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第第2章章 砂石材料砂石材料南华大学杨建明教授•砂石材料是由岩石风化或加工而成•重质致密的块体石材常用于砌筑基础、桥涵挡土墙、护坡、沟渠与隧道衬砌•散粒石材（如碎石、砾石、砂等）广泛用作混凝土和沥青混合料的集料、道渣和筑路材料•天然石材具有抗压强度高、耐久性和耐磨性良好，资源分布广，便于就地取材•但岩石性质较脆，抗拉强度较低，表观密度大，硬度高，开采和加工比较困难2024/9/92.1 石料石料•一、工程常用的岩石及其制品•1、工程常用的岩石•（1）花岗岩•主要矿物组成为石英、长石及少量暗色矿物和云母•体积密度大、抗压强度高、吸水率小、耐磨性好、耐久性相当高，且外观稳重大方•适用于基础、柱子、地面，也是高档装修材料2024/9/92.1 石料石料•（2）玄武岩•由斜长石、辉石和橄榄石组成•玄武岩体积密度大、硬度高、脆性大、耐久性好、加工困难，一般用作筑路石材或混凝土集料•（3）石灰岩•主要化学成分CaCO3,主要矿物成分是方解石•石灰岩来源广，硬度低、易劈裂、便于开采，具有一定强度和耐久性2024/9/92.1 石料石料•石灰岩块石可作基础、墙身、阶石和路面，碎石是水泥混凝土和沥青混凝土的集料。

•石灰岩也是生产水泥和石灰的主要原料•（4）大理岩•主要矿物组成为方解石和白云石•大理石锯切、雕刻性能好，磨光后非常美观，可用于高级装饰工程如汉白玉2024/9/92.1 石料石料•（5）砂岩•主要矿物是石英、有时含有少量长石、方解石、白云石及云母•硅质砂岩•钙质砂岩•铁质砂岩•粘土质砂岩2024/9/92.1 石料石料•（6）辉绿岩•高强混凝土的集料、道路路面的抗滑表层•（7）火山灰、浮石•火山灰是颗粒粒径小于5mm的粉状火山岩，有火山灰活性，可作为水泥的混合材及混凝土的掺合料•浮石中粒径大于5mm，并具有多孔构造的火山岩，可作轻质混凝土的集料2024/9/92.1 石料石料•（8）片麻岩•用作碎石、块石及人行道石板2024/9/92.1 石料石料•2、工程上常用的石料制品•（1）片石•（2）块石•（3）方块石•（4）粗料石•表面凹凸相差不大于10mm砌缝宽度小于20mm•（5）细料石•表面凹凸不大于5mm砌缝宽度小于15mm2024/9/92.1 石料石料•（6）镶面石•（7）碎石•（8）石屑•（9）矿粉•（10）砾石•（11）砂•（12）砂砾2024/9/92.1 石料石料•二、石料的技术性质•物理性质、力学性质和化学性质•1、物理性质•（1）物理常数•石料主要由矿物实体和孔隙（包括与外界连通的开口孔隙和不与外界连通的闭口孔隙）所组成。

如图2.12024/9/92.1 石料石料•①真实密度•②表观密度•③孔隙率•（2）吸水性•吸水率•饱水率2024/9/92.1 石料石料•（3）耐候性•①抗冻性•直接冻融法该方法是将石料加工为规则的块状试样，在常温下（20℃±5℃）条件下，采用逐渐浸水的方法，使开口孔隙吸饱水分，然后置于负温（通常采用-15℃）的冰箱中冻结4h，然后在常温条件下融解4h，如此循环，观察其外观破坏情况并加以记录•a.抗冻质量损失率•b.耐冻系数2024/9/92.1 石料石料•②坚固性•采用硫酸钠侵蚀法来测定该法是将烘干并以称量过的试件，浸入饱和的硫酸钠溶液中经20h后，取出置于105℃±5℃的烘箱中烘4h，取出冷却至室温，这样一循环然后再浸入饱和的硫酸钠溶液中4h，取出置于105℃±5℃的烘箱中烘4h，如此循环最后用蒸馏水沸煮洗净，烘干称量，计算其质量损失率2024/9/92.1 石料石料•2、力学性质•（1）单轴抗压强度•50mm×50mm×50mm立方体试件•或直径和高度为50mm的圆柱体吸水饱和48h后的强度•（2）磨耗性•采用洛杉矶磨耗试验•石料磨耗率以通过2.36mm筛孔的质量百分率来表示。

