机制砂高性能混凝土（第二版）

前言
近年来，砂的需求居高不下，我国每年砂石产量已达200亿吨，产值约2万亿元。然而当前机制砂石行业仍面临质量保障能力弱、产业结构不合理、绿色发展水平低、局部供求不平衡等突出问题。2019年11月11日，工业和信息化部、国家发展改革委、自然资源部、生态环境部、住房和城乡建设部、交通运输部、水利部、应急管理部、市场监管总局和国铁集团等国家十部门发布《关于推进机制砂石行业高质量的若干意见》，指出以机制砂砂石的颗粒整形、级配调整、节能降耗、综合利用等关键技术和工艺为重点，引导机制砂石行业高质量发展。
本书自2015年出版以来，受到广大读者欢迎和众多好评。为适应机制砂及机制砂混凝土行业发展需求及相关读者的实际需要，我们对全书进行修订和补充。除了订正原书的疏漏之外，吸收了一些新的科研与应用成果。关于本书的具体修订工作，特作以下几点说明：
1.保持原书的体系、结构不变；
2.大量更新了机制砂行业发展数据、机制砂及机制砂高性能混凝土的技术指标；
3.新增机制砂相关国家、行业、协会、地方及国外的相关标准；
4.新增机制砂颗粒形貌表征方法，补充机制砂先进生产技术案例；
5.新增机制砂高性能混凝土配合比设计方法与制备关键技术。
再版由同济大学蒋正武教授等人编著与修订，修订的具体分工为：同济大学蒋正武修订第1章、第6～10章；贵州大学梅世龙修订第2章、第11章、第12章；同济大学任强修订第3～5章。同济大学何倍、张翼、钟翼进、郑乔木等人参与资料、文字整理等工作，在此一并感谢。
限于编者水平，书中疏漏难免，敬请读者批评指正。

蒋正武
2020年4月于上海


第一版前言
混凝土是世界上最大宗的人造建筑结构材料，其逐渐向着高性能、超高性能方向发展。随着现代工程结构向大跨度、高耸、重载方向发展以及恶劣环境条件的需要，高性能混凝土已广泛应用于高层建筑、市政、桥梁、港口、地下、海工等工程中。2012年，我国水泥熟料产量12.79亿吨，水泥产量21.84亿吨，混凝土用量达到60亿吨以上。骨料作为混凝土中最主要的组成之一，受自然资源的限制，尤其在我国西南、南部等地区，以河砂为主的天然砂越来越无法满足未来持续增长的混凝土用量需求。随着混凝土技术发展、自然资源短缺与环境保护的需求等问题，采用机制砂全面替代河砂已成为混凝土行业可持续发展的一种必然趋势。全面研究机制砂的生产工艺、特性、技术指标及机制砂高性能混凝土技术，不仅对我国混凝土技术发展提供理论支撑与技术指导，而且对提高我国混凝土结构工程的长期耐久性与使用寿命具有重要的指导意义。
在贵州省交通厅及其他众多科研项目的资助下，结合在我国不同地区，根据贵州地区的多年机制砂高性能混凝土工程应用实践，本书全面分析了混凝土技术及我国机制砂工业发展现状与趋势，论述了骨料岩相及典型岩性骨料的技术性能；全面论述了我国机制砂的生产工艺、技术控制指标及特性，重点阐述了机制砂高性能混凝土配合比设计、生产与施工技术，论述了机制砂高性能混凝土的工作性、力学性能及耐久性等，全面阐述了机制砂高性能混凝土的微观结构及其与性能的关系；全面讲述了机制砂特种高性能混凝土配合比设计、制备、生产及其在典型工程中应用技术，主要包括机制砂自密实混凝土、大粒径骨料机制砂自密实混凝土、机制砂抗扰动混凝土、机制砂高强混凝土、机制砂超高泵送混凝土等。本书将专业理论基础与专业实践知识有机地结合在一起，具有科学性、知识性、先进性与实践性、趣味性。本书可供建筑结构、土木建筑、港口水运、水利工程、桥梁市政、建筑材料、工程管理等专业从事混凝土材料、混凝土施工等领域的研究、教学、设计、施工、生产等科技人员、大专院校师生和研究生参考。
本书由同济大学蒋正武教授等编著，编著的具体分工为：同济大学蒋正武编写第1章、第3章、第6～10章；贵州高速公路集团有限公司总工程师梅世龙博士编写第2章、第4章；贵州建工集团廖卫红总工程师编写第5章；贵州建工集团第一分公司张义勇高工编写第11章、傅亚松高工编写第12章。同济大学博士、硕士研究生邓子龙、袁政成、杨凯飞、严希凡、韩超、黄青云、肖鑫、田曼丽、周磊等同学参与了资料、文字整理等工作，在此一并感谢。本书由蒋正武统稿。
本书的内容不仅是作者多年来从事混凝土材料领域的理论研究、科研与工程实践的积累，也参考国内外大量的技术资料文献，在此一并向相关作者与研究机构表示谢意。另外，由于我们水平有限，书中不当之处难免，还望广大读者不吝赐教、指正。

