第一章_石料与集料

静水称量法：将石料浸入水中，使之吸水饱和后，用 静水天平法称其在水中的质量mw，取出轻轻擦干表面 （饱和面干状态），称量其质量mf。 m m
a (
s
ms mw
) w
h (
s
m f mw
) w
（2）材料的孔隙
孔隙对材料的影响：a、孔隙的多少（孔隙率）
b、孔隙的特征

孔隙率
自然因素导致石料结构的破坏：首先是温度的升降，
产生的温度应力而引起石料的破坏，其次是石料在潮湿
条件下，受到正、负气温的交替冻融作用，引起石料内 部组织结构的破坏。在大多数地区，后者即抗冻性占主 导地位。
• 抗冻性：材料在含水状态下，能经受多次冻溶循环作用而不破坏， 强度也不显著降低的性质。
机理：当石料的开口孔隙大部分充满水时，在达到0℃以后，由于
结构物部位
镶面的或表面层的石料
50
思考题：
1.孔隙的特征与吸水率的关系。 2.什么条件下要对石料进行抗冻性试验？什么是冻融循环？ 3.如何判定石料抗冻性是否合格？
三、石料的力学性质
１．抗压强度 （１）公路工程
注：作边坡验算要进行 三轴抗压强度试验
一般仅采用单轴抗压强度试验，每组6个试件。
a、建筑地基采用圆柱体试件，直径为50mm〒2mm、高/径 =2。 b、桥梁工程采用立方体试件，边长为70mm〒2mm。 c、路面工程采用圆柱体或立方体试件，其直径或边长和 高均为50mm〒2mm。
相同点：单位体积的质量(ms) 不同点：
V= Vi +Vs+Vn V0= V i+ Vs
※ 计算ρt、ρa、ρh →如何测定体积
测定方法 不含水溶性石粉—排水法 Vs—李氏瓶法 含水溶性石粉—排油法 如煤油 Vs+Vn Vs+Vn+V
i
规则的：用精密量具量取 不规则的：蜡封法，静水称重法
李氏瓶法：将石料磨细至全部过0.25mm的筛孔，然 后将其装入比重瓶中，利用已知比重的液体臵换石 料的体积
第一章 石料与集料
本章主要内容
第一节 石料 岩石的物理、力学性质及技术标准 第二节 集料 集料的物理、力学性质及技术标准 第三节 矿质混合料的组成设计 矿质混合料的级配、配合比设计方法
本章内容要求
• 理解石料与集料主要技术性能及主要评价方法与评价指 标 • 了解集料的级配概念和相关理论 • 掌握矿质混合料的配合比设计方法 • 参考资料：《土木工程材料》陈志源 《道路建筑材料》严家伋 《道路建筑材料》孙凌 《公路工程集料试验规程》
2、岩石的分类（根据生成条件，按地质分类法） (1)岩浆岩（又称火成岩 ） ①深成岩 如：花岗岩、正长岩、辉长岩 ②喷出岩 如：玄武岩、安山岩、辉绿岩 ③火山岩 如：火山灰、火山砂、浮石 (2)沉积岩 ①机械沉积岩 ②化学沉积岩 如：石灰岩、砂岩 ③生物沉积岩 (3)变质岩 如：片麻岩（由花岗岩变质而成）
第一节
• 难 • 要
石料
• 重点内容：石料的基本状态参数、石料的抗压 强度、磨耗率 点：石料的物理常数 求：石料的基本状态参数 石料与水有关的性质 掌握石料的力学性质
一、石料的岩石学特征
1.造岩矿物
矿物具有一定化学成分和结构特征的天然化合物或单质。 主要的造岩矿物： 石 英：结晶的二氧化硅,最坚硬的矿物之一 长 石：结晶的铝硅酸盐，易风化成高岭土 云 母：结晶的、片状的含水铝硅酸盐 角闪石、辉岩、橄榄石：结晶的铁、镁硅酸盐 方解石：结晶的碳酸钙 白云石：结晶的碳酸钙镁复盐 黄铁矿：结晶的二硫化铁
矿质实体
Vs
V
石料结构的质量与体积关系示意图
a. 真实密度ρt
不含孔隙的 矿质实体的 体积 指石料在规定的条件（105℃〒5℃下烘干至
恒重，冷却至20℃）下，单位真实体积的质量。
ρt =ms/Vs
式中：ρt——石料的真实密度（g/cm3 ）；
ms——石料矿质实体的质量（g）；
Vs——石料矿质实体的体积（cm3 ）。
1.物理常数 （1）密度
可以预测岩石的有关物理和 力学性质。 在混合料组成设计计算时， 是重要的原始资料
在规定条件下，烘干石料矿质实体单位体 积的质量。
路桥工程所用的石料通常用真实密度、表观密度和毛 体积密度来表征。
石 材 的 结 构
开口孔隙
开口孔隙
