道路建筑材料（第2版）課件 單元一 砂石材料之模塊一+模塊二 巖石、集料

道路建筑材料

單元一砂石材料課程思政元素：

“工匠精神”價(jià)值引領(lǐng)：檢測(cè)方法容易，操作規(guī)范、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)客觀卻較難

只有大量試驗(yàn)、反復(fù)鉆研、精益求精

方能有效提高實(shí)踐技能，成為真正的“工匠之才”知識(shí)目標(biāo)?了解砂石材料的定義和分類?熟悉巖石和集料的技術(shù)性質(zhì)?掌握集料技術(shù)性質(zhì)的檢測(cè)方法和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)能力目標(biāo)?能夠依據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)粗細(xì)集料相關(guān)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，并依據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》對(duì)所測(cè)定定技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行正確評(píng)定和合理選用?能夠規(guī)范填寫(xiě)實(shí)驗(yàn)原始記錄，并獨(dú)立出具相關(guān)試驗(yàn)報(bào)告模塊一

巖石1.1巖石分類01巖漿巖（花崗巖）02變質(zhì)巖（大理石）03沉積巖（石灰?guī)r）1.2巖石的技術(shù)性質(zhì)

巖石是指在各種地質(zhì)作用下，按一定方式結(jié)合而成的礦物集合體，是構(gòu)成地殼及地幔的主要物質(zhì)。性質(zhì)：物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和耐久性一、巖石的物理性質(zhì)

1、物理常數(shù)圖1-1巖石組成部分的質(zhì)量與體積關(guān)系示意圖密度：是指在規(guī)定條件下(大多指規(guī)定的溫度)，烘干巖石單位體積的質(zhì)量。由于巖石在組成結(jié)構(gòu)上或多或少存在著孔隙，而孔隙又分為與外界連通的開(kāi)口孔隙和與外界不連通的閉口孔隙。(1)密度①顆粒密度：是指巖石在烘干狀態(tài)下礦質(zhì)實(shí)體單位體積（不包括孔隙體積）的質(zhì)量。單位：g/cm3、kg/m3

式中：ρt———巖石的真密度，g/cm3;

ms———巖石礦質(zhì)實(shí)體的質(zhì)量，g;

Vs———巖石礦質(zhì)實(shí)體的體積，cm3。按《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(JTG3431-2024)規(guī)定，巖石顆粒密度的測(cè)定采用“密度瓶法”。②塊體密度：是指巖石塊狀實(shí)體質(zhì)量與其體積（包括閉口孔隙和開(kāi)口孔隙體積在內(nèi)）的質(zhì)量。單位：g/cm3、kg/m3

式中：ρb———巖石的塊體密度，g/cm3；ms———巖石塊狀實(shí)體的質(zhì)量，g;

Vs———巖石塊狀實(shí)體的體積，cm3；Vn———巖石中閉口孔隙的體積，cm3；

Vi———巖石中開(kāi)口孔隙的體積，cm3。

按《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(JTG3431-2024)規(guī)定，巖石塊體密度的測(cè)定采用量積法、水中稱量法和蠟封法。量積法用于規(guī)則的各類巖石,方法簡(jiǎn)易;水中稱量法用于除遇水崩解、溶解或干縮濕脹外的其他各類巖石;蠟封法適用于不能用量積法和水中稱量法測(cè)試的巖石。

孔隙率：孔隙率：是指巖石孔隙體積與巖石總體積（包括開(kāi)口孔隙和閉口孔隙體積）的比值。

式中：n———巖石的孔隙率，%；ms———巖石塊狀實(shí)體的質(zhì)量，g;

