第五章砂石材料试验检测技术

第五章砂石材料试验检测技术本章着重阐述的内容有:(1)砂石材料的基本概念;(2)路用砂石材料的技术性质和技术要求；（3）矿质混合料的级配理论和组成设计方法；（4）砂石材料在道路施工中常用的试验检测技术。

通过相关内容的学习，掌握砂石材料的关键技术性质和主要试验操作方法，为进一步学习和掌握水泥混凝土和沥青混合料有关理论知识和试验检测技术打下基础。

第一节砂石材料基本概念一、砂石材料分类砂石材料是石料和集料（又称骨料）的总称。

主要包括：直接开采的天然岩石或经机械加工制成的具有一定形状和尺寸的石料制品；天然岩石经长期风化、地质作用而形成的卵石、砂砾石以及经开采轧制加工得到的碎石等。

1．石料根据石料形成时的地质条件，可将其分成岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。

这三类石料的基本特征列于表5-1。

2．集料根据不同的方式可将集料划分成不同的类型。

（1)根据集料形成的过程可分为经自然风化、地质作用形成的卵石（砾石）和人工机械加工而成的碎石。

(2)根据粒径大小可分为粗集料和细集料（又称砂）。

（3)根据化学成分分为酸性集料和碱性集料。

二、集料粒径根据粒径的大小将集料分成粗、细两种类型。

长期以来，不同用途粗、细集料粒径的划分采用不同的划分尺寸。

用于水泥混凝土的粗、细集料分界尺寸是5mm（圆孔筛）；而用于沥青混合料时，该界限为2 ．36mm（方孔筛）。

大于该分界尺寸（包括该尺寸）的颗粒是粗集料，其余则是细集料。

有关集料粒径内容还涉及一个较为重要但又容易引起混淆的概念—集料的最大粒径，这一概念由两个不同定义构成，即集料最大粒径和集料公称最大粒径。

1．集料最大粒径指集料100%都要求通过的最小标准筛筛孔尺寸。

2．集料公称最大粒径指集料可能全部通过或允许有少量筛余（筛余量不超过10%）的最小标准筛筛孔尺寸。

这两个定义涉及的粒径有着明显区别，通常集料公称最大粒径比最大粒径要小一个粒级。

但在实际使用过程中，甚至在一些书本资料上也常常不加以严格区别，容易引起混淆。

实际上工程中所指的最大粒径往往是指公称最大粒径，这一点在今后的应用中要加以区分。

三、标准筛对集料颗粒大小的划分和相应筛分试验都要依靠标准筛来进行，标准筛由一组多个不同大小孔径的套筛组成。

一直以来，我国按不同使用目的采用不同套筛的方法确定标准筛的规格和组成。

1．沥青路面及各类基层集料用标准筛均以方孔筛为准，相应的筛孔尺寸依次为75mm,63mm,53mm,37 ．5mm, 31．5mm, 26．5mm, 19mm, 16mm, 13．2mm, 9．5mm, 4．75mm、2．36mm,1.18mm,0．6mm,0．3mm,0．15mm,0．075mmo 2．水泥混凝土用集料标准筛的孔径当大于或等于2.5mm时，以圆孔筛为标准/JN-T2.5=时，以方孔筛为准。

相应标准筛的筛孔尺寸依次为100mm,80mm,63mm,50mm,40mm,31.5mm,25mm,20mm/16mm/l0mm,5mm,2．5m m、1．25mm,0．63mm,0．315mm、0．16mm、0．075mm。