编者
2014年8月

本书全面介绍了混凝土技术及我国机制砂工业发展现状与趋势，骨料岩相及典型岩性骨料的技术性能，我国机制砂的生产工艺、技术指标及控制，重点阐述了机制砂高性能混凝土配合比设计、制备与施工技术，机制砂高性能混凝土的工作性、力学性能及耐久性等，机制砂高性能混凝土的微观结构及其与性能的关系，机制砂特种高性能混凝土配合比设计、制备及生产及其在典型工程中应用技术，主要包括机制砂自密实混凝土、大粒径骨料机制砂自密实混凝土、机制砂抗扰动混凝土、机制砂高强混凝土、机制砂超高泵送混凝土等。
本书可供建筑结构、土木建筑、港口水运、水利工程、桥梁市政、建筑材料、工程管理等专业从事混凝土材料、混凝土施工等领域的研究、教学、设计、施工、生产等科技人员、大专院校师生和研究生参考。

1绪论1
1.1高性能混凝土的发展1
1.1.1混凝土的发展1
1.1.2高性能混凝土的发展1
1.2机制砂工业的发展3
1.2.1骨料的分类与发展3
1.2.2机制砂工业的现状5
1.2.3机制砂工业的展望9
1.3机制砂高性能混凝土的发展11
1.4机制砂标准12
参考文献15

2骨料的岩性及性能17
2.1岩石的分类17
2.2不同岩石骨料的性能18
2.3我国不同地区岩石分布18
2.4石灰岩19
2.4.1石灰岩的分类与特性19
2.4.2贵州地区石灰岩特性及其分布23
2.4.3贵州地区石灰岩母岩的物理力学性能25
2.4.4贵州地区石灰岩岩相与碱活性分析25
2.5玄武岩29
2.5.1玄武岩的特性29
2.5.2玄武岩骨料的物理力学性质30
2.5.3玄武岩骨料的碱活性30
参考文献30

3机制砂的生产工艺、技术指标及控制32
3.1生产工艺及优化32
3.1.1传统机制砂生产32
3.1.2机制砂生产工艺改进37
3.1.3泥浆回收工艺42
3.2技术指标48
3.2.1国家标准对机制砂的规定48
3.2.2关键技术指标50
3.3品质控制52
3.3.1母岩质量控制52
3.3.2给料机对机制砂MB值的影响52
3.3.3机制砂颗粒级配与细度模数控制52
3.3.4石粉含量的控制53
3.3.5机制砂防离析措施53
3.4机制砂特性54
3.4.1机制砂颗粒形貌及其表征方法54
3.4.2机制砂和河砂的级配和石粉含量59
3.4.3机制砂与河砂的表观密度、堆积密度、空隙率对比60
3.4.4石粉粒度分布60
3.4.5岩性61
3.5最新机制砂生产工艺生产案例61
参考文献64

