道路工程材料教案

第一章石料与集料

学习目的与任务：介绍石料的岩石学特征、阐述石料与集料的主要技术性能及主要评价方法和评价指标；讨论集料的级配概念和级配理论，并以此为基础，学习矿料的配合比设计方法。通过学习，要求学生了解石料和集料的技术性质和技术标准，掌握级配理论和组成设计方法。

第一章内容介绍和关注的重点。从石料的岩石学特征入手，了解构成石料的岩石分类、类型和化学组成，引出石料将要讨论的石料性质——物理性质之一：物理常数。

一、石料的岩石学特性

石料定义：在建筑结构工程中，所使用的石料通常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。

1．造岩矿物

不同造岩矿物和成岩条件使得各类天然岩石具有不同的结构和构造特征。石料的物理力学性质在很大程度上取决于天然岩石的矿物成分，以及这些矿物在岩石中的结构与构造。

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。下表为几种代表性的矿物。

2．常见岩石种类

路桥工程中常用岩石类型见表1—3。

另外，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。

表中的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。

二、石料的物理性质

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

密度定义为在规定条件下（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。

图1—1 石料组成部分的质量与体积关系示意图

a)石料结构剖面图；b）石料的体积与质量的关系

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，按照公式（1-1）计算。

（1-1）

式中：——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。

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，由公式（1-2）计算。（1-2）

式中：——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；

——石料矿质实体中闭口孔隙的体积，cm3。

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，由公式（1-3）计算。

（1-3）

式中：——石料的毛体积密度，g/cm3；

——石料矿质实体的质量，g；

——石料矿质实体的体积，cm3；

——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。

（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，由

公式（1-4）计算。（1-4）

式中：——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。

将式（1-1）和式（1-3）代入式（1-4）可得式（1-5），即采用石料的真实密度和毛体积密度

计算其孔隙率。（1-5）

式中：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。

第二课时：

复习：回顾砂石材料的第一种形式——石料的基本概念，从概念上阐述由于石料体积涉及的内容不同使石料具有若干不同形式的密度，引出石料其它技术性质和标准，以及标准划分的依据和标准内容。

2．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。前者指常温、常压条件下石料最大吸水质量是干燥试样质量的百分率；而后者是在一定真空条件下石料最大吸水质量是干燥试样质量的百分率。显然后者往往要大于前者。两者可采用下试计算：

（1-6）

式中：——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。

3．抗冻性

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，这一性质优劣的判定采用直接冻融法和硫酸钠法两种方式。分别利用低温时结冰产生的冻胀和硫酸钠从液态离子状态转变为固体结晶状态产生的晶胀来考验石料的抗冻性，而后者的考验程度要比前者更为显著一些，两者试验检测结果都可用式（1—7）和（1—8）来计算：

（1-7）

（1-8）

式中：冻，——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。

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。

三、石料的力学性质

所谓石料的力学性质是指石料在工程应用中，所表现出的抗压、抗剪、抗弯拉强度的能力，以及抵抗荷载冲击、剪切和摩擦作用的能力。实践中石料的这一性质常用抗压强度和磨耗率两项指标来表示。

1．石料的抗压强度

以单轴加荷的方法对规定形状的石料试样以标准方式进行抗压试验所得出的结果即为石料的抗压强度。强度结果用式（1—9）来计算

（1-9）

式中：——石料的抗压强度，MPa；

——试验时石料试件破坏时的极限荷载，N；

——石料试件的受力截面积，mm2。

石料的抗压强度受多种因素的影响，其中包括矿物组成、结构及其孔隙构造，以及石料试件的尺寸和吸水率等。如石料结构疏松及孔隙率较大，其质点间的联系较弱，有效面积较小，故强度值较低；试件尺寸较小时，由于高度小，承压板与试件端面之间的摩军长较大，使得试件内应力分布极不均匀，试验结果的真实性受到影响；当岩石的孔隙裂隙较大、含较多亲水矿物或较多可溶矿物时，饱水时的抗压强度会有明显的降低。

2．磨耗率

砂石材料磨耗率是指其抵抗撞击、边缘剪力和摩擦等联合作用的能力。石料的磨耗率常采用洛杉矶磨耗试验进行测定。经过规定的搁板式磨耗机试验后，石料的磨耗率采用下式来计算：