我国一般根据不同用途采用不同规格标准套筛，这是多年以来的一种特有的做法。

随着与国际通用方式的接轨，全部采用方孔筛成为一种趋势，根据《公路水泥混凝土路面施工技术规范》（」TG F30-2003）就已开始采用方孔筛标准。

但在目前过渡时期，一些现行规范仍采用两种不同的套筛，并没有明确废除圆孔筛的使用。

为避免引起混乱，以下有关标准筛的应用还沿用两种套筛的做法，在需要时可根据表5-2所列圆孔筛和方孔筛的对应关系加以转换。

第二节石料的技术性质和技术标准一、石料的技术性质1．物理性质石料的物理性质主要指石料的各种密度，以及与密度相关的空隙率、与环境有关的吸水性和耐候性等。

（1)物理常数石料的物理常数主要指密度，该密度不仅与石料的化学组成密切相关，而且还与石料的结构状态密不可分。

密度的大小又与石料的技术性质紧密相关，在一定程度上表征石料的组织结构。

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。

1)真密度：石料在规定试验条件下（温度2090），单位真实体积（不包括孔隙体积）的质量。

可按下式计算：2)毛体积密度：石料在规定试验条件下，单位毛体积（包括矿质实体和闭口、开口孔隙的体积）的质量。

可按下式计算：3)孔隙率：石料孔隙体积占其总体积的百分率。

可按下式计算：其他意义同上。

(2)吸水性石料组成构造中总是存在一些孔隙或裂隙，遇水后表现出一定的吸水能力。

衡量一定条件下石料吸水能力的大小称为石料的吸水性，该性质可用吸水率和饱水率两项指标表示。

1)吸水率：石料在室温（20t士2`C）和大气压条件下，石料试样最大吸水质量占烘干（105`C土59C）石料试样质量的百分率。

该指标可按下式计算：2)饱水率：石料在室温（20OC士2cc）和抽真空（真空度残压为2 ．67kPa）后的条件下，石料试样最大吸水质量占烘干石料试样质量的百分率。

饱水率比吸水率大，饱水率的计算方法与吸水率相似。

(3)耐候性石料在自然环境下的使用过程中，首先要承受周围环境温度改变引起的温度应力作用，其次是承受因正、负气温的交替冻融引起内部组织结构受到的破坏作用，评价石料这种抵抗自然破坏因素的性能称为耐候性。

该性能用抗冻性和坚固性两项指标来评价。

1)抗冻性：石料抵抗多次冻融循环作用的性能称为抗冻性。

该性质采用一定条件下受测石料经历数次冻融循环过程后，其强度损失的百分率〔耐冻系数）来表示。

2)坚固性：石料抵抗多次由硫酸钠结晶膨胀循环后造成的破坏作用的性能称为坚固性。

由于硫酸钠从溶解的离子状态转化为结晶体，会产生一定的晶胀作用，这类似于水在负温时结冰产生的冻胀作用，但晶胀的作用程度要比冻胀作用更为显著。

所以采用一定的试验方法，以检测石料经历数次硫酸钠结晶产生的晶胀作用后其性能的变化程度（如质量损失、强度降低等），来作为石料坚固性的测定方法。

2．力学性质石料力学性质主要采用石料抗压强度和磨耗性两项指标来评价。

（1)单轴抗压强度石料的承载能力取决于石料的组成结构，如石料的矿物组成、岩石自身的结构和构造、裂隙的分布等，同时也取决于试验条件，如试样的几何外形、加载速度、温度和湿度等。

所以采用石料在饱水状态且几何尺寸为边长50mm的正立方体在一定加载速率条件下的承载能力，来表示石料的抗压强度。

相应的计算公式为：Aa――石料试样的受压面积，mm2。

(2)磨耗性磨耗性是石料抵抗撞击、剪切和摩擦等综合作用的性能。

目前通行的检测评定方法采用的是洛杉矶磨耗试验法。

即通过专用洛杉矶磨耗仪，在一定条件下使待测石料经受撞击、剪切和摩擦多种考验后，测定出因受综合作用所形成的小于一定粒径的质量占原试样质量的百分率作为磨耗性的评价结果。

计算公式为：3．化学性质石料的化学成分组成对公路工程石料使用的效果有直接关系，例如采用石灰岩石料与沥青拌和而成的混合料在水稳性上要比采用花岗岩石料与沥青拌和的混合料要好，原因就在于前者是碱性岩，而后者是酸性岩。