2024/9/92.1 石料石料•3、化学性质•（1）石料的酸碱性•SiO2含量 >65% 酸性石料•SiO2含量 65%~52% 中性石料•SiO2含量 <52% 碱性石料•（2）石料与沥青的粘附性•（3）评价方法2024/9/92.1 石料石料•沥青与粗集料粘附性试验方法有水煮法和水浸法•水煮法：选取粒径为13.2~19mm，形态接近立方体的规则集料5个，经沥青裹覆后，在蒸馏水中沸煮3min，按沥青膜剥落的情况分为五个等级来评价沥青与集料的粘附性•水浸法：选取料径9.5~13.2mm的集料80g，与5.5g的沥青在规定温度条件下拌和成混合料，冷却后浸入80℃的蒸馏水中保持30min，然后评价 2024/9/92.1 石料石料•三、石料的技术标准•按其造岩矿物的成分、含量以及组织结构来确定岩石名称；再按其物理-力学性质（主要为饱水状态的抗 压强度和磨耗率）分为下列4种等级（表2.1）•1级-最坚强的岩石•2级-坚强的岩石•3级-中等强度的岩石•4级-较软的岩石2024/9/92.2 集料集料•集料包括岩石天然风化而成的砾石（卵石）和砂，以及岩石经轧制而成的各种尺寸的碎石和石屑等。

也称骨料•（1）对于水泥混凝土用集料，粒径大于4.75mm者称为粗集料，粒径小于4.75mm者称为细集料•（2）对于沥青混合料用集料，粒径大于2.36mm者称为粗集料，粒径小于2.36mm者称为细集料2024/9/92.2 集料集料•集料的最大粒径分为集料最大粒径和集料公称最大粒径•（1）集料最大粒径指集料100%都要求通过的最小标准筛筛孔尺寸•（2）集料公称最大粒径指集料可能全部通过或允许有少量筛余（筛余量不超过10%）的最小标准筛筛孔尺寸2024/9/92.2 集料集料•一、集料的物理性质•1、物理常数•集料的体积和质量的关系如图2.2•（1）表观密度•（2）堆积密度•（3）空隙率2024/9/92.2 集料集料•（4）粗集料骨架间隙率VCA•粗集料骨架间隙率通常指4.75mm以上粗集料颗粒间的空隙体积的百分含量•粗集料骨架间隙率的大小用于确定沥青混合料中的细集料和沥青结合料的数量，并评价集料的骨架结构•式中：ρf-粗集料的装填密度，在沥青混合料中采用捣实密度，g/cm3；•ρb-粗集料的表观密度或毛体积密度，g/cm32024/9/92.2 集料集料•2、颗粒形状和表面构造•（1）粗集料的颗粒形状•集料的颗粒形状可按表2.2分为四种类型•（2）细集料的棱角性•3、含泥量和泥块含量•（1）含泥量与石粉含量•含泥量是指集料中粒径小于0.075mm的颗粒含量，石粉含量是指人工砂中小于0.075mm的颗粒含量。

•采用砂当量试验或甲基蓝MB值试验2024/9/92.2 集料集料•（2）泥块含量•泥块含量是指粗集料中原尺寸大于4.75mm（细集料中1.18mm），但经水浸洗、手捏后小于2.36mm（细集料中0.6mm）的颗粒含量•4、坚固性•坚固性试验采用硫酸钠侵蚀法•5、级配•集料中各组成颗粒的分级和搭配称为级配2024/9/92.2 集料集料•方孔标准筛孔尺寸•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和0.075mm•（1）分计筛余百分率2024/9/92.2 集料集料•（2）累计筛余百分率•（3）通过百分率•分计筛余、累计筛余和通过率的关系参见表2.32024/9/9•（4）细集料的粗细程度•细集料的粗细程度用细度模数指标来评价•式中：Mx-砂的细度模数；•A0.15、A0.3、…、A4.75-分别为0.15mm、0.3mm、…、4.75mm各号筛的累计筛余百分率，%2.2 集料集料2024/9/92.2 集料集料•Mx=3.7~3.1 粗砂•Mx=3.0~2.3 中砂•Mx=2.2~1.6 细砂•（5）级配曲线•集料级配可以用级配曲线直观地表示出来。

见图2.32024/9/9•二、粗集料的力学性质•1、粗集料的压碎值•粗集料压碎值是粗集料在连续增加的荷 载作用下抵抗压碎的能力•用以评价公路路面和基层用集料的质量•式中：m0-加压试验前的试样质量，g；•m1-加压试验后通过2.36mm筛的试样质量，g2.2 集料集料2024/9/92.2 集料集料•《水泥混凝土路面施工技术规范》（JTG F30-2003）规定的压碎值是以原T0315试验方法为基准的，所以上述方法得到的压碎值换算成原T0315方法得到的压碎值Q原2024/9/92.2 集料集料•2、磨光值•作为路面用的集料，在车辆轮胎作用下，不仅要求具有高的抗磨耗性，而且要求具有主的抗磨光性•采用石料磨光值（PSV）来表示•典型集料磨光值如表2.42024/9/92.2 集料集料•3、集料冲击值•集料抵抗多次连续重复冲击荷载作用的性质，称为抗冲击韧性•采用集料冲击值（AIV）表示•式中：m1-原试样质量，g；•m2-冲击试验后，通过2.36mm筛的石屑质量，g2024/9/92.2 集料集料•4、集料道瑞磨耗值•磨耗值（AAV）用于确定石料抵抗表面磨损的能力，适用于对路面抗滑表层所用集料抵抗车轮磨耗能力的评定。

