第十七章天然建筑材料工程勘察

第十七章天然建筑材料工程勘察作者:工程地质学教研组点击:610发表时间:2005-9-2014:29:50编辑:本站编辑第一节概述修建各种类型的工程建筑物都需要一定数量和质量的天然建筑材料,如各种石料、砂砾石料和土料等.这些建筑材料都是地质历史的产物,一般不需加工,主要劳动力是花在开采和运输方面.建筑物规模愈大所需的天然建筑材料愈多,特别是大型水工建筑物,常需要数以百万m3计的天然建筑材料.在建筑声地附近是否有数量足够的、质量符合要求的天然建筑材料,不公影响着建筑物的造价,有时还会影响建筑物类型和结构选择.因此,在为这类建筑物进行工程地质勘察时,就更有必要进行天然建筑材料的普查与勘探.天然建筑材料的用途很广,概括起来主要有以下几方面:1、条石:是从采石声人工开凿出来的形状比较规则的条形石块.广泛用于条石策略坝和条石拱坝、地下建筑物衬砌等方面.2、块石:亦称为片石,是用作堆石坝和堆石围堰的主要材料,也用于砌筑圬工基础和桥梁墩台、挡土墙以及铺砌排水建筑物等;当卵砾石料缺乏时,也用块石作用为制造碎石的原料;某些具有特殊成分的块石如石灰岩、白云岩、泥灰岩和泥岩等又是制造水泥的原料.3、砾石和卵石:主要用作混凝土骨料和道渣,也用作排水设施(反滤层)的填料.4、砂料:用于填筑土坝及土堤、的主要材料,也是烧制砖瓦等人工建筑材料的原料.5、土料:是修筑土坝、土堤的主要材料,也是烧制砖瓦等人工建筑材料的原料.除上述五种以外还有一些装饰材料.在工程地质勘察过程中,勘察天然建筑材料的主要任务是在建筑声地附近找到数量充足、质量优良、开采加工各运输条件优越的天然建筑材料产地.勘察工作的程序与建筑物规划设计阶段相适应地分为普查、初查、详查、复查四个阶段,其中最主要的是普查和详查两个阶段.天然建筑材料的普查工作,是在拟定的建筑场地附近(水工建筑以建筑场地为中心的3km为半径的范围内)调查各种天然建筑材料的产地位置、大致的质量和数量、开采运输条件等,为选定建筑物的位置和类型提供资料.本阶段除要进行测绘工作外,还要配合以适当的勘探工作,一般可采用坑、槽探,水下部分可采用钻探,并用刻槽法或分段采取岩心法了样进行室内试验,以初步取得其质量指针;天然建筑材料的调查工作,是在通过初查所选定的产地上进行,其目的是进一步查明各产地的地质结构,上覆“剥离层”的厚度及”可采层”的储量、质量,夹层的性质及空间分布,地下水位及开采条件等.本阶段的主要工作方法是勘探和取样进行实验室研究.为了降低工程造价,水工建筑天然建筑材料产地的选择必须在保证质量和数量要求的前提下,从以下原则加以考虑:由近而远;先上游后下游;先正常高水位以下后正常高水位以上;先地下水位以上后地下水位以下;先开采运输条件好的后开采运输条件差的;先集中放地后分散产地.对于线状建筑物则应沿线选择建材产地.第二节天然建筑材料的质量要求不同工程建筑对所采用的天然建筑材料有不同的质量要求.下面扼要地叙述一下几种需要天然建筑材料最多的工程对其所采用的天然建筑材料质量的要求.一、堆石坝和砌石坝所用的块石和条石堆石坝、砌石坝所需用的块石、条石应是坚硬的岩石,其抗风化(在北方还包括抗冻)性强,在水的作用下不致软化或膨胀。经过专门式样后,再结合坝型和坝高的要求来确定其是否适用.一般情况下所要求的主要技术指针如图6—1所示。表6—1堆石坝和砌石坝所用的技术指针项目名称技术指标冻融25此后抗压强度R(MN/m2)50软化系数0.85饱和系数0.8%硫酸盐或硫化物含量换算成SO3(%)1.0%此外,块石的密度应大于2.4×103kg/m3，用于高流水部位护坡的石其硬度不应小于5。二、用作混凝土骨料的卵砾石和砂混凝土是以水泥、砂、砾石(或碎石)加水搅拌后凝固而成的人造石,其中砂、砾石是骨架,而水泥则为胶结材料,为了保证胶结牢固而又不浪费水泥、凝固后的混凝土有较高的强度,用作骨料的卵砾石和砂，再成分和性质方面应分别符合下述要求。