第一章 石料與集料

《道路工程材料》

第一章石料與集料汪海年P(guān)h.D.,AssociateProf.Tel:02982334798Email:subwork@163.com第一節(jié)石料教學(xué)目標：

掌握巖石的分類與定義，并初步了解巖石的簡易鑒別方法；掌握石料的物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、耐久性和化學(xué)性質(zhì)；了解石料的各項技術(shù)性質(zhì)的試驗原理及方法；了解路用石料的分級及其技術(shù)要求。一、巖石的組成及分類巖石的定義：

巖石是指在各種地質(zhì)作用下按一定方式組合而成的礦物集合體，是組成地殼及地幔的主要物質(zhì)。

一、巖石的組成及分類巖石的分類根據(jù)巖石礦物組成種類

單礦巖—石灰?guī)r

復(fù)礦巖—花崗巖根據(jù)巖石成因

巖漿巖—深成巖、噴出巖、火山巖沉積巖—碎屑巖、粘土巖、化學(xué)及生物化學(xué)巖

變質(zhì)巖—片理狀巖、塊狀巖一、巖石的組成及分類巖石的簡易鑒別根據(jù)巖石產(chǎn)狀，特殊結(jié)構(gòu)、構(gòu)造，主要物質(zhì)或特殊物質(zhì)成分來區(qū)分巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖。

巖漿巖：根據(jù)顏色（礦物成分）、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造決定巖石名稱。

深色巖—主要含鎂鐵礦物，多為基性或超基性巖類；

淺色巖—主要含硅鋁礦物，多為中性巖類或酸性巖類。一、巖石的組成及分類玄武巖花崗巖角閃巖安山巖閃長巖一、巖石的組成及分類沉積巖：根據(jù)膠結(jié)物的有無，區(qū)分碎屑巖和化學(xué)巖、生物化學(xué)巖。

碎屑巖—根據(jù)碎屑的大小區(qū)分礫巖（角礫巖）、砂巖或粘土巖；

生物化學(xué)巖—用稀鹽酸鑒別：巖石起泡為石灰?guī)r，粉末起泡為白云巖，起泡后留下土狀斑點者為灰泥巖。

一、巖石的組成及分類凝灰?guī)r角礫巖白云巖安山巖粉砂巖一、巖石的組成及分類變質(zhì)巖：根據(jù)巖石構(gòu)造劃分。

定向構(gòu)造巖石—片理狀構(gòu)造為片巖或千枚巖，麻狀構(gòu)造為片麻巖，厚板狀構(gòu)造為板巖。

塊狀構(gòu)造巖石—滴稀鹽酸起泡的為大理巖，不起泡的為石英巖。

一、巖石的組成及分類板巖大理巖石英巖千枚巖片麻巖二、石料的技術(shù)性質(zhì)物理性質(zhì)力學(xué)性質(zhì)耐久性化學(xué)性質(zhì)二、石料的技術(shù)性質(zhì)(一)物理性質(zhì)物理常數(shù)、吸水性、膨脹性、耐崩解性結(jié)構(gòu)組成礦質(zhì)實體孔隙孔隙

開口孔隙閉口孔隙二、石料的技術(shù)性質(zhì)物理常數(shù)意義：表征石料的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)，并間接反映其物理力學(xué)特性，也是混合料組成設(shè)計計算時的重要原始資料。

指標：真實密度、毛體積密度和孔隙率

二、石料的技術(shù)性質(zhì)物理常數(shù)—密度（1）真實密度(密度或顆粒密度)定義：是指在規(guī)定條件下烘干石料礦質(zhì)單位真實體積（不包括開口體積與閉口孔隙體積）的質(zhì)量。

測試方法：煮沸法或真空抽氣法二、石料的技術(shù)性質(zhì)物理常數(shù)—密度（2）毛體積密度定義：又稱塊體密度，是指在規(guī)定條件下，烘干石料包括孔隙在內(nèi)的單位體積固體材料的質(zhì)量。

測試方法：量積法、水中稱量法和蠟封法二、石料的技術(shù)性質(zhì)物理常數(shù)—孔隙率定義：一般提到的巖石孔隙率是指總孔隙率。所謂總孔隙率是指開口孔隙和閉口孔隙的體積之和占巖石試樣總體積的百分比。測試方法：石料的孔隙率一般不能實測，可根據(jù)巖石的真實密度和毛體積密度計算