•式中：m1-磨耗前试样的质量，g；•m2-磨耗后试样的质量，g；•ρs-集料的表干密度，g/cm32024/9/92.2 集料集料•三、岩石集料的技术要求•1、粗集料的技术要求•表2.5•2、细集料的技术要求•表2.62024/9/92.3 矿质混合料的组成设计矿质混合料的组成设计•一、矿质混合料的级配理论•1、级配曲线•各种不同粒径的集料，按照一定比例搭配起来，以达到较高的密实度（和/或较大摩擦力），可以采用下列两种级配组成2024/9/92.3 矿质混合料的组成设计矿质混合料的组成设计•（1）连续级配是某一矿质混合料在标准筛孔配成的套筛中进行筛析时，所得的级配曲线平顺圆滑，具有连续的（不间断的）性质，相邻粒径的粒料之间，有一定的比例关系（按质量计）这种由大到小，逐级粒径均有，并按比例互相搭配组成的矿质混合料，称为连续级配矿质混合料•（2）间断级配是在矿质混合料中剔除其一个（或几个）分级，形成一种不连续的混合料称为间断级配矿质混合料2024/9/92.3 矿质混合料的组成设计矿质混合料的组成设计•2、级配理论•发源于我国的垛积理论•最大密度曲线理论和粒子干涉理论•1）最大密度曲线理论•W.B.富勒（Fuller）和他的同事研究认为：固体颗粒按粒度大小，有规则地组合排列，粗细搭配，可以得到密度最大、空隙最小的混合料。

2024/9/92.3 矿质混合料的组成设计矿质混合料的组成设计•初期研究的理想曲线是：细集料以下的颗粒级配为椭圆形曲线，粗集料为椭圆曲线相切的直线，由这两部分组成的级配曲线，可以达到最大密度•简化的“抛物线最大密度理想曲线”该理论认为：“矿质混合料的颗粒级配曲线愈接近抛物线，则其密度愈大2024/9/92.3 矿质混合料的组成设计矿质混合料的组成设计•（1）最大密度曲线公式•式中：d-矿质混合料各级颗粒粒径（mm）；•p-各级颗粒粒径集料的通过量（%）；•k-常数2024/9/92.3 矿质混合料的组成设计矿质混合料的组成设计•当颗粒粒径d等于最大粒径D时，则通过量p=100%即d=D时，p=100•故：•式中：d-希望计算的某级集料粒径（mm）；•D-矿质混合料的最大粒径（mm）；•p-希望计算的某级集料的通过量（%）2024/9/92.3 矿质混合料的组成设计矿质混合料的组成设计•（2）最大密度曲线n幂公式•研究认为：沥青混合料中应用，当n=0.45量密度最大；水泥混凝土中应用，当n=0.25~0.45时工作性较好2024/9/92.3 矿质混合料的组成设计矿质混合料的组成设计•2）粒子干涉理论•C.A.G.魏矛斯研究认为：为达到最大密度，前一级颗粒之间的空隙，应由次一级颗粒所填充；其所余空隙又由再次小颗粒所填充，但填隙的颗粒粒径不得大于其间隙之距离，否则大小颗粒粒子之间势必发生干涉现象，为避免干涉起见，大小粒子之间应按一定数量分配，并从临界干涉的情况下可导出前一级颗粒间的距离。

2024/9/92.3 矿质混合料的组成设计矿质混合料的组成设计•3、级配曲线范围的绘制•图2.42024/9/92.3 矿质混合料的组成设计矿质混合料的组成设计•二、矿质混合料的组成设计方法•矿质混合料组成设计的目的就是根据级配范围要求，确定各种集料在矿质混合料中的合理比例•数解法和图解法•两类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，确定矿质混合料级配范围2024/9/92.3 矿质混合料的组成设计矿质混合料的组成设计•（一）试算法•1、基本原理•试算法的基本原理是将几种已知级配的集料配制成满足目标级配要求的矿质混合料时，先假定混合料中某种粒径的颗粒是由某一种对该粒径占优势的集料所组成，其他各种集料不含这种粒径如此根据各个主要粒径去试算各种集料在混合料的大致比例如果比例不合适，则稍加调整，这样逐步渐进，最终达到符合混合料级配要求的各集料配合比例2024/9/92.3 矿质混合料的组成设计矿质混合料的组成设计•2、计算步骤•（1）基本计算方程的建立•（2）基本假定•在矿质混合料中，某一粒径的颗粒是由一种集料提供的，在其他集料中不含这一粒径的颗粒。