（1）卵砾石或碎石卵砾石或碎石是混凝土的粗骨料,其质量如何堆混凝土强度影响很大。组成卵砾石或碎石的岩石应坚硬,软弱岩石的碎块含量应小于5%,不得含有粘土团块,砾石表面不得附有粘土膜,蛋白石与胶体状硅化物得含量不得超过8%,硫酸盐及硫化物含量(换算成SO3)应小于1%,应尽可能不含有机质成分。松散密度应大于1.6×103kg/m3。浑圆得、扁平得或狭长的砾石都会降低混凝土的强度,针片状的含量不应超过15%。尖角状且表面粗糙的砾石则可提高混凝土的强度,所以碎石混凝土的强度一般要比砾石混凝土的强度高10—15%,故高强度的混凝土最好采用碎石作粗骨料。但碎石的孔隙度和总表面积大于砾石,应此消耗水泥相对较多。为了接生水泥用量,要求砾石间的孔隙体积很消,因此砾石应是混粒的,通常用一套标准筛来测定砾石的颗粒级配。标准筛有孔径为80、40、20、10、5mm的筛组成。图6—1中的斜线部分为符合要求的级配。粗骨料的质量技术指针归纳于表6—2中。表6—2粗骨料的质量技术指针项目名称技术指针密度1.6—1.9×103kg/m孔隙度45%软弱颗粒含量5%针片状颗粒含量15%含泥量1—2%蛋白石及其它无定形硅质岩等有害矿物含量8%有机质含量浅于标准色(浅黄色)冻融损失10%粒度模数6.5—9.5砂砾混合密度6.5—2.1×103kg/m硫酸盐及硫化物含量1%吸水率1.5—2.5%砾石的粒度模数可按下式计算:Mr=(A80+A40+A20+A5+5×100)/100(6—1)式中，孔径为砾石的粒度模数;A80、A40、A20、A5分别为孔径80、40、20、10、5mm筛上各累积筛余百分数;5为孔径小于5mm的各筛上累积筛余百分数的总和。(二)砂砂是混凝土的细骨料,其颗粒形状堆混凝土的强度影响液很大,有棱角的山砂与水泥的结合力较浑圆的河砂为高。但山砂中混的杂质较多,由于淘洗相当困难,故采用较纯净的河砂反而更有利些。砂有粗、中、细之分。细砂总表面积较大,包围这种砂粒所需的水泥浆较多。粗砂总表面积较细砂消,但若砂子过粗又会使混凝土拌和无析出过多水分(工程上称为泌水现象)影响混凝土的易性。故拌混凝土的砂不能过也不能过粗,而宜用混合砂。通常是采用一套专门筛进行筛分来评价混合砂的级配是否适宜。这套专门筛是由孔径为5.0、2.5、1.2、0.6、0.3、和0.15mm的筛组成。通过某一筛和不能通过某一筛的颗粒含量应符合图6—2的要求,图中有斜线的部分即为符合要求的级配。砂料是否符合要求,还可用粒模数和平均粒径来表示。符合要求的砂粒起粒度模数为2.5—3.5，若小于2则不宜采用,平均粒径则以0.35—0.45mm为宜。砂料的模度数可按下式计算:Mn=(A2.5+A1.2+A0.6+A0.3+A0.15)/100(6—2)式中,Mn表示砂粒的粒模数;A2.5、A1.2、A0.6、A0.3和A0.15分别系孔径为2.5、1.2、0.6、0.3和0.15mm各筛上的累积筛余百分数。砂粒的平均粒径可按下式计算:Dcp=3√(式中,Dcp为砂料的平均粒径,但这种砂料在自然界式少见的。含有一定数量长石的砂料还是可以应用的,长石含量高达30%～40%的花岗岩分化砂亦可作为混凝土骨料。砂中常见的有害成分有云母、粘土、硫酸盐和硫化物、有机质和碱活化反应物质(表6—3)。表6—3容易产生碱活化反应的岩石岩石名称产生碱活化反应的成分硅质岩:蛋白石燧石玉髓质燧石硅质石灰石蛋白石玉髓玉髓及蛋白石火山岩:流纹岩及流纹岩质凝灰石英安岩及英安岩质凝灰石安山岩及安山岩质凝灰石玻璃质、结晶玻璃质以及磷灰石变质岩:千枚岩水云母其它岩石:含有细脉状、斑状的蛋白石、玉髓及磷灰石的岩石云母使水泥胶结不牢;粘土多吸附于砂粒表面,阻碍水泥与砂粒胶结;硫酸盐和硫化物易使水泥受侵蚀;有机质则灰降低混凝土的强度。所谓碱活化反应物质,是指与碱(Na2O+K2O)含量超过0.6%的水泥发生反应并产生体积膨胀从而形成的二氧化硅,水韵母也灰产生这种反应。用作骨料的沙土中,各种有害物质的允许含量见表6—4。