高石粉含量機制砂混凝土勻質性的試驗研究

劉龍龍，趙尚傳,劉忠凱，王少鵬，劉榮欣

(1.交通運輸部公路科學研究院，北京 100088；2.中海建筑有限公司，廣東 深圳 518057)

0 引言

和河砂對比，機制砂石粉含量高，粒型差，含泥量不穩定，不僅會影響機制砂混凝土的工作性能，還會影響混凝土的抗裂能力以及力學性能，從而降低機制砂混凝土的耐久性[1-3]。為保障混凝土的耐久性，改善其勻質性，國內外研究人員提出了不同的測試方法[4-9]。Dhaheer[10]采用光滑粒子流體動力學的方法模擬了骨料在混凝土J形環試驗中混凝土的流動；張守祺[11]采用電阻率區間穩定法量化了混凝土澆注的密實度和均勻度；吳義林[12]采用顯微硬度法評價了水灰比和粉煤灰摻量對混凝土勻質性的影響。然而目前的勻質性評價方法主要針對混凝土的攪拌和澆注過程[13-14]，較少研究成型后混凝土的勻質性，尤其是機制砂粒徑級配、水膠比、石粉含量等因素對勻質性的影響[15-17]。

針對上述問題，本研究對澆注成型后的試件切片進行了二值化處理，并利用Image-Pro Plus軟件讀取切片骨料顆粒數量和面積，根據骨料顆粒數量和面積占切片的比重，量化了不同配合比機制砂混凝土的勻質性，分析了機制砂混凝土水膠比、石粉含量以及骨料最大粒徑對勻質性的影響，為進一步提升機制砂混凝土的勻質性提供了理論依據。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

選用P·O 42.5級硅酸鹽水泥，強度等級分別為C30，C40，C50；I級粉煤灰；高性能聚羧酸減水劑(緩凝型)；機制砂的石粉含量為10.9%，粗骨料按照最大密實度比例分配，粗、細骨料均為石灰巖。粗骨料粒徑分為5～10 mm，10～19 mm，19～31.5 mm這3檔。

1.2 配合比設計

設定水膠比為0.31，0.36，0.45，共3組機制砂混凝土配合比，保持膠凝材料用量和水膠比不變，粗、細骨料比例可按照最大密實度理論[18]分配，見式(1)：

(1)

式中，Pi為集料顆粒的通過率；Di為當前粒徑；Dmax為最大粒徑；Dmin為定義的最小粒徑，此處取最小粒徑為0.075 mm，即D0.075。

已知機制砂中石粉含量為10.9%，A30-1，A40-1，A50-1是原混凝土的配合比，A30，A40，A50混凝土配合比中粗、細集料的用量可由式(1)確定，具體見表1。

表1 機制砂混凝土配合比Tab.1 Mix proportion of machine-made sand concrete

1.3 試驗方案

1.3.1 混凝土切片二值化處理

混凝土試件截面為150 mm×150 mm，在標準養護室養護28 d，切片前24 h放置在干燥處晾干，然后采用巖石切割機沿試件縱向切開，并且保證混凝土切片表面平滑。由于骨料區域和漿體區域的顏色不同，運用Image-Pro Plus軟件直接讀取切片骨料數量和面積時，誤差較大，故先采用MATLAB軟件進行二值化，采用自行編制程序，運用大津法讀取混凝土切片的圖片，進行二值化，保存為.jpg格式，以便于Image-Pro Plus軟件讀取骨料區域和漿體區域的面積。

1.3.2 勻質性評價方法

切割完試件后，利用MATLAB軟件對混凝土試件切片圖像進行二值化處理。將處理后的二值化照片用Photoshop軟件將混凝土切片劃分為3×3等面積區域，然后借助Image-Pro Plus軟件，獲取試件切片每個區域內粗骨料顆粒的個數和面積[19]。

為了獲取切片中骨料顆粒數量和面積對勻質性的影響，將骨料的數量和面積作為參數，勻質性評估模型可表示為：

(2)

第i個區域骨料顆粒的面積比pi可以表示為：

(3)

式中，s為粗骨料顆粒的期望面積；si為粗骨料顆粒的面積。

骨料顆粒面積比的期望值p表示為：

(4)

骨料顆粒數量的期望值q表示為：

(5)

根據試驗實測結果，將式(3)～(5)代入式(2)，即可得到混凝土試件勻質性計算結果。由于T1和T2分別統計的是切片中骨料面積比和骨料數量的變異程度，計算結果絕對值越小，說明試件的勻質性越好。

