第一章 砂石材料
[重點(diǎn)內(nèi)容和學(xué)習(xí)要求]
本章重點(diǎn)講述砂石材料的技術(shù)性質(zhì)和技術(shù)要求，礦質(zhì)混合料的級(jí)配理論和組成設(shè)計(jì)方法。
通過(guò)學(xué)習(xí)，要求學(xué)生必須了解和評(píng)價(jià)砂石材料技術(shù)性質(zhì)的主要指標(biāo)，學(xué)會(huì)檢驗(yàn)砂石材料技術(shù)性質(zhì)的方法，學(xué)會(huì)應(yīng)用級(jí)配理論設(shè)計(jì)礦質(zhì)混合料配合組成的方法。
砂石材料是道路與橋梁建筑中用量最大的一種建筑材料，它可以直接(或經(jīng)加工后)用作道路與橋梁的圬工結(jié)構(gòu)；亦可加工成各種尺寸的集料，作為水泥(或?yàn)r青)混凝土的骨料。用作道路與橋梁建筑的巖石或集料都應(yīng)具備一定的技術(shù)性質(zhì)，以適應(yīng)不同工程建筑的技術(shù)要求。特別是作為水泥(或?yàn)r青)混凝土用的集料，應(yīng)按級(jí)配理論組成，因此，還必須掌握其組成設(shè)計(jì)的方法。
1.1 砂石材料的技術(shù)性質(zhì)
砂石材料包括：天然巖石、人工軋制的集料以及工業(yè)冶金礦渣集料等，本節(jié)將對(duì)這些 材料的技術(shù)性質(zhì)予以論述。
1.1.1 巖石的技術(shù)性質(zhì)
巖石的技術(shù)性質(zhì)，主要從物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)三方面來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。
1.物理性質(zhì)巖石的物理性質(zhì)包括：物理常數(shù)(如真實(shí)密度、毛體積密度和孔隙率等)、吸水性(如吸水率、飽水率等)和耐候性(如耐凍性、堅(jiān)固性等)。
(1)物理常數(shù):巖石的物理常數(shù)是巖石礦物組成結(jié)構(gòu)狀態(tài)的反映，它與巖石的技術(shù)性質(zhì)有著密切的聯(lián)系。巖石的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)主要是由礦物實(shí)體和孔隙(包括與外界連通的開(kāi)口孔隙和不與外界連通的閉口孔隙)所組成，如圖1-1a。各部分的質(zhì)量與體積的關(guān)系如圖1-1b。
為了反映巖石的組成結(jié)構(gòu)以及它與物理一力學(xué)性質(zhì)間的關(guān)系，通常采用一些物理常數(shù)來(lái)表征它。在路橋工程用塊狀巖石中，最常用的物理常數(shù)主要是真實(shí)密度、毛體積密度和孔隙率。這些物理常數(shù)可以間接預(yù)測(cè)巖石的有關(guān)物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)。
1)真實(shí)密度。巖石的真實(shí)密度(簡(jiǎn)稱(chēng)密度)是巖石在規(guī)定條件(105℃±5℃烘干至恒重，溫度20℃±2℃)下，烘干巖石礦質(zhì)單位體積(不包括開(kāi)口與閉口孔隙體積)的質(zhì)量。真實(shí)密度用ρt表示，由圖1-1b所示，巖石真實(shí)密度可表示為
(1-1a)
式中 ——巖石的真實(shí)密度（g／cm3）；
——巖石礦質(zhì)實(shí)體的質(zhì)量（g）；
——巖石礦質(zhì)實(shí)體的體積（cm3）。
(1-1b)
式中 M——巖石的質(zhì)量（g）。
巖石真實(shí)密度的測(cè)定方法，按我國(guó)現(xiàn)行《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E41—2005)采用“密度瓶法”。
2)毛體積密度。巖石的毛體積密度是在規(guī)定條件下，烘干巖石(包括孔隙在內(nèi))的單位體積的質(zhì)量。根據(jù)巖石含水狀態(tài)，毛體積密度可分為干密度、飽和密度和天然密度。毛體積干密度用表示，由圖1-1b所示體積與質(zhì)量的關(guān)系可表示為
（1-2a）
式中 ——巖石的毛體積密度(g／m3)；
——巖石開(kāi)口孔隙和閉口孔隙的體積(cm3)。
由于M=ms，巖石的礦質(zhì)實(shí)體體積和孔隙體積之和即巖石的毛體積，故式(1-2a)可寫(xiě)為
(1-2b)
式中 M——巖石的質(zhì)量(g)；
V——巖石的毛體積(cm3)。
巖石毛體積密度的測(cè)定方法，按我國(guó)現(xiàn)行《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE41—2005)規(guī)定，采用量積法、水中稱(chēng)量法和蠟封法來(lái)測(cè)定巖石毛體積密度。
3)孔隙率。巖石的孔隙率是巖石的孔隙體積占巖石總體積(包括孔隙在內(nèi))的百分率，由圖1-1可知，巖石孔隙率表示為：
(1-3)
式中 n ——巖石的孔隙率(％)；
V0 ——巖石的孔隙(包括開(kāi)口和閉口孔隙)的體積(cm3)；
V ——巖石的總體積(cm3)。
孔隙率亦可由真實(shí)密度和毛體積密度計(jì)算，由式(1-3)整理得，
(1-4)
式中 n——巖石的孔隙率 (％)；
——巖石的真實(shí)密度 (g／cm3)；
——巖石的毛體積密度 (g／cm3)；
巖石的物理常數(shù)(真實(shí)密度、毛體積密度和孔隙率)不僅反映巖石的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)狀態(tài)，而且能間接地反映巖石的力學(xué)性質(zhì)(例如相同礦物組成的巖石，孔隙率越低，其強(qiáng)度越高)。
（2）吸水性：巖石吸水性是巖石在規(guī)定的條件下吸水的能力。巖石與水作用后，水很快濕潤(rùn)巖石的表層并填充了巖石的孔隙，因此水對(duì)巖石破壞作用的大小，主要取決于巖石的礦物組成及其結(jié)構(gòu)構(gòu)造（即孔隙分布情況和孔隙率大?。?。為此我國(guó)現(xiàn)行《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE41—2005)規(guī)定，采用吸水率和飽和吸水率兩項(xiàng)指標(biāo)表征巖石的吸水性。
1)吸水率。巖石在規(guī)定條件下，巖石試樣最大的吸水質(zhì)量與烘干巖石試件質(zhì)量之比，以百分率表示。我國(guó)現(xiàn)行《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE41—2005)規(guī)定采用自由吸水法測(cè)定，按下式計(jì)算：
（1-5）
式中 ——巖石吸水率 (％)；
——烘至恒量時(shí)的試件質(zhì)量(g)；
——吸水至恒量時(shí)的試件質(zhì)量 (g)。