（1-10）

式中：——石料的磨耗率，%；

——装入试验机圆筒中的石料试样质量，g;

——试验后洗净洪干的筛上试样质量，g。

实践种还存在另一种磨耗试验——狄法尔磨耗试验，由于该试验耗时较长，且对石料的考验程度不如搁板式磨耗机试验，目前已采用不多。

四、石料的技术标准

工程实际中所采用的石料必须满足一定的技术要求，该要求就是石料的技术标准。

标准指定思路是：首先根据石料所属岩石类型，将石料分成四大类——岩浆岩、石灰岩、砂岩或片麻岩以及砾岩；再依据石料的抗压强度的高低和磨耗率的大小将每种类型岩石划分成四个等级。

其中：I级——最坚强的岩石；

II级——坚强的岩石；

III级——中等强度岩石；

IV级——较软的岩石。

小结石料的基本性质，指出石料的两大重要性质的意义所在。进入本章重点——集料的技术性质和技术标准内容的讨论。强调集料性质关注的重点——集料的体积参数、力学性质。第二节集料

概述：笼统的说集料就是粒状石质材料。

1．集料分类

（1）总分类：包括天然砂、人工砂、卵石、碎石，另有工业冶金矿渣。

（1）根据集料形成的过程不同，分为卵石（又称砾石）和碎石；

（2）根据粒径大小的不同，分为粗集料和细集料；

2．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。

3．最大粒径

这是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不通过(一般容许筛余不超过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经常不加严格区别，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。

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 、0.075mm ；

2.水泥混凝土用集料标准筛的孔径当大于或等于2.5mm 时，以圆孔筛为标准小于2.5mm

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、10mm、5mm、2.5mm、1.25mm、0.63mm、0.315mm、0.16mm、0.075mm。

不同用途采用不同规格标准套筛，是我国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必然趋势。20XX年颁布并实施的新一版《公路水泥混凝土路面施工技术规范》就已开始采用方孔筛标准。

一、集料的物理性质

1．物理常数

（1）密度

考虑到集料颗粒自身的孔隙和颗粒之间的空隙，集料的密度也有几种不同形式。

1）表观密度、毛体积密度、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。

2）表干密度

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），由式（1-11）计算。

（1-11）

式中：——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；

、——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。

3）装填密度

装填密度根据装样方法的不同可为堆积密度、振实密度和捣实密度。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，按式（1-12）计算。

（1-12）

式中：——矿质集料的装填密度,g/cm3；

——集料颗粒矿质实体的质量，g；

——集料颗粒矿质实体的体积，cm3；

、——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；

——集料颗粒间的空隙体积，cm3；

（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）占装填体积的百分率，按式（1-13）计算。

（1-13）

式中：——集料的空隙率，%；

——集料颗粒的装填体积，，cm3；

、——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（1-14）计算：

（1-14）

式中：——集料的装填密度，g/cm3；

——集料的表观密度,g/cm3。

（3）粗集料的骨架间隙率

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，由式（1-15）计算。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。

（1-15）

式中：——粗集料骨架间隙率，%；

——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；

——粗集料的表观密度或毛体积密度，g/cm3。

（4）细集料的棱角性

细集料的棱角性由在一定条件下测定的空隙率表征，按式（1-16）计算。天然砂、人工砂和石屑等细集料的棱角性对沥青混合料的内摩擦角和抗流动性变形能力及对水泥混凝土的和易性有着显著的影响。当空隙率较大时，意味着细集料有着较大的内摩阻角。

（1-16）

式中：——细集料的空隙率，即棱角性，%；

——细集料的堆积密度，g/cm3；

——细集料的毛体积密度，g/cm3。

2．集料的级配

级配是指集料中各种粒径颗粒的搭配比例或分布情况。级配对水泥混凝土及沥青混合料的强度、稳定性及施工和易性有着显著的影响，级配设计也是水泥混凝土和沥青混合料配合比设计的重要组成部分。（关于集料的级配分析、级配理论和级配设计方法的有关内容。见本章第三节）

