道路-1砂石材料

砂石材料第1章：主要内容1.1石料1.2集料1.3矿质混合料的组成设计1.4石料与集料的工程应用1.1石料

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。

石料是天然岩石经机械加工制成的，或者直接开采得到具有一定形状和尺寸的石料制品。一、石料的岩石学特性1造岩矿物造岩矿物岩石地质作用石英、云母、长石；角闪石、方解石、白云石、黄铁矿、石膏、菱镁矿、赤铁矿灯。1.1石料2岩石的分类一、石料的岩石学特性按成岩条件分岩浆岩沉积岩变质岩——片理状岩、块状岩深成岩喷出岩火山岩花岗岩、正长岩、辉长石玄武岩、安山岩、辉绿岩石灰岩、页岩、砂岩、石膏，散粒状的粘土、砂、卵石1.1石料二、石料的物理性质物理常数吸水性抗冻性1.1石料二、石料的物理性质物理常数

石料的物理常数是反映材料矿物组成、结构状态和特征的参数。常用物理常数是密度和孔隙率。m0VnMmSViVsVV0闭口孔隙矿物实体开口孔隙图1-1石料组成部分的质量与体积关系示意图11.1石料二、石料的物理性质物理常数——1密度

规定条件下，石料矿质实体单位体积的质量。真实密度表观密度毛体积密度1.1石料

规定条件下，烘干石料矿质实体单位真实体积的质量。二、石料的物理性质物理常数1密度——真实密度m0VnMmSViVsVV0闭口孔隙矿物实体开口孔隙1.1石料二、石料的物理性质物理常数1密度——表观密度

规定条件下，烘干石料矿质实体单位表观体积（包括闭口孔隙）的质量。m0VnMmSViVsVV0闭口孔隙矿物实体开口孔隙1.1石料二、石料的物理性质物理常数1密度——毛体积密度

规定条件下，烘干石料矿质实体单位毛体积（包括闭口、开口孔隙）的质量。1.1石料二、石料的物理性质物理常数——1

石料孔隙体积占石料总体积（包括开口孔隙和闭口孔隙体积）的百分率。孔隙率①吸水率：常温（20±2℃）、标准大气压（101.325kPa)

，最大的吸水质量占干燥试样质量的百分比。②饱水率：常温、真空抽气（2.67kPa），最大吸水质量占干燥试样质量的百分比。1.1石料二、石料的物理性质吸水性2材料吸入水分的能力。包括吸水率和饱水吸水率。1.1石料直接冻融法坚固性法二、石料的物理性质抗冻性3

石料在水饱和状态下，能经受反复冻融而不破坏，并不严重降低强度的能力。孔隙构造、吸水性1.1石料直接冻融法（冻融循环试验：吸水饱和，-15℃冰冻←→常温融解）

循环若干次(15、25、50次)二、石料的物理性质抗冻性3冻融系数4h石料——直径、高50mm圆柱体试件，50mm正方体试件，在105±5℃烘干。质量损失率坚固性试验定义：骨料在气候、环境变化或其它物理因素作用下抵抗碎裂的能力叫坚固性。坚固性使骨料不因干湿循环或冻融循环而产生体积变化导致混凝土性能的劣化。测试：用硫酸钠(NaSO410H2O)饱和溶液渗入砂石孔隙中形成结晶时的裂胀力对砂石的破坏程度，可间接地判断其坚固性。试样经5次循环后各粒级的总质量损失百分率作为其评价指标。影响因素：骨料的坚固性取决于孔隙率、裂缝和杂质。指标规定：质量损失率L=(m1-m2)/m1抗冻性3①道路试件:50×50×50±2mm立方体φ50×H50±2mm的圆柱体②桥梁试件:70×70×70±2mm立方体1.1石料三、石料的力学性质石料的抗压强度1试件类型图1-2石料抗压试件1.1石料材料的矿物成分结构和构造P——试验时石料试件破坏的极限荷载，NA——石料试件的受力截面积，mm2三、石料的力学性质石料的抗压强度1影响因素试件尺寸加荷速率湿度等内因外因对试件饱水处理后施加荷载直至破坏。1.1石料三、石料的力学性质磨耗率2石料抵抗撞击、摩擦的联合作用的能力。洛杉矶磨耗试验狄法尔磨耗试验