2)飽和吸水率。巖石飽和吸水率是指強(qiáng)制條件下，巖石試件最大的吸水質(zhì)量占烘干巖石試件質(zhì)量的之比。以百分率表示。我國(guó)現(xiàn)行《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE41—2005)規(guī)定采用煮沸法或真空抽氣法測(cè)定，按下式計(jì)算：
（1-6）
式中 ——巖石飽和吸水率(％)；
——意義同上(g)；
——試件經(jīng)強(qiáng)制飽和后的質(zhì)量 (g)。
吸水率、飽和吸水率的大小主要取決于巖石本身礦物成分、組織構(gòu)造、孔隙特征及其孔隙率的大小，巖石吸水率、飽水率的大小直接影響巖石的耐水性及其抗凍性。
（3）抗凍性：巖石抗凍性是指巖石在飽和狀態(tài)下，抵抗反復(fù)凍結(jié)和融化的性能。巖石抗凍性對(duì)于不同的工程環(huán)境氣候有不同的要求，凍融次數(shù)規(guī)定：在嚴(yán)寒地區(qū)（最冷月的月平均氣溫低于-15℃）為25次；在寒冷地區(qū)（最冷月的月平均氣溫低于-15℃～-5℃）為15次。要求在寒冷地區(qū)的重要工程，巖石吸水率大于0.5%時(shí)，都需要對(duì)巖石進(jìn)行抗凍性試驗(yàn)。
我國(guó)現(xiàn)行抗凍性的試驗(yàn)方法是采用直接凍融法。該方法是在飽水狀態(tài)下，在-15℃時(shí)凍結(jié)4h后，放入20℃±5℃水中融解4h，為凍融循環(huán)一次，如此反復(fù)凍融至規(guī)定次數(shù)為止。經(jīng)歷規(guī)定的凍融循環(huán)次數(shù)（15次、25次等），詳細(xì)檢查各試件有無(wú)剝落、裂縫、分層及掉角等現(xiàn)象，并記錄檢查情況。將凍融試驗(yàn)后的試件烘至恒重，稱(chēng)其質(zhì)量，然后測(cè)定其抗壓強(qiáng)度，并計(jì)算巖石的凍融質(zhì)量損失率和凍融系數(shù)。
質(zhì)量損失率用下式計(jì)算
(1-7)
式中 L——凍融后的質(zhì)量損失率（%）；
——試驗(yàn)前烘干試件的質(zhì)量（g）；
——試驗(yàn)后烘干試件的質(zhì)量（g）。
此外，抗凍性亦可采用經(jīng)若干次凍融試驗(yàn)后的試件飽水抗壓強(qiáng)度與未經(jīng)凍融試驗(yàn)的試件飽水抗壓強(qiáng)度的比值(稱(chēng)為凍融系數(shù))表示。凍融系數(shù)按式（1-8）計(jì)算
(1-8)
式中 ——凍融系數(shù)；
——經(jīng)若干次凍融循環(huán)試驗(yàn)后的巖石試件飽水抗壓強(qiáng)度(MPa)；
——未經(jīng)凍融循環(huán)試驗(yàn)的巖石試件飽水抗壓強(qiáng)度(MPa)。
如無(wú)條件進(jìn)行凍融試驗(yàn)，也可采用堅(jiān)固性簡(jiǎn)易性快速測(cè)定法，這種方法通過(guò)飽和硫酸鈉溶液進(jìn)行多次浸泡與烘干循環(huán)后來(lái)測(cè)定。
巖石的抗凍性主要取決于巖石中大開(kāi)口孔隙的發(fā)育情況、親水性和可溶性礦物的含量及礦物顆粒間的連接力。大開(kāi)口孔隙越多，親水性和可溶性礦物含量越高時(shí)，巖石的抗性越低。反之，越高。
2.力學(xué)性質(zhì)路橋工程所用巖石除受上述物理性質(zhì)影響外，還受到外力的作用，還應(yīng)具備一定的力學(xué)性質(zhì)。除了一般材料力學(xué)中所講的抗壓、抗拉、抗剪、抗彎等純粹力學(xué)性質(zhì)外，還有一些為路用性能特殊設(shè)計(jì)的力學(xué)指標(biāo)，如抗磨光性、抗沖擊、抗磨耗等。在巖石的力學(xué)性質(zhì)中，主要是學(xué)習(xí)巖石的抗壓強(qiáng)度和磨耗性?xún)身?xiàng)性質(zhì)。
(1)單軸抗壓強(qiáng)度：巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，按我國(guó)現(xiàn)行《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE41—2005)規(guī)定，是將巖石制備成標(biāo)準(zhǔn)試件（建筑地基用巖石制備成直徑為50mm±2mm，高徑比為2:1圓柱體試件,橋梁工程用巖石制備成邊長(zhǎng)和高均為70mm±2 mm的立方體試件路面工程用巖石制備成邊長(zhǎng)為50mm±2mm的立方體試件或直徑和高均為50mm±2mm的圓柱體試件），經(jīng)吸水飽和后，單軸受壓并按規(guī)定的加載條件下，達(dá)到極限破壞時(shí)單位承壓面積的荷載。按下式計(jì)算：
(1-9)
式中 R——巖石抗壓強(qiáng)度（MPa）；
P——試件破壞時(shí)的荷載 (N)；
A——試件的截面積 (mm2)。
巖石的抗壓強(qiáng)度是巖石力學(xué)性質(zhì)中最重要的一項(xiàng)指標(biāo)，它是巖石強(qiáng)度分級(jí)和巖性描述的主要依據(jù)。
影響巖石單軸抗壓強(qiáng)度的因素，主要有兩個(gè)方面，一方面是巖石本身，如礦物組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造及含水狀態(tài)等，另一方面是試驗(yàn)條件，試件形狀、大小、高徑比及加工精度、加荷速率。
(2)磨耗性：磨耗性是巖石抵抗摩擦、撞擊的性能。以磨耗率表示。我國(guó)現(xiàn)行《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE41—2005)規(guī)定巖石的磨耗試驗(yàn)方法與粗集料的磨耗試驗(yàn)方法相同，按《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE42—2005)采用洛杉磯式磨耗試驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)是由一個(gè)直徑為710mm±5 mm、內(nèi)側(cè)長(zhǎng)為510mm±5mm的圓鼓和鼓中擱板所組成。試驗(yàn)用的試樣是按一定規(guī)格組成的級(jí)配巖石。在試樣加入磨耗鼓的同時(shí)，加入直徑為46.8mm的鋼球，以30～33r／min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)至要求次數(shù)后停止，取出試樣，用1.7mm方孔篩篩去試樣中的細(xì)屑，用水洗凈留在篩上的試樣，烘至恒重并稱(chēng)其質(zhì)量。巖石磨耗率按下式計(jì)算，精確至0.1%。
(1-10)
式中 ——洛杉磯磨耗率(％)；
——試驗(yàn)前烘干巖石試樣的質(zhì)量(g)；
——試驗(yàn)后洗凈烘干巖石試樣的質(zhì)量(g)。
巖石磨耗性是巖石力學(xué)性質(zhì)的另一個(gè)重要指標(biāo)，也是評(píng)定巖石等級(jí)的依據(jù)之一。