在具体计算时，所选择的粒径应在该集料中占有较大优势从而求出A、B、C三种集料在矿质混合料中的用量2024/9/92.3 矿质混合料的组成设计矿质混合料的组成设计•（3）计算各集料在矿质混合料中的用量•首先确定在某种集料中占优势含量的某一粒径，忽略其他集料在此粒径的含量•①计算集料A在矿质混合料中的用量时，按A料在优势含量的某一粒径i进行计算，则B料和C料在该粒径的含量aB(i)和aC(i)均等于零，则：•即集料A在矿质混合料中的用量X为：2024/9/92.3 矿质混合料的组成设计矿质混合料的组成设计•②计算集料B在矿质混合料中的用量时，先确定这种集料中占优势的某一粒径，而忽略另两种集料中同一粒径的含量根据上述相同方法，计算集料B的用量•集料B在矿质混合料中的用量Y为：2024/9/92.3 矿质混合料的组成设计矿质混合料的组成设计•③集料C在矿质混合料中用量Z为：•（4）合成级配的计算、校核和调整2024/9/92.3 矿质混合料的组成设计矿质混合料的组成设计•（二）正规方程法•设矿质混合料任何一级筛孔的通过率为p(j)，它是由各种组成集料在该级的通过百分率pi(j)，乘各种集料在混合料中的用量（xi）之和。

即2024/9/92.3 矿质混合料的组成设计矿质混合料的组成设计•（三）图解法•通常采用“修正平衡面积法”确定矿质混合料的合成级配在“修正平衡面积法”中，将设计要求的级配中值曲线绘制成一条直线，纵坐标和横坐标分别代表通过百分率和筛孔尺寸•纵坐标采用算术坐标时，横坐标的位置采用（d/D）n表示2024/9/92.3 矿质混合料的组成设计矿质混合料的组成设计•1、绘制级配曲线坐标图•图2.5•2、确定各种集料用量•图2.6 根据两条级配曲线之间的关系确定各种集料的用量•（1）两相邻级配曲线重叠•（如集料A级配曲线的下部与集料B级配曲线上部搭接时），在两级配曲线之间引一根垂直于横坐标的直线（即a=a´）线AA´与对角线OO´交于点M，通过M作一水平线与纵坐标交于P点OP即为集料的用量2024/9/92.3 矿质混合料的组成设计矿质混合料的组成设计•（2）两相邻级配曲线相接•（如集料B的级配曲线末端于集料C的级配曲线首端，正好在一垂直线上时），将前一集料曲线末端与后一集料曲线首端作垂线相联，垂线BB´与对角线OO´相交于点N，通过N作一水平线与纵坐标交于Q点PQ即为集料B的用量•（3）两相邻级配曲线相离•（如集料C的级配曲线末端与集料D的级配曲线首端，在水平方向彼此离开一段距离时），作一垂无战五兵闲分相离开的距离（即b=b´），垂线CC´与对角线OO´交于点R，通过R作一水平线与纵坐标交于S点，QS即为C集料的用量。

剩余ST即为集料D用量2024/9/92.3 矿质混合料的组成设计矿质混合料的组成设计•3、合成级配的计算与校核2024/9/92.3 矿质混合料的组成设计矿质混合料的组成设计•【例题】采用图解法确定矿质混合料配合比•【原始资料】有碎石、石屑、砂和矿粉四种材料，筛分试验结果见表2.5•【设计要求】按照表2.6的级配范围进行矿料组成设计•【解题步骤】•①绘制级配曲线图，图2.7在纵坐标上按算术坐标绘出通过百分率2024/9/92.3 矿质混合料的组成设计矿质混合料的组成设计•②连对角线OO´，表示要求的级配范围中值在纵坐标上找到各筛孔的中值，作水平线与对角线OO´相交，再从各交点作垂线交于横坐标上，确定各筛孔在横坐标上的位置•③将原材料的筛分曲线绘于图2.7上•④在碎石和石屑筛分曲线相重叠部分作一垂线AA´，使垂线截取两曲线的截距相等（即a=a´）自垂线AA´与对角线交点M引一水平线，与纵坐标交于P点，OP的长度X=36%，即为碎石的用量•同理，求出石屑的用量Y=31%，砂的用量Z=25%，矿粉的用量W=8%•⑤检验，计算结果列表2.72024/9/92.3 矿质混合料的组成设计矿质混合料的组成设计•⑥调整配合比•⑦绘制设计的合成级配曲线，如图2.8。

2024/9/92.3 矿质混合料的组成设计矿质混合料的组成设计•作业题•P35•1-9•1-122024/9/9。