凝灰岩机制砂品质对混凝土性能的影响研究

随着城乡基础设施建设的不断发展，工程项目对细骨料的需求量逐年上升，而许多地区天然砂资源稀缺，机制砂代替河沙配制混凝土已是必然选择[1]。浙江台州地区河沙资源匮乏，石多沙少，阻碍了当地工程项目发展建设，而凝灰岩资源丰富，凝灰岩机制砂的推广运用能够解决工程中用沙难的问题。诸多学者对石灰岩、玄武岩等不同岩性机制砂与混凝土性能间的关系开展了研究[2-4]。李北星等发现石粉含量为7%时，掺加粉煤灰的混凝土工作性能最佳，随着石粉含量的上升，混凝土抗压强度先增大后减小，抗氯离子渗透性增大，而相对动弹性模量变化不大[5]。混凝土的耐磨性随机制砂压碎值的减小、粗糙度的增大而提高，与机制砂母岩的相关性不大[6]。王雨利等指出母岩类型对机制砂混凝土的抗冻性没有影响[7]。且石英岩机制砂与河沙的抗冻性规律相似，石粉含量在5%～10%时抗冻性能最佳。凝灰岩具有母材强度高，导热系数大的特点，岩石抗压强度可达170～200 MPa，生产的机制砂强度高[8]。凝灰岩机制砂表面较一般机制砂更为粗糙，多棱角，其品质对混凝土性能影响的研究较少。凝灰岩机制砂混凝土性能与石灰岩机制砂或河沙混凝土性能是否相当，或某些性能更优等问题值得进一步深入研究。

机制砂石粉含量、泥块含量、粗糙度等特性对混凝土力学性能、耐久性的影响程度是不同的[9-10]，通过对不同批次的凝灰岩机制砂和石灰岩机制砂及河沙混凝土的对比研究，测试得到不同细骨料混凝土的抗压强度、抗氯离子渗透性和抗裂性指标。并用灰色关联分析法计算机制砂石粉含量、泥块含量、粗糙度与混凝土7 d抗压强度、28 d抗压强度、电通量、单位面积总开裂面积的关联度，分析影响规律和程度。探明影响混凝土性能的主要因素，为改善混凝土力学性能和耐久性指明方向，并探讨提高凝灰岩机制砂品质的措施，使其生产质量朝着高品质方向发展，有利于其在更多工程结构部位和更多地区的推广应用。

1 试验

1.1 原材料

水泥：象山海螺水泥有限责任公司生产的P·O 42.5水泥，28 d抗折强度7.5 MPa，抗压强度48.6 MPa；比表面积348 m2/kg，其他指标均符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》的要求。

矿物掺和料：宁波国力环保科技F类Ⅱ级粉煤灰，细度为 45 μm,筛余 15.2%，烧失量为1.78%，需水量比为101%；台州蓬鑫建材S95级矿渣粉，7 d活性指数83%，含水量0.85%；其他指标均符合GB/T 18736—2002《高强高性能混凝土矿物外加剂》的要求。

粗骨料：凝灰岩质碎石，公称粒级为5～20 mm，连续级配，表观密度为 2.63 g/cm3，堆积密度为 1.52 g/cm3。

减水剂：江苏博思通 BST-PCA型高效减水剂，减水率25%。

水：符合国家标准的自来水。

细骨料：使用凝灰岩机制砂、石灰岩机制砂和河沙3种细骨料。细度模数均在2.6～3.0之间，凝灰岩质机制砂4批，编号NH1、NH2、NH3、NH4，石灰岩质机制砂4批，编号SH1、SH2、SH3、SH4，及河沙2批，编号H1、H2。通过筛分得到2种石粉以调整机制砂石粉含量。以上细骨料性能指标均满足相应国家标准，主要性能指标见表1。

1.2 试验方法

混凝土强度等级为C50，应用于桥梁结构中的T梁，T梁是桥梁主体结构的主要部件，设计使用年限为100 a。要求混凝土具有良好的工作性能和力学性能，试配强度达到设计强度的1.15倍，且具有优异的耐久性。