m0
闭口孔隙
Vi V0 Vn
闭口孔隙
M ms
矿质实体
3、矿物的主要化学组成
（1）石料的化学组成通常以氧化物的形式给出。
（氧化硅、氧化钙、氧化铁、氧化铝、氧化铝等）
（2）道路工程中，石料根据SiO2含量分为： 酸性集料 SiO2<52% 中性集料 52%< SiO2 <65% 碱性集料 SiO2 > 65%
二、石料的物理性质
岩石的物理性质：物理常数、吸水性和耐候性。 1．物理常数反映岩石矿物组成结构状态。 2．吸水性反映岩石在规定的条件下吸水的能力。 3．耐候性反映道桥所用的岩石抵抗大气自然因 素作用的能力。
b.狄法尔试验法
将石料破碎后过筛，选出50～75mm的试样 50〒2块，共约5kg，分两份，分别洗净烘干， 装入狄法尔磨耗机的两圆筒中，以30～33r/min 的转速转动10000转，通过2mm筛孔（碎石)或 2.5mm筛孔（砾石），计算质量损失百分率。
两种方法的比较：
狄法尔法采用单一粒径，而洛杉矶法采用
第二节 集
料
• 重点内容：集料的基本状态参数、集料的抗压 强度、磨耗值、冲击值 • 难 • 要 点：集料的物理常数 求：集料的基本状态参数 掌握集料的力学性质
(2) 饱水率： 在常温（20℃〒2℃）真空（残压2.67kPa） 条件下，石料试件吸水饱和时吸收水的质量占干 燥质量的百分率。 在常压时，水分并非充满孔隙。当抽真空后， 内部空气基本被排除，水充满孔隙。 饱水率更能有效地反映岩石微裂纹的发育程 度，可用来判断岩石的抗冻和抗风化等性能。
3.耐候性
2.吸水性
吸水性：石料在水中吸收水分的能力，采用 吸水率和饱水率两项指标来表征。
吸湿性：在空气中吸收水分的能力，用含水 率表示。
(1)吸水率 在常温（20℃〒2℃）常压下，石料试件吸水 饱和时吸收水的质量占干燥质量的百分率。
m2 m1 Wx 100 m1
式中：Wx——石料的吸水率（%）； m1——石料试件烘干至恒重时的质量（g）； m2——石料试件吸水至恒重时的质量（g）。
孔隙中的水结冰而移动困难，同时体积膨胀，从而对孔壁施加张 应力，在多次冻融循环后，石料就会逐渐产生裂缝、掉边、缺角 或表面松散等破坏现象。
常用检测方法：直接冻融法和硫酸钠坚固性 法 采用的试件：直径和高均为50mm的圆柱体或 边长为50mm的立方体试件
• 直接冻融法
将试件放入烘箱（105℃〒5℃）烘至恒重，冷却后称其质量，试 件浸水至吸水饱和，然后取出擦去表面水分，臵于冰箱（－15℃） 冻结４ｈ，然后取出放入20℃〒5℃的水中4ｈ，然后进行下一次冻 融循环，反复至规定次数为止，并检查试件是否有无剥落、裂缝、 分层及掉边等现象，再烘干至恒重，并称其质量。 冻融次数规定：在严寒地区（最冷月的月平均气温低于 15℃）为25次；在寒冷地区（最冷月的月平均气温低于-15～ 为15次。 -5℃）
开口孔隙和 闭口孔隙
定义：指材料内部所有孔隙体积占材料总体积 的百分率。
公式：
V Vi n n 100% (1 V0

h t
) 100%
孔隙的特征 a、孔隙尺寸大小，分为微孔、细孔和大孔 b、孔隙之间是否相互贯通，分为孤立孔、连通孔 c、孔隙与外界之间是否连通，分为开口孔、封闭 孔 孔隙对于材料的性能有何影响
五、道路和桥梁用石料 制品
(一）路面用石料制品 1.高级铺砌用整齐块石 2.路面铺砌用半整齐块石 3.铺砌用不整齐块石 4.锥形块石 （二）桥梁用石料制品 1.片石 2. 块石 3.方块石 4.粗料石 5.细料石 6.镶面石
常用石料制品的特点、规格尺寸和用途
名称 特 点 规 格 尺 寸 用途 砌筑挡土墙、 护坡、边沟和 混凝土基础等。
a.洛杉矶磨耗试验法
采用洛杉矶（或搁板）式磨耗试验机。是将石料试 样洗净烘干，称出标准规定的级配石料，连同钢球一起 放在洛杉矶磨耗机，以30～33ｒ/min的转速转动500转 后。过2mm圆孔筛或1.7mm方孔筛，将筛子上的试样洗净
烘干，称其质量。计算出质量损失百分率。
公式：
Q磨 m1 m2 100% m1
不同的级配，更能反映实际情况，所以一般以
洛杉矶试验法为准。