二、石料的技術(shù)性質(zhì)吸水性定義：石料在規(guī)定的條件下吸入水分的能力。意義：有效的反映石料微裂縫的發(fā)育程度，用于判斷石料的抗凍和抗風化性能。指標：吸水率、飽和吸水率和飽水系數(shù)二、石料的技術(shù)性質(zhì)吸水性—吸水率定義：是指在規(guī)定條件下，試件最大吸水質(zhì)量與烘干石料試件質(zhì)量之比。測試方法：將已知質(zhì)量的干燥規(guī)則試件逐層加水至浸沒，用自由吸水法測定其吸水后質(zhì)量二、石料的技術(shù)性質(zhì)吸水性—飽和吸水率定義：是指在強制條件下，石料試件的最大吸水質(zhì)量與烘干試件質(zhì)量之比。

測試方法：將已知質(zhì)量的干燥規(guī)則試件用煮沸法或真空抽氣法強制飽水，測定其飽水后的質(zhì)量二、石料的技術(shù)性質(zhì)吸水性—飽水系數(shù)定義：巖石吸水率與飽和吸水率之比意義：一般來說，石料的飽水系數(shù)越大，常壓下吸水后留余的空間就越少，巖石越容易被凍脹破壞，其抗凍性就越差二、石料的技術(shù)性質(zhì)吸水性—影響因素影響因素：孔隙率大小、孔隙構(gòu)造特征規(guī)律：一般來說，孔隙結(jié)構(gòu)相同的石料，孔隙越大，吸水率越大；表觀密度大的石料，孔隙率越小，吸水率也越小

二、石料的技術(shù)性質(zhì)膨脹性意義：對具有粘土礦物巖層，必須了解的巖石膨脹特性，以便控制開挖過程中地下水對巖層、巖體的影響。指標：巖石自由膨脹率、巖石側(cè)向約束膨脹率和巖石膨脹壓力。二、石料的技術(shù)性質(zhì)自由膨脹率試驗儀側(cè)向約束膨脹率試驗儀巖石膨脹壓力試驗儀二、石料的技術(shù)性質(zhì)耐崩解性意義：耐崩解性反映了巖石試樣在一定條件下抵抗遇水軟化和崩解剝落的能力，主要用于巖石分類。指標：崩解量、崩解指數(shù)、崩解時間和崩解狀況關(guān)鍵指標：崩解指數(shù)，是指巖石試件干濕循環(huán)后殘留質(zhì)量與原質(zhì)量百分比。二、石料的技術(shù)性質(zhì)（二）力學(xué)性質(zhì)技術(shù)指標：單軸抗壓強度、單軸壓縮變形、劈裂強度、抗剪強度、點荷載強度和抗折強度，以及抗壓碎、抗沖擊、抗磨光、抗磨耗等性能。關(guān)鍵指標：單軸抗壓強度和抗磨耗性二、石料的技術(shù)性質(zhì)力學(xué)性質(zhì)—單軸抗壓強度意義：單軸抗壓強度是反映石料力學(xué)性質(zhì)的重要指標。

影響因素：石料的組成結(jié)構(gòu)試驗條件

礦物組成、巖石的結(jié)構(gòu)孔隙構(gòu)造、裂隙分布等試件幾何尺寸、溫度、加載速率、濕度等二、石料的技術(shù)性質(zhì)測試方法：將石料制備成規(guī)定標準試件，飽水處理后采用萬能試驗機（或壓力試驗機），使試件在按規(guī)定加載條件下單軸受壓，直至達到極限破壞時的單位承壓面積強度。二、石料的技術(shù)性質(zhì)力學(xué)性質(zhì)—單軸壓縮變形意義：測定巖石試件在單軸壓縮應(yīng)力條件下的軸向及徑向應(yīng)變值，據(jù)此計算巖石的彈性模量和泊松比。測試方法：將石料制成規(guī)定的圓柱體標準試件后采用電阻應(yīng)變儀或千分表進行測定。二、石料的技術(shù)性質(zhì)力學(xué)性質(zhì)—劈裂強度意義：巖石的抗拉能力較弱，并且在工程實踐中拉斷破壞是工程巖體的主要破壞方式之一，因此需對其進行的測定。測試方法：將標準圓柱體石料試件置于萬能試驗機上，采用劈裂法在規(guī)定條件下加壓，直至試件劈裂破壞。