细骨料筛分试验、表观密度、堆积密度和压碎值按JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》中的T0327—2005、T0328—2005、T0331—2005 和T0350—2005规定进行试验测定，细骨料泥块含量按GB/T 14684—2011《建筑用砂》7.6节规定测定。粗糙度按T0345—2005规定的细集料棱角性试验(流动时间法)进行，制取1 000 g的试样，试样全部通过标准漏斗所需要的秒数，以5个平行试样的平均值作为细集料的粗糙度。粗骨料级配、表观密度等指标的测定按照JTG E42—2005中粗骨料试验规定进行试验。

工作性能测试指标为坍落度，具体操作依照标准GB/T 50080—2016《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》中坍落度试验进行。力学性能测试指标为第7天,28天的抗压强度，试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的混凝土试块，测试方法依照标准GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》中抗压强度试验进行。抗氯离子渗透性，测试混凝土标准养护 28 d后的氯离子电通量，试件的尺寸为φ100 mm×50 mm的圆柱体试样，采用电通量测定仪测定其6 h电通量；抗裂性测试指标为单位面积总开裂面积，试件尺寸为800 mm×600 mm×100 mm的长方体试块，测试方法分别依照标准GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中电通量法和早期抗裂试验进行。

2 结果与分析

2.1 不同细骨料对混凝土性能的影响分析

首先比较掺加等量粉煤灰和矿渣粉的试验配比与纯水泥配比所得混凝土的性能差异。其次，依据试验配比使用多批次不同类型的机制砂和河沙配制混凝土，对比不同种类细骨料对混凝土性能的影响。具体配合比参数和试验结果如表2所示。

1)由表2中第1、3组试验结果得：第3组(试验配比，粉煤灰和矿渣粉均占胶凝材料的10%)相较于第1组(纯水泥配比)，混凝土坍落度增大20 mm，第3组混凝土工作性能更佳。混凝土第7天,28天抗压强度分别增大2.2,4.1 MPa；电通量值和单位面积总开裂面积值均明显减小，电通量值减小41.9%，开裂面积减小39.7%。由于矿物掺和料的火山灰效应和微骨料作用效应，有助于改善混凝土的孔结构，使其成型后更加密实，有效提高了混凝土的抗氯离子渗透性和抗裂性[11-12]。

2)分析第2～5组和第6～9组试验结果，两类机制砂随着石粉含量、泥块含量的上升，混凝土第7,28天抗压强度均是先上升后下降，机制砂石粉含量为10%时，第7,28天抗压强度均最大；而电通量值先下降后上升，机制砂石粉含量为6.5%，泥块含量为0.4%时，电通量值都最小，混凝土抗氯离子渗透性最优；单位面积总开裂面积值则逐渐增大，混凝土抗裂性逐渐劣化。坍落度也逐渐减小，为保证工作性能，需适当增加减水剂用量。第2～5组凝灰岩机制砂混凝土第28天抗压强度均大于60 MPa；第2～4组电通量低于1 000 C，第5组未超过2 000 C，参考混凝土导电量及其分类[13]判定，第2～4组混凝土氯离子渗透等级为极低，第5组等级为低；第2组单位面积总开裂面积小于300 mm2·m-2，仅有非常细的裂缝，且平均开裂面积仅为3.74 mm2，其抗裂性不低于Ⅲ级[2]。机制砂压碎值与抗压强度、抗氯离子渗透性和抗裂性间没有明显的相关性。凝灰岩机制砂配制的混凝土力学性能良好，抗氯离子渗透性和抗裂性较优，能够满足桥梁T梁的使用要求。

