第1章 石料與集料教材

第一章砂石材料

砂石材料是道路與橋梁建筑中用量最大的一種建筑材料，按照用途不同，砂石材料可以分為石料、集料和礦質(zhì)混合料。

1.1石料、集料的技術(shù)性質(zhì)

1.2礦質(zhì)混合料1本章主要內(nèi)容與目的：介紹石料的巖石學(xué)特征、闡述石料與集料的主要技術(shù)性能及主要評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)；討論集料的級(jí)配概念和級(jí)配理論，并以此為基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)礦料的配合比設(shè)計(jì)方法。通過(guò)學(xué)習(xí)，要求學(xué)生了解石料和集料的技術(shù)性質(zhì)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，掌握級(jí)配理論和組成設(shè)計(jì)方法。2一、石料的技術(shù)性質(zhì)

石料主要指可以加工成一定規(guī)則形狀的，塊石可以直接用于土木工程建筑。石料的技術(shù)性質(zhì)物理性質(zhì)力學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)3

1.物理性質(zhì)石料的物理性質(zhì)包括：物理常數(shù)、吸水性，以及耐候性。（1）物理常數(shù)石料的物理常數(shù)是石料礦物組成結(jié)構(gòu)狀態(tài)的反映。礦物實(shí)體閉口孔隙開(kāi)口孔隙三部分組成4石料體積組成示意圖m0VnMmSViVsVV0開(kāi)口孔隙閉口孔隙物礦實(shí)體5

1）（密度）真實(shí)密度

——石料在規(guī)定條件（105土5℃烘干至恒重，溫度20℃）下，單位實(shí)體體積（閉口孔隙+礦質(zhì)實(shí)體的體積）的質(zhì)量。

公式：式中：

t——石料的真實(shí)密度，g/cm3；

ms——石料礦質(zhì)實(shí)體的質(zhì)量，g；

vs——石料礦質(zhì)實(shí)體的體積，cm3。在空氣中稱(chēng)量石料質(zhì)量，m0=0，ms=M1－162）表觀密度表觀密度是指在規(guī)定條件下，烘干石料礦質(zhì)實(shí)體包括閉口孔隙在內(nèi)的單位表觀體積的質(zhì)量，由公式（1-2）計(jì)算。——石料的表觀密度，g/cm3；——石料礦質(zhì)實(shí)體的質(zhì)量，g；——石料礦質(zhì)實(shí)體的體積,cm3；——石料礦質(zhì)實(shí)體中閉口孔隙的體積，cm3。7

3）毛體積密度

——指在規(guī)定條件下，石料單位毛體積（礦質(zhì)實(shí)體+孔隙的體積）的質(zhì)量。公式：式中：

h——石料的毛體積密度，g/cm3；

ms、vs——意義同前式；

vi——石料開(kāi)口孔隙的體積，cm3；

vn——石料閉口孔隙的體積，cm3。

V——石料的毛體積，cm3。

（1-2）8

4）孔隙率

——石料的孔隙體積占其總體積的百分率。

定義式為：

式中：n——石料的孔隙率，％；

V0——石料的孔隙（開(kāi)口+閉口孔隙）的體積，cm3；

V——石料的總體積，cm3。計(jì)算式：

1－31－39（2）吸水性

——石料在規(guī)定的條件下吸水的能力。工程上常采用吸水率和飽水率這兩項(xiàng)指標(biāo)表征。

1）吸水率

吸水率是指在室內(nèi)常溫和大氣壓條件下，石料試件最大的吸水質(zhì)量占烘干（105土5℃干燥至恒重）石料試件質(zhì)量的百分率。式中：W——石料吸水率，％；

m1——石料烘干至恒量時(shí)的質(zhì)量，g；

m2——石料試件吸水至恒量時(shí)的質(zhì)量，g。1－410

2）飽水率

——在內(nèi)常溫（20±2℃）和真空（真空度為2.67kPa）條件下，石料試件的最大吸水質(zhì)量占烘干石料試件質(zhì)量的百分率。

計(jì)算方法與吸水率相似，但飽水率＞吸水率。11（3）耐候性

——石料抵抗大氣等自然因素作用的性能稱(chēng)為耐候性。試驗(yàn)方法：抗凍性和堅(jiān)固性。

1）抗凍性

——石料在飽水狀態(tài)下，能抵抗多次凍結(jié)和融化作用而不破壞的性能。

(1)直接凍融法表征指標(biāo)：

①抗凍損失率（質(zhì)量損失率）

按下式計(jì)算：式中：

Qfr——抗凍質(zhì)量損失率％；

m1——試驗(yàn)前烘干試件質(zhì)量,g；

m2——試驗(yàn)后烘干試件質(zhì)量,g。

12

②耐凍系數(shù)

計(jì)算公式：式中：

Kfr——試件的耐凍系數(shù)；

fsc——試驗(yàn)前石料試件飽水抗壓強(qiáng)度，MPa；

fsc(fr)——經(jīng)凍融循環(huán)試驗(yàn)后石料試件飽水抗壓強(qiáng)度，MPa。

公路工程用石料技術(shù)要求：一般要求其耐凍系數(shù)大于0.75；質(zhì)量損失率不大于5%。同時(shí)試件應(yīng)無(wú)明顯缺損(包括剝落、裂縫和邊角損壞等情況)13

