第1章石料与集料

1、道路工程材料授课教师：郭发丽第一章 石料与集料学习目的了解石料的岩石学特征；掌握石料与集料主要技术性能及其主要评价方法与评价指标；理解集料级配的概念和级配理论；掌握矿质混合料的配合比设计方法。1砂石材料：1）技术性质2）技术要求2矿质混合料：1）级配理论2）设计方法第一章 石料与集料砂石材料序：1. 工程应用： 砂石材料是道路与桥梁建筑中应用最广泛的材料，具有较高的抗压强度和耐久性，抗拉强度较低。 既可以直接使用，又可加工成集料使用。第一章 石料与集料第一章 石料与集料2.砂石材料包括：天然砂石料 (加工或不加工的)不同形状、尺人工轧制的集料：岩石经人工轧制成的碎石工业冶金矿渣集料：可用作基层

2、材料或集料。寸的块状石 铺筑、砌筑自然风化的砾石(卵石)及砂集料砂石材料序：一、石料的岩石学特性 石料定义：在建筑结构工程中，所使用的石料通常指由天然岩石经机械加工制成的，或者由直接开采得到的具有一定形状和尺寸的石料制品1. 造岩矿物 不同造岩矿物和成岩条件使得各类天然岩石具有不同的结构和构造特征。石料的物理力学性质在很大程度上取决于天然岩石的矿物成分，以及这些矿物在岩石中的结构与构造。第一节 石料 造岩矿物：具有一定化学成分和结构特性的天然化合物或单质，简称矿物，由一种或两种以上的矿物组成不同的岩石。由于各种矿物具有确定的化学组成与特有的结构构造，对石料的物理力学特性有着不同的影响。第一节

3、石料一、石料的岩石学特性第一节 石料第一节 石料一、石料的岩石学特性2. 岩石分类 岩石的性质除了与构成岩石的矿物有关之外，还取决于不同的成岩条件。根据成岩条件将岩石分成三类：1）岩浆岩2）沉积岩3）变质岩第一节 石料一、石料的岩石学特性第一节 石料一、石料的岩石学特性3. 常用岩石种类第一节 石料一、石料的岩石学特性 根据石料组成中二氧化硅成分含量的多少，将岩石分成不同酸碱性石料。第一节 石料 表中的亲水系数表明石料对水亲和力的大小。亲水系数越大，说明石料与水的结合程度越高，相对应与沥青的结合力就越弱，所以石料的酸碱性直接影响到石料和沥青构成的混合料的性质。二、石料的物理性质石料的物理性质：

4、1. 物理常数2. 含水率3. 吸水性第一节 石料二、石料的物理性质1. 物理常数（1）密度 单位体积的质量叫密度。从质量和体积的观点出发，石料的内部组成结构主要是由矿质实体和孔隙(包括开口孔隙和闭口孔隙)所组成。 与外界连通的是开口孔隙 不与外界连通的是闭口孔隙 开、闭口是指表面开口和内部的、未在表面开口 的封闭孔隙。第一节 石料第一节 石料第一节 石料二、石料的物理性质 真实密度 (简称密度) t=ms/Vs= m/Vs 式中： t 石料的真实密度(g/cm3)； ms石料矿质实体的质量(g)： Vs石料矿质实体的体积即真实体积(cm3)。 石料在规定条件下(105 5烘干至恒重，13h质

5、量变化在要求精度内,干燥器中冷却至20),单位真实体积(不含孔隙的矿质实体的体积)的质量。石料、集料各种密度规定条件同此。二、石料的物理性质石料真实密度的测定方法： 想除去闭口孔隙体积，必须磨细，磨的越细，真实体积越准。磨成0.25mm颗粒，基本可消除孔隙。石料真实密度的测定方法： 将石料样品粉碎磨细后，在1055条件下烘干至恒重（13h质量变化在要求精度内），称得其质量。然后在密度瓶中加水经沸煮后，使水充分进入闭口孔隙中，通过“置换法”测定其真实体积，瓶子装矿粉前水体积V1，装矿粉后水体积V2， V2 V1即体积变化即Vs 。 已知真实体积Vs和质量即可按式(11)求得真实密度。第一节 石料

