道路建筑材料（第2版）课件 单元一 砂石材料之模块一+模块二 岩石、集料

道路建筑材料

单元一砂石材料课程思政元素：

“工匠精神”价值引领：检测方法容易，操作规范、数据精准客观却较难

只有大量试验、反复钻研、精益求精

方能有效提高实践技能，成为真正的“工匠之才”知识目标❈了解砂石材料的定义和分类❈熟悉岩石和集料的技术性质❈掌握集料技术性质的检测方法和检测标准能力目标❈能够依据《公路工程集料试验规程》对粗细集料相关技术指标进行检测，并依据《公路桥涵施工技术规范》对所测定定技术指标进行正确评定和合理选用❈能够规范填写实验原始记录，并独立出具相关试验报告模块一

岩石1.1岩石分类01岩浆岩（花岗岩）02变质岩（大理石）03沉积岩（石灰岩）1.2岩石的技术性质

岩石是指在各种地质作用下，按一定方式结合而成的矿物集合体，是构成地壳及地幔的主要物质。性质：物理性质、力学性质、化学性质和耐久性一、岩石的物理性质

1、物理常数图1-1岩石组成部分的质量与体积关系示意图密度：是指在规定条件下(大多指规定的温度)，烘干岩石单位体积的质量。由于岩石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。(1)密度①颗粒密度：是指岩石在烘干状态下矿质实体单位体积（不包括孔隙体积）的质量。单位：g/cm3、kg/m3

式中：ρt———岩石的真密度，g/cm3;

ms———岩石矿质实体的质量，g;

Vs———岩石矿质实体的体积，cm3。按《公路工程岩石试验规程》(JTG3431-2024)规定，岩石颗粒密度的测定采用“密度瓶法”。②块体密度：是指岩石块状实体质量与其体积（包括闭口孔隙和开口孔隙体积在内）的质量。单位：g/cm3、kg/m3

式中：ρb———岩石的块体密度，g/cm3；ms———岩石块状实体的质量，g;

Vs———岩石块状实体的体积，cm3；Vn———岩石中闭口孔隙的体积，cm3；

Vi———岩石中开口孔隙的体积，cm3。

按《公路工程岩石试验规程》(JTG3431-2024)规定，岩石块体密度的测定采用量积法、水中称量法和蜡封法。量积法用于规则的各类岩石,方法简易;水中称量法用于除遇水崩解、溶解或干缩湿胀外的其他各类岩石;蜡封法适用于不能用量积法和水中称量法测试的岩石。

孔隙率：孔隙率：是指岩石孔隙体积与岩石总体积（包括开口孔隙和闭口孔隙体积）的比值。

式中：n———岩石的孔隙率，%；ms———岩石块状实体的质量，g;

V0———岩石的孔隙（含开口孔隙和闭口孔隙）体积，cm3；V———岩石的总体积，cm3；ρs———岩石的颗粒密度，g/cm3；

ρb———岩石的块体密度，g/cm3。(2)孔隙率思考：①孔隙率和空隙率不同点？

②孔隙率大小与哪些因素有关？2、吸水性岩石的吸水性是岩石在规定条件下吸水的能力，采用吸水率、饱和吸水率来表征。(1)吸水率

岩石吸水率是指在大气压力和室温条件下自由吸入水的质量与试件烘干质量之比，以百分率表示。我国《公路工程岩石试验规程》(JTG3431-2024)规定采用自由吸水法测定吸水率,试验结果精确至0.01%。式中：ωa——岩石试样的吸水率，%；

m——烘至恒重时的试件质量，g；

m1——吸水至48h时的试件质量，g。

(2)饱和吸水率

饱和吸水率是指在强制条件下,岩石试样最大的吸水质量与烘干岩石试件质量之比,以百分率表示。我国《公路工程岩石试验规程》(JTG3431-2024)规定,采用煮沸法或真空抽气法测定饱和吸水率。式中：ωa——岩石试样的吸水率，%；

m——烘至恒重时的试样质量，g；

m2——试件经强制饱和后的试样质量，g。

思考：吸水率与饱水率有什么不同？岩石的吸水性取决于其亲水性,与其孔隙的大小及孔隙结构特征有关。封闭或粗大孔隙的岩石的吸水率是较低的。其他条件相同时，材料开口孔隙率越大,含水率越高，抗冻性越差。