3.化學(xué)性質(zhì)在道路與橋梁的建筑中，各種礦質(zhì)集料是與結(jié)合料(水泥或?yàn)r青)組成混合料而使用于結(jié)構(gòu)物中的。隨著近代物化－力學(xué)研究的發(fā)展，認(rèn)為礦質(zhì)集料在混合料中與結(jié)合料起著復(fù)雜的物理－化學(xué)作用，礦質(zhì)集料的化學(xué)性質(zhì)很大程度地影響著混合料的物理－力學(xué)性質(zhì)。在瀝青混合料中，由于礦質(zhì)集料的化學(xué)性質(zhì)變化，對(duì)瀝青混合料的物理－力學(xué)性質(zhì)起著極為重要的作用。按SiO2的含量多少將巖石劃分為酸性、堿性及中性。按克羅斯的分類(lèi)法：巖石化學(xué)組成中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于65%的巖石稱(chēng)為酸性，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52%～65%的巖石稱(chēng)為中性，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于52%的巖石稱(chēng)為堿性。為保證瀝青混合料的強(qiáng)度，在選擇巖石時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮采用堿性巖石，當(dāng)?shù)厝狈A性巖石必須采用酸性巖石時(shí)，可摻加抗剝劑以提高瀝青與巖石的粘性。
1.1.2 集料的技術(shù)性質(zhì)
集料是指在混合料中起骨架或填充作用的粒料，包括巖石天然風(fēng)化而成的礫石(卵石)和砂等以及巖石經(jīng)人工軋制的各種尺寸的碎石。
工程上一般將集料分為粗集料和細(xì)集料兩種：在水泥混凝土中，粗集料是指粒徑大于4.75mm的碎石、礫石和破碎礫石等，粒徑小于4.75mm(方孔篩)者稱(chēng)為細(xì)集料，在瀝青混合料中，粗集料是指粒徑大于2.36mm的碎石、破碎礫石、篩選礫石和礦渣等。粒徑小于2.36mm(方孔篩)者稱(chēng)為細(xì)集料。
1.粗集料的技術(shù)性質(zhì) 粗集料包括人工軋制的碎石和天然風(fēng)化而成的卵石。本節(jié)僅對(duì)粗集料的一般技術(shù)性質(zhì)進(jìn)行闡述。
(1) 物理性質(zhì)
1)物理常數(shù)。在計(jì)算集料的物理常數(shù)時(shí)，不僅要考慮到集料顆粒中的孔隙(開(kāi)口孔隙或閉口孔隙)，還要考慮顆粒間的空隙集料的體積和質(zhì)量的關(guān)系，見(jiàn)圖1-2所示。
①表觀(guān)密度。粗集料的表觀(guān)密度是在規(guī)定條件(105℃±5℃烘干至恒重)下，單位表觀(guān)體積（包括集料礦質(zhì)實(shí)體和閉口孔隙的體積）的質(zhì)量。粗集料表觀(guān)密度，由圖1-2體積與質(zhì)量的關(guān)系，可表示為
(1-11)
式中 ρa——集料的表觀(guān)密度 (g／cm3)
ms——礦質(zhì)集料烘干質(zhì)量 (g)；
——礦質(zhì)實(shí)體體積 (cm3)；
——礦質(zhì)實(shí)體中閉口孔隙體積（cm3 ）。
粗集料表觀(guān)密度測(cè)定方法按《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》 (JTGE42—2005)規(guī)定。具體方法見(jiàn)第2篇第1章的砂石材料試驗(yàn)。
②毛體積密度。粗集料的毛體積密度是在規(guī)定的條件下，單位毛體積(包括礦質(zhì)實(shí)體、閉口孔隙和開(kāi)口孔隙)的質(zhì)量。
③堆積密度。粗集料的堆積密度是單位體積（包括礦質(zhì)實(shí)體閉口孔隙和開(kāi)口孔隙及顆粒間體積）的質(zhì)量。可按下式確定：
(1-12)
式中 ——粗集料的堆積密度(g／cm3)；
m ——粗集料的質(zhì)量（g ）；
Vf ——堆積體積（cm3）。
粗集料的堆積密度由于顆粒排列的松緊程度不同,又可分為自然堆積狀態(tài)、振實(shí)狀態(tài)和搗實(shí)狀態(tài)下的堆積密度。
④空隙率。粗集料空隙率是集料試樣在自然堆積(或振實(shí)緊密堆積)時(shí)的空隙體積占總體積的百分率。粗集料空隙率可按下式計(jì)算：
(1-13)
式中 n——粗集料的空隙率(％)；
——粗集料的表觀(guān)密度(g／cm3)；
——粗集料的自然(或緊密)堆積密度(g／cm3)。
2)級(jí)配。粗集料中各組成顆粒的分級(jí)和搭配稱(chēng)為級(jí)配。級(jí)配是通過(guò)篩析試驗(yàn)確定的。對(duì)水泥混凝土用粗集料可采用干篩法篩分試驗(yàn)，對(duì)瀝青混合料及基層用粗集料必須采用水先法篩分試驗(yàn)。其標(biāo)準(zhǔn)篩孔孔徑為2.36mm、4.75 mm、9.5 mm、13.2 mm、16 mm、19 mm、26.5 mm、31.5 mm、37.5 mm、53mm、63mm、70mm，測(cè)定出存留在各個(gè)篩上的集料質(zhì)量，根據(jù)集料試樣的質(zhì)量與存留在各篩孔上的集料質(zhì)量，就可求得一系列與集料級(jí)配有關(guān)的參數(shù)：①分計(jì)篩余百分率。②累計(jì)篩余百分率。③通過(guò)百分率。粗集料的這些參數(shù)計(jì)算方法與細(xì)集料相同。詳見(jiàn)“細(xì)集料的技術(shù)性質(zhì)”內(nèi)容，通過(guò)計(jì)算可判斷級(jí)配是否符合要求。
粗集料的級(jí)配可分為連續(xù)級(jí)配和間斷級(jí)配兩種。連續(xù)級(jí)配石子粒級(jí)呈連續(xù)性，即顆粒由小到大，每種粒徑的石子都占有適當(dāng)比例。用其配制的混凝土和易性良好，不易發(fā)生分層、離析現(xiàn)象，是目前最常用的一種級(jí)配。采石場(chǎng)按供應(yīng)方式，也將石子分為連續(xù)粒級(jí)和單粒級(jí)兩種。單粒級(jí)由于粒徑差別較小，可避免連續(xù)粒級(jí)中較大粒徑石子在堆放及裝卸過(guò)程中的顆粒離析現(xiàn)象。單粒級(jí)宜用組合成所要求級(jí)配的連續(xù)粒級(jí)，也可與連續(xù)粒級(jí)混合使用，以改善其級(jí)配或配成較大粒度的連續(xù)粒級(jí)，工程中一般不宜采用單一的單粒級(jí)配制混凝土，因?yàn)樗目障堵瘦^大，耗用水泥多。
間斷級(jí)配是指人為地剔除一級(jí)或幾級(jí)中間粒徑顆粒級(jí)配法。使石子粒徑不連續(xù)，造成顆粒級(jí)配間斷，這種級(jí)配方法可獲得更小的空隙率，密實(shí)性更好，從而可節(jié)約水泥。但由于間斷級(jí)配中石子顆粒粒徑相差較大，容易使混凝土拌和物分層離析，增加施工困難，故在工程中應(yīng)用較少。