3)图1为第3,7,10组试验电通量和单位面积总开裂面积的比较，3种品质相近的细骨料拌制混凝土工作性能均较好，由于凝灰岩机制砂粗糙度最大，其坍落度最小。第7,28天抗压强度相差不大，强度值均满足要求。电通量值由小到大依次为试样H1、NH2、SH2;抗氯离子渗透性河沙混凝土优于凝灰岩机制砂混凝土，而石灰岩机制砂混凝土最差。单位面积总开裂面积，由小到大依次为试样NH2、SH2、H1，SH2组指标值略大于NH2组，两种机制砂混凝土抗裂性能相当，而H1组指标值约是NH2组的1.4倍，河沙混凝土抗裂性较凝灰岩机制砂混凝土更差。由于H1组河沙泥块含量要高于两组机制砂，泥粉不参与水化反应，且吸水后膨胀体积增大，硬化后失水收缩，易引起混凝土开裂，对混凝土抗裂性有强烈的劣化作用[14]。

注：1NH2表示第1组试验，使用编号为NH2批次的细骨料，后面以此类推。

2.2 灰色关联分析

2.2.1 灰色关联度

灰色关联分析是根据序列曲线几何形状的相似程度判断其联系是否紧密。曲线越接近，相应序列间的关联度越大，反之就越小。它可确定各因素间的影响程度或因素(子序列)对系统特征(母序列)贡献程度[15]。参数列和被比较因素均为2个以上时，可进行优势分析。

在探究机制砂石粉含量、泥块含量、粗糙度与混凝土力学性能、抗氯离子渗透性和抗裂性影响分析中，4 个母因素分别是第7天抗压强度、第28天抗压强度、电通量和单位面积总开裂面积。3个子因素是石粉含量、泥块含量和粗糙度。每一个母因素对3个子因素有3个关联度。具体计算步骤如下。

1)数据列表示。指定参考的数据列，参考数据列常记为x0，即母因素，第一种情况表示为x0(1)，第 k 种情况表示为x0(k)。参考母序列x0可表示为：x0=(x0(1),x0(2),…,x0(k)),k=1,2,…,n。

2)初值化处理。计算关联系数前，需将数列作初值化处理，可用数列中每个数依次除以数列中的最大值，得到无量纲的数据列，便于比较。

3)关联系数与关联度计算式。参考母序列x0，有k个比较子序列x1,x2, …,xk，关联系数计算如式(1)所示：

式中:ρ为分辨率,其作用在于减小误差，提高关联系数之间的差异显著性，文中取值为0.5。

关联度计算如式(2)所示：

4)构建优势分析矩阵。

将m个母因素与对应n个子因素的关联度按次序排成一行，得到关联矩阵R，关联矩阵可以对母序列和子序列进行优势分析。

2.2.2 机制砂特性对混凝土强度及耐久性影响的优势分析

根据表1数据和表2中的试验结果，将凝灰岩机制砂和石灰岩机制砂混凝土的母序列因素数值和子序列因素数值进行初值化处理后见表3。根据2.2.1中的步骤计算，得到凝灰岩机制砂关联度矩阵R(1)和石灰岩机制砂关联度矩阵R(2)。

分析关联度矩阵R(1)和R(2)可得：

1)r(1)i3>r(1)i2>r(1)i1、r(2)i3>r(2)i2>r(2)i1(i=1, 2)，表明不同龄期的抗压强度与粗糙度的关联度最大，其次是泥块含量，与石粉含量的关联度最小。粗糙度是影响机制砂混凝土的主要影响因素，粗糙度越大，混凝土骨料间、骨料与水泥浆黏结越牢固，因而具有更高的强度。r(1)1j>r(1)2j、r(2)1j>r(2)2j(j=1, 2, 3)，即7 d抗压强度相比于28 d抗压强度，与粗糙度、泥块含量及石粉含量的关联度更大，受这些因素的影响更大。由于早期混凝土粉煤灰还未完全水化，强度较低，矿物掺和料的增强作用还未充分发挥。故早期强度受粗糙度、泥块含量的影响更大。r(1)i1,r(2)i1<0.6(i=1, 2)，表明7,28 d抗压强度与石粉含量不存在明显的关联性，可知当石粉含量不超过一定范围时，石粉含量对混凝土的抗压强度影响很小。