6、第一节 石料二、石料的物理性质 毛体积密度 h=ms/(Vs+Vi+Vn)=m/V 式中：h 石料的毛体积密度(g/cm3)； m石料矿质实体的质量(g)： Vs、Vi、Vn石料矿质实体、开、闭口孔隙的体积(cm3)。 二、石料的物理性质石料毛体积密度的测定方法： 采用“静水称量法”：将规则石料在1055烘干至恒重，测得其质量m。然后将石料吸水24h，使其饱水后用湿毛巾揩去表面水，即可称得饱和面干时的石料质量m1。 最后用静水天平法测得饱和面干石料的水中质量m2，因空气和水中称质量差为浮力wV,所以h = m/V， V（m1m2）/w 由此可计算出石料的毛体积密度。第一节 石料二、石料的物理性

7、质（2）孔隙率 石料的孔隙率是石料的孔隙体积占其总体积的百分率。式中：P石料的孔隙率()； Vo石料的孔隙体积(包括开、闭口) (cm3)； V石料的毛体积(cm3)。 孔隙率亦可由真实密度和毛体积密度计算求得。第一节 石料.100.100VoVVsPVV二、石料的物理性质材料的密实度与孔隙率： a.孔隙率b.密实度： 即毛体积密度除以真实密度。亦即真实体积除以毛体积。第一节 石料1100%htP100%htD1DP二、石料的物理性质2.含水率 岩石的含水率是岩石在天然状态下的含水率。式中：岩石的含水率()； m烘至恒量时的试样质量，g； m1天然岩石试样的质量，g；第一节 石料1100mmm

8、二、石料的物理性质 石料的物理常数常用这3个(真实密度、毛体积密度和孔隙率)，石料的物理常数不仅反映石料的内部组成结构，而且能间接地反映石料的力学性质及其他性能。第一节 石料二、石料的物理性质孔隙的影响：一般随材料内部孔隙的增加，表现为：表观密度、毛体积密度；强度、耐磨性；抗冻性、抗渗性、耐水性、耐腐蚀性、其它耐久性；吸水性、吸湿性；保温性、吸声性； 尤其是石料的孔结构，会影响其所轧制成的集料在水泥混凝土(或沥青混凝土)中，对水泥浆(或沥青)的吸收、吸附等化学交互作用的程度。进而影响水泥混凝土(或沥青混凝土)的性质。第一节 石料二、石料的物理性质3. 吸水性 岩石吸入水分的能力称为吸水性，用吸

9、水率与饱和吸水率来表征。式中：岩石的吸水率()； sa岩石的饱和吸水率() ； m烘至恒量时的试样质量，g； m1吸水至恒量时的试样质量，g； m2强制饱水至恒量时的试样质量，g。第一节 石料1100mmm2100sammm第一节 石料二、石料的物理性质石料吸水率测定的方法： 将石料加工为规则试件，经1055烘干称量m1后，在铺有薄砂的盛水容器中，用分层逐渐加水的方法使石料中的空气逐渐逸出，最后完全浸于水中，任其自由吸水48h后，取出称量m2。 测得烘干至恒重的质量和吸水至恒重的质量，即可按式(14)求得吸水率。二、石料的物理性质 饱水率：石料在常温、真空抽气下最大的吸水质量占烘干(105 5