吸水率、饱和吸水率能有效地反映岩石微裂隙的发育程度,可用来判断岩石的抗冻性和抗风化性能。

(3)饱水系数

饱水系数是指岩石的吸水率和饱和吸水率之比，可评价岩石抗冻性。一般来说，岩石饱水系数为0.5~0.8。饱水系数越大，岩石的抗冻性就差。

思考：饱水系数与岩石孔隙率有关吗？二、岩石的力学性质

1、抗压强度

(1)抗压强度岩石的抗压强度：对规定形状的岩石试样，以标准方式对其进行轴向压力作用破坏试验所得结果。我国《公路工程岩石试验规程》(JTG3431-2024)规定标准试件：岩石试验用：直径为50mm±2mm，高径比为2.0的圆柱体试件砌体工程用：边长为70mm±2mm的立方体试件；混凝土集料试验用：边长或直径为50mm±2mm的立方体或圆柱体试件；

再将标准试件自由浸水使其吸水饱和后，擦干表面，使试件单轴受压,并在规定加载条件下使其达到破坏，此时单位承压面积的荷载即48h为岩石的单轴抗压强度，也即是其抗压强度。单轴抗压强度（抗压强度）：式中：

R—岩石的抗压强度，MPa；

P—试件破坏时的极限荷载，N；

A—试件的截面面积，mm2。当单独测定单轴抗压强度时，不同状态每组试件共6个。试验结果取算术平均值，并取三位有效数字。有显著层理的岩石，应分别报告垂直与平行层理方向的试件强度的平均值。(2)岩石的软化系数：式中：

Kp—软化系数；

Rc—岩石饱水状态下的单轴抗压强度平均值，MPa；

Rd—岩石烘干状态下的单轴抗压强度平均值，MPa。

软化系数计算值精确至0.01,每个状态的3个试件应平行测定，取算术平均值；3个值中最大值与最小值之差不应超过平均值的30%，否则，应另取第4个试件，并在4个试件中取最接近的3个值的平均值作为试验结果，同时在报告中将4个值全部给出。(3)影响岩石抗压强度的因素：岩石的矿物组成

岩石的结构

岩石的孔隙构造

岩石试件的尺寸

岩石的吸水率

三、岩石的化学性质1、岩石的酸碱性

以岩石化学组成中SiO2的含量多少来划分。按克罗斯的分类法：酸性岩石：SiO2

＞65%，如花岗岩、石英岩等；中性岩石：SiO2含量52%~65%，如闪长岩、辉绿岩等；碱性岩石：SiO2含量＜52%，如石灰岩、玄武岩等。

为保证沥青混合料的强度，在选择岩石时必须优先采用碱性岩石。2、岩石的黏附性

岩石的黏附性直接影响沥青混合料的使用性能，容易造成剥离病害。

黏附性的影响因素：岩石的化学性质：化学成分影响表面电荷的性质和分布；岩石的表面特征：岩石的表面粗糙程度；

碱性岩石的吸附能力优于酸性岩石岩石长期在各种自然因素的综合作用下，力学强度会逐渐降低。导致岩石强度降低的机理主要有两方面:

一是自然条件下,由于温度升降产生的温度应力作用而引起岩石内部组织结构的破坏；

二是由于冻融循环作用。对大多数地区而言,冻融循环作用占主导。四、岩石的耐久性模块二

集料最大粒径的区别最大粒径公称最大粒径指集料100%都要求通过的最小标准筛筛孔尺寸。指集料可能全部通过或允许有少量不通过(一般容许筛余不超过10%）的最小标准筛筛孔尺寸。最大粒径比公称最大粒径大一级2.1集料的技术性质集料分类：粗集料：骨架作用，包括碎石、砾石；细集料：填充作用，包括机制砂、石屑、砂等。碎石机制砂水

