第一章--石料与集料

第一章石料与集料本章主要内容与目的阐述石料与集料的岩石学特性、物理力学性能、耐久性的评价方法和评价指标；介绍集料的级配理论、矿质混合料配合比设计方法和集料的工程应用。通过学习，要求学生掌握石料和集料的技术性质和技术标准，了解级配理论和矿质混合料组成设计方法。石料定义：指由天然岩石经机械加工制成的，或者由直接开采得到的具有一定形状和尺寸的石料制品。一、石料的岩石学特性岩石是指由各种不同的地质作用所形成的天然矿物的集合体。造岩矿物-组成岩石的矿物。1.1石料1、造岩矿物（矿物）所谓的造岩矿物是具有一定化学成分和结构特性的天然化合物或单质，简称矿物，由一种或两种以上的矿物组成不同的岩石。由于各种矿物具有确定的化学组成与特有的结构构造，对石料的物理力学特性有着不同的影响。几种代表性造岩矿物矿物名称化学组成外观特征特性常见岩石代表石英结晶二氧化硅白色、乳白色或灰色质地非常坚硬花岗岩、砂岩长石KAlSi3O8、NaAlSi3O8和CaAl2Si2O8结晶铝硅酸盐白、浅灰、红色、青、暗灰质地较石英偏低，易风化成高龄土花岗岩云母结晶片状含水铝硅酸盐无色透明、黑色易解离成片状，降低岩石的耐久性、强度花岗岩方解石结晶碳酸钙白色易溶于含二氧化碳的水中，被酸分解石灰岩2、岩石的分类岩石的性质除了与构成岩石的矿物有关之外，还取决于不同的成岩条件。根据成岩条件将岩石分成三类：火成岩（岩浆岩）（95%）、沉积岩（～5%）、变质岩（1%）。火成岩（岩浆岩）据冷却条件不同分：深成岩、喷出岩、火山岩岩浆岩大理岩3、常见岩石类型常见岩石类型类型矿物组成外观色泽性能用途花岗岩石英、长石、云母多种色泽，如深青、浅灰、黄、红等结构密实、密度大、抗压强高、耐久性好优质石料，广泛用于砌筑、装饰工程和集料石灰岩方解石，少量白云石、粘土大多呈浅灰色质地细密、坚硬、抗风化砌筑工程、轧制成集料、烧制石灰砂岩石英，少量长石、方解石、云母等灰色、白色或红色硅质砂岩密实、坚硬耐久性好；其它砂岩性能较差质地坚硬的砂岩用做建筑材料玄武岩暗色矿物硬度高、脆性大、耐久性好作为承重和饰面材料石英岩结晶氧化硅色泽较浅质地坚硬、强度高砌筑工程根据石料组成中二氧化硅成分含量的多少，将石料分成不同酸碱性集料。岩石的酸碱性4、矿物的主要化学组成类型氧化硅含量（%）代表岩石亲水系数酸性集料＞65石英岩1.06中性集料52~65闪长岩—碱性集料＜52石灰岩0.79二、石料的物理性能石料的物理性能是石料矿物组成、结构状态和特征的反映，它与石料的技术性质有密切的联系。1、物理常数物理常数主要指石料的密度和孔隙率，此类常数能够直接影响到石料的力学性质，也是将石料用于混合料配合比设计的参数之一。（1）密度定义：在规定条件下（大多指规定的温度），石料矿质实体单位体积的质量。由于石料在组成结构上或多或少存在着孔隙，而孔隙又分为与外界连通的开口孔隙和与外界不连通的闭口孔隙，所以石料（包括集料）的密度就有数种不同形式。tsstVm1）真实密度真实密度是指在规定条件下，烘干石料矿质实体单位真实体积（不包括孔隙体积）的质量。（1.1）——石料的真实密度，g/cm3；——石料矿质实体的质量，g；——石料矿质实体的体积，cm3。smsv测试方法：密度瓶法或李氏密度瓶法磨细——过筛——烘干——冷却密度瓶法李氏密度瓶法1221tmmVV2）表观密度表观密度是指在规定条件下，烘干石料矿质实体包括闭口孔隙在内的单位表观体积的质量。nvnssaVVmsv（1.2）——石料矿质实体中闭口孔隙的体积，cm3。——石料的表观密度，g/cm3；——石料矿质实体的质量，g；——石料矿质实体的体积，cm3。sma测试方法：水中称量法浸水饱水——水中称量1awmmmm——烘干石料在空气中的质量1m——饱水后石料在水中的质量3）毛体积密度毛体积密度是指在规定条件下，烘干石料矿质实体包括孔隙（闭口、开口孔隙）体积在内的单位毛体积的质量。