二、石料的技術(shù)性質(zhì)力學(xué)性質(zhì)—抗剪強度意義：抗剪強度是指石料在剪切面上所能承受的極限剪應(yīng)力，它是巖體基礎(chǔ)設(shè)計的基本參數(shù)。測試方法：利用直剪儀對巖石試件施加法向荷載和剪切荷載直至試件破壞，并觀察破壞形狀。

二、石料的技術(shù)性質(zhì)力學(xué)性質(zhì)—點荷載強度意義：點荷載強度反映了石料各向異性的特點，為巖石分級和抗拉強度計算提供設(shè)計參數(shù)。

測試方法：將巖石鉆芯取樣，利用點荷載試驗儀對巖芯試樣進行徑向和軸向加載直至破壞，以點荷載強度指數(shù)表征。

二、石料的技術(shù)性質(zhì)力學(xué)性質(zhì)—抗折強度意義：抗折強度是指石料在荷載作用下受彎至折斷時的極限彎曲應(yīng)力，它是評價巖石板材、條石基礎(chǔ)和條石路面等建材的主要力學(xué)指標。

測試方法：將石料制成規(guī)定的標準長方體試件，并在規(guī)定條件下施加荷載直至試件折斷破壞。

二、石料的技術(shù)性質(zhì)（三）耐久性定義：是指石料承受干濕、凍融等環(huán)境條件及交通條件的變化而不老化、不劣化的抵抗能力。檢測試驗：抗凍性試驗—直接方法堅固性試驗—間接方法二、石料的技術(shù)性質(zhì)耐久性—抗凍性試驗定義：石料在浸水條件下，經(jīng)多次凍結(jié)與融化作用后測定試件的質(zhì)量損失以及單軸飽水抗壓強度的變化。指標：凍融系數(shù)、質(zhì)量損失率規(guī)律：一般認為，凍融系數(shù)大于75％，質(zhì)量損失率小于

2％時，巖石抗凍性較好二、石料的技術(shù)性質(zhì)耐久性—堅固性試驗定義：石料經(jīng)多次飽和硫酸鈉溶液浸泡與干燥作用后，測定的試件的質(zhì)量損失的變化指標：硫酸鈉浸泡質(zhì)量損失率二、石料的技術(shù)性質(zhì)（四）化學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)—酸堿性決定因素：氧化硅和氧化鈣在巖石組份中比例的多少決定了石料的酸堿性

分類：酸性巖類—SiO2含量＞65%中性巖類—SiO2含量52~65%堿性巖類—SiO2含量45~52%超堿性巖類—SiO2含量＜45%二、石料的技術(shù)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)—粘附性意義：石料與瀝青的粘結(jié)性能不良而造成的瀝青混合料剝離是瀝青路面常見的破壞形式之一試驗方法：水煮法或水浸法

影響因素：化學(xué)成分表面特征堿性石料的吸附能力要優(yōu)于酸性石料表面粗糙、微孔隙多、孔徑大的石料吸附能力較強三、石料的技術(shù)要求（一）路用石料技術(shù)分級按技術(shù)要求分為：巖漿巖類石灰?guī)r類砂巖及片巖類礫石類按物理-力學(xué)性質(zhì)分為：1級-最堅強巖石2級-堅強巖石3級-中等強度巖石4級-較軟巖石三、石料的技術(shù)要求（二）路用石料技術(shù)標準第二節(jié)集料掌握集料的分類；掌握集料物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)了解集料各項技術(shù)指標的試驗方法及原理；了解集料在瀝青混凝土、水泥混凝土及橋涵建設(shè)中不同的技術(shù)要求；一、集料的分類定義：集料是由不同粒徑礦質(zhì)顆粒組成，并在混合料中起骨架和填充作用的粒料。分類：按成因及加工方式分礫石碎石天然砂人工砂石屑工業(yè)冶金礦渣

按粒徑范圍分粗集料細集料礦粉一、集料的分類碎石天然砂人工砂石屑二、集料的技術(shù)性質(zhì)按集料內(nèi)在品質(zhì)分為：物理常數(shù)力學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)按集料技術(shù)要求分為：料源特性加工特性

