一种混凝土中沙漠砂的最优替代率分析方法与流程

1.本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种混凝土中沙漠砂的最优替代率分析方法。


背景技术：

2.骨料作为混凝土的骨架及填充材料，对于其强度发挥了重要作用，其中细骨料多采用河砂或机制砂。但我国河砂资源分布不均，因环保要求国内很多河道实施禁采，导致河砂资源紧缺。机制砂作为河砂替代品，一般以中粗砂为主，虽较易获取原料、加工效率高，但普遍存在级配不良、生产能耗大、环境污染严重等问题。而我国西北地区沙漠覆盖面积大，沙漠砂资源充沛，利用沙漠砂替代河砂、机制砂，让沙漠砂应用于实际工程，可有效缓解河砂资源紧缺、降低机制砂生产能耗、降低工程造价；但沙漠砂存在级配不均匀、细度模数偏小等不足，所以只能替代部分河沙或机制砂。目前已有机构在研究沙漠砂混凝土，而沙漠砂的替代率是混凝土质量的关键。
3.目前确定沙漠砂替代率的常用方法为实验法，但实验法无法同时兼顾多种因素，替代结果难以达到最优，当需要设定多个评价指标时就失去了实用性。因此有必要开发一种可以准确、全面地确定混凝土中沙漠砂最优替代率的工程实用分析方法。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种混凝土中沙漠砂的最优替代率分析方法，用以解决现有分析方法不够快速、准确的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种混凝土中沙漠砂的最优替代率分析方法，包括以下步骤：
6.s1：设计采用沙漠砂替代率作为单一变量的混凝土制备实验；设置评价指标及各评价指标的目标值；
7.s2：进行s1中设计的实验；获取各实验组原始数据并列出原始数据表，原始数据包括m类评价指标，其中每类评价指标包含n项样本；
8.s3：对原始数据进行无量纲化处理，得到标准化数据；
9.s4：计算标准化数据的标准差；
10.s5：根据各类评价指标的标准差占所有评价指标的比例，为各类评价指标分配对于沙漠砂替代率敏感性的权重；
11.s6：结合各项评价指标的权重，构建针对单独类的评价指标的第一偏差函数；
12.s7：将针对单独类的评价指标的偏差函数相加，最终构建出不同替代率下所有评价指标与目标值的第二偏差函数；
13.s8：使用第二偏差函数遍历所有原始数据，分析第二偏差函数得到的所有结果以确定最优替代率。
14.优选的，实验以沙漠砂替代率为单一变量设置多个实验组；评价指标选定和易性、
坍落度经时损失、抗压强度和经济性四类；目标值为期待最优值；原始数据为根据各评价指标的具体评价标准进行测量或计算获得；实验中的混凝土各材料配合比根据实际分析的混凝土种类进行选择；实验在保证混凝土中含砂率及其他材料不变的情况下，以混凝土中砂总质量的5％～20％作为增量，从0％至100％分别使用沙漠砂替代常用砂，获取多组沙漠砂不同替代率的混凝土。
15.优选的，常用砂为河砂或机制砂或河砂与机制砂的混合物。
16.优选的，m类评价指标为实验中判断混凝土性能的多类评价指标，可根据实际需要设置评价指标种类的数量；n项样本中，n的数量等于实验组数。
17.优选的，无量纲化处理为采用离差标准化的方式对各类原始数据的线性变换，使结果映射到[0,1]区间；
[0018]
原始数据中，用i表示评价指标的编号，第i类评价指标的样本总体为xi(i≤m)，用j表示沙漠砂不同替代率的样本(j≤n)；第i类评价指标的第j项样本值为x
i,j
，经过离差标准化处理后的x
i,j
为x’i,j
，即x’i,j
为标准化数据，x
i,j
与x’i,j
的关系为：
[0019][0020]
优选的，经s3得到了由第i类中的标准化数据x’i,j
组成的样本总体x’i
，x’i
的标准差si为：
[0021][0022]
其中x’i
的平均值
[0023][0024]
优选的，由s4计算出各类评价指标的标准差si后，第i类指标所分配的权重γi计算式如下：
[0025][0026]
优选的，结合s5中计算所得的权重γi，构建出的第i类评价指标第j项样本的第一偏差函数σ
i,j
如下，式中x
i,d
为第i类指标的目标值：
[0027]
σ
i,j
＝γi(x
i,j-x
i,d
)2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0028]
优选的，将各类评价指标的第一偏差函数σ
i,j
相加，得到的所有评价指标第j项样本整体性能的第二偏差函数σj如下：