3．集料的颗粒形状与表面特征

集料的性质除了与形成集料的岩石特征和孔隙结构等有直接关系之外，还与集料的颗粒形状和表面特征有一定的关系。因为集料的形状和表面特征都将影响集料颗粒间的内摩阻力、集料颗粒与结合料粘结性及吸附性等方面。

（1）理想的集料颗粒形状是球状或立方体，而扁平、薄片、细长状的颗粒不仅增加集料的空隙率，还对施工的和易性和混凝土强度造成不利影响；

针片状颗粒的定义：最大长度与厚度之比大于3的颗粒。

（2）集料表面特征指集料的粗糙程度和孔隙特征。表面粗糙的集料颗粒有较显著的摩阻力，同时也会影响集料的施工和易性；粗糙且有吸收水泥浆和沥青轻组分的孔隙特征的集料与结合料的粘结能力较强。

4．含泥量和泥块含量

存在于集料中或包裹在集料颗粒表面的泥土会降低水泥的水化反应速度，也会妨碍集料与水泥（或沥青）间的粘结能力，显著影响混合料的整体强度与耐久性，应对其含量加以限制。泥是指砂中粒径小于0.075mm的颗粒，泥块是指粗集料原尺寸大于4.75mm（或细集料大于

1.18mm），但经水浸洗、手捏后小于

2.36mm（细集料小于0.6mm）的颗粒含量。

二、集料的力学性质

在结构层或混合料中，粗集料起骨架作用，应具备一定的强度、耐磨、抗磨耗和抗冲击性能等，这些性能用压碎值、磨光值、磨耗值和冲击值等指标表示。

1．压碎值

压碎值是指按规定的方法测得石料抵抗压碎的能力，也是集料强度的相对指标，用以鉴定集料品质。压碎值是对石料的标准试样在标准条件下进行加荷，测试石料被压碎后，标准筛上筛余质量的百分率。

2．磨光值

磨光值是反映石料抵抗轮胎磨光作用能力的指标，它是采用加速磨光机磨光石料，并用摆式磨擦系数测定仪浊得的磨光后集料的磨擦系数。用高磨光值的石料来铺筑道路路面表层，可

以提高路表的抗滑能力，保障车辆的安全行驶。试验测出的磨光值以表示，该值越大，

表明集料的抗磨光性能越好。

3．冲击值

冲击值反映石料抵抗冲击荷载的能力。由于路表集料直接承受车轮荷载的冲击作用，这一指标对道路表层用集料非常重要。试验测出的冲击值以表示，该值越小，表明集料的抗

冲击性能越好。

4．磨耗值

磨耗值用于确定石料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。试验测出的磨耗值以表示，该值越小，表明集料的抗磨耗能力越好。

三、岩石集料的技术要求

同样，只有满足了一定技术要求的集料才能确保相关混合料的各项性能，以粗细两种类

型的集料分别提出各自的技术要求。1．粗集料的技术要求

2．细集料的技术要求

总结有关石料和集料需要重视的内容，分析石料和集料二者之间的异同点；重点讨论第三节相关内容——筛分、级配概念、矿料配合比设计方法等。

第三节矿质混合料的组成设计

所谓的矿质混合料就是能够满足级配要求的各种粒径材料的集合体，简称矿料。

在水泥混凝土或沥青混合料中，所用集料颗粒的粒径尺寸范围较大，而天然或人工轧制的一种集料往往仅有几种粒径尺寸的颗粒组成，难以满足工程对某一混合料的目标设计级配范围的要求，因此需要将两种或两种以上的集料配合使用。确定几种集料混合时各自比例的过程就是矿料的组成设计，进行矿质混合料组成设计，必须道先明确目标级配范围，为此首先应掌握级配组成为矿料技术性能的影响。