2）堅(jiān)固性

測(cè)定方法：采用硫酸鈉堅(jiān)固性法，將硫酸鈉飽和溶液浸入石料孔隙后，經(jīng)烘干、硫酸鈉結(jié)晶體積膨脹，產(chǎn)生有如水結(jié)凍相似的作用，使石料孔隙周壁受到張應(yīng)力，經(jīng)過(guò)多次循，引起石料破壞。

堅(jiān)固性是測(cè)定石料耐候性的一種簡(jiǎn)易、快速的方法。

有條件者均應(yīng)采用直接凍融法。

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三.力學(xué)性質(zhì)

——主要討論確定石料等級(jí)的抗壓強(qiáng)度和磨耗率兩項(xiàng)性質(zhì)。

（1）單軸抗壓強(qiáng)度(飽水)

石料的工程用途不同，抗壓強(qiáng)度的測(cè)試方法也不相同。道路工程、建筑工程用石料的單軸抗壓強(qiáng)度按下式計(jì)算：式中：fsc——石料的抗壓強(qiáng)度，MPa；

Fmax——極限破壞時(shí)的荷載，N；

A——試件的截面積，mm2。1550mm±０.５mm立方體或圓柱體16萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)17抗壓抗拉18抗剪抗彎19（2）磨耗性

——石料抵抗沖擊、邊緣剪切和摩擦等的聯(lián)合作用的性能。也是評(píng)定石料等級(jí)的依據(jù)之一。測(cè)定方法：可采用洛杉磯試驗(yàn)法或狄法爾試驗(yàn)法確定。

1）洛杉磯試驗(yàn)法石料磨耗率計(jì)算公式：式中：Q磨——石料的磨耗率,％；

m1——裝入磨耗機(jī)的試樣質(zhì)量，g；

m2——試驗(yàn)后洗凈烘干的試樣質(zhì)量，g。通過(guò)2mm圓孔篩或1.6mm方孔篩1-820擱板式磨耗儀示意圖①省時(shí)：15min左右②使石料受到更嚴(yán)峻的沖擊、剪切、摩擦作用，石料級(jí)差大③試樣級(jí)配較符合路用狀況21

2）狄法爾試驗(yàn)法石料的磨耗率同樣是以通過(guò)2mm圓孔篩或1.6mm方孔篩的質(zhì)量損失百分率來(lái)表示。計(jì)算公式同上。

22圖1-3雙筒式磨耗儀示意圖①耗時(shí)長(zhǎng)達(dá)5h以上②試件尺寸單一（50～75mm），與路用實(shí)際情況不符合

③石料間相互作用，不同性質(zhì)石料的磨耗率相差不大單一粒徑材料23(三)化學(xué)性質(zhì)（1）石料化學(xué)性質(zhì)

石料按SiO2的含量劃分為：酸性石料：SiO2>65%性石料：SiO2=52%～65%堿性石料：SiO2<52%（2）石料與瀝青粘附性測(cè)定方法

按照我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，可采用水煮法和水浸法。

24四、石料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1.石料的技術(shù)分級(jí)根據(jù)公路工程對(duì)巖石的不同要求，自然界的巖石可劃分為四個(gè)巖類(lèi)：

2.石料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)道路建筑用石料按其技術(shù)性質(zhì)（飽水后的抗壓強(qiáng)度和磨耗率）劃分為四個(gè)等級(jí)：Ⅰ類(lèi)——巖漿巖類(lèi)Ⅱ類(lèi)——石灰?guī)r類(lèi)Ⅲ類(lèi)——砂巖和片巖類(lèi)Ⅳ類(lèi)——礫石類(lèi)1級(jí)——最堅(jiān)硬巖石2級(jí)——堅(jiān)硬巖石3級(jí)——中等強(qiáng)度的巖石4級(jí)——較軟的巖石25公路工程用石料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)26砌筑用石材拌合混凝土用石材裝飾用石材27第一節(jié)石料一、石料的巖石學(xué)特性石料定義：在建筑結(jié)構(gòu)工程中，所使用的石料通常指由天然巖石經(jīng)機(jī)械加工制成的，或者由直接開(kāi)采得到的具有一定形狀和尺寸的石料制品。