3)堅(jiān)固性。對(duì)已軋制成的碎石或天然卵石采用規(guī)定級(jí)配的各粒級(jí)集料，按現(xiàn)行《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE42—2005)選取規(guī)定數(shù)量，分別裝在金屬網(wǎng)籃浸入飽和硫酸鈉溶液中進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)。經(jīng)5次循環(huán)后，觀(guān)察其表面破壞情況，并用質(zhì)量損失百分率來(lái)計(jì)算其堅(jiān)固性。
（2）路用粗集料的力學(xué)性質(zhì)：粗集料的力學(xué)性質(zhì)主要有壓碎值和磨耗率，其次是抗滑表層用集料的三項(xiàng)試驗(yàn)，即磨光值、道瑞磨耗值和沖擊值。洛杉機(jī)式磨耗試驗(yàn)已在巖石力學(xué)性質(zhì)中講過(guò)，現(xiàn)將壓碎值、磨光值、道瑞磨耗值和沖擊值分述如下。
1）集料壓碎值。集料壓碎值是集料在連續(xù)增加的荷載下，抵抗壓碎的能力。它作為相對(duì)衡量巖石強(qiáng)度的一個(gè)指標(biāo)，用以評(píng)價(jià)其在公路工程中的適用性。
按現(xiàn)行《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》 (JTGE42—2005)規(guī)定，該方法是將9.5～13.2mm的集料試樣3kg裝入壓碎值測(cè)定儀的鋼質(zhì)圓筒內(nèi)，放在壓力機(jī)上，在10min左右時(shí)間內(nèi)加荷至400kN，穩(wěn)壓5s然后卸載，測(cè)定通過(guò)2.36mm(方孔)的篩余質(zhì)量，按下式計(jì)算壓碎值
(1-14)
式中 ——集料壓碎值(%)
mo——試驗(yàn)前試樣質(zhì)量(g)；
ml——試驗(yàn)后通過(guò)2.36mm篩孔的細(xì)料質(zhì)量(g)
2)粗集料磨光值（PSV）?，F(xiàn)代高速交通的行車(chē)條件對(duì)路面的抗滑性提出了更高的要求。作為路面用的集料，在車(chē)輛輪胎的作用下，不僅要求具有較高的抗磨耗性，而且要求具有高的抗磨光性。集料磨光值是利用加速磨光機(jī)磨光集料，用擺式摩擦系數(shù)測(cè)定儀測(cè)得的集料經(jīng)磨光后的摩擦系數(shù)值。以PSV來(lái)表示。
粗集料磨光值愈高，表示其抗滑性愈好。
3)集料沖擊值（LSV）。集料抵抗多次連續(xù)重復(fù)沖擊荷載作用的性能，稱(chēng)為抗沖韌性。按照現(xiàn)行試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定，集料抗沖擊能力采用“集料沖擊值”表示。集料沖擊值的試驗(yàn)方法是，選取粒徑為9.5～13.2mm(方孔篩)的集料試樣，用金屬量筒分三次搗實(shí)的方法確定試驗(yàn)用集料數(shù)量。將集料裝于沖擊值試驗(yàn)儀的盛樣器中，用搗實(shí)桿搗實(shí)25次，使其初步壓實(shí)。然后用質(zhì)量13.75kg±0.05kg的沖擊錘，沿導(dǎo)桿自380mm±5mm處自由落下錘擊集料，并連續(xù)錘擊15次，每次錘擊間隔時(shí)間不少于1s。將試驗(yàn)后的集料在2.36mm的篩上篩分并稱(chēng)量。沖擊值按下式計(jì)算：
(1-15)
式中 LSV——集料的沖擊值（%）；
——沖擊破碎后通過(guò)2.36mm的試樣質(zhì)量(g)；
——試樣總質(zhì)量(g)。
4)集料磨耗值(道瑞試驗(yàn))。集料磨耗值用于評(píng)定抗滑表層所用粗集料抵抗車(chē)輪撞擊及磨耗的能力。按現(xiàn)行試驗(yàn)規(guī)程《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE42—2005)規(guī)定，采用道瑞磨耗試驗(yàn)機(jī)來(lái)測(cè)定集料磨耗值。其方法是選取粒徑為9.5～13.2mm(方孔篩)的洗凈集料集料試樣，單層緊排于兩個(gè)試模內(nèi)(不少于24粒)，然后排砂并用環(huán)氧樹(shù)脂砂漿填充密實(shí)。經(jīng)24h養(yǎng)護(hù)后，拆模取出試件，刷清殘砂，準(zhǔn)確稱(chēng)出試樣質(zhì)量，然后將試件安裝在試驗(yàn)機(jī)附的托盤(pán)上。為保證試件受磨時(shí)的壓力固定，應(yīng)使試件、托盤(pán)和配重的總質(zhì)量為2000g±10g。將試件安裝于道瑞磨耗機(jī)上，道瑞磨耗機(jī)的磨盤(pán)以28～30r／min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，磨500r后，取出試件，刷凈殘砂，準(zhǔn)確稱(chēng)出試件質(zhì)量。集料磨耗值按下式計(jì)算：
(1-16)
式中 AAV——集料的道瑞磨耗值；
m1——磨耗前試件的質(zhì)量(g)；
m2——磨耗后試件的質(zhì)量(g)；
——集料表干密度(g／cm3)。
集料磨耗值越高，表明集料的耐磨性越差。
2.細(xì)集料的技術(shù)性質(zhì) 細(xì)集料的技術(shù)性質(zhì)主要包括物理性質(zhì)、顆粒級(jí)配和粗度。
（1）物理性質(zhì)：細(xì)集料的物理常數(shù)主要有表觀(guān)密度、堆積密度和空隙率等，其含義與粗集料完全相同，具體數(shù)值可通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定。計(jì)算方法與粗集料相同，詳見(jiàn)粗集料技術(shù)性質(zhì)。
（2）顆粒級(jí)配與粗度：顆粒級(jí)配是集料各級(jí)粒徑顆粒的分配情況。砂的級(jí)配可通過(guò)砂的篩分試驗(yàn)確定。砂的篩分試驗(yàn)，是取試樣500g，在一整套標(biāo)準(zhǔn)篩上進(jìn)行篩分，分別求出試樣存留在各篩上質(zhì)量。然后按下述方法計(jì)算其級(jí)配有關(guān)參數(shù)。
1)分計(jì)篩余百分率。在各號(hào)篩上的篩余質(zhì)量占試樣總質(zhì)量的百分率，準(zhǔn)確至0.1%，可按下式求得
(1-17)
式中 ——各號(hào)篩的分計(jì)篩余百分率（%）；
——存留在某號(hào)篩上的質(zhì)量(g)；
M ——試樣的總質(zhì)量(g)。
2)累計(jì)篩余百分率。該號(hào)篩的分計(jì)篩余百分率和大于該號(hào)篩的各號(hào)篩的分計(jì)篩余百分率之總和，精確至0.1%，按下式求得
(1-18)
式中 ——各號(hào)篩的累計(jì)篩余百分率 (％)；
——從4.75mm,2.36mm,…至計(jì)算的某號(hào)篩的分計(jì)篩余(方孔篩)（%）。
3)通過(guò)百分率。各號(hào)篩的質(zhì)量通過(guò)百分率等于100減去該號(hào)篩的累計(jì)篩余百分率，準(zhǔn)確至0.1%，按下式求得
