水泥：普通硅酸盐PO 42.5水泥；火山灰：产自云南腾冲的江腾火山灰(由火山石破碎细磨而得)，火山灰化学成分含量见 表1 ，火山灰技术指标见 表2 ；火山石：产自云南腾冲的江腾天然火山石，粒径为5~20 mm，连续级配，火山石物理性能指标见 表3 ，火山石颗粒级配见 表4 ；砂：河砂，细度模数2.5，II区中砂；碎石：粒径为5~20 mm，连续级配；减水剂：山东优索牌萘系减水剂。

试验用搅拌机选择强制式混凝土搅拌机；参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB/T50080-2016测试混凝土坍落度；混凝土试块成型为100 mm × 100mm × 100 mm的立方体；试块脱模后在标准养护室养护至龄期28 d，参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》GB/T50081-2019测试其抗压强度；取龄期为28 d的试块参照《轻骨料混凝土技术规程》JGJ51-2002测试其吸水率和软化系数。

采用正交试验方法，研究火山石掺量、火山灰掺量、水胶比等因素对混凝土坍落度、28 d抗压强度、吸水率和软化系数等指标的影响规律，正交试验方案见 表5 。以上三因素每个因素取三个不同水平按照L9(3⁴)正交表设计三因素三水平正交试验，并分别以坍落度、28 d抗压强度、吸水率和软化系数为考量指标对试验结果进行极差分析和方差分析，讨论各因素对于试验结果影响的大小和主次，分析各因素对于试验结果影响的显著程度。

极差分析可以直观地反映因素对试验指标的影响程度大小，突出各因素的最优水平，得到各因素的最优水平组合。对试验结果进行极差分析，极差分析结果见 表6 ，表中 ${\bar{K}}_1$、 ${\bar{K}}_2$、 ${\bar{K}}_3$表示各因素取水平1、水平2、水平3时对应试验结果的平均值，R表示极差。坍落度、28 d抗压强度、吸水率和软化系数等指标随各因素水平的变化趋势见 图1~4 。

注：A——火山石掺量；B——火山灰掺量；C——水胶比；D——空白列。

从 表6 可知各因素对于坍落度的影响程度次序为：水胶比 > 火山灰掺量 > 火山石掺量。从 图1 可见随着火山石掺量的提高混凝土的坍落度逐渐降低，降幅为15.4%，原因是随着火山石掺量的提高混凝土重度降低，坍落度随之降低；随着火山灰掺量的提高混凝土的坍落度先上升7.9%后下降22.5%，原因是火山灰具有微集料效应但其颗粒微观形貌呈多边形且颗粒表面较粗糙 [15] [16] ，前者使其填充混凝土孔隙释放水分增大坍落度，后者使其吸附混凝土中的水分降低坍落度，当火山灰掺量为水平2时微集料效应更强，当火山灰掺量为水平3时颗粒表面吸水作用更强。

从 表6 可知各因素对于28 d抗压强度的影响程度次序为：火山石掺量 > 水胶比 > 火山灰掺量。从 图2 可见随着火山石掺量的提高混凝土的28 d抗压强度逐渐降低，降幅为11.7%，原因是火山石内部多孔的特性在降低自重的同时也导致火山石相较于传统石料承受应力的能力降低。随着火山灰掺量的提高混凝土的28 d抗压强度先上升7.1%后下降6.8%，强度先上升是因为火山灰的二次水化作用弥补了水泥被部分替代导致的水泥水化产物减少，同时火山灰的微集料效应使得混凝土中胶砂结构更加密实 [17] [18] ，以上两个效应共同作用下混凝土强度提高；随着火山灰掺量的进一步提高，混凝土28 d抗压强度出现下降是因为较大量的使用矿物掺合料使得水泥水化产物较大程度减少进而导致强度降低 [19] 。