1．造巖礦物不同造巖礦物和成巖條件使得各類(lèi)天然巖石具有不同的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征。石料的物理力學(xué)性質(zhì)在很大程度上取決于天然巖石的礦物成分，以及這些礦物在巖石中的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造。 所謂的造巖礦物是具有一定化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)特性的天然化合物或單質(zhì)，簡(jiǎn)稱(chēng)礦物，由一種或兩種以上的礦物組成不同的巖石。由于各種礦物具有確定的化學(xué)組成與特有的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，對(duì)石料的物理力學(xué)特性有著不同的影響。下表為幾種代表性的礦物。28表1—1幾種代表性造巖礦物礦物名稱(chēng)化學(xué)組成外觀特征特性常見(jiàn)巖石代表石英結(jié)晶二氧化硅白色、乳白色或灰色質(zhì)地非常堅(jiān)硬花崗巖、砂巖長(zhǎng)石結(jié)晶碳酸巖白、淺灰、紅色、青、暗灰質(zhì)地較石英偏低，易風(fēng)化成高齡土花崗巖云母結(jié)晶片狀含水鋁硅酸鹽無(wú)色透明、黑色易解離成片狀，降低巖石的耐久性、強(qiáng)度花崗巖方解石結(jié)晶碳酸鈣白色易溶于含二氧化碳的水中，被酸分解石灰?guī)r292．巖石分類(lèi) 巖石的性質(zhì)除了與構(gòu)成巖石的礦物有關(guān)之外，還取決于不同的成巖條件。根據(jù)成巖條件將巖石分成三類(lèi)：巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖。表1—2三種巖石種類(lèi)的特征類(lèi)型成因礦物結(jié)構(gòu)與構(gòu)造常見(jiàn)代表巖石巖漿巖深成巖由地殼深處的巖漿冷凝而成結(jié)晶體和塊狀構(gòu)造、結(jié)構(gòu)致密花崗巖、正長(zhǎng)巖噴出巖由巖漿噴出地面后凝結(jié)而成呈隱晶質(zhì)或玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)玄武巖、安山巖沉積巖母巖風(fēng)化后的物質(zhì)經(jīng)水流搬運(yùn)、沉積、硬結(jié)而成顆粒物質(zhì)和膠結(jié)物質(zhì)組成，大多呈現(xiàn)層理構(gòu)造石灰?guī)r、砂巖、石膏變質(zhì)巖經(jīng)地殼內(nèi)部高溫、高壓等多種過(guò)程綜合作用，巖石礦物重新再結(jié)晶變質(zhì)后而形成結(jié)構(gòu)與變質(zhì)經(jīng)歷有關(guān)——如受到高壓作用再結(jié)晶后的變質(zhì)巖將質(zhì)地緊密；相反則變質(zhì)后形成片狀結(jié)構(gòu)大理巖、石英巖、片麻巖303．常見(jiàn)巖石種類(lèi) 路橋工程中常用巖石類(lèi)型見(jiàn)表1—3。表1—3常用巖石類(lèi)型類(lèi)型礦物組成外觀色澤性能用途花崗巖石英、長(zhǎng)石、云母多種色澤，如深青、淺灰、黃、紅等結(jié)構(gòu)密實(shí)、密度大、抗壓強(qiáng)高、耐久性好優(yōu)質(zhì)石料，廣泛用于砌筑、裝飾工程和集料玄武巖暗色礦物硬度高、脆性大、耐久性好作為承重和飾面材料石灰?guī)r方解石，少量白云石、粘土大多呈淺灰色質(zhì)地細(xì)密、堅(jiān)硬、抗風(fēng)化砌筑工程、軋制成集料、燒制石灰砂巖石英，少量長(zhǎng)石、方解石、云母等灰色、白色或紅色硅質(zhì)砂巖密實(shí)、堅(jiān)硬耐久性好；其它砂巖性能較差質(zhì)地堅(jiān)硬的砂巖用做建筑材料石英巖結(jié)晶氧化硅色澤較淺質(zhì)地堅(jiān)硬、強(qiáng)度高砌筑工程31另外，根據(jù)石料組成中二氧化硅成分含量的多少，將巖石分成不同酸堿性石料。表1—4巖石的酸堿性類(lèi)型氧化硅含量（%）代表巖石親水系數(shù)酸性石料＞65石英巖1.06中性石料52~65閃長(zhǎng)巖—堿性石料＜52石灰?guī)r0.79

表中的親水系數(shù)表明石料對(duì)水親和力的大小。親水系數(shù)越大，說(shuō)明石料與水的結(jié)合程度越高，相對(duì)應(yīng)與瀝青的結(jié)合力就越弱，所以石料的酸堿性直接影響到石料和瀝青構(gòu)成的混合料的性質(zhì)。堿集料反應(yīng)32二、集料的核技術(shù)性質(zhì)集料的分類(lèi)集料包括巖石天然風(fēng)化而成的礫石（卵石）和砂等、巖石經(jīng)機(jī)械和人工軋制的各種尺寸的碎石，以及工業(yè)冶金礦渣。根據(jù)集料在工程混合料中的不同作用，可以按粒徑將其劃分為粗集料和細(xì)集料兩種。

33集料粗集料：在混合料中起骨架作用（碎石、礫石等）

細(xì)集料：在混合料中起填充作用（天然砂、人工砂和石屑）

在水泥混凝土中，粒徑＞4.75mm（以圓孔篩計(jì)）在瀝青混合料中，粒徑＞2.36mm（以方孔篩計(jì)）

在水泥混凝土中，粒徑＜4.75mm（以圓孔篩計(jì)）在瀝青混合料中，粒徑＜2.36mm（以方孔篩計(jì)）

34圖1-5碎石集料

不同粒徑、尺寸較小的石料顆粒的集合體35

(一).粗集料的技術(shù)性質(zhì)