(1-19)
式中 p——各號(hào)篩的通過(guò)百分率(％)；
——各號(hào)篩的累計(jì)篩余百分率(％)。
4)粗度。粗度是評(píng)價(jià)砂粗細(xì)程度的一種指標(biāo)。通常用細(xì)度模數(shù)表示。細(xì)度模數(shù)按下式計(jì)算，精確至0.01。
(1-20)
式中?——砂的細(xì)度模數(shù)；
——分別為0.15mm、0.3mm、4.75mm各號(hào)篩上的累計(jì)篩余百分率 (％)；
細(xì)度模數(shù)越大，表示細(xì)集料越粗。我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《建筑用砂》(GB／T14684--2001)規(guī)定，砂的粗度按細(xì)度模數(shù)分為下列三級(jí)：
＝3.7～3.1為粗砂；＝3.0～2.3為中砂； ＝2.2～1.6為細(xì)砂。
砂的細(xì)度模數(shù)只能用劃分砂的粗細(xì)程度,并不能反映砂的級(jí)配優(yōu)劣，細(xì)度模數(shù)相同的砂,其級(jí)配不一定相同。
用累計(jì)篩余百分率繪制級(jí)配曲線(xiàn)表示砂顆粒級(jí)配情況,根據(jù)《建筑用砂》(GB／T14684--2001)，是以0.6 mm孔徑篩的累計(jì)篩余率劃分為三個(gè)級(jí)配區(qū)。級(jí)配范圍見(jiàn)表1-1，砂的級(jí)配應(yīng)符合表中任何一個(gè)級(jí)配區(qū)所規(guī)定的級(jí)配范圍。
表1-1 砂的分區(qū)及級(jí)配范圍 級(jí)配區(qū)
[重點(diǎn)內(nèi)容和學(xué)習(xí)要求]
本章重點(diǎn)講述砂石材料的技術(shù)性質(zhì)和技術(shù)要求，礦質(zhì)混合料的級(jí)配理論和組成設(shè)計(jì)方法。
通過(guò)學(xué)習(xí)，要求學(xué)生必須了解和評(píng)價(jià)砂石材料技術(shù)性質(zhì)的主要指標(biāo)，學(xué)會(huì)檢驗(yàn)砂石材料技術(shù)性質(zhì)的方法，學(xué)會(huì)應(yīng)用級(jí)配理論設(shè)計(jì)礦質(zhì)混合料配合組成的方法。
砂石材料是道路與橋梁建筑中用量最大的一種建筑材料，它可以直接(或經(jīng)加工后)用作道路與橋梁的圬工結(jié)構(gòu)；亦可加工成各種尺寸的集料，作為水泥(或?yàn)r青)混凝土的骨料。用作道路與橋梁建筑的巖石或集料都應(yīng)具備一定的技術(shù)性質(zhì)，以適應(yīng)不同工程建筑的技術(shù)要求。特別是作為水泥(或?yàn)r青)混凝土用的集料，應(yīng)按級(jí)配理論組成，因此，還必須掌握其組成設(shè)計(jì)的方法。
1.1 砂石材料的技術(shù)性質(zhì)
砂石材料包括：天然巖石、人工軋制的集料以及工業(yè)冶金礦渣集料等，本節(jié)將對(duì)這些 材料的技術(shù)性質(zhì)予以論述。
1.1.1 巖石的技術(shù)性質(zhì)
巖石的技術(shù)性質(zhì)，主要從物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)三方面來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。
1.物理性質(zhì)巖石的物理性質(zhì)包括：物理常數(shù)(如真實(shí)密度、毛體積密度和孔隙率等)、吸水性(如吸水率、飽水率等)和耐候性(如耐凍性、堅(jiān)固性等)。
(1)物理常數(shù):巖石的物理常數(shù)是巖石礦物組成結(jié)構(gòu)狀態(tài)的反映，它與巖石的技術(shù)性質(zhì)有著密切的聯(lián)系。巖石的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)主要是由礦物實(shí)體和孔隙(包括與外界連通的開(kāi)口孔隙和不與外界連通的閉口孔隙)所組成，如圖1-1a。各部分的質(zhì)量與體積的關(guān)系如圖1-1b。
為了反映巖石的組成結(jié)構(gòu)以及它與物理一力學(xué)性質(zhì)間的關(guān)系，通常采用一些物理常數(shù)來(lái)表征它。在路橋工程用塊狀巖石中，最常用的物理常數(shù)主要是真實(shí)密度、毛體積密度和孔隙率。這些物理常數(shù)可以間接預(yù)測(cè)巖石的有關(guān)物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)。
1)真實(shí)密度。巖石的真實(shí)密度(簡(jiǎn)稱(chēng)密度)是巖石在規(guī)定條件(105℃±5℃烘干至恒重，溫度20℃±2℃)下，烘干巖石礦質(zhì)單位體積(不包括開(kāi)口與閉口孔隙體積)的質(zhì)量。真實(shí)密度用ρt表示，由圖1-1b所示，巖石真實(shí)密度可表示為
(1-1a)
式中 ——巖石的真實(shí)密度（g／cm3）；
——巖石礦質(zhì)實(shí)體的質(zhì)量（g）；
——巖石礦質(zhì)實(shí)體的體積（cm3）。
(1-1b)
式中 M——巖石的質(zhì)量（g）。
巖石真實(shí)密度的測(cè)定方法，按我國(guó)現(xiàn)行《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E41—2005)采用“密度瓶法”。
2)毛體積密度。巖石的毛體積密度是在規(guī)定條件下，烘干巖石(包括孔隙在內(nèi))的單位體積的質(zhì)量。根據(jù)巖石含水狀態(tài)，毛體積密度可分為干密度、飽和密度和天然密度。毛體積干密度用表示，由圖1-1b所示體積與質(zhì)量的關(guān)系可表示為
（1-2a）
式中 ——巖石的毛體積密度(g／m3)；
——巖石開(kāi)口孔隙和閉口孔隙的體積(cm3)。
由于M=ms，巖石的礦質(zhì)實(shí)體體積和孔隙體積之和即巖石的毛體積，故式(1-2a)可寫(xiě)為
(1-2b)
式中 M——巖石的質(zhì)量(g)；
V——巖石的毛體積(cm3)。
巖石毛體積密度的測(cè)定方法，按我國(guó)現(xiàn)行《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE41—2005)規(guī)定，采用量積法、水中稱(chēng)量法和蠟封法來(lái)測(cè)定巖石毛體積密度。
3)孔隙率。巖石的孔隙率是巖石的孔隙體積占巖石總體積(包括孔隙在內(nèi))的百分率，由圖1-1可知，巖石孔隙率表示為：
(1-3)
式中 n ——巖石的孔隙率(％)；
V0 ——巖石的孔隙(包括開(kāi)口和閉口孔隙)的體積(cm3)；
V ——巖石的總體積(cm3)。
孔隙率亦可由真實(shí)密度和毛體積密度計(jì)算，由式(1-3)整理得，
