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摘要：本文以机制砂中的石粉为对象，将石粉作为掺合料，通过相关试验研究其部分取代粉煤灰的可行性；通过正交试验设计，综合平衡分析机制砂混凝土配合比的影响因素及其对混凝土工作性能、力学性能的影响，找出机制砂混凝土中最佳石粉含量。全面研究机制砂及机制砂混凝土技术，对我国混凝土可持续发展具有重要的指导意义。
关键词：机制砂；石粉应用；正交试验设计；最佳石粉含量。
1 前言
砂是混凝土的主要组成材料之一，对混凝土的工作性、力学性及耐久性具有重要影响。随着国家基建的不断发展，有限的天然砂资源日渐匮乏，不少地区出现了滥采乱挖天然砂而导致生态环境严重破坏的情况。自“十二五”开始，国家对经济结构战略性调整，传统粗放型、以破坏性为代价的建筑骨料开采受到了来自各方的限制，市场对骨料的品质、性能有了更为严格的标准，面对不断增加的骨料市场需求和自然骨料限制开采的矛盾，机制砂以其资源丰富、质量可控、成本低廉等各方面的优势逐渐占领市场，成为混凝土可持续发展的必然趋势。
机制砂生产过程中最为显著的特征系在其生产过程中产生石粉，为控制石粉含量满足标准规范要求，在其生产过程中会采取除粉处理，本项目主要采用干法收尘的方法除粉，通过除粉工艺，一方面使机制砂石粉含量满足规范要求，另一方面将干法收尘获取的多余石粉作为掺合料充分利用，既节约成本，又绿色环保。本文以C30机制砂混凝土为基础，以机制砂石粉为对象，通过需水量比、强度活性指数等试验，研究石粉作为掺合料部分取代粉煤灰的可行性；通过正交试验设计，研究影响机制砂混凝土配合比的主要因素并找出最佳石粉含量，该项研究对机制砂混凝土质量控制及指导项目顺利施工具有重要意义。
2 石粉取代粉煤灰对胶凝材料体系的影响
本试验将石粉作为掺合料的组成部分，部分或全部取代粉煤灰，通过检测需水量比、强度活性指数等参数，分析其对胶凝材料体系的影响，并用以间接判断其对混凝土工作性能及力学性能的影响。
2.1 石粉取代粉煤灰对需水量的影响
将石粉分别以0、20%、40%、60%、80%、100%的比例取代粉煤灰，试验在不同石粉取代率下的需水量比，其结果见图表2.1-1。
表2.1-1 需水量比试验
图2.1-1需水量比试验
通过需水量比试验可以看出，当石粉作为掺合料部分或全部取代粉煤灰时，其需水量比按整数计均在100%-101%小范围内浮动，变化程度较小，对胶凝材料流动性无明显影响。
2.2 石粉取代粉煤灰对强度活性指数的影响
将石粉分别以0、20%、40%、60%、80%、100%的比例取代粉煤灰，试验在不同石粉取代率下的强度活性指数，其结果见表2.2-1。
表2.2-1 强度活性指数试验
通过强度活性指数试验可以得出：①当石粉取代率为0%时，活性指数为85%，即粉煤灰的活性指数为85%；②随着石粉取代粉煤灰百分率逐渐增加，掺和料的活性指数逐步降低，说明石粉作为一种惰性材料，其活性远小于粉煤灰活性；③当石粉取代率为100%时，活性指数为59%，即石粉的活性指数为59%；④粉煤灰强度活性指数≥70%，通过内插法求得，当石粉取代粉煤灰百分率为50%时，掺和料活性指数为73%，即当石粉取代粉煤灰百分率≥50%时，其强度活性指数满足规范要求。
3 石粉取代粉煤灰在机制砂混凝土中的应用
3.1 原材料基本情况
水泥：P.O42.5普通硅酸盐水泥；粗集料：5-31.5mm碎石；细集料：细度模数3.0-3.2，石粉含量8%-12%；外加剂：聚羧酸高性能减水剂，减水率25.5%；粉煤灰：F类II级粉煤灰；石粉：碎石加工场自产石粉。
3.2 混凝土正交试验设计
3.2.1 选定水平因子表
以现有C30机制砂混凝土配合比为基础，具体数据如下：
表3.2-0031现有机制砂混凝土配合比
3.2.2 确定正交试验表
按照确定的3个影响因素以及每个因素的3个水平，运用正交试验设计，挑选出代表性强的9次试验方案，并以9次试验结果推出较优的方案。具体见表3.2-3：
表3.2-3 正交试验表
3.2.3 正交试验方案的实施
以现有机制砂混凝土配合比为基础，单位用水量保持不变，掺合料（石粉与粉煤灰质量之和）占胶凝材料总量的20%，选用石粉取代50%粉煤灰，参照正交试验表3.2-3进行配合比试验，检测其坍落度及28天标准立方体抗压强度，判定混凝土工作性能与力学性能。其结果汇总见表3.2-4：
表3.2-4 正交试验结果汇总
3.2.4 正交试验结果分析
本试验选用直观分析法，具体数据见表3.2-5。
表3.2-5 极差计算表
通过表3.2-5极差计算，综合平衡分析，先对坍落度及强度指标单一分析，确定因素的主次顺序，极差越大，说明该因素的水平改变对试验结果影响越大，极差最大的因素，即为最主要因素，并分析出单一优方案；再对各指标进行比较，综合平衡对比分析出最优方案：