2 試驗結果及討論

2.1 試驗結果

圖1～圖3分別是不同配合比A30和A30-1，A40和A40-1，A50和A50-1試件切片和二值化圖片對比，利用Image-Pro Plus軟件讀取二值化后切片的骨料數量和面積，見表2～表7，然后將讀取的數據代入式(2)，計算A30和A30-1，A40和A40-1，A50和A50-1混凝土試件的勻質性指標，然后進行對比分析。

圖1 強度等級 C30混凝土切片Fig.1 Slice of concrete with strength grade C30

圖2 強度等級 C40混凝土切片Fig.2 Slice of concrete with strength C40

圖3 強度等級C50混凝土切片Fig.3 Slice of concrete with strength grade C50

表2 試件A30劃分為3×3的結果(單位：mm2)Tab.2 Result of dividing specimen A30 into 3×3 (unit：mm2)

對比試件A30和A30-1，混凝土試件的骨料面積分別為9 203.1 mm2和10 167.9 mm2，骨料顆粒的數量分別為138和189；混凝土試件A40和A40-1的骨料面積分別為8 133.4 mm2和9 672.4 mm2，骨料顆粒的數量分別為327和381；混凝土試件A50和A50-1的骨料面積分別為11 540.4 mm2和10 568.3 mm2，骨料顆粒的數量分別為232和367。A30和A40混凝土試件的骨料顆粒數量和骨料面積均小于A30-1和A40-1。改變骨料的最大粒徑后，A50混凝土試件的骨料顆粒數量小于A50-1，A50骨料的總面積大于A50-1，說明機制砂混凝土的勻質性和骨料最大粒徑相關，可通過式(2)對比分析。

表3 試件A30-1劃分為3×3的結果(單位：mm2)Tab.3 Result of dividing specimen A30-1 into 3×3 (unit：mm2)

表4 試件A40劃分為3×3的結果(單位：mm2)Tab.4 Result of dividing specimen A40 into 3×3 (unit：mm2)

表5 試件A40-1劃分為3×3的結果(單位：mm2)Tab.5 Results of dividing specimen A40-1 into 3×3 (unit：mm2)

表6 試件A50劃分為3×3的結果(單位：mm2)Tab.6 Result of dividing specimen A40-1 into 3×3 (unit：mm2)

表7 試件A50-1劃分為3×3的結果(單位：mm2)Tab.7 Result of dividing specimen A40-1 into 3×3 (unit：mm2)

2.2 水膠比對混凝土勻質性的影響

根據面積比得到的試件A30，A40，A50的勻質性指標T1分別為0.034，0.032，0.016，A50的勻質性最好，A40的勻質性次之，A30的勻質性最差。A30-1，A40-1，A50-1的勻質性指標T1分別為:0.042，0.042，0.02，A50-1的勻質性最好，A40-1和A30-1的勻質性相同。據3×3區域骨料面積比得到的勻質性，試件A30，A40，A50相對A30-1，A40-1，A50-1的勻質性分別提升了19.0%，23.8%，20.0%。

根據劃分的3×3區域，試件A30，A40，A50的勻質性指標T2分別為15.30，12.28，5.40，A30-1，A40-1，A50-1的勻質性指標T2分別為22.48，19.08，6.22。根據3×3區域顆粒數量比得到的勻質性，試件A30，A40，A50相對A30-1，A40-1，A50-1的勻質性分別提升了31.9%，35.6%，13.2%。

圖4 混凝土水膠比和T1之間關系Fig.4 Relationship between water-binder ratio of concrete and T1

圖5 混凝土水膠比和T2之間關系Fig.5 Relationship between water-binder ratio of concrete and T2

表8 不同配合比設計混凝土試件勻質性對比Tab.8 Comparison of homogeneity of concrete specimens with different mix ratios

圖6 混凝土水膠比和T之間關系Fig.6 Relationship between water-binder ratio of concrete and T

由圖4～圖6和表8分析可知，采用不同的配合比設計方法，相同水膠比條件時，試件A30，A40，A50相對A30-1，A40-1，A50-1的勻質性分別提升了30.7%，32.6%，15.7%。采用相同的配合比設計方法，不同水膠比條件下，A40比A30提升了17.1%，A50比A40提升了54.8%；A40-1比A30-1提升了14.8%，A50-1比A40-1提升了63.9%。這說明試件的勻質性隨混凝土強度等級的增加而提升。

