《道路建筑材料（活页式）》课件 项目3 砂石材料的性质及检测

项目三砂石材料的性质及检测能进行岩石各物理常数的计算，说出测试方法及试验条件2知识目标知道三大类岩石的特征、分类及成因1能惊喜矿质混合料的常用组成设计1能确定集料规格和简单的混合料掺配比例设计2能力目标集料的技术性质及应用2

矿质混合料的组成设计33岩石的技术性质及应用31砂石材料是道路桥梁工程中应用最广泛的材料之一。砂石材料可以用于道路桥梁的圬工构造物、路基路面垫层，还可以作为水泥混凝土、沥青混合料的集料。赵州桥石路面项目三

砂石材料应用及检测任务3.1

认识岩石的技术性质及应用任务背景

某公路工程建设在砂浆、混凝土等拌合施工中需使用块石、碎石、砾石、机制砂、石屑、（天然）砂等，现有甲、乙、丙三个砂石料场，其中甲砂石料场能提供块石、碎石、砾石、机制砂、石屑；乙砂石料场能提供碎石、机制砂、石屑、天然砂；丙砂石料场能提供天然砂、河砂。

我们应该怎样正确选择、鉴定符合工程建设需要及设计和规范要求的岩石及砂石材料？3.1.1岩石的组成及分类概念：岩石是在各种地质作用下，按一定方式结合而成的矿物集合体。根据成因，岩石可分为三大类：火成岩、沉积岩和变质岩。岩浆岩岩浆岩沉积岩沉积岩变质岩变质岩岩石分类

1）岩浆岩Subtitletext1喷出岩喷出岩Subtitle深成岩岩浆岩是由地壳下面的岩浆沿地壳薄弱地带上升侵入地壳或喷出地表后冷凝而成的。花岗岩玄武岩凝灰岩常见的岩浆岩2）沉积岩沉积岩，又称为水成岩，是由成层堆积于陆地或海洋中的碎屑、胶体和有机物等疏松沉积物团结而成的岩石。典型沉积岩代表：石灰岩、砂岩、页岩等。石灰岩砂岩页岩3）变质岩由于地球内力作用引起的岩石的性质变化过程称为变质作用（两种岩石发生的基因突变的过程），由变质作用形成的岩石就是变质岩。典型沉积岩代表：石英岩、片麻岩、大理岩等。石英岩大理岩片麻岩岩石组成结构示意图总体积:V=Vi＋Vn＋Vs开孔：彼此贯通、与外界相通。闭孔：封闭、与外界隔绝。3.1.2岩石的技术性质及应用1.物理性质

物理常数(如真实密度、毛体积密度和孔隙率等)、吸水性（如吸水率、饱水率等)和耐候性(耐冻性、坚固性等)。1）真实密度(密度)：岩石在规定条件(105土5℃烘干至恒重，温度20℃)下，单位真实体积(不含孔隙的矿质实体的体积)的质量。真实密度用ρt表示,可按下式计算。

式中：

ρt

——岩石的真实密度

(g／cm3)；

ms

——岩石矿质实体的质量

(g)；

Vs

——岩石矿质实体的体积

(cm3)。2）表观密度(简称视密度)：

是在规定条件(105±5℃烘干至恒重)下，单位表观体积(包括矿质实体和闭口孔隙体积)的质量。岩石的真实密度用

ρa表示,可按下式计算。

式中：

ρa——表观密度(g／cm3)；

mS

——岩石矿质实体质量(g)；

Vs——岩石矿质实体体积(cm3)；

Vn——岩石矿质实体闭口孔隙体积(cm3)。3）毛体积密度：是岩石在规定的条件下，单位毛体积(包括矿质实体、闭口孔隙和开口孔隙)的质量。岩石的真实密度用ρb表示,可按下式计算。

式中：

ρb

——岩石毛体积密度(g／cm3)；

Vs、Vn、Vi——岩石矿质实体、闭口孔隙和开口孔隙体积(cm3)；

ms

——矿质实体质量(g)。

式中：n——岩石的孔隙率（%）Vn、Vt

——岩石的闭口孔隙、开口孔隙的体积(cm3)；V——岩石的总体积(cm3)