（1）影响坍落度的三因素中，影响混凝土坍落度的因素主次顺序为：A水胶比＞B砂率＞C石粉含量，达到较好坍落度组合条件为A3B1C2。
（2）影响混凝土强度的三因素中，影响混凝土强度的因素主次顺序为：A水胶比＞C石粉含量＞B砂率，通过数据可直观分析出，达到较高强度的组合条件为A1B1C2。
（3）对比单一优组合A3B1C2 与A1B1C2，结合成本考虑，综合分析得出最佳组合为A2B1C2，并将此组合通过试验进一步验证，最终确定最佳组合为A2B1C2。选定混凝土配合比见表3.2-6。
表3.2-6 选定机制砂混凝土配合比
4 机制砂石粉含量对混凝土的影响
本试验按表3.2-6机制砂混凝土基准配合比进行试验，选取石粉含量分别为6%、8%、10%、12%、14%、16%等6组不同石粉含量机制砂进行试拌，观察混凝土工作性能，测定坍落度及7天、28天抗压强度，研究C30混凝土机制砂最佳石粉含量。结果见表4-1。
表4-1 不同石粉含量机制砂混凝土的工作性能及抗压强度
4.1 石粉含量对混凝土拌合物工作性能的影响
从表4-1可以看出，随着机制砂石粉含量逐渐增加，混凝土坍落度先增大后减小，在石粉含量8%-12%范围内，保水性和粘聚性趋向更好，在石粉含量达到10%时出现峰值，坍落度及混凝土拌合物性能达到最优状态。机制砂与天然砂相比，颗粒表面粗糙、多棱角、级配差，且有一定数量的石粉，石粉的存在填充弥补了机制砂混凝土浆体不足的缺陷，石粉浆弥补了机制砂表面粗糙的缺点，有利于减少机制砂与碎石之间的摩擦，从而改善混凝土拌合物的流动性；另外，石粉的表面积远大于机制砂的表面积，它的引入会增加浆体的粘滞性，使混凝土拌合物粘聚性增加，减少机制砂混凝土的离析泌水现象，这是石粉的正作用，在本次C30低强混凝土中的表现尤为明显。但是，当石粉含量超过12%后，混凝土拌合物流动性变差，无法满足现场施工要求，这是由于随着石粉的继续掺入，石粉的表面积逐渐增大，使混凝土需水量大大增加，在混凝土单位用水量不变的情况下，石粉的过量加入必然引起混凝土塑性粘度增大，造成混凝土流动性不良，工作性变差。
4.2 石粉含量对混凝土抗压强度的影响
依据表4-1中7天、28天抗压强度统计数据，以机制砂石粉含量为横坐标，混凝土抗压强度为纵坐标，通过关系曲线图进行机制砂石粉含量对混凝土抗压强度影响的分析，见图4.2-1：
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图4.2-1 机制砂石粉含量与混凝土抗压强度关系曲线
从图4.2-1可以看出，不同石粉含量对机制砂混凝土早期抗压强度及28天抗压强度有着直接影响，随着机制砂石粉含量的增加，混凝土7d、28d抗压强度随之增加，尤其是早期抗压强度的增长更为明显，在石粉含量10%时达到峰值。这是由于石粉的掺加填充弥补了机制砂颗粒级配不好的缺陷，较为明显的改善了混凝土的孔隙特征，改善了浆-骨料界面结构，使混凝土更加密实；另一方面，机制砂表面粗糙、棱角多，有助于提高界面的粘结作用，减少界面过渡区的形成，使混凝土内部结构咬合更加致密，从而提高了混凝土的强度。但当石粉含量超过12%后，随着石粉含量的继续增加，粗颗粒相对减少，骨料颗粒级配不合理，减弱了骨料的骨架作用，使混凝土密实性降低，非活性石粉不具有水化及胶结作用，在水泥含量不变时，过多的石粉使水泥浆强度变低，另一方面，为保证混凝土的工作性，过多的石粉含量又将导致混凝土需水量的增大，从而降低了混凝土强度。
5 结论
（1）石粉作为掺合料，部分或全部取代粉煤灰，在一定范围内对胶凝材料体系的需水量影响很小，对胶凝材料流动性无显著影响。石粉作为掺合料取代粉煤灰，随着石粉取代率逐渐增加，石粉作为一种惰性材料，其活性远小于粉煤灰，掺合料的活性指数与石粉取代率成线性关系，逐步降低。
（2）以C30机制砂混凝土配合比为基础，选取石粉取代粉煤灰百分率为50%，通过正交试验设计，分析得出水胶比、砂率、机制砂石粉含量等因素对混凝土坍落度影响程度主次顺序为水胶比＞砂率＞石粉含量，对混凝土抗压强度影响程度主次顺序为水胶比＞石粉含量＞砂率，通过综合平衡分析并验证确定C30混凝土配合比在水胶比为0.38、砂率为43%、机制砂石粉含量为10%时，其工作性能与力学性能最优化合理。
（3）在C30机制砂混凝土中，机制砂石粉含量最佳控制范围为8%-12%，在此范围内，混凝土工作性能与抗压强度均能满足要求；当石粉最佳含量为10%时，混凝土工作性能最佳，抗压强度值最高；当石粉含量超过12%时，混凝土工作性变差，抗压强度降低。
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