试样为~5000g有一定级配的集料，加入钢球12个φ48mm，~5000g。转速30～33r/min，转500转。1.1石料三、石料的力学性质磨耗率——洛杉矶法（搁板式）2

式中：m2——试验后2mm筛上烘干石料试样质量；m1——试验前烘干石料试样质量。图搁板式磨耗仪示意图①省时：15min左右②使石料受到更严峻的冲击、

剪切、摩擦作用，石料级差大③试样级配较符合路用状况洛杉矶法（搁板式）

式中：m2——试验后2mm筛上烘干石料试样质量；m1——试验前烘干石料试样质量。1.1石料三、石料的力学性质磨耗率——狄法尔法（双筒式）250块石料（50～75mm），单一粒径，质量5000g左右，转速30～33r/min，转10,000转（5.5～5.0h）磨耗率计算公式：图1-3双筒式磨耗仪示意图①耗时长达5h以上②试件尺寸单一（50～75mm），与路用实际情况不符合

③石料间相互作用，不同性质石料的磨耗率相差不大狄法尔法（双筒式）石料物理性质及力学性质小结物理性质物理常数：密度（真实密度、表观密度、毛体积密度）、孔隙率吸水性：吸水率、饱水率抗冻性力学性质抗压强度：单位面积上所能承受的最大荷载磨耗率：石料抵抗撞击、剪切和摩擦综合作用的能力1.1石料1.分类：按照成岩条件、风化程度等①岩浆岩类（火成岩）②石灰岩类（沉积岩）③砂岩与片麻岩类（变质岩）④砾石岩（天然风化）2.分级指标：饱水抗压强度和磨耗率①最坚强②坚强③中等坚强④较弱软1.1石料四、石料的技术标准1.2集料

集料是由不同粒径矿质颗粒组成的混合料。包括各种天然砂、人工砂、卵石、碎石以及各类工业冶金矿渣。天然砂、机制砂——粒径<4.75mm卵石、碎石——粒径>4.75mm粗集料细集料分界尺寸：4.75mm(水泥混凝土)2.36mm(沥青混凝土)1.2集料一、集料的物理性质物理常数密度空隙率集料的级配集料的颗粒形状与表面特征含泥量和泥块含量图集料的体积组成孔隙：矿物之间的空间—Vn+Vi空隙：集料颗粒之间的空间—Vv颗粒之间的空间体积(1)密度：表观密度、毛体积密度、表干密度、装填密度1.2集料一、集料的物理性质1物理常数密度——表干密度①堆积（松装）密度——集料按自由下落方式装样②振实（紧装）密度——集料振摇方式装样③捣实密度——集料振摇方式装样1.2集料一、集料的物理性质1物理常数密度——堆积密度⑵空隙率n：集料空隙体积(含开口孔隙)占集料总体积的百分比。

1.2集料一、集料的物理性质1物理常数n_——集料的空隙率，%Vf——集料颗粒的堆积体积，Vs+Vn+Vi+Vv，cm3Vv——集料颗粒孔隙，cm3Vi——矿质实体中开口孔隙体积，cm3集料中各种粒径颗粒的搭配比例或分布情况。（详见下节）

1.2集料一、集料的物理性质2集料的级配⑴颗粒形状：蛋圆形、棱角形、针状、片状1.2集料集料的颗粒形状与表面特征一、集料的物理性质3⑵表面特征：表面的粗糙程度及孔隙特征等含泥量：集料中粒径小于0.075mm的颗粒含量。1.2集料一、集料的物理性质4含泥量和泥块含量