从 表6 可知各因素对于吸水率的影响程度次序为：火山石掺量 > 水胶比 > 火山灰掺量。从 图3 可见随着火山石掺量的提高混凝土的吸水率逐渐增大，增幅为123.8%，原因是火山石内部多孔结构为水分子扩散提供了通道和储存空间；随着火山灰掺量的提高混凝土的吸水率先下降28.9%后上升13.2%，原因是低掺量使用火山灰做为矿物掺合料由于二次水化作用和微集料效应使得混凝土中胶砂结构更加紧密，不益于水分子扩散，而火山灰用量进一步增大之后由于水泥用量较大程度减少使得水泥水化产物减少，混凝土内物质分布不如低掺量时紧密，扩散至混凝土内部的水分子增多。

从 表6 可知各因素对于软化系数的影响程度次序为：火山石掺量 > 火山灰掺量 > 水胶比。从 图4 可见随着火山石掺量的提高混凝土的软化系数逐渐降低，降幅为13.7%，原因是火山石的耐水性能比传统石料差，所以随着火山石掺量的增加混凝土的耐水性能下降；随着火山灰掺量的提高混凝土的软化系数先上升6.5%后下降3.2%，说明低掺量使用火山灰替代水泥能使混凝土结构更加密实，在一定程度上提高混凝土的耐水性能，而掺量超过特定值(约为20%)之后，混凝土的耐水性能下降。

若优先考虑坍落度最大，最佳因素水平组合为：火山石掺量10% + 火山灰掺量20% + 水胶比0.50；若优先考虑28 d抗压强度最大，最佳因素水平组合为：火山石掺量5% + 火山灰掺量20% + 水胶比0.45；若优先考虑吸水率最小，最佳因素水平组合也为：火山石掺量5% + 火山灰掺量20% + 水胶比0.45；若优先考虑软化系数最大，最佳因素水平组合也为：火山石掺量5% + 火山灰掺量20% + 水胶比0.45。综合考虑以上指标，最佳因素水平组合为：火山石掺量5% + 火山灰掺量20% + 水胶比0.45。

方差分析的基本思想是：通过分析研究不同来源的变异对总变异的贡献大小，从而确定各因素对研究结果影响的显著性程度。从 表5 可知，正交试验方案的最后一列为空白列，方差分析时该空白列反映的是正交试验的组间误差，该列也称为误差列。方差分析结果见 表7 。

注：A——火山石掺量；B——火山灰掺量；C——水胶比；F_0.05(2, 2) = 19；F_0.1(2, 2) = 9；**——非常显著；*——显著；———不显著。

由 表7 可知，火山灰掺量和水胶比对混凝土坍落度影响非常显著，同时火山石掺量对坍落度影响显著；火山石掺量、火山灰掺量、水胶比对混凝土28 d抗压强度均影响非常显著；火山石掺量对混凝土吸水率影响非常显著，同时水胶比对吸水率影响显著；火山石掺量对混凝土软化系数的影响非常显著，同时火山灰掺量对软化系数影响显著。

微观形貌反映了混凝土内部物质的形态、结合的紧密程度等，混凝土内部的物质形态和密实度又直接影响其力学性能和耐久性能。根据上述分析结果，当因素水平组合为：火山石掺量5% + 火山灰掺量20% + 水胶比0.45时，试验混凝土28 d抗压强度最大、吸水率最小且软化系数最大。取龄期为28 d的ZJ-2组次轻掺料混凝土和普通混凝土切割制样进行SEM分析，分析结果见 图5 和 图6 。

比较 图5 和 图6 发现，在基准组混凝土内部可见少量相对独立的未反应的块状CH (氢氧化钙)，而试验组内部基本不存在此种物质，说明加入适量火山灰后混凝土水化更加完全。基准组空隙内的柱状、簇状C-S-H (水化硅酸钙)或Aft (钙矾石)远少于试验组，相对而言基准组的空隙更为畅通，这会导致其耐久性能不如试验组。基准组内可以观察到不少相对独立的块状CH，而试验组混凝土的微观结构分布紧密，同时可以观察到不少片状、柱状的C-S-H紧密分布、彼此交错，形成复杂的三维结构，这从微观层面解释了试验组混凝土的力学性能和耐久性能优于基准组混凝土的原理。