一、矿料的级配

1．集料级配的表示方法

（1）筛分试验

采用标准套筛对集料进行过筛分析，以确定集料粗细颗粒的分布即级配就是所谓筛分试验。通过筛分试验，求得集料试样的级配参数。以细集料的筛分为例：

在筛分试验中，分别称量500g砂样充分过筛，根据砂样存留在各筛上的筛余质量，分别计算出分计筛余百分率、累计筛余百分率、通过百分率。

分计筛余百分率是指某号筛上的筛余质量占试样总质量百分率，按式（1-27）计算：

（1-27）

式中：——存留在某号筛上的试样质量，g；

——集料风干试样的总质量，g。

累计筛余百分率是指某号筛的分计筛余百分率和大于该号筛的各筛分计筛余百分率之总和，可按式（1-28）求得：

（1-28）

式中：——各筛的分计筛余非分率，%。

通过百分率是指通过某号筛的试样质量占试样总质量的百分率，即100与某号筛累计筛余百分率之差，按式（1-29）求得：

（1-29）

式中：——某号筛累计筛余百分率，%。

（2）细集料的细度模数

细度模数是用于评价细集料粗细程度的指标，是细集料筛分试验中各号筛上的累计筛余百分率之和，按式（1-30）计算（以水泥混凝土用细集料为例）：

（1-30）

式中：——砂的细度模数；

、、……——分别为4.75mm、2.36、……0.15mm各筛的累计筛余百分率，%。细度模数愈大，表示细集料愈粗。砂按细度模数分为粗、中、细三种规格，相应的细度模数分别为：粗砂：=3.7~3.1；中砂：=3.0~2.3；细砂：=2.2~1.6。

（3）集料的级配曲线

1）级配曲线的绘制

为了直观形象地表示矿料各粒径的颗粒分布状况，常常采用级配曲线的方式来描述矿料级配。做法是以通过量的百分率为纵坐标，筛孔尺寸（也表示矿料不同颗粒的粒径）为横坐标，将各筛上的通过量绘制在坐标图中，然后用曲线将各点连接起来，成为所谓的级配曲线。由于标准套筛的筛孔分布是按1/2递减的方式设置，在描绘横坐标的筛孔位置时，造成前疏后密的问题，以至到小孔径时无法清楚的将其位置确定。所以在绘制级配曲线的横坐标时采用对数坐标（而相应纵坐标上的通过量仍采用常坐标），以方便级配曲线图的绘制。见图1-3。

图1-3 集料级配曲线示意图

a）常数坐标；b）半对数坐标

2）级配曲线类型

粗细不同的粒径按照一定的比例组合搭配在一起，以达到较高的密实程度，根据搭配组成的结果，可得到以下几种不同级配形式。

①连续级配：连续级配是某一矿料在标准套筛中进行筛分后，矿料的颗粒由大到小连续分布，每一级都占有适当的比例。这种由大到小逐级粒径都有，并按比例互相搭配组成的矿质混合料，称为连续级配混合料。

②间断级配：在矿料颗粒分布的整个区间里，从中间剔除一个或连续几个粒级，形成一种不连续的级配，成为所谓的间断级配。

③连续开级配：整个矿料颗粒分布范围较窄，从最大粒径到最小粒径仅在数个粒级上以连续的形式出现，形成所谓的连续开级配。

不同级配类型的级配曲线如下图所示。

图1—4 不同级配类型的级配曲线

2．级配组成对矿料性能的影响

矿料的级配组成直接决定矿料的两大特点：矿料密实度和矿料颗粒间内摹阻力。从而影响到水泥混凝土或沥青混合料的强度、耐久性和施工和易性。

在混合料中是以结合料（水泥或沥青）来填充集料的空隙并包裹集料。所以，集料空隙越大，填充集料颗粒空隙所需的结合料越多；集料的总表面积越大，包裹集料颗粒所需的结合料越多。从节约结合料的角度考虑，最好采用空隙较小，总表面积也较小的集料。此外，若各粒级集料颗粒在相互排列时，能够互相嵌锁又不互相干涉，形成紧密多级嵌挤的空间骨架结构，则集料颗粒间将具有较最大的内摩阻力。

3．矿料连续级配的计算

实践中针对连续级配各级粒径矿料数量的计算大多采用最大密度曲线理论，该理论认为当矿料的颗粒级配曲线愈接近抛物线，则其密度愈大。根据该理论，当矿料的级配曲线为抛物线时，最大密度理想曲线可用颗粒粒径与通过量按下式表示：