10、干燥至恒重)石料质量的百分率。公式同吸水率。吸水率0.75第一节 石料二、石料的物理性质 抗冻性指标：块状试件经饱水状态在-15的条件下，按书表11中所列要求冻融循环次数后，无明显的缺损(包括：裂缝、缺角、掉边、表面松散等现象)，同时耐冻系数大于0.75者，则认为抗冻性合格。冰冻地区建桥石料应符合抗冻性指标。第一节 石料二、石料的物理性质 材料的抗冻性好坏取决于材料的孔隙率大小、孔结构特征(开口孔、闭口孔及形状大小)和充水程度。第一节 石料二、石料的物理性质2. 坚固性试验法：硫酸钠侵蚀法 将烘干并已称量过的规则试件，浸入饱和的硫酸钠溶液中经20h后，取出置于105 5的烘箱中烘4h。然后取出

11、冷却至室温，这样作为一个循环。从第2个循环起，浸泡和烘烤时间均为4h。 如此重复5个循环后，最后用蒸馏水沸煮洗净，烘干至恒重称量其质量，计算质量损失率。第一节 石料二、石料的物理性质 硫酸钠侵蚀法机理：基于硫酸钠饱和溶液浸入石料孔隙后，经烘干、硫酸钠结晶体积膨胀，产生有如水结冻相似的作用，使石料孔隙周壁受到张应力，经过多次循环，引起石料破坏。 坚固性是测定石料耐候性的一种简易、快速的方法。有设备条件的单位，应采用直接冻融法试验评价石料耐候性。 物理性质完。与水有关的性质：吸水性、抗冻性。第一节 石料集料：由不同粒径矿质颗粒组成的混合料，在沥青混合料或水泥混凝土中起骨架和填充作用。一、集料分类1

12、. 集料来源（1）天然集料：包括天然砂、砾石和卵石等。河砂：颗粒表面圆滑，比较洁净，质地较好，产源广山砂：颗粒表面粗糙有棱角，含泥量和含有机质量多海砂：虽然有河砂的特点，但是其中混有贝壳、碎片 和盐分等有害物质第二节 集料 一、集料分类（2）人工集料 人工集料是岩石或卵石经破碎和筛分机械设备加工而成的具有棱角、表面粗糙的石料碎块。 碎石或破碎砾石是将天然岩石或卵石经机械破碎、筛分制成的粒径大于4.75mm的岩石颗粒。 人工砂是指经除土处理的机制砂、混合砂的统称，粒径小于2.36mm。 石屑是采石场加工碎石时通过最小筛孔（2.36mm或4.75mm）的筛下部分，也称筛砂。第二节 集料二、集料的物

13、理性质1. 集料的密度（1）表观密度第二节 集料saSnmVV二、集料的物理性质（2）表干密度 集料的表干密度又称作饱和面干毛体积密度，它的计算体积与毛体积密度相同，但计算质量为集料颗粒的表干质量（饱和面干状态，包括了吸入开口孔隙中的水。 第二节 集料aaSnimVVV二、集料的物理性质（3）堆积密度 装填密度根据装样方法的不同可为松装密度、振实密度和捣实密度。第二节 集料aaSniVmVVVV第二节 集料二、集料的物理性质注意：在测试集料密度时应考虑试验时不同温度水的密度的影响，计算试验温度下的密度。 沥青混合料配合比设计时采用集料的表观相对密度和毛体积相对密度，水泥混凝土组成设计时采用集料

14、的表观密度。 集料的相对密度为密度与同温度水的密度的比值。T 集料的堆积密度或紧装密度；a集料的表观密度。二、集料的物理性质2. 空隙率：第二节 集料1100an 按振实法测定的粗集料的堆积密度；a粗集料的表观密度。二、集料的物理性质2. 空隙率之粗集料空隙率第二节 集料1100GaV 按捣实法测定的粗集料的堆积密度；b粗集料的毛体积密度。二、集料的物理性质2. 空隙率之骨架间隙率第二节 集料1100DRCbVCA小结：石料和集料涉及多种密度，归纳如下表：第二节 集料二、集料的物理性质3. 集料的级配 级配是指集料中各种粒径颗粒的搭配比例或分布情况。 级配对水泥混凝土及沥青混合料的强度、稳定性