4机制砂高性能混凝土配合比设计、制备与施工技术66
4.1原材料66
4.1.1水泥66
4.1.2粗骨料68
4.1.3机制砂71
4.1.4外加剂71
4.1.5矿物掺合料73
4.2设计参数选择76
4.2.1试配强度76
4.2.2水泥品种、强度等级及水泥用量76
4.2.3用水量77
4.2.4砂率77
4.2.5机制砂性能要求及用量77
4.2.6粗骨料用量78
4.2.7矿物掺合料78
4.2.8外加剂78
4.3配合比设计79
4.3.1普通混凝土配合比设计79
4.3.2高性能混凝土配合比设计法则85
4.3.3确定高性能混凝土配合比的方法85
4.3.4机制砂高性能混凝土配合比设计88
4.3.5基于砂浆富余系数的混凝土配合比设计方法89
4.3.6基于骨料粒形的机制砂混凝土配合比设计方法91
4.4机制砂高性能混凝土制备关键技术94
4.4.1石粉优化技术94
4.4.2机制砂及粗骨料优化技术95
4.4.3矿物掺合料优化技术96
4.4.4外加剂优化技术98
4.5施工技术99
4.5.1机制砂高性能混凝土搅拌工艺100
4.5.2拌合物的运输101
4.5.3浇筑工艺101
4.5.4振捣工艺102
4.5.5养护工艺102
4.5.6施工中常见问题的处理104
参考文献104

5机制砂高性能混凝土的性能106
5.1工作性107
5.1.1工作性的含义及测定方法107
5.1.2机制砂对混凝土工作性的影响112
5.2力学性能116
5.2.1抗压强度116
5.2.2抗拉强度119
5.2.3弹性模量120
5.2.4抗压强度与弹性模量之间的关系123
5.2.5石粉和机制砂在混凝土中的正负效应125
5.3耐久性126
5.3.1概况126
5.3.2抗裂性128
5.3.3渗透性130
5.3.4体积稳定性133
5.3.5抗冻融性139
5.3.6碱-骨料反应140
5.3.7地下腐蚀环境中的混凝土耐久性144
参考文献154

6机制砂高性能混凝土的微观结构156
6.1水化特性156
6.1.1水泥水化硬化机理156
6.1.2水泥水化过程157
6.1.3水泥水化动力学模型161
6.1.4机制砂中石粉对水泥水化的影响162
6.2孔结构特性164
6.2.1孔结构种类164
6.2.2孔结构与宏观性能的关系164
6.2.3机制砂中石粉对混凝土孔结构的影响167
6.2.4利用热孔计法表征混凝土的孔结构167
6.3微观结构特性175
6.3.1界面过渡区的微观结构175
6.3.2机制砂中石粉对不同强度等级混凝土微观结构的影响176
6.3.3石灰岩质骨料混凝土微观结构特性研究176
参考文献180

7机制砂自密实混凝土及工程应用182
7.1机制砂自密实混凝土研究应用现状182
7.2机制砂自密实混凝土原材料的选用184
7.2.1机制砂自密实混凝土之机制砂的选用184
7.2.2机制砂自密实混凝土之其他材料的选用185
7.3机制砂自密实混凝土的配合比设计185
7.3.1机制砂自密实混凝土配合比设计的原则185
7.3.2机制砂自密实混凝土配合比设计的方法186
7.3.3机制砂自密实混凝土配合比参数优化187
7.4机制砂自密实混凝土的性能194
7.4.1机制砂自密实混凝土的工作性及其评价194
7.4.2机制砂自密实混凝土的力学性能196
7.4.3机制砂自密实混凝土的耐久性196
7.5机制砂自密实混凝土的工程应用197
7.5.1机制砂自密实混凝土用于一般工程中197
7.5.2机制砂自密实混凝土用于特殊工程中204
7.6机制砂自密实混凝土在清水河大桥中的应用206
7.6.1工程概况206
7.6.2机制砂自密实混凝土配制关键技术207
7.6.3机制砂自密实混凝土在清水河大桥中施工及应用效果209
7.7机制砂自密实混凝土在北盘江大桥中的应用209
7.7.1工程概况209
7.7.2机制砂自密实混凝土配制关键技术210
7.7.3机制砂自密实混凝土在北盘江大桥中施工及应用效果212
参考文献213