(1-4)
式中 n——巖石的孔隙率 (％)；
——巖石的真實(shí)密度 (g／cm3)；
——巖石的毛體積密度 (g／cm3)；
巖石的物理常數(shù)(真實(shí)密度、毛體積密度和孔隙率)不僅反映巖石的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)狀態(tài)，而且能間接地反映巖石的力學(xué)性質(zhì)(例如相同礦物組成的巖石，孔隙率越低，其強(qiáng)度越高)。
（2）吸水性：巖石吸水性是巖石在規(guī)定的條件下吸水的能力。巖石與水作用后，水很快濕潤(rùn)巖石的表層并填充了巖石的孔隙，因此水對(duì)巖石破壞作用的大小，主要取決于巖石的礦物組成及其結(jié)構(gòu)構(gòu)造（即孔隙分布情況和孔隙率大?。?。為此我國(guó)現(xiàn)行《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE41—2005)規(guī)定，采用吸水率和飽和吸水率兩項(xiàng)指標(biāo)表征巖石的吸水性。
1)吸水率。巖石在規(guī)定條件下，巖石試樣最大的吸水質(zhì)量與烘干巖石試件質(zhì)量之比，以百分率表示。我國(guó)現(xiàn)行《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE41—2005)規(guī)定采用自由吸水法測(cè)定，按下式計(jì)算：
（1-5）
式中 ——巖石吸水率 (％)；
——烘至恒量時(shí)的試件質(zhì)量(g)；
——吸水至恒量時(shí)的試件質(zhì)量 (g)。
2)飽和吸水率。巖石飽和吸水率是指強(qiáng)制條件下，巖石試件最大的吸水質(zhì)量占烘干巖石試件質(zhì)量的之比。以百分率表示。我國(guó)現(xiàn)行《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE41—2005)規(guī)定采用煮沸法或真空抽氣法測(cè)定，按下式計(jì)算：
（1-6）
式中 ——巖石飽和吸水率(％)；
——意義同上(g)；
——試件經(jīng)強(qiáng)制飽和后的質(zhì)量 (g)。
吸水率、飽和吸水率的大小主要取決于巖石本身礦物成分、組織構(gòu)造、孔隙特征及其孔隙率的大小，巖石吸水率、飽水率的大小直接影響巖石的耐水性及其抗凍性。
（3）抗凍性：巖石抗凍性是指巖石在飽和狀態(tài)下，抵抗反復(fù)凍結(jié)和融化的性能。巖石抗凍性對(duì)于不同的工程環(huán)境氣候有不同的要求，凍融次數(shù)規(guī)定：在嚴(yán)寒地區(qū)（最冷月的月平均氣溫低于-15℃）為25次；在寒冷地區(qū)（最冷月的月平均氣溫低于-15℃～-5℃）為15次。要求在寒冷地區(qū)的重要工程，巖石吸水率大于0.5%時(shí)，都需要對(duì)巖石進(jìn)行抗凍性試驗(yàn)。
我國(guó)現(xiàn)行抗凍性的試驗(yàn)方法是采用直接凍融法。該方法是在飽水狀態(tài)下，在-15℃時(shí)凍結(jié)4h后，放入20℃±5℃水中融解4h，為凍融循環(huán)一次，如此反復(fù)凍融至規(guī)定次數(shù)為止。經(jīng)歷規(guī)定的凍融循環(huán)次數(shù)（15次、25次等），詳細(xì)檢查各試件有無(wú)剝落、裂縫、分層及掉角等現(xiàn)象，并記錄檢查情況。將凍融試驗(yàn)后的試件烘至恒重，稱(chēng)其質(zhì)量，然后測(cè)定其抗壓強(qiáng)度，并計(jì)算巖石的凍融質(zhì)量損失率和凍融系數(shù)。
質(zhì)量損失率用下式計(jì)算
(1-7)
式中 L——凍融后的質(zhì)量損失率（%）；
——試驗(yàn)前烘干試件的質(zhì)量（g）；
——試驗(yàn)后烘干試件的質(zhì)量（g）。
此外，抗凍性亦可采用經(jīng)若干次凍融試驗(yàn)后的試件飽水抗壓強(qiáng)度與未經(jīng)凍融試驗(yàn)的試件飽水抗壓強(qiáng)度的比值(稱(chēng)為凍融系數(shù))表示。凍融系數(shù)按式（1-8）計(jì)算
(1-8)
式中 ——凍融系數(shù)；
——經(jīng)若干次凍融循環(huán)試驗(yàn)后的巖石試件飽水抗壓強(qiáng)度(MPa)；
——未經(jīng)凍融循環(huán)試驗(yàn)的巖石試件飽水抗壓強(qiáng)度(MPa)。
如無(wú)條件進(jìn)行凍融試驗(yàn)，也可采用堅(jiān)固性簡(jiǎn)易性快速測(cè)定法，這種方法通過(guò)飽和硫酸鈉溶液進(jìn)行多次浸泡與烘干循環(huán)后來(lái)測(cè)定。
巖石的抗凍性主要取決于巖石中大開(kāi)口孔隙的發(fā)育情況、親水性和可溶性礦物的含量及礦物顆粒間的連接力。大開(kāi)口孔隙越多，親水性和可溶性礦物含量越高時(shí)，巖石的抗性越低。反之，越高。
2.力學(xué)性質(zhì)路橋工程所用巖石除受上述物理性質(zhì)影響外，還受到外力的作用，還應(yīng)具備一定的力學(xué)性質(zhì)。除了一般材料力學(xué)中所講的抗壓、抗拉、抗剪、抗彎等純粹力學(xué)性質(zhì)外，還有一些為路用性能特殊設(shè)計(jì)的力學(xué)指標(biāo)，如抗磨光性、抗沖擊、抗磨耗等。在巖石的力學(xué)性質(zhì)中，主要是學(xué)習(xí)巖石的抗壓強(qiáng)度和磨耗性?xún)身?xiàng)性質(zhì)。
(1)單軸抗壓強(qiáng)度：巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，按我國(guó)現(xiàn)行《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE41—2005)規(guī)定，是將巖石制備成標(biāo)準(zhǔn)試件（建筑地基用巖石制備成直徑為50mm±2mm，高徑比為2:1圓柱體試件,橋梁工程用巖石制備成邊長(zhǎng)和高均為70mm±2 mm的立方體試件路面工程用巖石制備成邊長(zhǎng)為50mm±2mm的立方體試件或直徑和高均為50mm±2mm的圓柱體試件），經(jīng)吸水飽和后，單軸受壓并按規(guī)定的加載條件下，達(dá)到極限破壞時(shí)單位承壓面積的荷載。按下式計(jì)算：
(1-9)
式中 R——巖石抗壓強(qiáng)度（MPa）；
P——試件破壞時(shí)的荷載 (N)；
A——試件的截面積 (mm2)。
巖石的抗壓強(qiáng)度是巖石力學(xué)性質(zhì)中最重要的一項(xiàng)指標(biāo)，它是巖石強(qiáng)度分級(jí)和巖性描述的主要依據(jù)。
影響巖石單軸抗壓強(qiáng)度的因素，主要有兩個(gè)方面，一方面是巖石本身，如礦物組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造及含水狀態(tài)等，另一方面是試驗(yàn)條件，試件形狀、大小、高徑比及加工精度、加荷速率。