注：这两种方法与道路实际经受的磨耗还有 很大差别。需用以后将学的道瑞法进一步验证。
四、化学性质
化学性质：石料的矿物组分与周围物质进行化学 反应或在外界物质影响下保持其组成结构稳定的 能力。 <52%： 酸性石料 与沥青粘附性 差 SiO2 52%～65%： 中性石料 >65%： 碱性石料 与沥青粘附性 好 为保证沥青混合料的强度，应优先考虑采用 碱性岩石，当必须采用酸性岩石时，可掺加抗剥 剂以提高沥青与岩石的粘附性。
b、表观密度（视密度）
矿质实体体积+ 闭口孔隙体积
指在规定条件下，烘干石料单位表观体积的质量，
a
m V V
s s
n
或
ms a ( )w ms m1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
式中：ρa——石料的表观密度，ｇ／ｃｍ３； ｍs、Ｖs——意义同前；m1试样在水中的质量 Ｖn——石料闭口孔隙的体积，ｃｍ３。
c.毛体积密度ρh
mS h Vs Vn Vi
表观体积+开口孔隙体积
指石料在规定的条件下，单位毛体积的质量。
式中： ρh ——石料的毛体积密度（g/cm3）； ms——石料矿质实体的质量（g）； Vs——石料矿质实体的体积（cm3）; Vi——石料开口孔隙的体积（cm3）; Vn——石料闭口孔隙的体积（cm3）。
a.质量损失率和抗冻系数
m1 m 2 R2 Q fr 100 K 100 m1 R1 Ｑfr —试件冻融后的质量损失率和耐冻系数，％； ｍ１—试验前烘干试件的质量，ｇ； ｍ２—试验后烘干试件的质量，ｇ。 R2 —经冻融循环后的试件饱水抗压强度，MPa；
R1 —未经冻融试验的试件饱水抗压强度，MPa。
• 公路工程，一般要求石料的耐冻系数大于0.75；
质量损失率不大于５％。同时，试件应无明显缺
损（包括剥落、裂缝和边角损坏等情况）。 • 桥梁工程石料，对一月份平均气温低于-10℃的地
区，要进行抗冻性试验。
２）硫酸钠坚固性法
将试件烘干后臵于饱和硫酸钠溶液中20h后，再放入
105－110℃的烘箱中4h，完成第一个循环，待试样冷却后 再开始第二个循环，浸泡和烘干时间变为4h，完成5次循 环后，看试件是否破坏，将试件洗净烘干至恒重，称其质 量，算出质量损失率。
由爆破或人工开采直 边长ａ≱15cm，Ｖ 片石 接得到的不规则的石 ≰0.01m3，ｍ≱30Kg。 料。
由成层岩石中爆破开 H≮20cm，宽度为1.5Ｈ，桥涵基础。 采。形状大体方正， 长度为1.5－3Ｈ。 块石 有两个较大的平行面， 边角可不加工。 人工或机械开采的较 规则的六面体或其它 料石 形状经过加工琢凿而 成。有三对平行面。 按表面平整度分为粗料 砌筑拱圈、纪 石和细料石。粗料石： 念碑和石柱等。 表面凹凸不大于10mm， 细料凹凸不大于5mm
非标准圆柱体试件，测得 抗压强度值按右式转换
Re 8R 7 2D / H
公式：
f sc
Fmax A
式中： fsc ——石料的抗压强度，MPa；
Fmax——试件极限破坏时的荷载，N；
Ａ——试件的截面积，mm２。
（２）桥梁工程 桥用石料以抗压强度为基准，其他力学指标（如抗拉强度、抗 剪强度、抗弯强度等）一般可采用与抗压强度的大约比值。 抗压强度试验是采用边长为70〒2mm的正方体试件，经吸水饱和 后，进行单轴抗压强度试验。 公式：
吸水率大于5％时， 石料的抗冻性变差。
试验原理： 硫酸钠饱和溶液浸入石料孔隙后，经烘干， 硫酸钠结晶同时体积发生膨胀，产生有如水结冻 相似的作用，使石料孔隙周壁受到张应力，经过
多次循环，引起石料破坏。
无条件做抗冻性 时，可采用此法
表1-1
桥涵用石料抗冻性指标
冻融循环次数 大、中桥 小桥及涵洞 25
f sc q
Fmax Kq A0
• 影响石料抗压强度的主要因素：
• • • •
材料的组成 孔 隙 率 含 水 率 温 度
•
•
试件尺寸 加荷速度
强度
强度
２、磨耗率 石料的磨耗率是指石料抵抗冲击、剪力和 摩擦等联合作用的能力，可采用洛杉矶试验法 或狄法尔试验法测定，以质量损失百分率来评 价。