V0———巖石的孔隙（含開(kāi)口孔隙和閉口孔隙）體積，cm3；V———巖石的總體積，cm3；ρs———巖石的顆粒密度，g/cm3；

ρb———巖石的塊體密度，g/cm3。(2)孔隙率思考：①孔隙率和空隙率不同點(diǎn)？

②孔隙率大小與哪些因素有關(guān)？2、吸水性巖石的吸水性是巖石在規(guī)定條件下吸水的能力，采用吸水率、飽和吸水率來(lái)表征。(1)吸水率

巖石吸水率是指在大氣壓力和室溫條件下自由吸入水的質(zhì)量與試件烘干質(zhì)量之比，以百分率表示。我國(guó)《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(JTG3431-2024)規(guī)定采用自由吸水法測(cè)定吸水率,試驗(yàn)結(jié)果精確至0.01%。式中：ωa——巖石試樣的吸水率，%；

m——烘至恒重時(shí)的試件質(zhì)量，g；

m1——吸水至48h時(shí)的試件質(zhì)量，g。

(2)飽和吸水率

飽和吸水率是指在強(qiáng)制條件下,巖石試樣最大的吸水質(zhì)量與烘干巖石試件質(zhì)量之比,以百分率表示。我國(guó)《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(JTG3431-2024)規(guī)定,采用煮沸法或真空抽氣法測(cè)定飽和吸水率。式中：ωa——巖石試樣的吸水率，%；

m——烘至恒重時(shí)的試樣質(zhì)量，g；

m2——試件經(jīng)強(qiáng)制飽和后的試樣質(zhì)量，g。

思考：吸水率與飽水率有什么不同？巖石的吸水性取決于其親水性,與其孔隙的大小及孔隙結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。封閉或粗大孔隙的巖石的吸水率是較低的。其他條件相同時(shí)，材料開(kāi)口孔隙率越大,含水率越高，抗凍性越差。

吸水率、飽和吸水率能有效地反映巖石微裂隙的發(fā)育程度,可用來(lái)判斷巖石的抗凍性和抗風(fēng)化性能。

(3)飽水系數(shù)

飽水系數(shù)是指巖石的吸水率和飽和吸水率之比，可評(píng)價(jià)巖石抗凍性。一般來(lái)說(shuō)，巖石飽水系數(shù)為0.5~0.8。飽水系數(shù)越大，巖石的抗凍性就差。

思考：飽水系數(shù)與巖石孔隙率有關(guān)嗎？二、巖石的力學(xué)性質(zhì)

1、抗壓強(qiáng)度

(1)抗壓強(qiáng)度巖石的抗壓強(qiáng)度：對(duì)規(guī)定形狀的巖石試樣，以標(biāo)準(zhǔn)方式對(duì)其進(jìn)行軸向壓力作用破壞試驗(yàn)所得結(jié)果。我國(guó)《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(JTG3431-2024)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)試件：巖石試驗(yàn)用：直徑為50mm±2mm，高徑比為2.0的圓柱體試件砌體工程用：邊長(zhǎng)為70mm±2mm的立方體試件；混凝土集料試驗(yàn)用：邊長(zhǎng)或直徑為50mm±2mm的立方體或圓柱體試件；

再將標(biāo)準(zhǔn)試件自由浸水使其吸水飽和后，擦干表面，使試件單軸受壓,并在規(guī)定加載條件下使其達(dá)到破壞，此時(shí)單位承壓面積的荷載即48h為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，也即是其抗壓強(qiáng)度。單軸抗壓強(qiáng)度（抗壓強(qiáng)度）：式中：

R—巖石的抗壓強(qiáng)度，MPa；

P—試件破壞時(shí)的極限荷載，N；

A—試件的截面面積，mm2。當(dāng)單獨(dú)測(cè)定單軸抗壓強(qiáng)度時(shí)，不同狀態(tài)每組試件共6個(gè)。試驗(yàn)結(jié)果取算術(shù)平均值，并取三位有效數(shù)字。有顯著層理的巖石，應(yīng)分別報(bào)告垂直與平行層理方向的試件強(qiáng)度的平均值。(2)巖石的軟化系數(shù)：式中：

Kp—軟化系數(shù)；

Rc—巖石飽水狀態(tài)下的單軸抗壓強(qiáng)度平均值，MPa；

Rd—巖石烘干狀態(tài)下的單軸抗壓強(qiáng)度平均值，MPa。

軟化系數(shù)計(jì)算值精確至0.01,每個(gè)狀態(tài)的3個(gè)試件應(yīng)平行測(cè)定，取算術(shù)平均值；3個(gè)值中最大值與最小值之差不應(yīng)超過(guò)平均值的30%，否則，應(yīng)另取第4個(gè)試件，并在4個(gè)試件中取最接近的3個(gè)值的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)在報(bào)告中將4個(gè)值全部給出。(3)影響巖石抗壓強(qiáng)度的因素：巖石的礦物組成