1、物理性質(zhì)

1）物理常數(shù)集料的物理常數(shù)，要考慮到集料顆粒中的孔隙（開(kāi)口孔隙或閉口孔隙），以及顆粒間的空隙。

①表觀密度（簡(jiǎn)稱(chēng)視密度）

———指在規(guī)定條件（105±5℃烘干至恒重）下，單位表觀體積（包括礦質(zhì)實(shí)體和閉口孔隙的體積）的質(zhì)量。36由右圖體積與質(zhì)量的關(guān)系，可表示為：

式中：

′t——粗集料的表觀密度，g/cm3；ms——礦質(zhì)實(shí)體質(zhì)量，g；Vs——礦質(zhì)實(shí)體體積，cm3；Vn——礦質(zhì)實(shí)體中閉口孔隙體積，cm3。1-937測(cè)定瓶+砂+水的質(zhì)量m1測(cè)定瓶+水的質(zhì)量m2工程中砂石材料，直接用排水法測(cè)定其表觀體積38②表干密度(毛體積)粗集料的毛體積密度指在規(guī)定的條件下，單位毛體積（包括礦質(zhì)實(shí)體、閉口孔隙和開(kāi)口孔隙）的質(zhì)量?？捎上率角蟮茫?/p>

式中：

h——粗集料的毛體積密度，g/cm3；

ms——礦質(zhì)實(shí)體質(zhì)量，g；vs、vi、vn——分別為粗集料礦質(zhì)實(shí)體、閉口孔隙和開(kāi)口孔隙體積，cm3

。393）裝填密度裝填密度根據(jù)裝樣方法的不同可為堆積密度、振實(shí)密度和搗實(shí)密度。該密度是指烘干集料顆粒礦質(zhì)實(shí)體的單位裝填體積（包括集料顆粒間空隙體積、集料礦質(zhì)實(shí)體及其閉口、開(kāi)口孔隙體積）的質(zhì)量，按式（1-12）計(jì)算?！V質(zhì)集料的裝填密度,g/cm3；——集料顆粒礦質(zhì)實(shí)體的質(zhì)量，g；——集料顆粒礦質(zhì)實(shí)體的體積，cm3；——分別為集料顆粒礦質(zhì)實(shí)體中閉口孔隙和開(kāi)口孔隙的體積，cm3；——集料顆粒間的空隙體積，cm3；40③堆積密度

————將集料裝填于容器中包括集料空隙（顆粒之間的）和孔隙（顆粒內(nèi)部的）在內(nèi)的單位體積的質(zhì)量。

計(jì)算公式：式中：

f——粗集料的堆積密度，g/cm3

；

ms——礦質(zhì)實(shí)體質(zhì)量，g；vs、vp、vv——分別為粗集料礦質(zhì)實(shí)體、孔隙和空隙的體積,cm3。按堆積的松緊程度不同分類(lèi)：自然堆積密度與振實(shí)堆積密度。41砂堆積密度的測(cè)定將容量筒內(nèi)材料刮平，容量筒的容積即為材料堆積體積42

(2)空隙率

————指集料在自然堆積（或緊密堆積）時(shí)空隙體積占總體積的百分率。計(jì)算公式：

式中：n

——粗集料的空隙率,％

；

′t——粗集料的表觀密度，g/cm3

；

′f——粗集料的自然（或緊密）堆積密度，g/cm3

。43比較項(xiàng)目實(shí)際密度表觀密度體積密度堆積密度材料狀態(tài)絕對(duì)密實(shí)近似絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)自然狀態(tài)堆積狀態(tài)材料體積VV0計(jì)算公式應(yīng)用判斷材料性質(zhì)用量計(jì)算、體積計(jì)算44表1—6砂石材料密度概念小結(jié)密度類(lèi)型真密度表觀密度毛體積密度表干密度裝填密度定義石料礦質(zhì)實(shí)體單位真實(shí)體積的質(zhì)量石料礦質(zhì)實(shí)體包括閉口孔隙在內(nèi)的單位表觀體積的質(zhì)量石料礦質(zhì)實(shí)體包括孔隙（閉口、開(kāi)口孔隙）體積在內(nèi)的單位毛體積的質(zhì)量單位毛體積（包括集料礦質(zhì)實(shí)體體積及全部孔隙體積）的飽和面干質(zhì)量集料顆粒礦質(zhì)實(shí)體的單位裝填體積（包括集料顆粒間空隙體積、集料礦質(zhì)實(shí)體及全部孔隙體積）的質(zhì)量計(jì)算公式主要用途確定石料、水泥及礦粉的密度，計(jì)算石料的孔隙率和混合料的配合比確定粗細(xì)集料的密度，用于混合料的配合比和空隙率的計(jì)算計(jì)算石料的孔隙率和集料的骨架間隙率可用于集料磨耗值計(jì)算計(jì)算集料的空隙率45