15、及施工和易性有着显著的影响，级配设计也是水泥混凝土和沥青混合料配合比设计的重要组成部分。第二节 集料二、集料的物理性质4. 集料的颗粒形状与表面特征（1）颗粒形状蛋圆形、棱角形、针状、片状第二节 集料二、集料的物理性质4. 集料的颗粒形状与表面特征（2）表面特征 指集料表面的粗糙程度及孔隙特征等。 细集料表面特征状态采用棱角性指标表征，棱角性采用空隙率法或流动时间法评定。 空隙率法：C细集料的松装密度；S细集料的毛体积相对密度。第二节 集料1100CSU二、集料的物理性质5. 含泥量和泥块含量 存在于集料中或包裹在集料颗粒表面的泥土危害： （1）会降低水泥的水化反应速度； （2）也会妨碍集料与

16、水泥（或沥青）间的粘结能力。 应对其含量加以限制。 第二节 集料二、集料的物理性质5. 含泥量和泥块含量（1）含泥量与石粉含量泥是指砂中粒径小于0.075mm的颗粒。 m0试验前烘干集料试样的质量，g ；m1经筛洗后，0.075mm筛上烘干试样的质量，g。第二节 集料010100ammQm二、集料的物理性质 砂当量用于测定细集料中所含黏性土和杂质含量，判定细集料的洁净程度，对集料中0.075mm的矿粉、细砂与“泥土”加以区别。 甲基蓝MB值用于判别人工砂中0.075mm颗粒含量主要是泥土，还是与被加工母岩成分相同的石粉。第二节 集料二、集料的物理性质5. 含泥量和泥块含量（2）泥块含量 泥块是

17、指粗集料中原尺寸大于4.75mm（或细集料中大于1.18mm），但经水浸洗、手捏后小于2.36mm（细集料中小于0.6mm）的颗粒含量。 m2试验前烘干集料试样的质量，g ；m3试验后烘干的质量，g。第二节 集料232100bmmQm三、粗集料的力学性质1. 压碎值 压碎值是指按规定的方法测得石料抵抗压碎的能力，也是集料强度的相对指标，用以鉴定集料品质。压碎值是对石料的标准试样在标准条件下进行加荷，测试石料被压碎后，标准筛上筛余质量的百分率。m0试验前试样的质量，g ；m1试验后通过2.36mm筛孔的细料的质量，g。第二节 集料10100amQm 三、粗集料的力学性质2. 磨耗率 磨耗率是指粗

18、集料抵抗摩擦、撞击的能力。 m0试验前试样的质量，g ；m1试验后1.7mm筛上洗净烘干的质量，g。第二节 集料121100mmQm三、粗集料的力学性质3. 磨光值 磨光值是反映石料抵抗轮胎磨光作用能力的指标，它是采用加速磨光机磨光石料，并用摆式磨擦系数测定仪测得的磨光后集料的磨擦系数。第二节 集料三、粗集料的力学性质4. 冲击值 冲击值反映石料抵抗冲击荷载的能力。 路表集料直接承受车轮荷载的冲击作用，这一指标对道路表层用集料非常重要。m 试样的总质量，g ；m1冲击破碎后通过2.36mm筛的石屑质量，g。第二节 集料1100mAIVm三、粗集料的力学性质5. 磨耗值 磨耗值用于评定道路路面表

19、层所用粗集料抵抗车轮磨耗作用的能力。m1磨耗前试样的质量，g ；m2磨耗后试样的质量，g ；S 集料的表干密度，g/cm3。第二节 集料1213SmmmAAV三、粗集料的力学性质 只有满足了一定技术要求的集料才能确保相关混合料的各项性能，以粗细两种类型的集料分别提出各自的技术要求。 第二节 集料第三节 矿质混合料的组成设计 矿质混合料：能够满足级配要求的各种粒径材料的集合体，简称矿料。第三节 矿质混合料的组成设计一、矿质混合料的级配1. 级配的表示方法（1）标准筛 采用标准套筛对集料进行过筛分析，以确定集料粗细颗粒的分布即级配就是所谓筛分试验。 集料颗粒的尺寸用粒径表示，也成为粒度。 通常集料