ρb、ρt

—岩石毛体积密度、岩石的真实密度(g／cm3)。4）

孔隙率：指孔隙体积(开口和闭口)占总体积的百分率。5）

吸水性：是指石料在规定条件下吸入水分的能力。有效的反映石料微裂纹的发育程度，用于判断石料的抗冻和抗风化性能。吸水性指标：吸水率、饱和吸水率和饱水系数吸水率：在规定条件下，试件最大吸水质量与烘干石料试件质量之比。（测试方法：将已知质量的干燥试件逐层加水至浸没，用自由吸水法测定其吸水后的质量）饱和吸水率：在强制条件下，石料试件最大吸水质量与烘干试件质量之比。（测试方法：将已知质量的干燥试件用煮沸法和真空抽气法强制饱水，测定其饱水后的质量）饱水系数：显然同一石料的饱水率大于吸水率，石料吸水率与饱水率之比称为饱水系数。2.力学性质单轴抗压强度软化系数压碎值磨耗性力学性质1）单轴抗压强度：反映石料力学性能的重要指标，单轴抗压强度是指岩石试件在单向受压至破坏时，单位面积上所能承受的荷载，简称抗压强度。据其含水状态接压坏标准试件测得，又有干燥抗压强度、天然抗压强度与饱和抗压强度之分。

测试方法：将石料制成规定标准试件（50mm×50mm），饱水处理后用压力试验机，使试件按规定加载条件进行单轴受压，直至到达极限破坏时的单位承压面积强度。

2）软化系数:耐水性性质的一个表示参数。其值越大，表明石料的耐水性越好。通常认为软化系数大于0.85的材料是耐水性材料。长期处于水中或潮湿环境的重要建筑物或构筑物，必须选用软化系数大于0.85的石料或石料制品。表达式为：

式中：K——石料的软化系数；f——石料在水饱和状态下的无侧限抗压强度，MPa；F——石料在干燥状态下的无侧限抗压强度，MPa。

3）石料压碎值：按规定方法测得集料在逐渐增加的荷载作用下的抵抗压碎的能力，也是衡量集料强度的相对指标。以压碎试验后小于规定粒径的石料质量百分率表示。

测试方法：将9.5～13.2mm集料试样3kg(m0)装入压碎值测定仪的钢质圆筒内，放在压力机上，在10min左右均匀地加荷至400kN，稳压5s，然后卸荷，称其通过2.36mm的质量百分率，代入下式，即可求得集料的压碎值。

压碎值越大，强度越低。100%4）石料磨耗性

磨耗性：指石料抵抗撞击、边缘剪力和摩擦等联合作用的性质，以磨耗率表示，其测定方法分别有洛杉矶法、道瑞法和狄法尔法。我国现行规程《公路工程集料试验规程》规定，采用洛杉矶式磨耗试验测定。

试验方法：采用洛杉矶磨耗试验机，其圆筒内径为710±5mm，内侧长510±5mm，两端封闭。试验时将规定质量m0且有一定级配的试样和一定质量的钢球置于试验机中，以30～33r/min的转速转动至规定次数后停止，取出试样，用1.7mm的方孔筛筛去试样中的细屑，用水洗净留在筛上的试样，烘至恒重并称其质量m1。磨耗率按下式计算：式中：

Q——磨耗率（%），计算准确至0.1%；mo——试样磨耗前总质量(g)；m1——试样磨耗后粒径大于1.7mm颗粒的质量(g)磨耗值愈高，石料耐磨性越差。5）化学性质酸碱性：根据石料化学成分中二氧化硅含量的多少，将石料划分成：酸性（SiO2≥65%）、碱性石料（SiO2≤52%）以及介二者之间的中性石料。意义：不同酸碱性的石料与沥青之间的粘附性有较大差别，其中碱性石料与沥青之间有较好的粘附效果，而酸性石料的粘附相对较差，用于拌合沥青混合料筑的沥青路面易造成水损害。3.1.3道路工程常用的岩石花岗岩玄武岩石灰岩砂岩石英岩片麻岩任务3.2

