%(而不是以规范认为的17%)。 7结语 (1)本文所讲的砂当量方程是理想状态下的砂当 量方程,即理想地认为用于曲线标定的石粉与泥土和 细集料中小于0.075 mm的细粉中所含的成份是完全相 同的。只有在这样的条件下的细集料才可以应用砂当量 方程; (2)本文所采用的石屑是大连公路工程集团有限公 司金泉矿业所产石屑,所用矿粉和泥土均来自同产地的 矿山上。故其成份很相近,所以适用于理想状态下的 砂当量方程。如果所需试验用的料源不符合理想状态 的要求,则不可以使用砂当量方程。以上两点是针对 一般方程而言和具体方程而言的,基本方程可不受限。 但因为基本方程有待于进一步研究(现在只是处于初步 研究阶段),所以这里只浅谈而已; 108 CMTM 2011.01 (3)砂当量方程只是提供了一个理想的模式,为 我们研究问题提供了一个方向。对于影响砂当量的诸因 素,如密度、细集料级配及膨胀率以及石粉和泥土的 性质等对砂当量究竟有何影响,我们可以参照有关文献, 但更需要我们进一步的进行试验和研究。希望大家能 够一起攻克这道难关; (4)最后想说—下用理想状态下的砂当量方程解决 含泥量问题的几点注意事项: a.试验过程中进行曲线标定时一定要选用同产地的 同种类的矿石和泥土,这样可以减小误差; b.用于曲线标定的几份试样一定要用四分法分匀, 要尽量保证其级配的相同; C.试验过程中要注意时间因素,一定要保证读数 的时间误差在规范规定的范围内,否则曲线有可能不成 良好的线性关系; d.要尽量保持冲洗过程的一致,冲洗要尽量彻底 且冲洗时的冲洗高度和压力也要尽量保持一致; f用曲线进行回归时,可以有多种回归方式和类型而 不必拘泥于一种形式(本文选用多项式回归效果比较好)。 总之砂当量的研究有待于大家的共同努力,让我们 共同努力共同做好这个课题。理想状态下的砂当量方程 已经有了’相信非理想状态下的砂当量的研究也必将会 取得进步。 参考文献 [1】公路工程集料试验规程JTG E42—2005. 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