泥块含量：粗集料中原尺寸大于4.75mm，但经水浸洗、手捏后小于2.36mm的颗粒含量。存在类型：由纯泥组成的团块；由砂、石屑与泥组成的团块；包裹在集料颗粒表面的泥。1.2集料二、粗集料的力学性质压碎值磨光值冲击值磨耗值①压碎指标值（适用于水泥混凝土用集料）②压碎值（沥青混合料用集料）

式中：m0—试验前风干试件的质量，gm1—试验后通过2.36mm筛孔的细集料质量，g1.2集料二、粗集料的力学性质压碎值：石料抵抗压碎的能力。1图压碎指标值测试仪具尺寸图10～20mm集料分二层夯实，在3～5min加荷至Pmax=200kN，恒压5s后，脱膜后过2.36mm筛。试验集料压碎值的测试

图

压碎值测试仪将12～16mm碎石分三层夯实，在0～10min加压至400kN，立即卸载，过2.36mm筛。试验集料容器压碎值的测试1.2集料磨光值：石料抵抗轮胎磨光作用能力的，即保持其原有粗糙的能力。

二、粗集料的力学性质2PSV——石料的磨光值；PSVra——试验试件的摩擦系数；PSVbra——标准试件的摩擦系数；

式中：m0——冲击前试样总质量，g；

m1——冲击试验后，通过2.36mm筛的石屑质量，g二、粗集料的力学性质3冲击值：石料抵抗多次连续的重复冲击荷载的能力。1.2集料

式中：m1——磨耗前的试件质量（g）

m2——磨耗后的试件质量（g）

s——集料的表干密度g/cm3二、粗集料的力学性质4磨耗值：石料抵抗表面磨损的能力。1.2集料粗集料的力学性能

压碎值：石料抵抗压碎的能力

磨光值：石料抵抗磨光的能力，即保持其原有粗糙的能力

磨耗值：石料抵抗磨擦、剪切的能力

冲击值：石料抵抗多次连续的重复冲击荷载的能力物理性质

物理常数：密度、空隙率等

级配

颗粒形状与表面特征

含泥量，泥块含量1.2集料---小结1.3矿质混合料的组成设计矿质混合料：两种或两种以上的集料混合而成，简称矿料。组成设计的目的：根据目标级配范围要求，确定各种集料在矿质混合料中的合理比例。图级配的几种情况1.3矿质混合料的组成设计一、矿质混合料的级配1集料级配的表示方法⑴筛分试验

一定数量的集料试样，在标准筛上进行筛分试验。。试验后分别称量集料试样存留在各筛上的筛余质量并计算相关的级配参数。

圆孔筛(直径)：…40、20、10、5、2.5、1.25、0.63、0.3…方孔筛(边长)：…13.2、9.5、4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15、0.075。

1.3矿质混合料的组成设计一、矿质混合料的级配1集料级配的表示方法⑴筛分试验——标准筛图筛分试验用套筛1.3矿质混合料的组成设计①分计筛余百分率ai：某号筛上的筛余质量占试样总质量的百分率。一、矿质混合料的级配1集料级配的表示方法⑴筛析试验——级配参数③通过百分率pi：通过某号筛的集料质量占试件总质量的百分率。Pi=100-Ai②累计筛余百分率Ai：等于或大于某号筛上筛余质量之和占总质量的百分率。Ai=a1+a2+...+an评价细集料粗细程度。粗砂：Mf

＝3.7～3.1中砂：Mf

＝3.0～2.3细砂：Mf＝2.2～1.6一、矿质混合料的级配1集料级配的表示方法（2）细集料的细度模数1.3矿质混合料的组成设计1.3矿质混合料的组成设计一、矿质混合料的级配1集料级配的表示方法（3）集料的级配曲线①作图：纵坐标为通过百分率P(％)常数坐标；横坐标为筛孔尺寸(mm)坐标；②注意：坐标单位；注明不同曲线意义③判断集料级配是否符合要求图级配曲线1.3矿质混合料的组成设计一、矿质混合料的级配1集料级配的表示方法（3）集料的级配曲线连续级配：级配曲线光滑，每一种尺寸的集料都有间断级配：剔除一个或几个分级，曲线形成折线形单粒级：集料集中在一个分级级配类型示意图