insshVVVmsm——石料矿质实体的质量，gsVnV——石料矿质实体中闭口孔隙的体积，cm3iV——石料矿质实体中开口孔隙的体积，cm3（1.3）——石料矿质实体的体积，cm3——石料的毛体积密度，g/cm3；h测试方法：量体法、水中称量法、蜡封法12hwmmmm——烘干石料在空气中的质量1m——饱水后石料的质量水中称量法——饱水后石料在水中的质量2m——烘干石料在空气中的质量1m——蜡封石料的质量蜡封法2m——蜡封石料在水中的质量m121hwpmmmmm（2）孔隙率孔隙率是指石料孔隙体积占石料总体积（包括开口孔隙和闭口孔隙体积）的百分率。%100hinVVVnnnVhV——石料的孔隙率，%；——石料矿质实体中闭口孔隙的体积，cm3——石料矿质实体中开口孔隙的体积，cm3；——石料的毛体积（含矿质实体、开口孔隙和闭口孔隙体积）,cm3。iV（1.4）将式（1.1）和式（1.3）代入式（1.4）可得式（1.4'），即采用石料的真实密度和毛体积密度计算其孔隙率。%100)1(thnthn——石料的孔隙率，%；——石料的真实密度，g/cm3；——石料的毛体积密度，g/cm3。（1.4'）开口孔隙率：(1)100%hianah——石料的开口孔隙率，%；——石料的表现密度，g/cm3；——石料的毛体积密度，g/cm3。（1.5）in2、吸水性吸水性是指石料吸水能力的大小。这一性质用吸水率和饱水率两种形式表示。分别指常温、常压（减压）条件下石料最大吸水质量是干燥试样质量的百分率；两者可采用下试计算：%100112mmmwxxw——石料试样的吸水率或饱水率，%；m1——烘至恒重时的试样质量，g；m2——吸水（或饱水）至恒重时试样质量，g。（1.6）三、石料的力学性质在结构工程中，石料应具备一定的抗压、抗剪、抗弯、抗磨耗、抗冲击、压碎性等。1、石料的抗压强度（1）测试方法单轴加荷的方法对规则形状的石料试样（饱水处理）进行抗压强度试验。PRA（1.7）（2）影响因素材料矿物的组成、结构与其孔隙构造试件的大小（尺寸）尺寸偏大，R偏低；尺寸偏小，R偏大。试验状态干燥状态，强度最高；冻融循环后强度最低。加荷速度加荷速度快，R偏高；加荷速度慢，R偏低。温度温度升高，R降低。2、磨耗性指石料抵抗冲击、边缘剪切和摩擦的联合作用的能力。洛杉矶磨耗试验一定质量一定级配的石料试样和钢球置于搁板式试验机中，以30～33r/min的转速转动要求次数（500次）后停止，取出过1.7mm筛称重。121100%mmQm磨磨耗率越高，表示其耐磨性愈差。（1.8）四、石料的耐久性抗冻性是指石料在饱水状态下，能够经受反复冻结和融化而不破坏，并不严重降低强度的能力。（1）直接冻融法试验方法：标准试样烘干称重后，吸水饱和——－15℃冻结4h——20±5℃融解4h（一个冻融循环）——－15℃冻结4h——20±5℃融解4h…抗冻性通常用石料在饱水状态下能经受冻融循环的次数来表示（质量损失不超过5％，抗压强度降低不超过25％）。%100121mmmQ冻%10012RRK（1.9）（1.10）K1m2m1R2R——经历冻融循环作用后，石料的质量损失率和耐冻系数，%；——试验前烘干石料试件的质量，g；——经历若干次冻融循环作用后，烘干石料试件的质量，g；——试验前石料试件的饱水抗压强度，MPa；——经历若干次冻融循环作用后，石料试件的饱水抗压强度，MPa。Q（2）坚固试验法又称快速冻融法，是评定石料试样经饱和硫酸钠溶液多次浸泡与烘干循环后，不发生显著破坏或强度降低的性能。试验方法：烘干石料试件——饱和硫酸钠溶液中浸泡20h——105±5℃烘箱中烘烤4h（第一个循环）——试样冷却至室温后即开始第2个循环，以后浸泡和烘烤时间均为4h。完成5次循环后，有无破坏现象，将试件洗净烘至恒重，称其质量，用1.9式计算Q值。上述物理性质具体表现，在一定程度上都与石料的孔隙率有相应的关系。