集料的技术性质及应用3.2.1集料概论集料：在水泥混凝土、沥青混凝土、水泥稳定碎石等混合料中起骨架和填充作用的粒料，包括碎石、砾石、机制砂、石屑、（天然）砂等。笼统的说集料就是粒状石质材料。碎石砂工业废渣骨料砂石材料分类

☆按来源分类①天然砂石材料：卵石、砾石、漂石；砂(海砂、河砂、山砂等)②人工轧制的砂石料：块料、碎石集料③工业冶金矿渣集料：钢渣、高炉渣、煤渣、粉煤灰等☆按尺寸和用途分类①石料②集料：粗集料——粒径d＞4.75mm（水泥混凝土）；d＞2.36mm（沥青混合料）细集料——粒径d<4.75mm（水泥混凝土）；d<2.36mm（沥青混合料）3.2.2粗集料的技术性质及应用1）表观密度(又称视密度)：单位体积(含材料的实体矿物成分及闭口孔隙体积)物质颗粒的干质量。2）表观相对密度(又称视比重)：表观密度与同温度水的密度之比值。3）表干密度(又称饱和面干毛体积密度)：单位体积(含材料的实体矿物成分及其闭口孔隙、开口孔隙体积)物质颗粒的饱和面干质量。4）表干相对密度(又称饱和面干毛体积相对密度)：表干密度与同温度水的密度之比值。5）毛体积密度：单位体积(含材料的实体矿物成分及其闭口孔隙、开口孔隙体积)物质颗粒的干质量。6）毛体积相对密度：毛体积密度与同温度水的密度之比值。7）集料级配：集料各级粒径颗粒的分配情况，由筛分试验确定。8）针片状颗粒及针片状含量：针片状颗粒指粗集料中细长的针状颗粒与扁平的片状颗粒。当颗粒形状的诸方向中的最小厚度(或直径)与最大长度(或宽度)的尺寸之比小于规定比例时，属于针片状颗粒。表观密度(简称视密度)：

是在规定条件(105±5℃烘干至恒重)下，单位表观体积(包括矿质实体和闭口孔隙体积)的质量。可按下式计算。式中：—集料的表观密度(g／cm3)；

mS—矿质实体质量(g)；

Vs—矿质实体体积(cm3)；

Vn—矿质实体闭口孔隙体积(cm3)。

测定方法：网篮法毛体积密度：是在规定的条件下，单位毛体积(包括矿质实体、闭口孔隙和开口孔隙)的质量。可按下式计算。式中：ρb—粗集料毛体积密度(g／cm3)；

Vs、Vn、Vi—粗集料矿质实体、闭口孔隙和开口孔隙体积(cm3)；mS

—矿质实体质量(g)。粗集料的技术性质堆积密度：单位体积（包括集料颗粒之间的空隙和颗粒内部的孔隙）的质量，可按下式求得：式中：ρ—粗集料的堆积密度(g/cm3)；

Vs、Vn、Vi和Vv—分别为矿质实体、闭口孔隙、开口孔隙和空隙的体积(cm3)；

mS—矿质实体的质量(g)。颗粒之间的空隙体积自然状态振实状态捣实状态粗集料的技术性质

特点：体积的测量方法：关系：

几种密度的比较级配：集料中各组成颗粒的分级和搭配称为级配，通过筛分试验确定的。筛分可分干筛法和水洗法筛分参数：分计筛余百分率、累计筛余百分率、通过百分率。坚固性：集料浸入饱和硫酸钠溶液中进行干湿循环试验。经一定循环次数后，观察其表面破坏情况，并用质量损失百分率来计算其坚固性。压碎值：集料在逐渐增加的荷载作用下抵抗压碎的能力，也是衡量集料强度的相对指标。测试方法：将9.5~13.2mm集料试样3kg装入压碎值测定仪的钢质圆筒内，放在压力机上，在10min左右均匀地加荷至400kN，稳压5s，然后卸荷，称其通过2.36mm的质量百分率m1，代入下式，即可求得集料的压碎值。压碎值越大，强度越低。粗集料的力学性质：压碎值、磨光值、冲击值、磨耗值磨光值:反映集料抵抗轮胎磨光作用的指标。将9.5~13.2mm的集料制成试件，经加速磨光后采用摆式摩擦系数测定仪测定磨光后集料的摩擦系数BPN，再转化为集料的磨光值PSV。磨光值愈高，集料的抗滑性愈好。

