长沙理工大学 土木工程材料第三章

第3章石料与集料

在土木工程中，砂石材料是用量最大的材料。

1.定义：砂石材料是指用于水泥混凝土、沥青混合料中的集料和用于砌筑各种工程结构的石料的总称。

2.作为集料用的砂石材料来源：a.岩石经自然风化而成的砾石（卵石）和砂；b.天然岩石经人工或机械轧制成的碎石、人工砂等。在水泥混凝土中，集料的体积占65%-85%；在沥青混合料中，集料的体积占92%-96%。因此，集料的性质对水泥混凝土和沥青混合料的性能有较大影响。§3.1石料§3.2集料§3.1.2主要技术性质与要求§3.1.1分类和特性§3.2.1集料的物理力学性质§3.2.2集料的化学性质§3.2.3集料的级配和矿料组成设计§3.1石料天然石料：是指从天然岩石开采的，经加工或未加工的石料制品。优点：强度高、莫氏硬度大、耐磨性好、美丽花纹、经久耐用岩石:是矿物的集合体，组成岩石的矿物称为造岩矿物。造岩矿物:是具有一定化学成分和一定结构特征的天然化合物和单质的总称。由单矿物组成的岩石叫单矿岩，如白色大理石，它是由方解石或白云石组成。由两种或两种以上的矿物组成的岩石叫多矿岩（又称复矿岩），如花岗岩，它是由长石、石英、云母及某些暗色矿物组成。自然界中的岩石大多以多矿岩形式存在。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3.1.1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(2)沉积岩①碎屑岩②粘土岩③化学沉积岩④生物沉积岩(3)变质岩如：片麻岩（由花岗岩变质而成）岩石种类常用岩石特点用途岩浆岩花岗岩

表观密度2500-2800Kg/m^3、抗压强度120-250MPa、孔隙率小、吸水率低、耐磨性好、耐久性高、呈灰白色

建筑物基础、闸坝、台阶、勒脚、路面、混凝土骨料、设备衬里辉绿岩

表观密度2900-3300Kg/m^3、抗压强度200-350MPa、有较高的耐酸性、韧性、抗风化性好、呈绿色

饰面材料、混凝土骨料、化工设备衬里玄武岩

表观密度2900-3300Kg/m^3、抗压强度250-500MPa、结构细密、强度高、硬度大、颜色较深

高强混凝土骨料、道路路面沉积岩石灰岩

表观密度2600-2800Kg/m^3、抗压强度80-160MPa、孔隙率和吸水率大，耐久性差、呈灰白色

砌筑基础、桥墩、墙身、阶石及路面、混凝土骨料、生产石灰和水泥原料砂岩

由直径0.1-0.2mm砂粒经天然胶结而成，性能波动大、抗压强度5-200MPa，有灰黄褐色、白色

建筑物基础、勒脚、墙身、衬面、踏步变质岩大理岩

表观密度2600-2700Kg/m^3，抗压强度100-310MPa，质地致密而硬度大，容易加工，有雪白、灰、绿、黑、玫瑰、粉红、黄、红色

地面、墙面、柱面、柜台、栏杆、踏步石英岩

由硅质砂岩变质而成，结构均匀致密，抗压强度250-400MPa,耐久性能好，硬度高、加工困难

建筑物基础、勒脚、栏杆、踏步，可作耐酸材料、耐火材料和玻璃的原料片麻岩

由花岗岩变质而成，垂直于片理的抗压强度为120-250MPa，沿片理易于开采和加工，易风化

碎石、块石、人行道石板常见岩石种类

3.1.2石料的主要化学组成（1）岩石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、氧化镁等）

（2）石料的酸碱性（根据石料组成中二氧化硅成分含量的多少，将岩石分成不同酸碱性石料。）根据SiO2含量分为：酸性石料SiO2>65%

中性石料52%<SiO2<65%

碱性石料SiO2<52%亲水系数表明石料对水亲和力的大小。亲水系数越大，说明石料与水的结合程度越高，相对应与沥青的结合力就越弱，所以石料的酸碱性直接影响到石料和沥青构成的混合料的性质。3.1.3主要技术性质与要求物理性质与要求物理常数：密度：在规定条件下，烘干石料矿质实体单位体积的质量。a.