20、的粒径以方孔筛为准，标准筛尺寸为70mm、63mm、53mm、37.5mm、31.5mm、26.5mm、19mm、16mm、13.2mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm、0.075mm.第三节 矿质混合料的组成设计第三节 矿质混合料的组成设计第三节 矿质混合料的组成设计第三节 矿质混合料的组成设计第三节 矿质混合料的组成设计一、矿质混合料的级配（2）级配参数 通过筛分试验，求得集料试样的级配参数。以细集料的筛分为例： 在筛分试验中，分别称量500g砂样充分过筛，根据砂样存留在各筛上的筛余质量，分别计算出分计筛余百分率 、累计筛余百分率

21、 、通过百分率。第三节 矿质混合料的组成设计一、矿质混合料的级配 分计筛余百分率是指某号筛上的筛余质量占试样总质量的百分率：mi存留在某号筛上的试样质量，g；m集料风干试样的总质量，g。 第三节 矿质混合料的组成设计100iimam一、矿质混合料的级配 累计筛余百分率是指某号筛的分计筛余百分率和大于该号筛的各筛分计筛余百分率之总和：ai各筛的分计筛余百分率，%。 第三节 矿质混合料的组成设计12iiAaaa一、矿质混合料的级配 通过百分率是指通过某号筛的试样质量占试样总质量的百分率，即100与某号筛累计筛余百分率之差：Ai某号筛累计筛余百分率，%。第三节 矿质混合料的组成设计100iipa一、

22、矿质混合料的级配（3）级配曲线的绘制 为了直观形象地表示矿料各粒径的颗粒分布状况，常常采用级配曲线的方式来描述矿料级配。集料级配曲线示意图a）常数坐标； b）半对数坐标d第三节 矿质混合料的组成设计一、矿质混合料的级配（4）细度模数细度模数：用于评价细集料粗细程度的指标，是细集料筛分试验中各号筛上的累计筛余百分率之和：A4.75、A2.36、A0.15分别为4.75mm、2.36、0.15mm各筛的累计筛余百分率，%。第三节 矿质混合料的组成设计2.361 180.600.300.154.754.75()5100.fAAAAAAMA一、矿质混合料的级配 细度模数愈大，表示细集料愈粗。普通混凝土

23、用砂按细度模数分为粗、中、细三种规格，相应的细度模数分别为： 粗砂：Mf=3.73.1； 中砂：Mf=3.02.3； 细砂：Mf=2.21.6。 注：细度模数主要反映全部颗粒的粗细程度，不完全反映颗粒的级配情况，混凝土配制时应同时考虑砂的细度模数和级配情况。第三节 矿质混合料的组成设计一、矿质混合料的级配（1）级配曲线类型 粗细不同的粒径按照一定的比例组合搭配在一起，以达到较高的密实程度，根据搭配组成的结果，可得到以下几种不同级配形式。 连续级配 间断级配第三节 矿质混合料的组成设计连续级配曲线筛孔尺寸di（mm）级配（%）分计筛余累计筛余通过百分率9.50 0.0 0.0 100.0 4.7

24、5 3.0 3.0 97.0 2.36 12.6 15.6 84.4 1.18 19.8 35.4 64.6 0.60 21.0 56.4 43.6 0.30 23.0 79.4 20.6 0.15 15.0 94.4 5.6 0.08 4.4 98.8 1.2 筛底1.2 100.0 0 一、矿质混合料的级配第三节 矿质混合料的组成设计间断级配曲线筛孔尺寸di（mm）级配（%）分计筛余累计筛余通过百分率9.50 0.0 0.0 100.0 4.75 3.0 3.0 97.0 2.36 12.6 15.6 84.4 1.18 0.0 15.6 84.4 0.60 0.0 15.6 84.4 0