（1—31）

式中：——各级颗粒粒径集料的通过量（%）；

——矿料各级颗粒粒径（mm）；

——常数。

当颗粒粒径等于最大粒径时，则通过量，即时，。

所以：（1—32）

当希望计算任何一级颗粒粒径的通过量时，则计算公式为

（1—33）

或（1—34）

式中：——希望计算的某级集料粒径（mm）；

——矿质混合料的最大粒径（mm）；

——希望计算的某级集料的通过量（%）。

上式是最大密度理想曲线的级配组成计算公式，根据此公式可以计算出某矿料达到最大密度时各级颗粒粒径的通过量。

但在实际应用过程中，这一公式的指数并不一定固定为0.5。对于沥青混合料，当指数是0.45时的密度最大；对于水泥混凝土指数在0.25~0.45时工作性更好。因此，矿料的级配计算公式的指数通常在0.3~0.7之间，允许矿料的级配曲线在一定的范围内变动，所以上述最大密度曲线公式采用n次幂的通式来表达。即：

（1—35）

所以当某一矿料的最大粒径、相应的指数确定时，则该矿料在各级上的颗粒数量就可通过此公式计算得到。

由于矿料在轧制生产过程中的不均匀性，以及混合料在配制时的波动误差等原因，使所配制的混合料难以与理论级配完全吻合一致。因此，必须允许配料时的合成级配可以在一定

的范围内波动，从而提出级配范围的概念。即分别根据两个不同的指数和所确定的级

配结果，以及由各级配所绘制的级配曲线，构成级配范围。实际级配合成操作时，只要得出的合成级配结果位于要求的级配范围之间，则认为该合成级配基本满足设计级配的要求。二、矿料配合比设计方法

矿料配合比设计就是根据实际工程中现有的各种集料的级配参数（即筛分结果），针对设计要求或技术规范要求，采用一定的方法确定各规格集料在合成矿料中所占有比例的操作过程。

常用的设计方法有：试算法、图解法（修正平衡面积法）。两种方法各有特点，前者操作简便、快捷，但要熟练掌握级配参数的含义，对三种以内的矿料设计较适宜；后者简单易掌握，适合多种矿料操作，但操作稍嫌麻烦。

1．数解法——试算法设计步骤

（1）建立基本计算方程

设有、、三种集料在某一筛孔上的分计筛余百分率分别为、、，打算配制矿质混合料，混合料在相应筛孔上的分计筛余百分率为。设、、

三种集料在混合料中的比例分别是、、，则得到下面两式：

（1—36）

（1—37）

（2）基本假设

在矿质混合料中，假定混合料中某一级粒径的颗粒仅由三种集料中的一种集料来提供，而其它两种集料中不含有这一粒径的颗粒，此时这两种集料相应的分计筛余百分率为0。例

如设在粒级上仅集料在此粒级上存在分计筛余，其它两个集料和的分计筛余全部

是0，从而简化计算过程。

（3）计算

根据上述假设，（4—7）式成为：

（1—38）

则集料在混合料中所占的比例为：

（1—39）

同理，按此假设在计算集料在混合料中的比例时，在粒级上其它两个集料和在该粒径上的分计筛余百分率也是0，则有：

（1—40）

即集料在混合料中比例是：

（1—41）

最后得到集料在混合料中的比例：

（1—42）

（4）校核调整

对以上计算得到的各集料的比例即配合比进行验算，如得到的合成级配不在所要求的级配范围，应调整初步配合比重新验算，直到满足级配要求为止。如经数次调整仍不能达到要求，可掺加单粒级集料或调换其它集料。

2．图解法设计步骤

（1）准备工作

对所使用的各集料进行筛分，并计算出各自的通过量百分率。明确设计级配要求的级配范围，并计算出该要求级配范围的中值。

（2）绘制框图

按比例（通常纵横边各为100mm和150mm）绘制一矩形框图，从左下向右上引对角线作为合成级配的中值，见图1—7。按常数标尺在纵坐标上标出通过量百分率刻度，横

坐标则表示筛孔位置，而各筛孔的具体位置则根据合成级配要求的通过量百分率中值，在纵坐标上找出该值的位置，然后从纵坐标引平行线与对角线相交，再从交点处向下作垂线，垂线与横坐标的相交点即为各筛孔相应位置。

图1—7 设计级配范围中值（P30）

（3）确定各集料用量

将参与级配合成的各集料的通过量绘制在框图中，用折线的形式连成级配曲线。假设以四种集料进行级配合成为例，见图1—8。根据框图中相邻两条曲线的关系，确定各集料在混合料中的掺配比例。