真实密度ρt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。（真实体积：不含孔隙的矿质实体的体积）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）。表观密度指在规定条件下，烘干石料单位表观体积的质量，

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。或材料的孔隙率孔隙率定义：指材料内部所有孔隙（开口孔隙和闭口孔隙）体积占材料总体积的百分率。公式：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。

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）。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。力学性质与要求抗压强度：单位面积上所能承受的最大荷载

公路工程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。公式：

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。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磨耗率：石料抵抗撞击、剪切和摩擦综合作用的能力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。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：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。需用的道瑞法进一步验证。其他力学性质硬度石材的硬度取决于组成矿物的硬度和构造，硬度影响石材的易加工性和耐磨性。石材的硬度常用莫氏硬度表示，它是一种刻划硬度。抗冲击性石材是典型的脆性材料，其抗拉强度较抗压强度小得多，为抗压强度的1/10~1/20。路用岩石的技术分级与要求路用岩石的技术分级（按照成岩条件、风化程度等）①岩浆岩类（火成岩）②石灰岩类（沉积岩）③砂岩与片麻岩类（变质岩）④砾石岩（天然风化）2.分级指标：饱水抗压强度和磨耗率

I最坚强II坚强III中等坚强IV较软路用石料的技术标准选用天然石材的原则适用性：主要考虑石材的技术性能能否满足使用要求。根据石材在建筑物中的用途、部位以及所处环境选择。经济性：天然石材体积密度大，运输不便，运费高，尽量就地取材。安全性：放射性合格。装饰性：§3.2集料1、集料的作用：集料在水泥混凝土和沥青混合料中起骨架和填充的作用，其主要技术性质有物理力学性质和化学性质。

2、集料的分类：

a.粗集料和细集料：不同粒径的集料所起的主要作用不同，对它们的技术要求不同。在水泥混凝土中，粒径小于5mm的颗料称为细集料，俗称砂。粒径大于5mm的颗粒称为粗集料，俗称石。在沥青混合料中，粒径小于2.36mm的颗粒称为细集料，粒径大于2.36mm的颗粒称为粗集料。

b.水泥混凝土用集料和沥青混合料用集料：水泥混凝土和沥青混合料的组成成分、成型方法和技术要求均有较大差异，对集料的技术要求也有所不相同。§3.2集料1、集料的作用：集料在水泥混凝土和沥青混合料中起骨架和填充的作用，其主要技术性质有物理力学性质和化学性质。

2、集料的分类：

a.粗集料和细集料：不同粒径的集料所起的主要作用不同，对它们的技术要求不同。在水泥混凝土中，粒径小于5mm的颗料称为细集料，俗称砂。粒径大于5mm的颗粒称为粗集料，俗称石。在沥青混合料中，粒径小于2.36mm的颗粒称为细集料，粒径大于2.36mm的颗粒称为粗集料。

b.水泥混凝土用集料和沥青混合料用集料：水泥混凝土和沥青混合料的组成成分、成型方法和技术要求均有较大差异，对集料的技术要求也有所不相同。集料的分类粗集料：在混合料中起骨架作用（碎石、砾石等）

细集料：在混合料中起填充作用（天然砂、人工砂和石屑）

在水泥混凝土中，粒径＞4.75mm在沥青混合料中，粒径＞2.36mm在水泥混凝土中，粒径＜4.75mm在沥青混合料中，粒径＜2.36mm集料§3.2.1集料的物理力学性质一、颗粒级配和粗细程度二、集料的颗粒形状和表面特征三、强度和抗冲击性四、耐磨性和抗磨光性五、坚固性一、颗粒级配和粗细程度1、颗粒级配

⑴定义：指集料中不同粒径颗粒的搭配情况，常用级配曲线表示。⑵测定和参数：集料的级配和粗细程度采用筛分试验进行测定，其方法是取一定数量的风干集料，在一套标准筛上进行筛分，分别测得试样存留在各筛上的集料质量。然后根据集料试样的总质量与存留在各筛上的集料质量，计算出反映集料级配的分计筛余百分率，累计筛余百分率和通过百分率（级配三参数）。标准筛