表6—4砂料中有害杂质的允许含量杂质名称位于水位变化带的混凝土位于水下的混凝土普通混凝土粘土：淤泥及细碎屑总含量(%)355粘土含量(%)132硫酸盐及硫化物含量(以SO3重量计)(%)111云母含量(%)111有机质含量(%)用比色法检查,砂料上方溶液的着色不得深于标准色,,如深于标准色则需用砂料拌制砂浆进行强度试验,其强度不得低于先用石灰水后用清水冲洗的同种砂所制砂浆的强度.碱活性物质含量(%)水泥含碱量超过0.6%时应进行专门研究三、用于反滤层的砂和砾石反滤层的作用是预防潜蚀,它必需顺利地派水以降低孔隙水压,有必需能阻碍细颗粒通过反滤层地孔隙随水流走。所以它必需具有较强地渗透性而又不被溶解和自行淤塞。起具体要求是:卵砾石应未经风化且耐风化、坚硬、不易为水所软化和溶解;渗透性大,起渗透系数至少应为被保护土渗透系数地50—100倍；有机质含量和可融性盐的含量与坝体土料的要求相同；砾石、卵石应有较高的抗冻性，卵砾石本身的孔隙率最好不要超过4%；砂和粒石中粒径小于0.1mm的颗粒(即含泥量)不应对于5%，且不应含有大量粒径小于0.05mm的粉土和粘土颗粒，如含量超过上述要求，应进行淘洗和过筛分选。对于土坝心墙两侧的过滤层，经过充分论证后，其含泥两标准可以适当放宽，有的可达5—12%。反率层用砂砾料的质量技术指针见表6—5表6—5反滤层用砂砾料的质量技术指针四、用于道渣材料的砾石及砂最好的道渣材料是碎石.天然产出的卵砾石经过筛选并掺入适量碎石也可作为较好的道渣材料,要求的技术指针如表6—6和表6—7所示.表6—6筛选并砾石道渣技术指针颗粒大小(㎜)40㎜5㎜颗粒的含量45㎜卵石和70㎜碎石的含量0.1㎜的尘末的含量软弱颗的含量韧度磨耗率抗冻性气候条件一般抗冻试验次数用硫酸钠溶液浸润法的试验次数5--40不超过应清除不超过不超过=50不超过严寒地区255项目名称技术指针级配要求昼均匀.为避免堵塞,小于0.1㎜的颗粒不得超过5%不均匀系数η(D60/D10)=8颗粒形状无片状和针状颗粒含泥量(粘粉)3%渗透系数5m/d对塑性指数大于20的粘土地基第一层粒度的D50当η2时,D50=50㎜当2η=5进,D50=5--8㎜总重量的5%总重量的1%混合物总量的10%总重的30%寒冷地区204温暖地区153表6—7根据卵石中20--40㎜颗粒数量掺入5—40粒径碎石的数量20--40㎜颗粒占砾石的总重量（%）2030405060708090掺入碎石最少为砾石的%20253040557085100如果缺乏砾石，也呆以用砂作道渣材料。以粒径大于1㎜的较纯石英砂为最好，如果细粒含量过高，则透水性不良，需经淘洗后才能用。其技术指针如表6—8所示表6—8用作道渣砂子的技术要求砂子的成分﹥0。5㎜的颗粒﹤0。1㎜的尘末用膨胀法测定的粘土含量基本上为石英砂，或石英砂最少占50%应超过总重的50%不能超过总重的10%不能超进总重的2%五、用于土坝的土料（一）均质土坝筑坝土料必须透水性低，易于压密，压缩性低，抗剪强度高，在水的浸泡下不易溶解、软化或产生体积膨胀。这样才能保证筑成的大坝密实、不透水和稳定。为了保证不透水，就必须有足够的细颗粒，一般规定〈0。074㎜（通过200号筛O的细颗粒京戏约为10—20%。易于压密，就要求土的各种颗粒混合适当，土内孔隙最水，经压密后土粒相互嵌合使土密实、不透水和具有较高的抗剪强度。因此，其不均匀系数η（或（Kn）以等于100—300为最好。为了保证抗剪强度高，还要求土中具有一定数量的砂砾粒组。为了保证在水的浸泡下产生大的变化，要求土的可溶盐会计师很少，易于产生化学变化的有机质含量应小于5%，容易吸水膨胀、失水收缩的粘粒含量以10—30%为宜为了保证施工时易于压密，要求土料的天然含水率接近其最优含水率，即压密后能达到最大于容重的含水率，一般此含水率接近于土的塑限含水率。（二）非均质土坝当筑均质土坝同时保证抗剪强度高和透水性低有困难时,可采用有不透水的防渗