2.3 機制砂石粉含量對混凝土勻質性的影響

按照式(1)分配骨料的比例時，試件A30機制砂的用量為780 kg，A30-1機制砂的用量為930 kg，試件A30石粉含量相比試件A30-1減少了16.3%。同理，試件A40石粉含量相比試件A40-1減少了12.2%，勻質性均比原配合比試件的勻質性增加，見表8。試件A50石粉含量和試件A50-1石粉含量相差不大，試件A50骨料的比例是按照式(1)致密堆積比例堆積，A50的勻質性指標T比A50-1減小了0.013。A30機制砂混凝土試件的勻質性高于試件A30-1，一方面是由于試件A30的石粉含量偏少；另一方面，試件A30的粗砂和細砂考慮了骨料的級配，使其致密堆積，從而改善了混凝土的勻質性。

2.4 骨料級配對機制砂混凝土勻質性的影響

混凝土試件A30-1和A40-1粒徑區間0～5 mm，5～10 mm，10～19 mm，19～31.5 mm的骨料分別按照1.00∶0.21∶0.52∶0.31，1.00∶0.23∶0.59∶0.35的比例分配。混凝土試件A30和A40采用最大密實度理論，按照1.00∶0.39∶0.53∶0.50比例重新分配，A50-1的骨料比例為1.00∶0.53∶0.80，A50混凝土試件骨料按照1.000：0.39：0.85重新分配。A50的勻質性指標比A50-1減小了0.013，A30的勻質性指標比A30-1減小了0.083，A40的勻質性指標比A40-1減小了0.075。這說明骨料的比例按照式(1)分配時可以提升機制砂混凝土的勻質性。

2.5 骨料最大粒徑對機制砂混凝土勻質性的影響

從表8看出，按照面積比的勻質性指標T1進行評價時，試件A30-1和A40-1的勻質性指標T1值相同，小于試件A50-1的勻質性T1值。試件A30和A40的勻質性指標T1值相差不大，同時也小于試件A50的勻質性。對比不同配合比設計方法、骨料最大粒徑、水膠比、骨料級配，表明骨料的最大粒徑對面積比的勻質性影響最大。

按照劃分的3×3各區域骨料顆粒數量的勻質性指標T2進行評價時，A30>A40>A50，A30-1>A40-1>A50-1，說明骨料顆粒數量的勻質性隨水膠比的增加而減小。

根據均勻性綜合評判指標T判斷，采用相同的配合比設計時，相比試件A30和A40，試件A50的均勻性最好。相比試件A30-1和A40-1，試件A50-1的均勻性最好。A30-1的T2值最大，說明A30-1混凝土中骨料顆粒數量在各個區域分布差異性大。綜合T1和T2對T值的影響，T1分別占A30，A30-1，A40，A40-1勻質性T值的18.2%，15.6%，20.6%，18.3%，22.9%，24.1%。對比面積比和顆粒數量對勻質性的影響，面積比占了20%左右，混凝土試件A50，A50-1骨料的最大粒徑為19 mm，勻質性T1值分別占T值的22.9%和24.1%，表明面積比對勻質性的影響也在增加。

3 結論

本研究采用C30，C40，C50這3個混凝土強度等級，共6組混凝土試件，首先利用MATLAB軟件對150 mm×150 mm×150 mm混凝土試件切片進行了二值化處理，再將二值化后的切片照片進行3×3等分處理，然后借助Image-Pro Plus軟件讀取每個區域骨料顆粒數量和面積。根據建立的勻質性評價模型公式，對比了水膠比、石粉含量、機制砂級配、機制砂混凝土勻質性的影響，主要結論如下。

(1)試件A30，A40，A50相對A30-1，A40-1，A50-1的勻質性分別提升了30.7%，32.6%，15.7%，說明進行機制砂混凝土的配合比設計時，采用最大密實度理論，按照一定的比例提升粗骨料用量，減少細骨料用量，重新分配骨料的比例，可提升機制砂混凝土的勻質性。

(2)不同水膠比條件下，A40比A30提升了17.1%，A50比A40提升了54.8%；A40-1比A30-1提升了14.8%，A50-1比A40-1提升了63.9%，說明試件的勻質性隨混凝土強度等級的增加而提升。

(3)骨料最大粒徑、水膠比、骨料級配、石粉含量對機制砂混凝土的勻質性均有影響，其中骨料的最大粒徑對機制砂混凝土的勻質性的影響最大。