巖石的結(jié)構(gòu)

巖石的孔隙構(gòu)造

巖石試件的尺寸

巖石的吸水率

三、巖石的化學(xué)性質(zhì)1、巖石的酸堿性

以巖石化學(xué)組成中SiO2的含量多少來(lái)劃分。按克羅斯的分類法：酸性巖石：SiO2

＞65%，如花崗巖、石英巖等；中性巖石：SiO2含量52%~65%，如閃長(zhǎng)巖、輝綠巖等；堿性巖石：SiO2含量＜52%，如石灰?guī)r、玄武巖等。

為保證瀝青混合料的強(qiáng)度，在選擇巖石時(shí)必須優(yōu)先采用堿性巖石。2、巖石的黏附性

巖石的黏附性直接影響瀝青混合料的使用性能，容易造成剝離病害。

黏附性的影響因素：巖石的化學(xué)性質(zhì)：化學(xué)成分影響表面電荷的性質(zhì)和分布；巖石的表面特征：巖石的表面粗糙程度；

堿性巖石的吸附能力優(yōu)于酸性巖石巖石長(zhǎng)期在各種自然因素的綜合作用下，力學(xué)強(qiáng)度會(huì)逐漸降低。導(dǎo)致巖石強(qiáng)度降低的機(jī)理主要有兩方面:

一是自然條件下,由于溫度升降產(chǎn)生的溫度應(yīng)力作用而引起巖石內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的破壞；

二是由于凍融循環(huán)作用。對(duì)大多數(shù)地區(qū)而言,凍融循環(huán)作用占主導(dǎo)。四、巖石的耐久性模塊二

集料最大粒徑的區(qū)別最大粒徑公稱最大粒徑指集料100%都要求通過(guò)的最小標(biāo)準(zhǔn)篩篩孔尺寸。指集料可能全部通過(guò)或允許有少量不通過(guò)(一般容許篩余不超過(guò)10%）的最小標(biāo)準(zhǔn)篩篩孔尺寸。最大粒徑比公稱最大粒徑大一級(jí)2.1集料的技術(shù)性質(zhì)集料分類：粗集料：骨架作用，包括碎石、礫石；細(xì)集料：填充作用，包括機(jī)制砂、石屑、砂等。碎石機(jī)制砂水

泥

混

凝

土瀝青混合料公稱最大粒徑4.75mm粗細(xì)集料分界尺寸公稱最大粒徑2.36mm瀝青混合料中，粗集料是指粒徑＞2.36mm的碎石、破碎礫石、篩選礫石和礦渣等；水泥混凝土中，粗集料是指粒徑＞4.75mm的碎石、礫石和破碎礫石等。技術(shù)性質(zhì)：

物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)

一、粗集料的技術(shù)性質(zhì)粗集料的體積與質(zhì)量關(guān)系示意圖1、物理性質(zhì)顆粒之間的空間體積(1)物理常數(shù)

①表觀密度(ρa(bǔ))

粗集料的表觀密度(又稱視密度)是在規(guī)定條件(105℃±5℃烘干至恒重)下，單位表觀體積(包括集料礦質(zhì)實(shí)體、閉口孔隙和開(kāi)口中尚未完全被水填充的孔隙體積)的干質(zhì)量。

式中:ρa(bǔ)——粗集料表觀密度，g/cm3；ms——礦質(zhì)實(shí)體質(zhì)量，g；Vs——礦質(zhì)實(shí)體體積，cm3；Vn——閉口孔隙體積，cm3。《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG3432—2024)規(guī)定，測(cè)定方法：網(wǎng)籃法②毛體積密度(ρb)粗集料的毛體積密度是在規(guī)定條件下，單位毛體積(包括礦質(zhì)實(shí)體及其閉口孔隙、開(kāi)口孔隙等顆粒表面輪廓線所包圍的全部毛體積)的質(zhì)量。