二、集料的技術(shù)性質(zhì)（一）物理性質(zhì)物理常數(shù)、加工特性物理常數(shù)—密度（1）毛體積密度定義：與石料定義相同測試方法：容量瓶法或網(wǎng)籃法二、集料的技術(shù)性質(zhì)物理常數(shù)—密度（2）表觀密度定義：又稱視密度，是指在規(guī)定條件下，烘干集料礦質(zhì)實體單位表觀體積（包括閉口孔隙在內(nèi)的礦物實體的體）的質(zhì)量。測試方法：容量瓶法或網(wǎng)籃法二、集料的技術(shù)性質(zhì)加工特性—堆積密度定義：是指單位體積（含物質(zhì)顆粒固體及其閉口、開口孔隙體積及顆粒間空隙體積）物質(zhì)顆粒的質(zhì)量。分類：自然堆積密度、振實密度和搗實密度，其中

振實密度和搗實密度又稱為緊裝密度

二、集料的技術(shù)性質(zhì)加工特性—空隙率定義：是指集料在某種堆積狀態(tài)下空隙體積（含開口孔隙）占堆積體積的百分率意義：反映了集料顆粒間相互填充的致密程度測試方法：采用堆積密度與表觀密度表示

二、集料的技術(shù)性質(zhì)加工特性—粗集料骨架間隙率定義：是指4.75mm以上粗集料在搗實狀態(tài)下顆粒間空隙體積的百分含量意義：用于確定混合料中細集料和結(jié)合料的數(shù)量，并評價集料的骨架結(jié)構(gòu)二、集料的技術(shù)性質(zhì)加工特性—細集料的棱角性危害：細集料棱角性不符合要求對瀝青混合料的抗流動變形能力及水泥混凝土的和易性有顯著的不利影響。測試方法：間隙率法、流動時間法

二、集料的技術(shù)性質(zhì)加工特性—針片狀顆粒含量危害：針片狀顆粒本身容易折斷，回旋阻力和空隙率大，會妨害集料與瀝青的粘附性能以及水泥混凝土的和易性與強度。測試方法：規(guī)準儀法或卡尺法二、集料的技術(shù)性質(zhì)加工特性—含泥量和泥塊含量

意義：反映集料的潔凈程度危害：降低水泥的水化反應(yīng)速度，削弱集料與水泥或瀝青間的粘結(jié)能力，影響混合料的強度和耐久性測試方法：砂當量試驗，亞甲藍試驗

二、集料的技術(shù)性質(zhì)加工特性—表面特征定義：指集料表面的粗糙程度及孔隙特征等意義：影響集料與結(jié)合料之間的粘結(jié)性能，從而關(guān)系到混合料的強度形成，尤其是抗折強度。影響因素：集料的材質(zhì)、巖石結(jié)構(gòu)、礦物組成及集料受沖刷、腐蝕程度二、集料的技術(shù)性質(zhì)（二）力學(xué)特性

主要指壓碎值、磨光值、沖擊值和磨耗值等。壓碎值意義：衡量集料強度的相對指標，以鑒定集料品質(zhì)。測試方法：將標準石料試樣在規(guī)定條件下加荷，測試石料被壓碎后，2.36mm標準篩上通過質(zhì)量的百分率。二、集料的技術(shù)性質(zhì)磨光值意義：反映集料抵抗輪胎磨光作用的能力測試方法：將9.5mm~13.2mm并剔除針片狀顆粒的集料制成試件，加速磨光后采用擺式摩擦系數(shù)測定儀測定磨光后集料的摩擦系數(shù)PSVra。二、集料的技術(shù)性質(zhì)沖擊值

意義：反映了集料抵抗多次連續(xù)重復(fù)沖擊荷載作用的能力。

測試方法：按規(guī)定方法稱取9.5~13.2mm試樣質(zhì)量，搗實后用13.75kg的沖擊錘沿導(dǎo)桿自規(guī)定高度自由下落按規(guī)定連續(xù)錘擊集料，測試試驗后2.36mm標準篩上通過質(zhì)量百分率。二、集料的技術(shù)性質(zhì)磨耗值意義：反映集料抵抗車輪撞擊及磨耗的能力，一般磨耗損失小的集料堅硬、耐磨并且耐久性好。

測試方法：洛杉磯磨耗試驗、道瑞磨耗試驗二、集料的技術(shù)性質(zhì)洛杉磯磨耗試驗：將按規(guī)定級配組成的集料與一定數(shù)目的鋼球同時加入洛杉磯磨耗試驗機的磨耗鼓中，磨耗鼓在規(guī)定條件下旋轉(zhuǎn)摩擦500次后取出集料試樣，測試試驗后集料1.7mm標準篩上通過質(zhì)量百分率。二、集料的技術(shù)性質(zhì)道瑞磨耗試驗：