[0029][0030]
优选的，分析第二偏差函数的结果时，剔除原始数据不满足各评价指标具体评价标准的实验组后，第二偏差函数最小的结果对应实验组的沙漠砂替代率即为最优沙漠砂替代率。
[0031]
本发明具有以下有益效果：
[0032]
本发明的混凝土中的沙漠砂最优替代率的分析方法，采用了沙漠砂替代率作为单一变量，避免了其他因素的干扰，有利于专注分析沙漠砂替代率对于混凝土性能的影响；评价指标可以根据实际分析需要设置对应种类，评价指标的设置更全面，相较于现有的实验法，性能评价指标具有可拓展性；对数据进行标准化处理，使得各评价指标的数据实现了无量纲化，并缩小了数量级差距，有利于实验数据的统一分析；采用标准化数据的标准差来描述各类评价指标关于不同沙漠砂替代率的波动性，从而间接反映评价指标对变量的敏感性，量化评价指标对变量的敏感性，使得分析方法具有准确性和全面性；根据各类评价指标的标准差占所有评价指标的比例，为各项评价指标分配权重，使得各类评价指标对变量的敏感程度得到定量的表达，有利于本发明优选实施例中对于各评价指标的在不同沙漠砂替代率时敏感程度的定量分析；构建偏差函数时进行了加权，使得各类评价指标关于不同沙漠砂替代率的敏感性得到综合考虑，从而让分析结果具有准确性。
[0033]
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
[0034]
构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0035]
图1是本发明优选实施例的指标对变量的敏感性与波动性的关系图；
[0036]
图2是本发明优选实施例的替代率与各评价指标的关系图。
具体实施方式
[0037]
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
[0038]
本发明优选实施例中，按照如下步骤进行逐步分析：
[0039]
s1：设计采用沙漠砂替代率作为单一变量的混凝土制备实验；设置评价指标及各评价指标的目标值。
[0040]
其中，实验以沙漠砂替代率为单一变量设置多个实验组；评价指标选定和易性、坍落度经时损失、抗压强度和经济性四类；目标值为期待最优值；原始数据为根据各评价指标的具体评价标准进行测量或计算获得；实验中的混凝土各材料配合比根据实际分析的混凝土种类进行选择；实验在保证混凝土中含砂率及其他材料不变的情况下，以混凝土中砂总质量的5％～20％作为增量，从0％至100％分别使用沙漠砂替代常用砂，获取多组沙漠砂不同替代率的混凝土。常用砂为河砂或机制砂或河砂与机制砂的混合物。
[0041]
本发明优选实施例中，按照《普通混凝土配合比设计规程》jgj55—2011确定c40混凝土配合比作为本发明优选实施例中实验的混凝土配合比；
[0042]
为确定沙漠砂最优替代率，实验在保证总体含砂率及其他材料不变的情况下，以沙漠砂逐步替代机制砂，采用沙漠砂质量替代率作为单一变量进行实验。设置沙漠砂替代率以砂总质量10％作为增量，从0％逐步增加至100％，以获取多组沙漠砂不同替代率的混凝土；
[0043]
实验选取受沙漠砂替代率显著影响的混凝土性能指标作为评价对象，并以各项指标达到最优性能作为目标，评价对象及其选定原因与目标值如下：
[0044]
(1)和易性：沙漠砂整体上呈圆形或近圆形，磨圆度较好，相对棱角较多的机制砂更易移动，因此适当掺量的沙漠砂可较改善混凝土和易性。但掺量过大会引起比表面积增大，从而消耗更多的水泥浆裹覆导致和易性降低。为保证实验获得最佳和易性，选取实验测得数据中满足设计坍落度范围内的最大值作为目标值。
[0045]
(2)坍落度经时损失：考虑混凝土出仓与入模的时差，其和易性在一定时间段内应具备稳定性。由于沙漠砂的掺配对混凝土和易性影响较大，因此坍落度经时损失亦应纳为评价混凝土性能稳定的对象。为保证实验获得最小的坍落度损失，结合工程实际，选取实验测得的混凝土坍落度1小时损失最小值作为目标值。
[0046]
(3)抗压强度：抗压强度是保证混凝土物理性能的基本指标，在除砂之外的其他材料不变的前提下，以实验获得的最大抗压强度值作为目标值。
[0047]
(4)经济性：沙漠砂替代机制砂的最终效果体现在经济性上，合理的替代率可以在确保混凝土性能不变的条件下降低工程成本。为保证实验获得最佳经济性，选取沙漠砂掺配后细骨料的综合单价最低值作为目标值。
[0048]
综上，本发明优选实施例选择和易性、坍落度经时损失、抗压强度和经济性四类作为评价指标，并分别选定了目标值。
[0049]