1）重叠关系：相邻两条曲线相互重叠，图1—8中集料的级配曲线下部与集料的级配曲线上部搭接。在两条级配曲线之间引一条垂线，要求该垂线与集料、的级配曲线截距相等，即。此时垂线与对角线相交于点，再通过点作一水平线与纵坐标交于点，线段的几何长度（以mm计）就是集料的用量比例（%）。

图1—8 图解法用图（P30 ）

2）相接关系：相邻两条曲线首尾相接，图4—2中集料的末端与集料的首端正好相接。此时只需从集料的首端向集料的末端引垂线，该垂线与对角线相交于点，过点作水平线与纵坐标交于点，则线段的几何长度就是集料的用量（%）。

3）分离关系：相邻两条曲线分离，图4—2中集料的级配曲线与集料的级配曲线在水平方向彼此分离。此时作一条垂线平分这段水平距离，要求。垂线与对角线交于点，通过该点作一水平线与纵坐标交于点，则线段的几何长度就代表集料的用量（%）。剩余的即为集料的用量。

可以说，框图中相邻集料级配曲线的关系只可能是这三种情况，但实际操作过程中以第一种关系即重叠关系为最常见。

4）合成级配的计算与校核

同试算法相同，根据图解过程求得的各集料用量比例，计算出合成级配的结果。当合成级配超出级配范围时，说明图解法得到的比例不很合适，所以要调整各集料的用量，直到满足设计级配的要求为止。如经数次调整仍不能达到要求，可掺加单粒级集料或调换其它集料。

第二章石灰与水泥

本章学习要点：以硅酸盐水泥的矿物组成及其特点（水化速度、放热量、对强度的贡献程度等）、技术指标及标准为主要介绍内容，对道路、普硅等水泥的做简单介绍。对比介绍石灰的化学组成、消化、硬化机理。

石灰与水泥均属于胶凝材料，石灰为气硬性胶凝材料，只能在空气中硬化；水泥为水硬性胶凝材料，可在水中以及空气中硬化，均属于无机胶凝材料。

第一节石灰

石灰是一种气硬性胶凝材料，它是将碳酸钙为主要成分的材料（主要为石灰石）经过适当的燃烧，尽可能排出CO2得到的产品，主要成份是CaO，是一种多孔结构材料。

一、石灰的分类：

1．根据成品加工方法的不同，分为

（1）块状生石灰：原材料燃烧成的原产品，主要成份CaO；

（2）生石灰粉：由块状生石灰磨细得到的细粉，主要成份CaO；

（3）消石灰（熟石灰）生石灰用适量水消化得到的粉末Ca（OH）2；

（4）石灰浆：生石灰加多量的水，消化可得到可塑性浆体，石灰膏，主要成份是Ca（OH）和水；

2

按因素分类：

二、石灰的生产工艺概述：

燃烧石灰的原料：富含氧化钙的岩石（如石灰石、白云石、白垩等）亦可用含有氧化钙和部分氧化镁的岩石。

石灰的煅烧：

石灰在烧制过程中由于尺寸过大，或窑内温度不均等原因，便得石灰中含有未烧透的内核，称为“欠火石灰”。另一种情况是过火而形成的“过火石灰”，能引起消化故危害大。

三、石灰的消化和硬化

1．消化

消化的目的

①使原有的石灰块改变为便于施工操作，又具有粘结和硬化性能材料过程。

②剔除未分解的杂质（碳酸钙）。

化学反应为：

该反应具可逆反应，反应方向决定于温度及周围介质中水蒸气的压力。而且因反应放热使得反应实际需水量达到石灰的7%左右。在石灰消化时应注意加水速度。

过烧：对活泼性大的石灰，若加水过慢，水量不够，则已消化的Ca（OH）2气围千米消化颗粒周围，内部石灰不易消化，这种现象称为“过烧”现象。

过冷：对于活泼性差的石灰，如加水过快则发热量少，水温过低，增加未消化颗粒，这种现象称为“过冷”现象。

陈伏：因为过火石灰的危害大，因而在石灰消化过程中，可在消化后“陈伏”半个月左右再使用。

2．石灰的硬化

所有的无机胶凝材料在水化的同时就伴随着硬化，但石灰在消化时因剧烈放热和显著的体积膨胀，使水变成蒸气而沸腾，从而破坏了石灰的凝聚——结晶结构。致使石灰浆体变成松散毫无联系的消石灰。