标准筛的筛孔尺寸，因集料的用途及粒径范围的不同而变化，对于沥青混合料用集料，一般采用方孔筛，标准筛的筛孔尺寸为75、63、53、37.5、31.5、26.5、19、16、13.2、9.5、4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15、0.075mm。（一套标准筛17个）对于水泥混凝土用集料，筛孔直径大于2.5mm的筛采用圆孔筛，小于2.5mm的用方孔筛，标准筛的筛孔尺寸为100、80、63、50、40、31.5、25、20、16、10、5、2.5、1.25、0.63、0.315、0.16、0.075mm。试验筛摇筛机①分计筛余百分率

①分计筛余百分率ai：是某号筛上的筛余质量（mi）占试样总质量（m）的百分率，按下式计算：

式中：ai—某号筛的分计筛余百分率，%。

mi—试样某号筛上的筛余质量，g。

m—试样的总质量，g。②累计筛余百分率Ai：是某号筛的分计筛余百分率和大于该号筛的分计筛余百分率之和，按下式计算：

式中：Ai—累计筛余百分率，％。

a1,a2,…,ai—各号筛的分计筛余百分率，％。②累计筛余百分率③通过百分率③通过百分率pi：是通过某号筛的试样质量占试样总质量的百分率，按下式计算：

式中：Ai—某号筛的累计筛余，%。

Pi—通过百分率，%。

分计筛余百分率、累计筛余百分率和通过百分率的关系见表3-2

集料的筛分结果反映了集料的级配情况，它可以用表3-1的形式表示，也可以用级配曲线图反映。级配曲线图是以筛孔尺寸为横坐标（取对数坐标），累计筛余百分率（通过百分率）为纵坐标（取普通坐标），在坐标系中绘出相应筛孔尺寸的累计筛余百分率的点，并将各点以折线连成的曲线。集料的级配有连续级配、间断级配、开级配和密级配等，如图3-1所示。

（3）级配曲线图a.定义：是指不同粒径颗粒混合后的总体粗细程度。

b.指标：①对于细集料粗细程度的评定，常用细度模数表示。按下式计算：2、粗细程度

实际上，细度模数反映了天然砂中较粗的颗粒的粗细情况。MX=3.7～3.1为粗砂MX=3.0～2.3为中砂MX=2.2～1.6为细砂MX=1.5～0.7为细砂结论：细度模数越大，表示细集料越粗。级配相同，细度模数一定相同；细度模数相同，级配不一定相同。

按细度模数可将砂分为下列三级：②对于粗集料，用最大粒径(或最大公称粒径)作为颗粒大小的表征。因为粗集料的最大粒径对水泥混凝土和沥青混合料性能的影响，往往比平均粗细程度的影响大。集料的最大粒径：是指集料100%全部通过的最小标准筛的筛孔尺寸。集料的最大公称粒径：是指集料可能全部通过或允许有少量不通过（容许筛余不超过10%）的最小标准筛的筛孔尺寸。通常比最大粒径小一个粒级。二、集料的颗粒形状和表面特征

1、集料的颗粒形状

a.类型：分为浑圆状、多棱角状、针状和片状四种形状。

b.指标：针、片状颗粒的含量。因为呈细长和扁平的针状和片状颗粒对水泥混凝土和沥青混合料的和易性、强度和稳定性等性能有不良影响。在水泥混凝土中，针状颗粒是集料中颗粒长度大于所属粒级平均粒径的2.4倍的颗粒；片状颗粒是指集料颗粒厚度小于所属粒级平均粒径的0.4倍的颗粒。（测定方法：规准仪法）在沥青混合料中，针、片状颗粒是指集料的最小厚度（或直径）方向与最大长度（或宽度）方向的尺寸之比小于1:3的颗粒。（测定方法：游标卡尺法）