泥

混

凝

土沥青混合料公称最大粒径4.75mm粗细集料分界尺寸公称最大粒径2.36mm沥青混合料中，粗集料是指粒径＞2.36mm的碎石、破碎砾石、筛选砾石和矿渣等；水泥混凝土中，粗集料是指粒径＞4.75mm的碎石、砾石和破碎砾石等。技术性质：

物理性质和力学性质

一、粗集料的技术性质粗集料的体积与质量关系示意图1、物理性质颗粒之间的空间体积(1)物理常数

①表观密度(ρa)

粗集料的表观密度(又称视密度)是在规定条件(105℃±5℃烘干至恒重)下，单位表观体积(包括集料矿质实体、闭口孔隙和开口中尚未完全被水填充的孔隙体积)的干质量。

式中:ρa——粗集料表观密度，g/cm3；ms——矿质实体质量，g；Vs——矿质实体体积，cm3；Vn——闭口孔隙体积，cm3。《公路工程集料试验规程》(JTG3432—2024)规定，测定方法：网篮法②毛体积密度(ρb)粗集料的毛体积密度是在规定条件下，单位毛体积(包括矿质实体及其闭口孔隙、开口孔隙等颗粒表面轮廓线所包围的全部毛体积)的质量。

式中:ρb——粗集料毛体积密度，g/cm3；

ms——矿质实体质量，g；Vs——矿质实体体积，cm3；

Vn——闭口孔隙体积，cm3；

Vi——开口孔隙体积，cm3。粗集料毛体积密度的测定方法：将已知质量的干燥粗集料经24h饱水后,用湿毛巾擦干而求得饱和面干质量,然后用排水法求得其在水中的体积,即求得粗集料毛体积密度。思考：岩石的表观密度与毛体积密度跟粗集料的表观

密度与毛体积密度有什么不同？③堆积密度(ρ)粗集料的堆积密度是在规定条件下，单位毛体积(包括矿质实体、闭口孔隙和开口孔隙及颗粒间空隙体积)的质量。

式中:ρ——粗集料堆积密度，g/cm3；

ms——矿质实体质量，g；Vs——矿质实体体积，cm3；

Vn——闭口孔隙体积，cm3；

Vi——开口孔隙体积，cm3；

Vv——颗粒间空隙体积，cm3。粗集料堆积密度分为：自然堆积状态、振实状态和捣实状态下的堆积密度④空隙率(n)空隙率是指粗集料颗粒之间空隙体积占粗集料总体积(含材料的实体矿物成分、闭口孔隙和开口中尚未完全被水填充的孔隙体积)的百分率。

式中:n——粗集料空隙率，%；

ρ——粗集料堆积密度，g/cm3；

ρa——粗集料堆积密度，g/cm3。空隙率反映粗集料颗粒之间相互填充的致密程度。试验结果证明，松装和紧装状态下，粗集料的空隙率范围分别为43%~48%和37%~42%。⑤骨架间隙率(VCADRC)在沥青混合料中，粗集料骨架间隙率通常指2.36mm(或4.75mm)以上粗集料，在骨架捣实状态下的空隙占装填体积的百分率。