(2)磨耗性：磨耗性是巖石抵抗摩擦、撞擊的性能。以磨耗率表示。我國(guó)現(xiàn)行《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE41—2005)規(guī)定巖石的磨耗試驗(yàn)方法與粗集料的磨耗試驗(yàn)方法相同，按《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE42—2005)采用洛杉磯式磨耗試驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)是由一個(gè)直徑為710mm±5 mm、內(nèi)側(cè)長(zhǎng)為510mm±5mm的圓鼓和鼓中擱板所組成。試驗(yàn)用的試樣是按一定規(guī)格組成的級(jí)配巖石。在試樣加入磨耗鼓的同時(shí)，加入直徑為46.8mm的鋼球，以30～33r／min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)至要求次數(shù)后停止，取出試樣，用1.7mm方孔篩篩去試樣中的細(xì)屑，用水洗凈留在篩上的試樣，烘至恒重并稱(chēng)其質(zhì)量。巖石磨耗率按下式計(jì)算，精確至0.1%。
(1-10)
式中 ——洛杉磯磨耗率(％)；
——試驗(yàn)前烘干巖石試樣的質(zhì)量(g)；
——試驗(yàn)后洗凈烘干巖石試樣的質(zhì)量(g)。
巖石磨耗性是巖石力學(xué)性質(zhì)的另一個(gè)重要指標(biāo)，也是評(píng)定巖石等級(jí)的依據(jù)之一。
3.化學(xué)性質(zhì)在道路與橋梁的建筑中，各種礦質(zhì)集料是與結(jié)合料(水泥或?yàn)r青)組成混合料而使用于結(jié)構(gòu)物中的。隨著近代物化－力學(xué)研究的發(fā)展，認(rèn)為礦質(zhì)集料在混合料中與結(jié)合料起著復(fù)雜的物理－化學(xué)作用，礦質(zhì)集料的化學(xué)性質(zhì)很大程度地影響著混合料的物理－力學(xué)性質(zhì)。在瀝青混合料中，由于礦質(zhì)集料的化學(xué)性質(zhì)變化，對(duì)瀝青混合料的物理－力學(xué)性質(zhì)起著極為重要的作用。按SiO2的含量多少將巖石劃分為酸性、堿性及中性。按克羅斯的分類(lèi)法：巖石化學(xué)組成中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于65%的巖石稱(chēng)為酸性，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52%～65%的巖石稱(chēng)為中性，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于52%的巖石稱(chēng)為堿性。為保證瀝青混合料的強(qiáng)度，在選擇巖石時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮采用堿性巖石，當(dāng)?shù)厝狈A性巖石必須采用酸性巖石時(shí)，可摻加抗剝劑以提高瀝青與巖石的粘性。
1.1.2 集料的技術(shù)性質(zhì)
集料是指在混合料中起骨架或填充作用的粒料，包括巖石天然風(fēng)化而成的礫石(卵石)和砂等以及巖石經(jīng)人工軋制的各種尺寸的碎石。
工程上一般將集料分為粗集料和細(xì)集料兩種：在水泥混凝土中，粗集料是指粒徑大于4.75mm的碎石、礫石和破碎礫石等，粒徑小于4.75mm(方孔篩)者稱(chēng)為細(xì)集料，在瀝青混合料中，粗集料是指粒徑大于2.36mm的碎石、破碎礫石、篩選礫石和礦渣等。粒徑小于2.36mm(方孔篩)者稱(chēng)為細(xì)集料。
1.粗集料的技術(shù)性質(zhì) 粗集料包括人工軋制的碎石和天然風(fēng)化而成的卵石。本節(jié)僅對(duì)粗集料的一般技術(shù)性質(zhì)進(jìn)行闡述。
(1) 物理性質(zhì)
1)物理常數(shù)。在計(jì)算集料的物理常數(shù)時(shí)，不僅要考慮到集料顆粒中的孔隙(開(kāi)口孔隙或閉口孔隙)，還要考慮顆粒間的空隙集料的體積和質(zhì)量的關(guān)系，見(jiàn)圖1-2所示。
①表觀(guān)密度。粗集料的表觀(guān)密度是在規(guī)定條件(105℃±5℃烘干至恒重)下，單位表觀(guān)體積（包括集料礦質(zhì)實(shí)體和閉口孔隙的體積）的質(zhì)量。粗集料表觀(guān)密度，由圖1-2體積與質(zhì)量的關(guān)系，可表示為
(1-11)
式中 ρa——集料的表觀(guān)密度 (g／cm3)
ms——礦質(zhì)集料烘干質(zhì)量 (g)；
——礦質(zhì)實(shí)體體積 (cm3)；
——礦質(zhì)實(shí)體中閉口孔隙體積（cm3 ）。
粗集料表觀(guān)密度測(cè)定方法按《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》 (JTGE42—2005)規(guī)定。具體方法見(jiàn)第2篇第1章的砂石材料試驗(yàn)。
②毛體積密度。粗集料的毛體積密度是在規(guī)定的條件下，單位毛體積(包括礦質(zhì)實(shí)體、閉口孔隙和開(kāi)口孔隙)的質(zhì)量。
③堆積密度。粗集料的堆積密度是單位體積（包括礦質(zhì)實(shí)體閉口孔隙和開(kāi)口孔隙及顆粒間體積）的質(zhì)量。可按下式確定：
(1-12)
式中 ——粗集料的堆積密度(g／cm3)；
m ——粗集料的質(zhì)量（g ）；
Vf ——堆積體積（cm3）。
粗集料的堆積密度由于顆粒排列的松緊程度不同,又可分為自然堆積狀態(tài)、振實(shí)狀態(tài)和搗實(shí)狀態(tài)下的堆積密度。
④空隙率。粗集料空隙率是集料試樣在自然堆積(或振實(shí)緊密堆積)時(shí)的空隙體積占總體積的百分率。粗集料空隙率可按下式計(jì)算：
(1-13)
式中 n——粗集料的空隙率(％)；
——粗集料的表觀(guān)密度(g／cm3)；
——粗集料的自然(或緊密)堆積密度(g／cm3)。
2)級(jí)配。粗集料中各組成顆粒的分級(jí)和搭配稱(chēng)為級(jí)配。級(jí)配是通過(guò)篩析試驗(yàn)確定的。對(duì)水泥混凝土用粗集料可采用干篩法篩分試驗(yàn)，對(duì)瀝青混合料及基層用粗集料必須采用水先法篩分試驗(yàn)。其標(biāo)準(zhǔn)篩孔孔徑為2.36mm、4.75 mm、9.5 mm、13.2 mm、16 mm、19 mm、26.5 mm、31.5 mm、37.5 mm、53mm、63mm、70mm，測(cè)定出存留在各個(gè)篩上的集料質(zhì)量，根據(jù)集料試樣的質(zhì)量與存留在各篩孔上的集料質(zhì)量，就可求得一系列與集料級(jí)配有關(guān)的參數(shù)：①分計(jì)篩余百分率。②累計(jì)篩余百分率。③通過(guò)百分率。粗集料的這些參數(shù)計(jì)算方法與細(xì)集料相同。詳見(jiàn)“細(xì)集料的技術(shù)性質(zhì)”內(nèi)容，通過(guò)計(jì)算可判斷級(jí)配是否符合要求。