冲击性（AIV）：反映集料抵抗多次连续冲击荷载的能力。按规定方法称取9.5~13.2mm试样，装入冲击钢筒捣实后，用13.75kg的冲击锤沿导杆自规定高度380mm自由下落按规定连续锤击集料，重复15次，冲击试验后2.36mm标准筛通过质量百分率。式中：

m1—通过2.36mm标准筛的集料质量（g）;

m0—试样总质量（g）。道瑞磨耗试验（AAV）将粒径为9.5~13.2mm的洁净干燥集料试样单层紧排于两个试模内，然后用环氧树脂砂浆填充密实，经24h养护后拆模清砂取出试件并称其质量，再将试件固定于道瑞磨耗机上，在规定条件下旋转摩擦500圈后，取出试件，清砂后再次称取质量。3.2.3细集料的技术性质

（1）概念：在沥青混合料中，指粒径小于2.36mm天然砂，人工砂及石屑。在水泥混凝土中，指粒径小于4.75mm的天然砂、人工砂。分类：天然砂：由岩石在自然条件下风化形成的。天然砂通常包括以下几种类型：河砂：颗粒表面圆滑、比较洁净，质地较好，产源广。山砂：表面粗糙有棱角，含泥量及含有机杂质多。海砂：常混有贝壳和盐分等有害杂质。人工砂：由岩石轧碎而成的颗粒，表面有棱角，较洁净，但价格较高，无特殊情况多不采用。（2）细集料的物理性质细集料的物理性质包括：物理常数颗粒级配粗度物理常数：细度模数、表观密度、堆积密度、紧装密度、含泥量、泥块含量等。a.细度模数由筛分试验确定。试验方法：在筛分试验中，称量500g砂样充分过筛，根据砂样存留在各筛上的筛余质量，分别计算参数。筛分参数：分计筛余百分率、累计筛余百分率、通过百分率、细度模数分计筛余百分率：各号筛上的筛余量与试样总质量的百分率，准确至0.1%。累计筛余百分率：该号筛及大于该号筛的各号筛的分计筛余百分率之和，准确至0.1%。通过百分率：等于100减去该号筛累计筛余百分率，准确至0.1%。粗度：评价砂粗细粗度的一种指标，通常用细度模数表示，按下式计算：细度模数愈大，表示细集料愈粗。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：3.7~3.1为粗砂；3.0~2.3为中砂；2.2~1.6为细砂。细度模数虽然表示砂的粗细程度，但不能完全反映出砂的颗粒级配情况，因为相同细度模数的砂可有不同的颗粒级配。因此，要全面表征砂的颗粒性质，必须同时使用细度模数和级配两个指标。重点难点强化训练例1：取500克砂做筛分试验，结果如表，试计算砂的细度模数，并评定砂的粗细程度。解：此砂为细砂。筛孔/mm9.54.752.361.180.60.30.15筛底筛余量/g010204510013515535

筛孔/mm9.54.752.361.180.60.30.15筛余量（g）0102045100135155分计筛余百分率（%）0249202731累计筛余百分率（%）02615356293通过百分率（%）10098948565387习题取500克砂做筛分试验，记录如下表，根据现有的材料补全，并评定砂的粗细程度。筛孔/mm4.752.361.180.60.30.15分计筛余百分率/%2020累计筛余百分率/%519通过百分率