2、表面特征

a.定义：集料的表面特征又称表面织构，是指集料表面的粗糙程度及孔隙特征等。

b.类型：分为光滑的、平整的和粗糙三种。集料的表面特征主要影响混凝土（混合料）的和易性以及与胶结料的粘结力：表面粗糙的集料制作的混凝土（混合料）的和易性较差，但与胶结料的粘结力较强；反之，表面光滑的集料制作的混凝土（混合料）的和易性较好，一般与胶结料的粘结力较差。三、强度和抗冲击性

1、强度粗集料在水泥混凝土和沥青混合料中起骨架作用，应具有一定的强度。集料的强度可用以下两种方法表示。a.抗压强度：指集料制成的边长为50mm的立方体（或直径与高度均为50mm的圆柱体）试件，在饱水状态下测定的抗压强度值。b.压碎值：指集料抵抗压碎的能力。它是反映集料强度的相对指标，在集料的抗压强度不便测定时，常用来评价集料的力学性能；集料的压碎值是一定粒径的集料试样，在规定的条件下加荷施压后，被压碎成细颗粒（﹤2.5mm或2.36mm）的集料的质量百分数。按下式计算：

式中：Qa―集料的压碎值，%。

m0―试样的质量，g。

m1―试验后被压成细颗粒（<2.5mm或2.36mm）的试样质量，g。2、抗冲击性

集料的抗冲击性是指集料抵抗冲击荷载的能力。常用冲击值表示。集料的冲击值是一定粒径的集料试样，在规定的条件下进行冲击试验后，被冲击破碎成小于规定粒径的集料的质量百分数。按下式计算：式中：LSV―集料的冲击值，%。

m0―试样的质量，g。

m1―破碎成小于规定粒径（2.36mm）的试样质量，g。四、耐磨性和抗磨光性

1、耐磨性

a.定义：集料抵抗摩擦、撞击和剪切等综合作用的性能称为耐磨性。

b.试验方法：有洛杉矶磨耗试验、狄法尔磨耗试验和道瑞磨耗试验。洛杉矶磨耗试验和狄法尔磨耗试验测定的是集料抵抗摩擦、撞击的能力，以磨耗损失（%）表示。这两种方法中，洛杉矶磨耗试验采用一定级配的集料进行测定，与集料的实际使用状况相近，对不同质量的集料能明显地区分，而且试验省时、省工，是广泛采用的标准磨耗试验方法。道瑞磨耗试验，测定抗滑表层集料的耐磨性常用道瑞磨耗值评价。

抗磨光性定义：集料抵抗外力摩擦而不被磨光的性能。现代交通车速不断提高，对路面的抗滑性提出更高的要求。道路路面的抗滑性，不仅与所用集料在车轮作用下的耐磨性有关，而且与集料的抗磨光性密切相关。集料的抗磨光性利用加速磨光机磨光集料并以摆式摩擦系数测定仪测得的磨光后集料的摩擦系数值（磨光值）表示。集料磨光值愈高，其抗滑性愈好。抗滑面层应选用磨光值高的集料，如玄武岩、安山岩、砂岩、花岗岩等。

2、抗滑性磨光机摩擦仪岩石名称石灰岩斑岩石英岩花岗岩玄武岩砂岩磨光值平均值435658596272范围30~7043~7145~6745~7045~8160~82几种典型岩石的磨光值1、定义：集料抵抗大气自然因素作用的性能，又称耐候性。集料在长期受到各种自然因素的综合作用下，其物理力学性能会逐渐下降。这些自然因素包括温度变化、干湿变化和冻融循环等，其中，冻融循环的破坏作用占主导地位。

2、指标：常以抗冻性作为坚固性的衡量指标。一般采用直接冻融法或硫酸盐浸泡法测定集料的坚固性。由于硫酸盐浸泡法简易、快捷，通常采用硫酸盐法检验集料的坚固性。五、坚固性§3.1.2集料的化学性质