式中:VCADRC——捣实状态下粗集料骨架间隙率，%；

ρ——粗集料骨架的毛体积密度，g/cm3；

ρb——粗集料骨架的捣实堆积密度，g/cm3。级配的几种情况(2)级配①

定义：集料中各组成颗粒的分级和搭配称为级配。

②

意义：降低混合料的孔隙率，提高混合料的密实度与耐久性。

③

试验方法：筛分试验水泥混凝土用集料：干筛法（需要可用水洗法）沥青混合料及路面基层用集料：水洗（筛）法(3)坚固性(也称安定性)对已轧制成的碎石或天然卵石亦可采用规定级配的各粒级集料,按《公路工程集料试验规程》(JTG3432—2024)选取规定数量粒料，分别装在金属网篮后浸入饱和硫酸钠溶液中进行粗集料在饱和Na2SO4溶液中进行干湿循环试验。经5次循环后，观察其表面破坏情况，并用质量损失百分率来计算。根据《建设用卵石、碎石》(GB/T14685—2022)的规定，碎石、卵石按技术要求分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三类。根据《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T3650—2020)当混凝土结构物处于不同环境条件下时,粗集料坚固性的试验结果除应符合表1-1的规定外,还应符合表1-2的相关要求。2、力学性质(1)压碎值（ACV）①定义：集料在逐渐增加的荷载下抵抗压碎的能力。②意义：是检验混合料用粗集料强度的相对指标，主要用于水泥砼粗集料力学性质评判。③试验方法：粗集料压碎值试验JTG3432—2024《公路工程集料试验规程》（JTG3432T0316-2024粗集压碎值试验）(2)磨光值（PSV）

表示集料抵抗车轮磨光作用的能力，是保证路面（特别是高速公路、一级公路）具有足够抗滑性能的重要力学性质，可采用加速磨光机和摆式摩擦系数测定仪测定。用高磨光值的岩石来铺筑道路路面表层,可以提高路表的抗滑能力，保障车辆的行驶安全。根据《公路工程集料试验规程》(JTG3432—2024)测出的磨光值以PSV表示，该值越大，表明集料的抗磨光性能越好。磨光值试件磨光机(3)冲击值（AIV）

冲击值是反映集料抵抗多次连续重复冲击荷载作用的性能，可采用冲击试验仪测定。根据《公路工程集料试验规程》(JTG3432—2024)测出的冲击值以AIV表示,该值越小,表明集料的抗冲击性能越好。试验后2.36mm筛上的试样质量（g）

试验后2.36mm筛下的试样质量（g）

集料冲击值（%）

9.5～13.2mm集料，分三次夯实。

13.75±0.05kg冲击锤至380±5mm处自由落下，重复15次，每次间隔时间不少于1s。将受冲击后的集料过筛(2.36mm)，称重。冲击仪(4)道瑞磨耗值（AAV）

集料表干密度（g/cm3）

磨耗前试件的质量（g）

磨耗后试件的质量（g）

磨耗值用于确定岩石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值的测量。试验测出的磨耗值以AAV表示,该值越小,表明集料的抗磨耗能力越好。道瑞Dorry（英国）磨耗仪二、细集料的技术性质1、细集料的表观密度（1）定义：单位表观体积（矿质实体体积+闭口孔隙体积）上的质量。（2）试验方法：细集料密度试验（容量瓶法）(二)细集料物理性质2、细集料堆积及紧装密度（1）定义：单位堆积体积矿质实体的质量（2）状态：堆积、紧装两种状态（3）试验方法：细集料堆积及紧装密度试验3、细集料的级配（1）定义：各级砂分级的搭配情况（2）意义：降低混合料的孔隙率，提高混合料的密实度与耐久性。（3）确定细集料的级配的试验方法：筛分试验（干筛法和水洗法）。（4）计算级配三参数。①干筛分计筛余百分率ai干筛后各号筛上的分计筛余百分率按式计算，精确至0.1%。②干筛累计筛余百分率Ai

各号筛的累计筛余百分率为该号筛以上各号筛的分计筛余百分率之和，精确至0.1%。③通过百分率Pi

干筛各号筛的质量通过百分率各号筛的质量通过百分率Pi等于100减去该号筛累计筛余百分率，精确至0.1%。4、粗度

(1)粗度的定义和计算：

粗度用于评价砂的粗细程度，通常用细度模数(细度模量)表示。

天然砂细度模数计算公式如下：

式中：MX——砂的细度模数；

A0.15、A0.03、……A4.75——分别为0.15mm、0.3mm、……、4.75