/%

45222取500克砂做筛分试验，记录如下表，根据现有的材料补全，并评定砂的粗细程度。

筛孔/mm4.752.361.180.60.30.15分计筛余百分率/%51416202320累计筛余百分率/%51935557898通过百分率

/%95816545222矿质混合料的级配理论矿质混合料的组成设计示例任务3.3矿质混合料的组成设计级配对混合料的影响：

矿质混合料级配组成，直接影响到水泥混凝土或沥青混合料的强度、耐久性和施工和易性，原因是级配直接决定矿质混合料的密实度和矿质混合料颗粒间内摩擦力。级配的几种情况

矿质混合料的级配理论在混合料中是以结合料（水泥或沥青）来填充集料的空隙并包裹集料。所以，集料空隙越大，填充集料颗粒空隙所需的结合料越多；集料的总表面积越大，包裹集料颗粒所需的结合料越多。从节约结合料的角度考虑，最好采用空隙较小，总表面积也较小的集料。若各种粒径的集料颗粒在相互排列时，能够互相嵌锁又互相不干涉，形成紧密多级嵌挤的空间骨架结构，则集料颗粒间将具有较大的内摩擦力。

矿质混合料的级配理论矿质混合料颗粒级配应满足的基本要求：最小空隙率：使不同粒径的各级矿质集料按一定的比例搭配后，应有最大密实度。最大摩擦力：各级矿质集料在进行比例搭配时，应使各级集料排列紧密，形成一个多级空间骨架结构，且具有最大的摩擦力。组成设计的目的：选配一个具有足够密实度，并且有较高内摩擦力的矿质混合料。

矿质混合料的级配理论级配类型：连续级配：是采用标准套筛对某一混合料进行试验，所得级配曲线平顺圆滑，具有连续性。这种由大到小，逐级粒径均有，按比例互相搭配组成的矿质混合料。间断级配：在矿质混合料中剔除其一个分级或几个分级而形成一种不连续的矿质混合料。单粒径单粒径

矿质混合料的级配理论富勒理论：一种理想的级配，认为“级配曲线愈接过抛物线时，则其密度愈大。”

P2=kd当d=D时，P=100→1002=k·D→式中：d—欲计算通过百分率的粒径

D—矿质混合料最大粒径

矿质混合料的级配理论泰波理论：认为矿料的级配应允许有一定的波动范围，故最大密度曲线改为n次幂。

式中：n——级配指数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

矿质混合料的级配理论1）设计原理：矿质混合料的组成设计有试算法和图解法两种，两种设计方法均需要在两个已知条件的基础上进行：第一个条件是各种集料的级配参数；第二个条件是根据设计要求、技术规范或理论计算确定矿质混合料目标级配范围2）设计依据：各种集料的筛分结果；按规范要求的级配范围即标准级配。3）设计方法：①试算法

②图解法

矿质混合料的组成设计示例①试算法基本原理：在确定各组成集料在混合料中的比例时，先假定混合料中某种粒径的颗粒是由某一种对这一粒径占优势的集料组成，而其它各种集料中不含有此粒径。根据各个主要粒径去试算各种集料在混合料中的大致比例，再经过较核调整，最终获得满足混合料级配的各集料的配合比例。

矿质混合料的组成设计示例计算过程

已知：集料混合料

⑴准备工作：Pi→Ai→ai;参数集料A集料B集料C混合料M筛孔i的分计筛余%aA(i)aB(i)aC(i)aM(i)在混合料中的比例%XYZ100⑵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+→+在上述两点假设的前提下，按下列步骤分别求A、B、C三种集料在混合料中的用量。

矿质混合料的组成设计示例

矿质混合料的组成设计示例②图解法

矿质混合料的组成设计示例图解法—修正平衡面积法：绘制图解法坐标图计算设计级配范围中值绘制图框并作对角线（为设计级配中值）确定纵坐标：通过百分率（％）——算术坐标确定横坐标：根据设计级配中值，P→d，确定筛孔尺寸位置将各种集料的级配（通过量）绘在图中

矿质混合料的组成设计示例筛孔尺寸(mm)16.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075级配范围(mm)10095~10070~8848~6836~5324~4118~3012~228~164~8级配中值(mm)10098795745332417126987957453324