式中:ρb——粗集料毛體積密度，g/cm3；

ms——礦質(zhì)實(shí)體質(zhì)量，g；Vs——礦質(zhì)實(shí)體體積，cm3；

Vn——閉口孔隙體積，cm3；

Vi——開(kāi)口孔隙體積，cm3。粗集料毛體積密度的測(cè)定方法：將已知質(zhì)量的干燥粗集料經(jīng)24h飽水后,用濕毛巾擦干而求得飽和面干質(zhì)量,然后用排水法求得其在水中的體積,即求得粗集料毛體積密度。思考：巖石的表觀密度與毛體積密度跟粗集料的表觀

密度與毛體積密度有什么不同？③堆積密度(ρ)粗集料的堆積密度是在規(guī)定條件下，單位毛體積(包括礦質(zhì)實(shí)體、閉口孔隙和開(kāi)口孔隙及顆粒間空隙體積)的質(zhì)量。

式中:ρ——粗集料堆積密度，g/cm3；

ms——礦質(zhì)實(shí)體質(zhì)量，g；Vs——礦質(zhì)實(shí)體體積，cm3；

Vn——閉口孔隙體積，cm3；

Vi——開(kāi)口孔隙體積，cm3；

Vv——顆粒間空隙體積，cm3。粗集料堆積密度分為：自然堆積狀態(tài)、振實(shí)狀態(tài)和搗實(shí)狀態(tài)下的堆積密度④空隙率(n)空隙率是指粗集料顆粒之間空隙體積占粗集料總體積(含材料的實(shí)體礦物成分、閉口孔隙和開(kāi)口中尚未完全被水填充的孔隙體積)的百分率。

式中:n——粗集料空隙率，%；

ρ——粗集料堆積密度，g/cm3；

ρa(bǔ)——粗集料堆積密度，g/cm3。空隙率反映粗集料顆粒之間相互填充的致密程度。試驗(yàn)結(jié)果證明，松裝和緊裝狀態(tài)下，粗集料的空隙率范圍分別為43%~48%和37%~42%。⑤骨架間隙率(VCADRC)在瀝青混合料中，粗集料骨架間隙率通常指2.36mm(或4.75mm)以上粗集料，在骨架搗實(shí)狀態(tài)下的空隙占裝填體積的百分率。

式中:VCADRC——搗實(shí)狀態(tài)下粗集料骨架間隙率，%；

ρ——粗集料骨架的毛體積密度，g/cm3；

ρb——粗集料骨架的搗實(shí)堆積密度，g/cm3。級(jí)配的幾種情況(2)級(jí)配①

定義：集料中各組成顆粒的分級(jí)和搭配稱為級(jí)配。

②

意義：降低混合料的孔隙率，提高混合料的密實(shí)度與耐久性。

③

試驗(yàn)方法：篩分試驗(yàn)水泥混凝土用集料：干篩法（需要可用水洗法）瀝青混合料及路面基層用集料：水洗（篩）法(3)堅(jiān)固性(也稱安定性)對(duì)已軋制成的碎石或天然卵石亦可采用規(guī)定級(jí)配的各粒級(jí)集料,按《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG3432—2024)選取規(guī)定數(shù)量粒料，分別裝在金屬網(wǎng)籃后浸入飽和硫酸鈉溶液中進(jìn)行粗集料在飽和Na2SO4溶液中進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)。經(jīng)5次循環(huán)后，觀察其表面破壞情況，并用質(zhì)量損失百分率來(lái)計(jì)算。根據(jù)《建設(shè)用卵石、碎石》(GB/T14685—2022)的規(guī)定，碎石、卵石按技術(shù)要求分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三類。根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T3650—2020)當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)物處于不同環(huán)境條件下時(shí),粗集料堅(jiān)固性的試驗(yàn)結(jié)果除應(yīng)符合表1-1的規(guī)定外,還應(yīng)符合表1-2的相關(guān)要求。2、力學(xué)性質(zhì)(1)壓碎值（ACV）①定義：集料在逐漸增加的荷載下抵抗壓碎的能力。②意義：是檢驗(yàn)混合料用粗集料強(qiáng)度的相對(duì)指標(biāo)，主要用于水泥砼粗集料力學(xué)性質(zhì)評(píng)判。③試驗(yàn)方法：粗集料壓碎值試驗(yàn)JTG3432—2024《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG3432T0316-2024粗集壓碎值試驗(yàn)）(2)磨光值（PSV）