石灰的硬化包括以下两个部分：

（1）石类浆的干燥硬化：

a．毛细管压力，而获得“附加强度”。

石灰浆体干燥过程，由于水份蒸发形成网状孔隙，这时滞留在孔隙中的自由水由于表面张力作用而产生毛细管压力，使石灰粒子更加密实，而获得“附加强度”。

b．Ca（OH）2析晶，石灰浆体在干燥过程中因水分蒸发将引起溶液中某中程度的饱和从而产生Ca（OH）2晶体。但是析出的Ca（OH）2晶体反量极小，因而这种结晶引起强度增加并不显著。

（2）硬化石灰浆的碳化

硬化石灰浆体从空气中吸收CO2，可以生成CaCO3，CaCO3的晶体粒或是互相共生，或是与石灰粒子或是砂粒共生，提高强度。

碳化反应只有在有水的存在下才能进行，当使用干燥的碳酸作用于完全干燥的消石灰时，碳化反应几乎不进行。

即：

因CaCO3在自然条件下具有较大的稳定性，因此石灰浆体在碳酸化后获得最终强度，称为碳化强度。

石灰从水化到凝结硬化使之碳化，这就完成了物质的转变循环。

但是需注意，碳化发生在表面，而结晶作用发生在内部，所以石灰浆体硬化后，是由表里两种不同晶体组成的。

四、技术要求和技术标准

1．技术要求

1）游离CaO与MgO含量：石灰中活性的游离CaO占石灰试件质量百分率，是有效氧化钙含量→中和滴定法。

氧化镁含量是石灰中氧化镁占试件质量百分率→络合滴定法。

2）生石灰产浆量和未消化残渣质量：

产浆量是单位质量（1kg）的生石灰消化后，所产石灰浆体的体积（L）石灰产浆量愈高，则表示其质量愈好。

未消化残渣是生石灰消化后，未能消化而存留在5mm圆孔筛上的残渣试样的百分率。

[试验方法]：取石灰试样1kg，倒入有2500ml消水的标准产浆桶内的筛筒中盖上盖子，静量消化1kg，搅动2ml，继续静量消化40mm，再搅动2m。提取筛筒，用清水清洗筒内残渣至水洗石浑浊，冲洗残渣的清水仍倒入高浆桶内，将残渣在100~105℃烘箱烘干至恒重，冷却至定温后用5mm筛孔筛筛分，称量筛余物m1，计算未消化残渣含量

3）二氧化碳（CO2）含量

是为了控制石灰石在煅烧时“欠火”造成产品中未分体完成的碳酸盐增多。CO2含量越高，表明未分体完全的碳酸盐含量越高，则（CaO+MgO）含量相对降低，导致影响石灰的胶结性能。

4）消石灰粉游离水含量

5）细度：0.9mm，0.125mm筛余百分率控制

细度与石灰的质量有密切联系。

2．技术标准按氧化镁含量划分为钙质石灰和镁质石灰两类

用作：主要用消体后的消石灰未修石灰土路面基层或用石灰膏来调制桥涵坑砌筑砂浆。五、石灰的使用

石灰在公路工程中，主要用于半刚性基层材料的使用。

石灰土石灰剂量的范围从基层、底基层到垫层依次递减。

（生产实践中最低使用应不低于6%，不高于18%，一般10%-14%）石灰剂量过多会使石灰在土的空隙中以自然灰石在导致石灰土强度降低，灰土基层一般在冬季破坏，因土的湿缩系数较干系数大于4～5倍。每层沥青的开裂温度在-5℃以下产生，温缩裂缝。

石灰土基层的施工：因其是半刚性材料，石土层不宜小于8cm，大于15cm，（每层）

施工应在最低温度0℃之前完成，并避免在雨季施工。

第二节水泥

水泥概述

1、水泥历史不长，只100多年的历史，但发展惊人

2、水泥品种

1）按化学成分为：

①硅酸盐类水泥

有六大类：硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、矿渣硅