2）級(jí)配

————指粗集料中各組成顆粒的分級(jí)和搭配。可通過(guò)篩析試驗(yàn)來(lái)確定。

級(jí)配的三參數(shù)：①分計(jì)篩余百分率；②累計(jì)篩余百分率；③通過(guò)百分率。3）堅(jiān)固性可參照石料的抗凍性和堅(jiān)固性試驗(yàn)。對(duì)已碎石或卵石，可采用規(guī)定級(jí)配的各粒級(jí)集料試驗(yàn)。

4647483．集料的顆粒形狀與表面特征集料的性質(zhì)除了與形成集料的巖石特征和孔隙結(jié)構(gòu)等有直接關(guān)系之外，還與集料的顆粒形狀和表面特征有一定的關(guān)系。因?yàn)榧系男螤詈捅砻嫣卣鞫紝⒂绊懠项w粒間的內(nèi)摩阻力、集料顆粒與結(jié)合料粘結(jié)性及吸附性等方面。（1）理想的集料顆粒形狀是球狀或立方體，而扁平、薄片、細(xì)長(zhǎng)狀的顆粒不僅增加集料的空隙率，還對(duì)施工的和易性和混凝土強(qiáng)度造成不利影響；針片狀：最小厚度與最大長(zhǎng)度這比小于1：349針片狀顆粒的定義：最大長(zhǎng)度與厚度之比大于3的顆粒。（2）集料表面特征指集料的粗糙程度和孔隙特征。表面粗糙的集料顆粒有較顯著的摩阻力，同時(shí)也會(huì)影響集料的施工和易性；粗糙且有吸收水泥漿和瀝青輕組分的孔隙特征的集料與結(jié)合料的粘結(jié)能力較強(qiáng)。4．含泥量和泥塊含量存在于集料中或包裹在集料顆粒表面的泥土?xí)档退嗟乃磻?yīng)速度，也會(huì)妨礙集料與水泥（或?yàn)r青）間的粘結(jié)能力，顯著影響混合料的整體強(qiáng)度與耐久性，應(yīng)對(duì)其含量加以限制。泥是指砂中粒徑小于0.075mm的顆粒，泥塊是指粗集料原尺寸大于4.75mm（或細(xì)集料大于1.18mm），但經(jīng)水浸洗、手捏后小于2.36mm（細(xì)集料小于0.6mm）的顆粒含量。50表1—7碎石和卵石技術(shù)要求（GB/T14685-2001）技

術(shù)

指

標(biāo)技

術(shù)

要

求Ⅰ級(jí)Ⅱ級(jí)Ⅲ級(jí)碎石壓碎指標(biāo)（%）

<102030卵石壓碎指標(biāo)（%）

<121616針片狀顆粒含量（%）

<51525含泥量（%）

<0.51.01.5泥塊含量（%）

≤00.50.7有機(jī)物含量（比色法）合格合格合格硫化物及硫酸鹽含量（按SO3質(zhì)量計(jì)）（%）<0.51.01.0堅(jiān)固性（%）

<5812巖石抗壓強(qiáng)度（MPa）在飽水狀態(tài)下，火成巖應(yīng)不小于80；變質(zhì)巖應(yīng)不小于60；水成巖應(yīng)不小于40密度與空隙率表觀密度>2500kg/m3；松散堆積密度>1350kg/m3；空隙率<47%堿集料反應(yīng)經(jīng)堿集料反應(yīng)試驗(yàn)后，由卵石、碎石、碎卵石配制的試件無(wú)裂縫，酥裂、膠體溢等現(xiàn)象，在規(guī)定試驗(yàn)齡期的膨脹率應(yīng)小于0.10%512．細(xì)集料的技術(shù)要求表1—8細(xì)集料技術(shù)要求（GB/T14684-2001）項(xiàng)

目技

術(shù)

要

求Ⅰ級(jí)Ⅱ級(jí)Ⅲ級(jí)人工砂

壓碎指標(biāo)（%）

<202530

甲基藍(lán)試驗(yàn)MB值<1.4或合格石究含量（%）<3.05.07.0

泥塊含量（%）<01.02.0

MB值<1.4或不合格石粉含量（%）<1.03.05.0

泥塊含量（%）<01.02.0

天然砂含泥量（%）

<1.02.05.0

泥塊含量（%）

<01.02.0

有害雜質(zhì)含量（%）氯化物含量（按氯離子質(zhì)量計(jì)）

<0.010.020.06

母含量

<1.02.02.0

有機(jī)物含量（比色法）（%）

合格合格合格

硫化物及硫酸鹽（按SO3質(zhì)量計(jì)）

<0.50.50.5

物質(zhì)含量

<1.01.01.0

堅(jiān)固性（%）

<8810

密度和空隙率表觀密度>2500kg/m3；松散堆積密度>1350kg/m3；空隙率<47%

52二、粗集料的力學(xué)性質(zhì)