2)r(1)31>r(1)32>r(1)33、r(2)31>r(2)32>r(2)33，两类机制砂混凝土的电通量值与石粉含量关联度最大，其次是泥块含量。石粉含量越大，电通量值越大，混凝土抗氯离子渗透性越差。机制砂石粉含量是影响混凝土抗氯离子渗透性的主要因素，为提高混凝土抗氯离子渗透性，应当注意控制机制砂石粉含量，使其不超过适当的范围。

3)r(1)42>r(1)41>r(1)43、r(2)42>r(2)41>r(2)43，两类机制砂混凝土的单位面积总开裂面积值与泥块含量关联度最大，其次是石粉含量。泥块含量越高，开裂面积值越大，混凝土抗裂性越差。机制砂泥块含量是影响混凝土抗裂性的主要因素，需要严格控制细骨料含泥量。原材料进场前须经过除土处理，从源头上减小含泥量。其次，应当采取适当措施降低石粉含量，以保证机制砂较低的石粉含量。

4)r(1)31>r(2)31、r(1)42>r(2)42，凝灰岩机制砂混凝土抗氯离子渗透性和抗裂性受石粉含量、泥块含量的影响比石灰岩机制砂混凝土受这些因素影响更大。因此，凝灰岩机制砂品质变化对混凝土抗渗性和抗裂性的影响更加明显。凝灰岩机制砂实际生产使用中，应当制定更加严格的品质检验措施，避免其品质波动对混凝土性能造成不利影响。

2.2.3 对比验证分析

通过人工调配方式降低凝灰岩机制砂的石粉含量和泥块含量获得优质细骨料，编号NH5。并与NH2批凝灰岩机制砂在同试验配比(表2第3组配比)下试验，对混凝土试件进行性能对比，两组机制砂表观密度和堆积密度相差不大，细度模数均为2.7，其他性质和试验结果如表4所示。

注：12NH2表示第12组试验，使用编号为NH2批次的细骨料，其他同理。

如表4所示，增加第12组(NH2批次细骨料)和第13组(优质细骨料)试验，与表2中第3、4组试验结果对比。第12组和第3组细骨料为同一批次，各项性能指标值相差不大。第13组的7 d和28 d抗压强度均大于第12组中相应值，第13组细骨料粗糙度指标值为18.3 s，略小于第4组的18.6 s，7 d和28 d抗压强度两者相差较小，与上文粗糙度是影响强度的主要因素的结论相呼应。电通量值和开裂面积值，第13组均要小于第12组，第13组石粉含量3%，泥块含量0.1%，试件电通量值548 C，开裂面积值247 mm2·m-2，低于第12组中电通量值686 C和开裂面积值394 mm2·m-2，第13组混凝土抗氯离子渗透性和抗裂性更强，与上文中的结论契合。

3 结束语

1)掺加20%矿物掺和料的凝灰岩机制砂混凝土相比于纯水泥混凝土，工作性能显著改善，抗压强度有所提高，抗渗性和抗裂性明显增强。对比品质相近的不同细骨料混凝土，发现凝灰岩机制砂混凝土和石灰岩机制砂混凝土及河沙混凝土的力学性能相当，工作性能均较好。混凝土抗氯离子渗透性河沙优于凝灰岩机制砂，而石灰岩机制砂最差。两种机制砂混凝土单位面积总开裂面积相差较小，抗裂性能相当，且都要优于河沙混凝土。

2)两种机制砂细骨料对混凝土强度及耐久性影响的优势分析得出，抗压强度与粗糙度的关联度最大，其次是泥块含量，与石粉含量的关联度最小，且这些因素对第7天抗压强度的影响更大。当石粉含量不超过一定范围时，石粉含量对混凝土的抗压强度几乎没有影响。

3)机制砂石粉含量是影响混凝土抗氯离子渗透性的主要因素。而机制砂混凝土抗裂性的主要因素为泥块含量，其次是石粉含量。凝灰岩机制砂混凝土抗氯离子渗透性和抗裂性受石粉含量、泥块含量的影响比石灰岩机制砂混凝土受这些因素影响更加敏感，凝灰岩机制砂品质波动对混凝土性能的影响更加显著。

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