当孔隙率高，特别是与外界相通且较粗大的开口孔隙发达时，使石料的表观密度和毛体积密度减小，相应的吸水性加大，抗冻性能变差。因此通过石料物理指标的了解，可以在一定程度上预测石料一些工程性质的好坏，认知石料力学性质的表现。五、石料的工程应用1.桥涵用块状石料料石毛石2.公路路面铺砌用块状石料方块石条石拳石（弹石）锥形块石第一章石料与集料1.2集料集料定义：是由不同粒径矿质颗粒组成的混合料。包括天然砂、人工砂、卵石、碎石、工业冶金矿渣。集料形成过程分为卵石（又称砾石）和碎石；根据粒径大小的不同，分为粗集料和细集料。1.2集料粗细集料粒径的界限水泥混凝土用集料的粗细界限尺寸为4.75mm，沥青混合料用集料粗细界限尺寸为2.36mm。大于或等于该尺寸的颗粒为粗集料，余为细集料。1.2.1集料的物理性质1．密度1）表观密度、毛体积密度、表干密度表观密度，毛体积密度与石料相应密度在概念上相同，仅在实际的密度测定方法上有所区别。insasVVVmsamsV——集料的表干密度,g/cm3；——集料颗粒的表干质量（矿质实体质量与吸入开口孔隙水的质量之和），g；——集料颗粒矿质实体的体积，cm3；集料的表干密度又称作饱和面干毛体积密度，它的计算体积与毛体积密度相同，但计算质量为集料颗粒的表干质量（饱和面干状态，包括了吸入开口孔隙中的水）。nViV——分别为集料颗粒矿质实体中闭口孔隙和开口孔隙的体积，cm3。2）堆积密度该密度是指烘干集料颗粒矿质实体的单位装填体积（包括集料颗粒间空隙体积、集料矿质实体及其闭口、开口孔隙体积）的质量。vinssVVVVm——矿质集料的装填密度,g/cm3；sm——集料颗粒矿质实体的质量，g；sV——集料颗粒矿质实体的体积，cm3；nViV、——分别为集料颗粒矿质实体中闭口孔隙和开口孔隙的体积，cm3；vV——集料颗粒间的空隙体积，cm3；堆积密度的大小取决于颗粒排列的松紧程度，即取决于装样方式。根据装样方法的不同可为：自然堆积密度振实密度捣实密度密度类型真密度表观密度毛体积密度表干密度装填密度定义石料矿质实体单位真实体积的质量石料矿质实体包括闭口孔隙在内的单位表观体积的质量石料矿质实体包括孔隙（闭口、开口孔隙）体积在内的单位毛体积的质量单位毛体积（包括集料矿质实体体积及全部孔隙体积）的饱和面干质量集料颗粒矿质实体的单位装填体积（包括集料颗粒间空隙体积、集料矿质实体及全部孔隙体积）的质量计算公式主要用途确定石料、水泥及矿粉的密度，计算石料的孔隙率和混合料的配合比确定粗细集料的密度，用于混合料的配合比和空隙率的计算计算石料的孔隙率和集料的骨架间隙率可用于集料磨耗值计算计算集料的空隙率sstVmnssaVVminsshVVVminsasVVVmvinssVVVVm砂石材料密度概念小结2.空隙率空隙率是指集料在某种装填状态下的空隙体积（含开口孔隙）占堆积体积的百分率。%100fivVVVnn——集料的空隙率，%；fV——集料颗粒的装填体积vinsfVVVVV，cm3；nViV——分别为集料颗粒间空隙与矿质实体中开口孔隙的体积，cm3。将式（1.2）和式（1.12）代入式（1.13），则空隙率可用式（1.13'）计算：%100)1(an——集料的装填密度，g/cm3；a——集料的表观密度，g/cm3。nssaVVmvinssVVVVm%100fivVVVn空隙率反映了集料的颗粒间相互填充的致密程度。3.粗集料骨架间隙率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。%100)1(bcVCAVCA——粗集料骨架间隙率，%c——粗集料的装填密度，在水泥混凝土中用粗集料的振实密度；在沥青混合料中用粗集料的捣实密度，g/cm3；b——粗集料的表观密度或毛体积密度，g/cm3。粗集料骨架间隙率的大小用于确定混合料中细集料和结合料的数量，并评价集料的骨架结构。