8大粒径骨料机制砂自密实混凝土及工程应用215
8.1大粒径骨料机制砂自密实混凝土概况215
8.2大粒径骨料机制砂自密实混凝土原材料要求217
8.2.1水泥217
8.2.2机制砂217
8.2.3粗骨料218
8.2.4矿物掺合料218
8.2.5外加剂219
8.2.6拌合水219
8.3大粒径骨料堆积计算机模拟与分析219
8.3.1程序整体设计思路220
8.3.2各个模块的算法描述220
8.3.3堆积参数对大粒径骨料堆积程度的影响计算分析224
8.4超流态机制砂自密实混凝土配合比设计与制备226
8.4.1超流态机制砂自密实混凝土配合比设计原则226
8.4.2超流态机制砂自密实混凝土性能指标要求226
8.4.3超流态机制砂自密实混凝土配合比设计路线227
8.4.4超流态机制砂自密实混凝土配合比设计步骤227
8.4.5超流态机制砂自密实混凝土的制备228
8.5大粒径骨料机制砂自密实混凝土性能237
8.5.1超流态机制砂自密实混凝土工作性能237
8.5.2大粒径骨料机制砂自密实素混凝土构件性能237
8.5.3大粒径骨料机制砂自密实钢筋混凝土构件性能239
8.5.4大粒径骨料机制砂自密实混凝土耐久性能245
8.6大粒径骨料机制砂自密实混凝土工程应用247
8.6.1毕节至威宁高速公路工程概况247
8.6.2大粒径骨料机制砂自密实混凝土的性能要求248
8.6.3大粒径骨料机制砂自密实混凝土现场原材料性能248
8.6.4工程现场应用配合比及基本性能测试248
8.6.5工程现场施工流程及质量控制249
8.6.6现场混凝土性能评价251
8.6.7工程应用总结252
参考文献253

9机制砂抗扰动混凝土及工程应用255
9.1绪论255
9.1.1定义255
9.1.2抗扰动混凝土的研究意义255
9.1.3车桥耦合振动对混凝土性能影响的研究现状255
9.1.4贵州地区公路桥梁交通流量特征以及车桥耦合振动效应257
9.1.5抗扰动混凝土研究现状与存在的问题260
9.2原材料、试验方法与方案260
9.2.1原材料260
9.2.2试验与评价方法261
9.2.3研究思路与试验方案264
9.3模拟车桥耦合振动对混凝土性能的影响265
9.3.1模拟车桥耦合振动对不同性能混凝土的基本力学性能的影响265
9.3.2不同频率的振动对混凝土性能的影响267
9.3.3不同振幅的振动对混凝土性能的影响271
9.3.4不同的振动模式对混凝土基本力学性能的影响274
9.3.5不同振动作用时间段对混凝土基本力学性能的影响274
9.3.6模拟车桥耦合振动导致混凝土性能损伤的机理研究275
9.4抗扰动外加剂及抗扰动混凝土的研发280
9.4.1抗扰动混凝土的设计思路及研究方案280
9.4.2不同砂浆的抗扰动性281
9.4.3不同种类外加剂对砂浆抗扰动性的影响284
9.4.4抗扰动外加剂的制备284
9.4.5抗扰动混凝土的配制及性能研究288
9.5抗扰动混凝土的作用机理研究290
9.5.1混凝土的黏度290
9.5.2混凝土的凝结时间290
9.5.3混凝土的内部显微结构290
9.5.4混凝土的微观分析291
9.5.5水化热分析293
9.5.6抗扰动混凝土的作用机理293
9.6抗扰动混凝土长期力学性能和耐久性的研究294
9.6.1研究方法294
9.6.2试验研究结果及分析295
9.7工程应用297
9.7.1工程概况297
9.7.2抗扰动混凝土的性能要求298
9.7.3原材料298
9.7.4工程应用配合比及基本性能测试299
9.7.5工程应用总结299
参考文献300