各指标目标值x
i,d
按以下规则选定：坍落度选取满足140～170mm范围的最大样本值；坍落度损失选取最小样本值；抗压强度选取最大样本值；混合砂单价选取最小样本值。
[0050]
本发明优选实施例中，采用了沙漠砂替代率为单一变量设置了多个实验组，避免了其他因素的干扰，可以专注分析沙漠砂替代率对于混凝土性能的影响；评价指标可以根据实际分析需要设置对应种类，评价指标的设置更全面，相较于现有的实验法，性能分析指标具有可拓展性；实验中分析的混凝土种类可以根据实际情况选择需要分析的种类，实验对象具有可拓展性；实验中沙漠砂替代常用砂时，作为单一变量的替代率的增量在范围内可选，实验变量的具体值具有可调整性。
[0051]
s2：进行s1中设计的实验；获取各实验组原始数据并列出原始数据表，原始数据包括m类评价指标，其中每类评价指标包含n项样本。
[0052]
其中，m类评价指标为实验中判断混凝土性能的多类评价指标，可根据实际需要设置评价指标种类的数量；n项样本中，n的数量等于实验组数。
[0053]
执行s1中的实验。本发明优选实施例中，实验采用腾格里沙漠砂掺配机制砂，按10％替代率增量，按前述c40混凝土配合比分别制备替代率(k/％)从0％增加到100％的11批混凝土(n＝11)。遵照gb/t 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》及gb/t 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》，对每批混凝土的坍落度(s/mm)、坍落度经时损失(δs/mm)、抗压强度(f/mpa)、混合砂单价(q/元/m3)共4类指标(m＝4)进行原始数据采集。实验结束后采集到的原始数据及相应目标值见表1。
[0054]
本发明优选实施例中，实验获取的评价指标数据类别数量对应s1中设置的数量，每类评价指标中包含的样本数量对应s1中设置的实验组数；根据实验数据列出的原始数据表使得实验数据更直观，并且更方便后续分析步骤的执行。
[0055]
s3：对原始数据进行无量纲化处理，得到标准化数据。
[0056]
由于实验选定的评价指标的量纲不统一，数量级上也相差较大，不便于进行综合分析，因此本发明实施例中对数据进行标准化以对各项指标进行无量纲处理，采用离差标准化的方式对原始数据的线性变换，使结果映射到[0,1]区间。
[0057]
若样本总体包含共计m类指标，每一类指标包含n项样本，用i表示评价指标的编号，则第i类指标的样本总体为xi(i≤m)，用j表征沙漠砂替代率变化分组(j≤n)。第i类指标的第j项样本值为x
i,j
，其标准化处理后值为x’i,j
，即x’i,j
为标准化数据，二者关系为：
[0058][0059]
本发明优选实施例中，原始数据经过无量纲处理后得到的标准化数据见表1。
[0060]
表1不同替代率对混凝土各类指标的影响
[0061][0062]
本发明优选实施例中，采用了离差标准化的方式对原始数据进行了线性变换，使结果映射到[0,1]区间，将各类评价指标在实验中对应的数据进行了标准化，统一了量纲，缩小了数量级差距，有利于本发明优选实施例中的综合分析。
[0063]
s4：计算标准化数据的标准差。
[0064]
实验选定的评价指标对综合评价目标产生影响时，由于材料的离散型和不确定性，当沙漠砂替代率发生变化时，各类指标相应的变化程度并不一致。因此本发明优选实施例中对每项指标赋予相应权重，以区分不同指标对于替代率变化敏感性的差异。
[0065]
参见图1，指标对变量的敏感性可用数据波动性来描述。如趋势线b所示，当指标对变量不敏感时，其数据基本保持稳定；如趋势线a所示，当指标对变量敏感时，其数据波动较大。本发明优选实施例中采用对数据进行标准化后的标准差来描述各数据波动性，从而间接反映数据对变量的敏感程度。利用公式(1)对第i类指标的第j项样本x
i,j
进行标准化处理，得到新的样本总体x’i
，则其标准差为：
[0066]
[0067]
其中x’i
的平均值
[0068][0069]
本发明优选实施例中，为了给每类评价指标分配权重，以区分不同指标对于替代率变化敏感性的差异，采用标准化数据的标准差来描述各类评价指标关于变量的波动性，从而间接反映了评价指标对变量的敏感程度，量化评价指标对变量的敏感性，使得本发明实施例中的分析方法具有准确性和全面性。
[0070]
s5：根据各类评价指标的标准差占所有评价指标的比例，为各类评价指标分配对于沙漠砂替代率敏感性的权重。
[0071]