表示集料抵抗車輪磨光作用的能力，是保證路面（特別是高速公路、一級(jí)公路）具有足夠抗滑性能的重要力學(xué)性質(zhì)，可采用加速磨光機(jī)和擺式摩擦系數(shù)測(cè)定儀測(cè)定。用高磨光值的巖石來(lái)鋪筑道路路面表層,可以提高路表的抗滑能力，保障車輛的行駛安全。根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG3432—2024)測(cè)出的磨光值以PSV表示，該值越大，表明集料的抗磨光性能越好。磨光值試件磨光機(jī)(3)沖擊值（AIV）

沖擊值是反映集料抵抗多次連續(xù)重復(fù)沖擊荷載作用的性能，可采用沖擊試驗(yàn)儀測(cè)定。根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG3432—2024)測(cè)出的沖擊值以AIV表示,該值越小,表明集料的抗沖擊性能越好。試驗(yàn)后2.36mm篩上的試樣質(zhì)量（g）

試驗(yàn)后2.36mm篩下的試樣質(zhì)量（g）

集料沖擊值（%）

9.5～13.2mm集料，分三次夯實(shí)。

13.75±0.05kg沖擊錘至380±5mm處自由落下，重復(fù)15次，每次間隔時(shí)間不少于1s。將受沖擊后的集料過(guò)篩(2.36mm)，稱重。沖擊儀(4)道瑞磨耗值（AAV）

集料表干密度（g/cm3）

磨耗前試件的質(zhì)量（g）

磨耗后試件的質(zhì)量（g）

磨耗值用于確定巖石抵抗表面磨損的能力,適用于對(duì)路面抗滑表層所用集料抵抗車輪磨耗值的測(cè)量。試驗(yàn)測(cè)出的磨耗值以AAV表示,該值越小,表明集料的抗磨耗能力越好。道瑞Dorry（英國(guó)）磨耗儀二、細(xì)集料的技術(shù)性質(zhì)1、細(xì)集料的表觀密度（1）定義：?jiǎn)挝槐碛^體積（礦質(zhì)實(shí)體體積+閉口孔隙體積）上的質(zhì)量。（2）試驗(yàn)方法：細(xì)集料密度試驗(yàn)（容量瓶法）(二)細(xì)集料物理性質(zhì)2、細(xì)集料堆積及緊裝密度（1）定義：?jiǎn)挝欢逊e體積礦質(zhì)實(shí)體的質(zhì)量（2）狀態(tài)：堆積、緊裝兩種狀態(tài)（3）試驗(yàn)方法：細(xì)集料堆積及緊裝密度試驗(yàn)3、細(xì)集料的級(jí)配（1）定義：各級(jí)砂分級(jí)的搭配情況（2）意義：降低混合料的孔隙率，提高混合料的密實(shí)度與耐久性。（3）確定細(xì)集料的級(jí)配的試驗(yàn)方法：篩分試驗(yàn)（干篩法和水洗法）。（4）計(jì)算級(jí)配三參數(shù)。①干篩分計(jì)篩余百分率ai干篩后各號(hào)篩上的分計(jì)篩余百分率按式計(jì)算，精確至0.1%。②干篩累計(jì)篩余百分率Ai

各號(hào)篩的累計(jì)篩余百分率為該號(hào)篩以上各號(hào)篩的分計(jì)篩余百分率之和，精確至0.1%。③通過(guò)百分率Pi

干篩各號(hào)篩的質(zhì)量通過(guò)百分率各號(hào)篩的質(zhì)量通過(guò)百分率Pi等于100減去該號(hào)篩累計(jì)篩余百分率，精確至0.1%。4、粗度

(1)粗度的定義和計(jì)算：

粗度用于評(píng)價(jià)砂的粗細(xì)程度，通常用細(xì)度模數(shù)(細(xì)度模量)表示。

天然砂細(xì)度模數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：MX——砂的細(xì)度模數(shù)；

A0.15、A0.03、……A4.75——分別為0.15mm、0.3mm、……、4.75