————主要是壓碎值和磨耗度；其次磨光值、道瑞磨耗值和沖擊值。

1）集料壓碎值

————指集料在連續(xù)增加的荷載下，抵抗壓碎的能力。

計(jì)算公式：

53②混凝土路面：取試樣：粒徑10mm—20mm；質(zhì)量2.5kg；在3~5min內(nèi)加壓至200kN，保持5s，將試樣過(guò)2.36mm篩，稱(chēng)其篩余質(zhì)量。壓碎值計(jì)算公式如下：式中：???壓碎值

m0???試樣總質(zhì)量

m1???試樣篩余質(zhì)量54式中：

m0——試驗(yàn)前試樣質(zhì)量，g

；

m1——試驗(yàn)后通過(guò)2.36mm篩孔細(xì)料質(zhì)量，g。公路路面基層、瀝青面層粗集料：計(jì)算公式55壓碎指標(biāo)值測(cè)試儀具尺寸圖10～20mm集料分二層夯實(shí)，在3～5min加荷至Pmax=200kN，恒壓5s后，脫膜后過(guò)2.36mm篩試驗(yàn)集料56壓碎值測(cè)試儀將12～16mm碎石分三層夯實(shí)，在0～10min加壓至400kN，立即卸載，過(guò)2.36mm篩試驗(yàn)集料容器5758

2）集料磨光值高速公路要求的力學(xué)性質(zhì)：集料的抗磨光性。按我國(guó)現(xiàn)行試驗(yàn)規(guī)程，是采用石料磨光值（PolishedStoneValue簡(jiǎn)稱(chēng)PSV）來(lái)表示。

意義：石料磨光值愈高，表示其抗滑性愈好?？够鎸討?yīng)選用磨光值高的集料，如玄武巖、安山巖、砂巖和花崗巖等。

59磨光機(jī)磨光值試件試件→（金剛砂），經(jīng)6h磨光后，

用擺式儀測(cè)摩擦系數(shù)（BPN）→磨光值603）集料沖擊值集料抵抗多次連續(xù)重復(fù)沖擊荷載作用的性能，稱(chēng)為抗沖擊韌性。指標(biāo)：沖擊值。計(jì)算公式：

式中：

LSV——集料的沖擊值，%m1——試驗(yàn)后通過(guò)2.36mm的試樣質(zhì)量，g；

m——原試樣質(zhì)量，g。61圖1-16沖擊值儀9.5～13.2mm集料，1kg分三次夯實(shí)。沖擊錘至380±5mm處自由落下，重復(fù)15次。將受沖擊后的集料過(guò)篩（2.36mm），稱(chēng)重。624）集料磨耗值（道瑞試驗(yàn)）————用于評(píng)定抗滑表層所用粗集料抵抗車(chē)輪撞擊及磨耗的能力。磨耗值的計(jì)算公式：

式中：

AAV——集料磨耗值；

m1——磨耗前試件的質(zhì)量，g；

m2——磨耗后試件的質(zhì)量，g；

s——集料表干密度,g/cm3。

63圖1-15道瑞Dorry（英國(guó)）磨耗儀64

意義：磨耗值愈高，表示集料耐磨性愈差。

要求：不同道路等級(jí)對(duì)抗滑表層集料的磨光值、道瑞磨耗值和沖擊值的技術(shù)要求見(jiàn)下表。

抗滑表層用集料技術(shù)要求指標(biāo)高速公路、一級(jí)公路其他公路石料磨光值不小于4235道瑞磨耗值不大于1416集料沖擊值不大于/%2830651物理常數(shù)2集料級(jí)配的表示方法（1）篩分試驗(yàn)篩分試驗(yàn)：將500g試樣，置于一套標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分，分別稱(chēng)出試樣存留在各篩上質(zhì)量，并計(jì)算其級(jí)配有關(guān)參數(shù)：(二)細(xì)集料的技術(shù)性質(zhì)6667681.瀝青路面及各類(lèi)基層集料用標(biāo)準(zhǔn)篩均以方孔篩為準(zhǔn)，相應(yīng)的篩孔尺寸依次為75mm、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；

2.水泥混凝土用集料標(biāo)準(zhǔn)篩的孔徑當(dāng)大于或等于2.5mm時(shí)，以圓孔篩為標(biāo)準(zhǔn)；小于2.5mm時(shí)以方孔篩為準(zhǔn)。相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)篩的篩孔尺寸依次為100mm、80mm、63mm、50mm、40mm、31.5mm、25mm、20mm、16mm、10mm、5mm、2.5mm、1.25mm、0.63mm、0.315mm、0.16mm、0.075mm。不同用途采用不同規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)套篩，是我國(guó)多年以來(lái)的一種特有的做法。隨著與國(guó)際通用方式的接軌，全部采用方孔篩成為一種必然趨勢(shì)。2003年頒布并實(shí)施的新一版《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范》就已開(kāi)始采用方孔篩標(biāo)準(zhǔn)。69