公路工程上根据石料中氧化硅含量的多少，将其分成三种不同酸碱性的石料，见表5-3。

二、石料的技术要求石料的技术要求首先是根据构成石料的矿物组成、成分含量和组织结构对石料进行分类，共分为岩浆岩类、石灰岩类、砂岩和片岩类、砾石类等四种。

然后按其物理一力学性质（饱水抗压强度和洛杉矶磨耗率）再划分为四个等级，其中1级为最强的岩石，2级为坚强的岩石，3级为中等强度的岩石，4级为较软的岩石。

相应的路用石料的等级划分和技术标准列于表5-4。

第三节石料试验检测一、石料密度试验试验方法一：石料真密度试验1.试验目的测定在规定温度条件下，石料自身单位体积的质量（体积中不包括石料内部的闭口孔隙和外部的开口孔隙），并结合石料毛体积密度的测定为计算石料的孔隙率提供依据。

2试验用仪器与材料(1)李氏比重瓶：容积为220、250mL,带有长约10一20cm,直径约l cm,下部有凸包的细颈，凸包上、下部细颈上标有刻度，精确至0.1mL。

(2)恒温水浴：要求控温精度在土1`C 。

(3)天平：感量0.0001g。

(4)轧石机：用于石料的加工粉碎。

(5)球磨机：用于石料加工磨细成粉。

(6)瓷研钵：用于球磨后石粉的进一步加工。

(7)烘箱：可升温并控制在105℃土5℃。

(8)干燥器：内装硅胶或无水氛化钙干燥剂。

(9)其他：温度计,0.25mm筛、移液管、长颈漏斗、牛角勺、滤纸等。

（10）煤油：使用前要经过除水、过滤和抽去空气等处理过程。

3．试验方法和步骤(1)首先将待测石科在轧石机上初步破碎（或手工使用小榔头敲碎），通过球磨机加工磨细，经瓷研钵再加工后，过0 ．25mm筛，收集备用。

(2)取大约100g的石粉在10590土5`C烘箱中加热6一12h烘出水分，取出放人千燥器中冷却至室温待用。

(3)煤油注人李氏比重瓶至刻度线内（瓶颈凸包下部），然后将装有煤油的比重瓶置于规定温度的恒温水浴中保持恒温。

半小时后，取出比重瓶，以弯液面下沿为准，读取煤油所处刻度，记作，准确至0.05m1.(下同）。

(4)从干燥器中取出备用粉状石料样品，在天平上准确称出盛样器皿和样品总质量，精确至0.00lg（下同）。

(5)用牛角勺仔细地把石粉样品通过长颈漏斗装人比重瓶中，装填过程中避免石粉粘在瓶颈处。

当煤油液面上升至接近最大刻度处，装填过程结束。

先小心晃动比重瓶，将少量粘附在瓶颈上的样品带人瓶中，再播动比重瓶排出瓶中带进的空气。

然后再一次将比重瓶置于恒温水浴中保持恒温半小时，取出读取第二次煤油所处刻度，记作玖。

(6)将剩余样品连同盛样皿一起在天平上称出质量，记作mzo4．试验结果计算待测石料密度计算公式为：结果计算精确至0.01g/cm,，以两次平行试验结果的算术平均值作为测定值；两次试验结果相差大于0 ．02g/cm3时，应重新取样试验。

5．说明与注意问题(1)恒温时的温度应根据李氏比重瓶标定刻度时温度来确定，该值通常标在瓶体上。

(2)石粉装填过程中不仅要避免粘到比重瓶的瓶颈上，而且要避免长颈漏斗的颈口接触到瓶中的煤油，以免随后的石粉粘附其上，引起试验误差。

(3)装填结束要注意彻底排出瓶中空气，如需要可通过减压抽真空的方式排气。

试验方法二：石料毛体积密度试验（静水称重法）1.试验目的用于测定一定温度条件下石料的单位毛体积（包括石料实体、开口及闭口空隙等所占据的体积之和）质量。

2．试验仪器（1)石料加工设备：切石机、钻石机、磨平机等。

(2)静水力学天平：包括平衡盘、吊网、盛水容器等。

(3)烘箱：温控范围105℃士5℃。

(4)游标卡尺，天平。

3．试验方法和步骤（1)将待测石料通过切石机或钻石机制成边长50mm的立方体试件或直径和高均50mm的圆柱体试件，并用磨平机加工磨平。