25、.30 63.8 79.4 20.6 0.15 15.0 94.4 5.6 0.08 4.4 98.8 1.2 筛底1.2 100.0 0 一、矿质混合料的级配第三节 矿质混合料的组成设计一、矿质混合料的级配（2）级配组成与矿料空隙率和内摩阻力的关系。 第三节 矿质混合料的组成设计一、矿质混合料的级配3. 连续级配的计算（1）最大密度曲线理论 最大密度曲线是通过试验提出的一种理想曲线： “级配曲线越接近抛物线，该集料的密实度越大，空隙率越小”。 P2 =kd第三节 矿质混合料的组成设计一、矿质混合料的级配当d最大粒径D时，P100，则k1002/D即d欲算通过率的某级粒径(mm)； P粒径d对

26、应的集料的通过率() ；D集料的最大粒径(mm)。第三节 矿质混合料的组成设计0.5100*()dPD一、矿质混合料的级配（2）级配曲线范围公式n级配指数， 0.30.7（常用矿质混合料的级配指数范围）；n4.5，工程实践中可获得集料的最大理论密度曲线。第三节 矿质混合料的组成设计100*()ndpD一、矿质混合料的级配（3）集料级配曲线的绘制第三节 矿质混合料的组成设计第三节 矿质混合料的组成设计二、矿质混合料的配合比设计方法数解法与图解法两大类第三节 矿质混合料的组成设计第三节 矿质混合料的组成设计二、矿质混合料的配合比设计方法数解法二、矿质混合料的配合比设计方法1. 数解法（1）试算法1

27、）适用于3种左右集料的配合比的计算。2）已知：原始集料的级配曲线、欲配制混合料的级配范围，求组成混合料的各集料的配置比例。3）思路：采取“假定算出核对级配范围是否符合（以上为一次试算的过程），再试算，逐步逼近”的方法。必要时还可增加或调整集料品种。第三节 矿质混合料的组成设计二、矿质混合料的配合比设计方法4）如何假定集料比例 设A、B、C三种集料在混合料M中的配合比例为X、Y、Z，则 XYZ1 设混合料M要求的某级粒径(i)的含量（分计筛余）为aM(i)，而A、B、C三集料在该粒径的含量（分计筛余）分别为aA(i) 、aB(i) 、aC(i) ，则 aA(i) *X aB(i) *Y aC(i

28、) *Z aM(i)第三节 矿质混合料的组成设计二、矿质混合料的配合比设计方法 假定A料的比例时，设某粒径(i)是A料的优势粒径，先假定混合料中该粒径全部由A料提供，而其他各集料不含这种粒径，则 aA(i) *X aM(i) 即 X aM(i)/ aA(i) 第三节 矿质混合料的组成设计二、矿质混合料的配合比设计方法 假定C料的比例时，设某粒径(j)是C料的优势粒径，先假定混合料中该粒径全部由C料提供，而其他各种集料不含这种粒径，则 ac(j) *Z aM(j)，即 Z aM(j)/ ac(j) 则B料比例：Y=1-X-Z第三节 矿质混合料的组成设计二、矿质混合料的配合比设计方法 校核调整：按

29、以上计算的配合比，经校核如混合料级配不在要求的级配范围内，应调整配合比重新计算和复核；经几次调整，逐步渐进，直到符合要求为止。 如经几次调整确不能满足级配范围要求时，可掺加某些单粒级集料，或更换原始集料。第三节 矿质混合料的组成设计二、矿质混合料的配合比设计方（二）规划求解法第三节 矿质混合料的组成设计二、矿质混合料的配合比设计方法（三）图解法:1）绘图解法用级配曲线图 绘一长方形图框，连对角线。取多长多宽不影响计算结果。纵坐标，标出通过百分率(0100)，连对角线作为要求级配曲线范围中值。 找某通过率相应的筛孔尺寸的位置。第三节 矿质混合料的组成设计二、矿质混合料的配合比设计方法2）确定各集料用量： 把各集料分别按筛孔尺寸与相应通