1）分計(jì)篩余百分率

————某號(hào)篩上的篩余質(zhì)量占試樣總質(zhì)量的百分率。

計(jì)算公式：式中：ai——某號(hào)篩的分計(jì)篩余，％；

mi——存留在某號(hào)篩上的質(zhì)量，g；

M——試樣總質(zhì)量，g。70

2）累計(jì)篩余百分率

————某號(hào)篩的分計(jì)篩余百分率和大于某號(hào)篩的各篩分計(jì)篩余百分率之總和。

計(jì)算公式：式中：Ai——累計(jì)篩余，％；

a1、a2、…ai——從5mm、2.5mm、……至計(jì)算的某號(hào)篩的分計(jì)篩余（圓孔篩），％。71

3）通過(guò)百分率

————通過(guò)某篩的質(zhì)量占試樣總質(zhì)量的百分率，即100與累計(jì)篩余百分率之差。

計(jì)算公式：

式中：Pi——通過(guò)百分率，％；

Ai——累計(jì)篩余，％。72（3）細(xì)度模數(shù)細(xì)度模數(shù)是評(píng)價(jià)砂粗細(xì)程度的一種指標(biāo)。

指標(biāo)：細(xì)度模數(shù)（或細(xì)度模量），是各號(hào)篩的累計(jì)篩余百分率之和除以100之商?？砂聪率接?jì)算：當(dāng)砂中含有大于5mm的顆粒時(shí)，則按下式計(jì)算：73按細(xì)度模數(shù)可將砂分為下列三級(jí)：式中：Mx——細(xì)度模數(shù)；

A5、A2.5、A1.25、A0.63、A0.316、A0.16——5mm、2.5mm、……、0.16mm各篩累計(jì)篩余，％

。Mx=3.7～3.1為粗砂Mx=3.0～2.3為中砂Mx=2.2～1.6為細(xì)砂結(jié)論：細(xì)度模數(shù)越大，表示細(xì)集料越粗。74第二節(jié)礦質(zhì)混合料的級(jí)配類(lèi)型砂石集料在土木工程中，主要以礦質(zhì)混合料的形式與結(jié)合料組配使用。

組配要求：多種集料按照一定的比例搭配起來(lái)，以達(dá)到

較高的密實(shí)度

和較大的摩擦力?？刹捎玫募?jí)配類(lèi)型：有連續(xù)級(jí)配和間斷級(jí)配兩種。如圖所示：75級(jí)配類(lèi)型篩孔尺寸(方孔篩)/mm16.O13.29.54.752.361.180.60.30.150.075細(xì)粒式瀝青混凝土（AC-13）10095～10070～8848～6836～5324～4118～3012～228～164～87677

1.3.2礦質(zhì)混合料的級(jí)配理論

1.最大密度曲線理論（富勒理論）

觀點(diǎn)：礦質(zhì)混合料的顆粒級(jí)配曲線愈接近拋物線，則其密度愈大。當(dāng)?shù)V質(zhì)混合料的級(jí)配曲線為拋物線時(shí)，具有最大密實(shí)度。a）b）a）常坐標(biāo)；b）半對(duì)數(shù)坐標(biāo)理想最大密度級(jí)配曲線78最大密度級(jí)配曲線公式：可用礦料顆粒粒徑（d）與通過(guò)量（p）表示。式中：d——礦質(zhì)混合料各級(jí)顆粒粒徑，mm；

p——各級(jí)顆粒粒徑集料的通過(guò)量，%；

k——常數(shù)。79

2.最大密度曲線n冪公式（泰波理論）

觀點(diǎn)：最大密度曲線是一種理論的級(jí)配曲線，實(shí)際上，級(jí)配曲線應(yīng)該有一定的波動(dòng)范圍。

公式：

式中：

p、d和D——意義同前；n——實(shí)驗(yàn)指數(shù)。

實(shí)際研究認(rèn)為：在瀝青混合料中應(yīng)用，當(dāng)n=0.45時(shí)密度最大；在水泥混凝土中應(yīng)用，當(dāng)n=0.25～0.45時(shí)工作性較好。通常使用的礦質(zhì)混合料的級(jí)配范圍（包括密級(jí)配和開(kāi)級(jí)配）n=0.3～0.7

80級(jí)配類(lèi)型篩孔尺寸(方孔篩)/mm16.O13.29.54.752.361.180.60.30.150.075細(xì)粒式瀝青混凝土（AC-13）10095～10070～8848～6836～5324～4118～3012～228～164～8

級(jí)配中值10098795745

3324

17

12

681

3.粒子干涉理論

式中：t——前粒級(jí)的間隙距離，即等于次粒級(jí)的粒徑；

D——前粒級(jí)的粒徑；

0——次粒級(jí)的理論實(shí)積率（即堆積密度與表觀密度之比）；

s——次粒級(jí)的實(shí)用實(shí)積率。公式：82二、礦質(zhì)混合料的組成設(shè)計(jì)方法（2）正規(guī)方程法

基本原理：根據(jù)各種集料的篩分?jǐn)?shù)據(jù)和規(guī)范要求的級(jí)配中值列出正規(guī)方程，然后用數(shù)學(xué)回歸的方法或電算的方法求解。

方法：①設(shè)有k種集料,各集料在n級(jí)篩分的通過(guò)百分率為Pi（j）,

欲配制為符合級(jí)配范圍中值要求的礦質(zhì)混合料。

②設(shè)礦質(zhì)混合料任何一級(jí)篩孔的通過(guò)率為P（j）,它等于由各種組成集料在該級(jí)的通過(guò)百分率Pi乘各種集料在混合料中的用量（xi）之和，即式中:i——集料種類(lèi),=1，2，…k；j——篩孔數(shù),=1，2，…n。83③按下式列出方程組