单粒径图连续级配与间断级配曲线示意图1.3矿质混合料的组成设计一、矿质混合料的级配2级配组成对矿料性能的影响

矿质混合料的级配组成与其密度及颗粒间内摩阻力有关，从而对水泥混凝土或沥青混凝土的强度、耐久性及施工和易性有显著影响。最小空隙率：达到最大密实度最大摩阻力：增加集料的稳定性和强度；互相嵌紧、互不干涉，紧密多级空间网络骨架结构。p2=kd

当d=D时，p=100→1002=k·D→

式中：d—集料中颗粒的筛孔尺寸，mm

D—矿质混合料最大粒径，mm1.3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)最大密度级配计算——富勒理论

集料在某筛孔上的通过百分率和筛孔尺寸的关系越接近抛物线，该集料的密度越大，空隙率越小。

式中：n——级配指数1.3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(2)级配曲线范围公式——泰波公式图级配指数与级配曲线的关系图

n=0.45～0.5，密实度最大n=0.3～0.7，密实度尚可n=0.35～0.45，工作性较好（工艺性能）

目的：确定矿质混合料中各档集料的比例已知条件：①各档集料级配P~d②设计级配范围P~d方法：①数解法-----试算法②图解法1.3矿质混合料的组成设计二、矿质混合料的配合比设计方法

需要根据集料的分计筛余率进行计算1.3矿质混合料的组成设计二、矿质混合料的配合比设计方法1数解法——试算法基本假定

某一粒径的颗粒由一种集料提供，其它集料中不含此粒径的颗粒

该粒径的颗粒在该集料中是占优势的计算过程

已知：集料混合料(1)

准备工作：Pi→Ai→ai(2)计算方程：

X＋Y＋Z＝100(1)d=i时：X.aA(i)+Y.aB(i)

+Z.aC(i)

＝aM(i)

(2)ABCM+→+矿质混合料的配合比设计方法——试算法

⑶确定各集料用量步骤①：计算A集料在矿质混合料中的用量X确定A集料中占优势含量的粒径：A集料中含量占优势粒径i=4.75mm:aA(4.75)=49.9%忽略其它集料在此粒径含量aB(i)

=0、aC(i)=0，代入式（2）

A集料用量X为：矿质混合料的配合比设计方法——试算法步骤②：计算C集料在矿质混合料中的用量Z确定C料中占优势的粒径由表

C集料中含量占优势粒径为:j<0.075mmaZ(<0.075mm)=85.3%忽略A、B集料同一粒径含量:aA(j)

=0、aB(j)=0

C料用量Z为：矿质混合料的配合比设计方法——试算法步骤③：计算B集料在矿质混合料中的用量Y由公式(1)：Y＝100－(X＋Z）＝100－(42.1＋7.0）＝50.9%矿质混合料的配合比设计方法——试算法⑷校核调整

计算合成矿质混合料的通过百分率PM(i)——合成级配

X.PA(i)+Y.PB(i)+Z.PC(i)＝PM(i)要求：①合成级配aM(i)或PM(i)

应在规定的级配范围内②调整配合比后还应重新进行校核，直至符合要求为止③经调整后仍不能满足级配要求时，可掺加单粒级集料或调换集料矿质混合料的配合比设计方法——试算法所选择的粒径应在该集料中占有较大的优势图解法——修正平衡面积法

按通过百分率计算并制图(1)绘制图解法坐标图①计算设计级配范围中值②绘制图框并作对角线（为设计级配中值）③确定纵坐标：通过百分率（％）——算术坐标④确定横坐标：根据设计级配中值，P→d，确定筛孔尺寸位置⑤将各种集料的级配（通过量）绘在图中21.3矿质混合料的组成设计