一、化学组成

二、有害杂质

三、碱活性1.分类：

2.特点：一般而言，碱性岩石制成的集料与胶结料的粘结性比酸性岩石制成的集料与胶结料的粘结性大。

一、化学组成石料按SiO2的含量划分为：酸性石料：SiO2>65%中性石料：SiO2=52%～65%碱性石料：SiO2<52%

1、有害杂质：泥块、粉尘、有机物、硫化物和硫酸盐、氯盐等。

2、不良影响：

a.有的影响集料与胶结料的粘结，如泥块、粉尘等;b.有的对胶结料有破坏作用，如硫化物和硫酸盐会引起水泥混凝土的硫酸盐腐蚀。二、有害杂质

1、定义：在水泥混凝土中，某些集料会与水泥中的碱（Na2O、K2O）产生化学反应，形成膨胀性的产物，使硬化混凝土破坏，这种集料称为碱活性集料，所发生的反应称为碱集料反应。

2、碱集料反应类型：有碱一硅酸盐反应和碱一碳酸盐反应两种。碱一硅酸盐反应：水泥中的碱与集料中活性SiO2（如蛋白石、玉髓等）反应；碱一碳酸盐反应：水泥中的碱与集料中活性碳酸盐（如白云石质石灰石）反应。三、碱活性§3.2.1集料的级配理论和级配曲线范围

一、级配理论砂石集料在土木工程中，主要以矿质混合料的形式与结合料组配使用。组配要求：各种不同粒径的集料，按一定比例搭配，可达到较小的空隙率和较大的内摩擦力。集料的级配有连续级配和间断级配两类。连续级配是指集料颗粒的尺寸由小到大连续分级，每一级粒径的颗粒都占适当比例。间断级配是指在集料中，缺少一级或几级粒径的颗粒，形成一种不连续的级配。

目前，级配理论主要有最大堆积密度理论和粒子干涉理论，常用的是最大堆积密度理论。富勒理论观点：矿质混合料颗粒级配曲线愈接近抛物线，则其密度愈大。当矿质混合料的级配曲线为抛物线时，具有最大密实度。a）b）a）常坐标；b）半对数坐标最大密度理想级配曲线

最大堆积密度曲线公式：可用矿料颗粒粒径（d）与通过率（p）表示。式中：di——矿质混合料各级颗粒粒径，mm；

Pi——各级粒径集料的通过率，%；

K——常数。

当粒径di等于最大粒径D时，集料的通过百分率等于100，即1002=K·D故： 将式（3-8）代入式（3-9）中得：

式中：D—集料的最大粒径。式（3-10）就是最大堆积密度理想曲线的级配组成计算式，据此，可以计算出集料最大堆积密度时，各级粒径（di）的通过百分率（Pi）。二、级配曲线范围

级配曲线：以通过百分率（或累计筛余）为纵坐标，以粒径（mm）为横坐标绘制成的曲线。按级配理论公式计算的集料的各级粒径通过百分率是理论级配曲线，由于集料在轧制生产过程中的不均匀性以及配合的误差等因素的影响，使所配制的矿质混合料不可能与理论级配完全吻合。因此，必须允许矿质混合料配合后在适当范围内波动，即级配范围。

级配曲线如按常规坐标绘制会造成前密后疏，不便绘制和查阅，为此采用半对数坐标系代替，即横坐标采用对坐标，纵坐标采用常数坐标。在半对数坐标系中绘出级配上限和级配下限两条级配线，两条级配曲线之间所包括的范围即为级配曲线范围。

3.2.2矿质混合料的组成设计方法天然或人工轧制的一种集料的级配往往很难完全符合某一级配范围的要求，因此必须采用两种或两种以上的集料配合起来才能符合级配范围的要求。矿质混合料的组成设计的任务就是确定组成矿质混合料各集料的比例。目前矿质混合料的组成设计方法主要有数解法与图解法两大类。1.数解法采用数解法解矿质混合料组成的方法很多，最常用的方法有试算法和正规方程法。试算法适用于2～4种矿料组成设计，正规方程法可用于多种矿料组成设计，所得结果准确，但计算较为繁杂，不如图解法简便。下面主要介绍试算法。(1)试算法1）按题意作下列两点假设：①设A、B、C三种集料在混合料M中的用量（百分比例）分别为X、Y、Z，则：②又设混合料M中某一级粒径（i）要求的含量为M（i），A、B、C三种集料中该粒径的含量分别为

A(i)、

B(i)

、

C(i)

。则：X+Y+Z=100