方程組可用數(shù)學(xué)回歸法或電算法求解………………84目前礦質(zhì)混合料的組成設(shè)計(jì)方法主要有數(shù)解法與圖解法兩大類(lèi)。1.數(shù)解法用數(shù)解法解礦質(zhì)混合料組成的方法很多，最常用的方法有試算法和正規(guī)方程法。試算法適用于3～4種礦料組配，正規(guī)方程法可用于多種礦料組成，所得結(jié)果準(zhǔn)確，但計(jì)算較為繁雜，不如圖解法簡(jiǎn)便。下面主要介紹試算法。85

（1）試算法

1）按題意作下列兩點(diǎn)假設(shè)：

①設(shè)A、B、C三種集料在混合料M中的用量比例分別為X、Y、Z，則

②又設(shè)混合料M中某一級(jí)粒徑（i）要求的含量為M（i），A、B、C三種集料中該粒徑的含量分別為

A(i)、

B(i)

、

C(i)

。則：

2）計(jì)算步驟

①計(jì)算A集料在礦質(zhì)混合料中的用量比例首先，找出A集料占優(yōu)勢(shì)含量的某一粒徑，如粒徑（i），而忽略B、C

集料在此粒徑的含量，即B集料和C集料該粒徑的含量aB(i)和aC(i)均等于零。

A集料在混合料中的用量：86②計(jì)算C集料在礦質(zhì)混合料中的用量比例原理同前，設(shè)C集料的優(yōu)勢(shì)粒徑為j（mm），則A集料和B集料在該粒徑的含量aA(j)和aB(j)均等于零。

C集料在混合料中的用量：

③計(jì)算B集料在礦質(zhì)混合料中的用量比例由前式得出B集料在礦質(zhì)混合料中的用量：

④校核調(diào)整按以上計(jì)算的配合比計(jì)算合成級(jí)配，如不在要求的級(jí)配范圍內(nèi)，應(yīng)調(diào)整。重新計(jì)算和復(fù)核配合比，經(jīng)幾次調(diào)整，直到符合要求為止。如經(jīng)計(jì)算確不能滿足級(jí)配要求時(shí)，可摻加某些單粒級(jí)集料，或調(diào)換其它原始集料。87

2.圖解法

（1）基本原理

通常級(jí)配曲線圖采用半對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖繪制，所繪出的級(jí)配范圍中值為一拋物線。圖解法中，為使要求級(jí)配中值呈一直線，采用縱坐標(biāo)的通過(guò)量（Pi）為算術(shù)坐標(biāo)，而橫坐標(biāo)的粒徑采用(d/D)n表示，則繪出的級(jí)配曲線中值為直線。如圖：a）

b）圖解法級(jí)配曲線坐標(biāo)圖88（2）計(jì)算步驟

1）繪制級(jí)配曲線坐標(biāo)圖

2）確定各種集料用量①兩相鄰級(jí)配曲線重疊，等分；②兩相鄰級(jí)配曲線相接，連分；③兩相鄰級(jí)配曲線相離，平分。

3）校核按圖解所得的各種集料用量，校核計(jì)算所得合成級(jí)配是否符合要求。如不能符合要求，即超出級(jí)配范圍，應(yīng)調(diào)整各集料的用量。89礦質(zhì)混合料配合比設(shè)計(jì)工程實(shí)例試采用圖解法設(shè)計(jì)某高速公路用細(xì)粒式瀝青混凝土的礦質(zhì)混合料配合比。

1.原始資料（1）現(xiàn)有碎石、石屑、砂和礦粉四種礦質(zhì)集料，現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行篩分如下表：材料名稱(chēng)篩孔尺寸（方篩孔）/mm16.O13.29.54.752.361.180.60.30.150.075通過(guò)百分率/%碎石1009426OOOOOOO石屑100100100804017OOOO砂1001001001009490763817O礦粉1001001001001001001001001008390（2）確定礦質(zhì)混合料的工程級(jí)配范圍如下表：

級(jí)配類(lèi)型篩孔尺寸(方孔篩)/mm16.O13.29.54.752.361.180.60.30.150.075細(xì)粒式瀝青混凝土（AC-13）10095～10070～8848～6836～5324～4118～3012～228～164～8

級(jí)配中值10098795745

3324

17

12

69192

2.設(shè)計(jì)步驟（1）繪制級(jí)配曲線圖，在縱坐標(biāo)上按算術(shù)坐標(biāo)繪出通過(guò)百分率Pi，如下圖。（2）連對(duì)角線OO′作為級(jí)配范圍通過(guò)率中值。在縱坐標(biāo)上找出各個(gè)篩孔通過(guò)率中值作水平線，通過(guò)與對(duì)角線OO′的交點(diǎn)作垂線，與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)，即為相應(yīng)的篩孔在橫坐標(biāo)上的位置。（3）將碎石、石屑、砂和礦粉四種集料的級(jí)配