为定量描述各类指标对变量的敏感程度，本发明优选实施例中将各类指标标准差占所有指标标准差的比例作为指标对与变量敏感性的权重，则第i类指标权重可以表示为：
[0072][0073]
本发明优选实施例中，按式(2-1)分别计算每项指标在替代率从0％增加到100％过程中样本数量的标准差si，再按每项指标标准差大小，依式(3)为每项指标分配相应权重，数据结果见表2。
[0074]
表2各项指标的标准差及权重计算
[0075][0076]
通过各类指标的权重分析可知，沙漠砂对于混凝土各性能影响大小为：坍落度＞抗压强度＞价格＞坍落度损失。
[0077]
本发明优选实施例中，根据各类评价指标的标准差占所有评价指标的比例，为各项评价指标分配权重，使得各类评价指标对变量的敏感程度得到定量的表达，有利于本发明优选实施例中对于各评价指标在不同沙漠砂替代率时敏感程度的定量分析。
[0078]
s6：结合各项评价指标的权重，构建针对单独类的评价指标的第一偏差函数。
[0079]
就实验选定的各项评价指标而言，显然难以在某一种替代率下同时达到目标值。但本发明的目的是能找到一个最优替代率，其配制混凝土的上述各项性能与其相应的目标值偏差最小。考虑各类指标对沙漠砂替代率敏感性的差异，其对目标偏差的贡献也不相同，因此本发明优选实施例中对各项指标偏差进行加权，并用偏差平方消除正负偏差抵消的影响，构造了第i类指标第j项样本的第一偏差函数，式中x
i,d
为第i类指标的目标值：
[0080]
σ
i,j
＝γi(x
i,j-x
i,d
)2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0081]
本发明优选实施例中，由于各评价指标在不同沙漠砂替代率时敏感程度不一样，所以构建了第一偏差函数时综合考虑了权重；并用偏差平方消除正负偏差抵消的影响，使得第一偏差函数更有利于分析。
[0082]
s7：将针对单独类的评价指标的偏差函数相加，最终构建出不同替代率下所有评价指标与目标值的第二偏差函数。
[0083]
对于不同类别指标的第j项样本，将各类指标偏差函数相加，可得到所有指标第j项样本的整体性能第二偏差函数：
[0084][0085]
本发明优选实施例的s7中，将s6中构建的第一偏差函数进行相加，得到了最终反映整体性能的第二偏差函数，第二偏差函数为不同替代率下所有评价指标与目标值的关系函数，综合考虑了所有的评价指标，具有全面性。
[0086]
s8：使用所述第二偏差函数遍历所有原始数据，分析第二偏差函数得到的所有结果以确定最优替代率。
[0087]
分析第二偏差函数的结果时，剔除评价指标数据不满足实际要求的实验组后，第二偏差函数最小的结果对应实验组的沙漠砂替代率即为最优沙漠砂替代率。
[0088]
按式(5)的第二偏差函数对原始数据进行遍历，当σj的结果最小时，则表示此时的替代率能使混凝土前述的四项性能达到最优，最优替代率k
opt
表示为：
[0089]kopt,j
:j＝min{σj}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0090]
本发明优选实施例中，以表1中选定的各指标目标值x
i,d
为参考，按式(4)分别计算每个样本原始数据的单项样本偏差σ
i,j
；再利用式(5)逐项计算每种替代率所对应的各类指标的整体性能偏差，数据结果见表3。
[0091]
表3单项样本偏差及整体性能偏差
[0092][0093]
考虑c40混凝土的配制强度不小于48.2mpa的规范要求，由表1知，当替代率大于等于80％对应的样本抗压强度数据无法满足，应予以剔除。
[0094]
因此，在抗压强度满足规范要求的前提下，根据式(6)整体性能偏差定义，当σj为最小时，其对应的替代率为最优。从表3数据分析可知，当替代率为40％时，整体性能偏差可取得最小结果0.3801，即k
opt
＝40％。整体性能偏差及各项指标数据同替代率关系见图2。
[0095]
本发明优选实施例中：综合考虑坍落度及其稳定性、抗压强度、经济指标时，沙漠砂最优替代率为40％。
[0096]
本发明优选实施例中，使用第二偏差函数遍历原始数据时，会剔除明显不符合各评价指标具体评价标准的数据，避免了无法达标的分析结果；选取第二偏差函数最小的结果对应实验组的替代率为最优替代率，使得各项评价指标综合最接近目标值，即此时的沙漠砂替代率最优，分析结果具有可靠性。
[0097]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。