將粒徑為9.5~13.2mm的潔凈干燥集料試樣單層緊排于兩個試模內(nèi)，然后排砂并用環(huán)氧樹脂砂漿填充密實，經(jīng)24h養(yǎng)護后拆模清砂取出試件并稱其質(zhì)量，再將試件固定于道瑞磨耗機上，在規(guī)定條件下旋轉(zhuǎn)摩擦500圈后，取出試件，清砂后再次稱取質(zhì)量二、集料的技術(shù)性質(zhì)（三）化學(xué)性質(zhì)集料堿活性危害：對水泥混凝土耐久性產(chǎn)生不利影響

測試方法：巖相法或砂漿長度法二、集料的技術(shù)性質(zhì)有機物含量危害：延緩水泥的硬化過程，降低混凝土強度特別是早期強度

測試方法：比色法

二、集料的技術(shù)性質(zhì)三氧化硫含量

危害：集料中摻雜的硫鐵礦（FeS2）或石膏（CaSO4·2H2O）與水泥中水化鋁酸鈣發(fā)生反應(yīng)生成水化硫鋁酸鈣，導(dǎo)致體積膨脹而破壞水泥混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)測試方法：利用硫離子與鋇離子反應(yīng)生成BaSO4白色沉淀，根據(jù)沉淀物質(zhì)量測定二、集料的技術(shù)性質(zhì)云母含量

危害：對瀝青混合料的粘附性、耐久性及混凝土拌和物的和易性、硬化后混凝土的強度、抗凍性和抗?jié)B性都有不利的影響測試方法：以云母占細集料總質(zhì)量的百分比表征二、集料的技術(shù)性質(zhì)輕物質(zhì)含量危害：降低混凝土的強度與耐久性測試方法：以輕物質(zhì)占細集料總質(zhì)量的百分比表征

三、集料的技術(shù)要求《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40-2004）《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF30-2003）《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ041-2000）四、礦粉的技術(shù)性質(zhì)與要求（一）礦粉的定義

礦粉是指由石灰?guī)r或巖漿巖等憎水性堿類石料經(jīng)磨細加工得到的，在混合料中起填充作用的以碳酸鈣為主要成分的礦物質(zhì)粉末，也稱填料。

四、礦粉的技術(shù)性質(zhì)與要求（二）礦粉的技術(shù)性質(zhì)密度意義：是用于檢驗礦粉的質(zhì)量，并供瀝青混合料配合比設(shè)計計算使用的重要指標。測試方法：李氏密度瓶法四、礦粉的技術(shù)性質(zhì)與要求（二）礦粉的技術(shù)性質(zhì)親水系數(shù)意義：代表礦粉的親、憎水性，是評價礦粉與瀝青結(jié)合料的粘附性能的重要指標測試方法：比較標準時間內(nèi)規(guī)定質(zhì)量礦粉試樣在水與煤油中的沉淀物體積四、礦粉的技術(shù)性質(zhì)與要求（二）礦粉的技術(shù)性質(zhì)塑性指數(shù)定義：指礦粉液限含水量與塑限含水量之差，以百分率表示意義：評價礦粉中粘性土成分含量的重要指標測試方法：依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》方法測定四、礦粉的技術(shù)性質(zhì)與要求（二）礦粉的技術(shù)性質(zhì)加熱安定性意義：評價礦粉在熱拌過程中受熱穩(wěn)定性的重要指標測試方法：將100g礦粉均勻攤鋪于蒸發(fā)皿或坩堝中，加熱至200℃，冷卻至室溫后觀察礦粉顏色，根據(jù)礦粉在受熱后的顏色變化判斷變質(zhì)情況四、礦粉的技術(shù)性質(zhì)與要求（三）礦粉的技術(shù)要求第三節(jié)礦質(zhì)混合料組成設(shè)計掌握級配的概念及設(shè)計參數(shù)，了解兩種級配曲線及三種級配設(shè)計理論；深入了解數(shù)解法和圖解法的計算思想與計算步驟；熟練掌握采用Excel軟件進行配合比設(shè)計的方法與步驟。一、集料級配與礦質(zhì)混合料級配理論（一）集料的級配定義：集料中各組成顆粒的分級和搭配稱為級配，通過篩分試驗確定。設(shè)計參數(shù)：