10机制砂高强混凝土及工程应用303
10.1机制砂高强混凝土概况303
10.2机制砂高强混凝土的原材料305
10.2.1水泥305
10.2.2骨料305
10.2.3外加剂305
10.2.4 矿物掺合料305
10.3机制砂高强混凝土配合比设计305
10.3.1机制砂高强混凝土配合比设计的基本原则305
10.3.2机制砂高强混凝土配合比设计思路306
10.4机制砂高强混凝土的性能306
10.4.1机制砂高强混凝土的工作性能与力学性能306
10.4.2机制砂高强混凝土耐久性能313
10.4.3机制砂高强混凝土微观性能315
10.5机制砂高强混凝土在六冲河大桥中的应用319
10.5.1六冲河大桥简介及施工方案320
10.5.2水文地质条件320
10.5.3原材料加工工艺及性能参数321
10.5.4现场施工配合比及其工作性能324
10.6机制砂高强混凝土在花果园双子塔中的应用326
10.6.1工程概况326
10.6.2原材料及其性能参数326
10.6.3配合比优化技术329
10.6.4工程应用效果341
参考文献342

11机制砂水下抗分散混凝土及工程应用344
11.1概况344
11.2原材料345
11.2.1水泥345
11.2.2机制砂345
11.2.3粗骨料346
11.2.4外加剂346
11.2.5矿物掺合料346
11.2.6水346
11.3配合比设计347
11.3.1基本原则347
11.3.2配合比设计方法348
11.4性能349
11.4.1拌合物性能349
11.4.2力学性能351
11.4.3耐久性能352
11.4.4水下抗分散混凝土外加剂与其他外加剂相容性与优化技术355
11.5工程应用359
11.5.1厦蓉高速公路项目AT22合同段水下灌注桩359
11.5.2贵黄公路花鱼洞大桥加固工程溶洞处理361
参考文献368

12机制砂超高泵送混凝土及工程应用370
12.1机制砂超高泵送混凝土泵送理论研究370
12.1.1泵送混凝土流变学模型370
12.1.2泵送混凝土流变学特征372
12.1.3泵送混凝土屈服应力373
12.1.4泵送混凝土塑性黏度373
12.1.5泵送混凝土颗粒集合模型374
12.2机制砂超高泵送混凝土性能及影响因素376
12.2.1机制砂超高泵送混凝土泵送性能及评价指标376
12.2.2机制砂超高泵送混凝土泵送性能影响因素376
12.2.3机制砂超高泵送混凝土其他性能需求379
12.2.4机制砂超高泵送混凝土关键问题380
12.3机制砂超高泵送混凝土原材料要求381
12.3.1水泥381
12.3.2矿物掺合料381
12.3.3粗骨料382
12.3.4机制砂382
12.3.5外加剂382
12.4机制砂超高泵送混凝土配合比设计382
12.5机制砂超高泵送混凝土工程应用383
12.5.1赫章大桥工程概况383
12.5.2赫章大桥机制砂超高泵送混凝土性能要求383
12.5.3赫章大桥机制砂超高泵送混凝土现场原材料384
12.5.4赫章大桥机制砂超高泵送混凝土配制技术386
12.5.5赫章大桥机制砂超高泵送混凝土泵送压力计算389
12.5.6赫章大桥机制砂超高泵送混凝土泵送作业392
12.5.7赫章大桥机制砂超高泵送混凝土施工养护393
12.5.8赫章大桥机制砂超高泵送混凝土全程质量控制394
12.6本章小结395
参考文献395

后记397