粗集料的級(jí)配可分為連續(xù)級(jí)配和間斷級(jí)配兩種。連續(xù)級(jí)配石子粒級(jí)呈連續(xù)性，即顆粒由小到大，每種粒徑的石子都占有適當(dāng)比例。用其配制的混凝土和易性良好，不易發(fā)生分層、離析現(xiàn)象，是目前最常用的一種級(jí)配。采石場(chǎng)按供應(yīng)方式，也將石子分為連續(xù)粒級(jí)和單粒級(jí)兩種。單粒級(jí)由于粒徑差別較小，可避免連續(xù)粒級(jí)中較大粒徑石子在堆放及裝卸過(guò)程中的顆粒離析現(xiàn)象。單粒級(jí)宜用組合成所要求級(jí)配的連續(xù)粒級(jí)，也可與連續(xù)粒級(jí)混合使用，以改善其級(jí)配或配成較大粒度的連續(xù)粒級(jí)，工程中一般不宜采用單一的單粒級(jí)配制混凝土，因?yàn)樗目障堵瘦^大，耗用水泥多。
間斷級(jí)配是指人為地剔除一級(jí)或幾級(jí)中間粒徑顆粒級(jí)配法。使石子粒徑不連續(xù)，造成顆粒級(jí)配間斷，這種級(jí)配方法可獲得更小的空隙率，密實(shí)性更好，從而可節(jié)約水泥。但由于間斷級(jí)配中石子顆粒粒徑相差較大，容易使混凝土拌和物分層離析，增加施工困難，故在工程中應(yīng)用較少。
3)堅(jiān)固性。對(duì)已軋制成的碎石或天然卵石采用規(guī)定級(jí)配的各粒級(jí)集料，按現(xiàn)行《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE42—2005)選取規(guī)定數(shù)量，分別裝在金屬網(wǎng)籃浸入飽和硫酸鈉溶液中進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)。經(jīng)5次循環(huán)后，觀(guān)察其表面破壞情況，并用質(zhì)量損失百分率來(lái)計(jì)算其堅(jiān)固性。
（2）路用粗集料的力學(xué)性質(zhì)：粗集料的力學(xué)性質(zhì)主要有壓碎值和磨耗率，其次是抗滑表層用集料的三項(xiàng)試驗(yàn)，即磨光值、道瑞磨耗值和沖擊值。洛杉機(jī)式磨耗試驗(yàn)已在巖石力學(xué)性質(zhì)中講過(guò)，現(xiàn)將壓碎值、磨光值、道瑞磨耗值和沖擊值分述如下。
1）集料壓碎值。集料壓碎值是集料在連續(xù)增加的荷載下，抵抗壓碎的能力。它作為相對(duì)衡量巖石強(qiáng)度的一個(gè)指標(biāo)，用以評(píng)價(jià)其在公路工程中的適用性。
按現(xiàn)行《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》 (JTGE42—2005)規(guī)定，該方法是將9.5～13.2mm的集料試樣3kg裝入壓碎值測(cè)定儀的鋼質(zhì)圓筒內(nèi)，放在壓力機(jī)上，在10min左右時(shí)間內(nèi)加荷至400kN，穩(wěn)壓5s然后卸載，測(cè)定通過(guò)2.36mm(方孔)的篩余質(zhì)量，按下式計(jì)算壓碎值
(1-14)
式中 ——集料壓碎值(%)
mo——試驗(yàn)前試樣質(zhì)量(g)；
ml——試驗(yàn)后通過(guò)2.36mm篩孔的細(xì)料質(zhì)量(g)
2)粗集料磨光值（PSV）?，F(xiàn)代高速交通的行車(chē)條件對(duì)路面的抗滑性提出了更高的要求。作為路面用的集料，在車(chē)輛輪胎的作用下，不僅要求具有較高的抗磨耗性，而且要求具有高的抗磨光性。集料磨光值是利用加速磨光機(jī)磨光集料，用擺式摩擦系數(shù)測(cè)定儀測(cè)得的集料經(jīng)磨光后的摩擦系數(shù)值。以PSV來(lái)表示。
粗集料磨光值愈高，表示其抗滑性愈好。
3)集料沖擊值（LSV）。集料抵抗多次連續(xù)重復(fù)沖擊荷載作用的性能，稱(chēng)為抗沖韌性。按照現(xiàn)行試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定，集料抗沖擊能力采用“集料沖擊值”表示。集料沖擊值的試驗(yàn)方法是，選取粒徑為9.5～13.2mm(方孔篩)的集料試樣，用金屬量筒分三次搗實(shí)的方法確定試驗(yàn)用集料數(shù)量。將集料裝于沖擊值試驗(yàn)儀的盛樣器中，用搗實(shí)桿搗實(shí)25次，使其初步壓實(shí)。然后用質(zhì)量13.75kg±0.05kg的沖擊錘，沿導(dǎo)桿自380mm±5mm處自由落下錘擊集料，并連續(xù)錘擊15次，每次錘擊間隔時(shí)間不少于1s。將試驗(yàn)后的集料在2.36mm的篩上篩分并稱(chēng)量。沖擊值按下式計(jì)算：
(1-15)
式中 LSV——集料的沖擊值（%）；
——沖擊破碎后通過(guò)2.36mm的試樣質(zhì)量(g)；
——試樣總質(zhì)量(g)。
4)集料磨耗值(道瑞試驗(yàn))。集料磨耗值用于評(píng)定抗滑表層所用粗集料抵抗車(chē)輪撞擊及磨耗的能力。按現(xiàn)行試驗(yàn)規(guī)程《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE42—2005)規(guī)定，采用道瑞磨耗試驗(yàn)機(jī)來(lái)測(cè)定集料磨耗值。其方法是選取粒徑為9.5～13.2mm(方孔篩)的洗凈集料集料試樣，單層緊排于兩個(gè)試模內(nèi)(不少于24粒)，然后排砂并用環(huán)氧樹(shù)脂砂漿填充密實(shí)。經(jīng)24h養(yǎng)護(hù)后，拆模取出試件，刷清殘砂，準(zhǔn)確稱(chēng)出試樣質(zhì)量，然后將試件安裝在試驗(yàn)機(jī)附的托盤(pán)上。為保證試件受磨時(shí)的壓力固定，應(yīng)使試件、托盤(pán)和配重的總質(zhì)量為2000g±10g。將試件安裝于道瑞磨耗機(jī)上，道瑞磨耗機(jī)的磨盤(pán)以28～30r／min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，磨500r后，取出試件，刷凈殘砂，準(zhǔn)確稱(chēng)出試件質(zhì)量。集料磨耗值按下式計(jì)算：
(1-16)
式中 AAV——集料的道瑞磨耗值；
m1——磨耗前試件的質(zhì)量(g)；
m2——磨耗后試件的質(zhì)量(g)；
——集料表干密度(g／cm3)。
集料磨耗值越高，表明集料的耐磨性越差。
2.細(xì)集料的技術(shù)性質(zhì) 細(xì)集料的技術(shù)性質(zhì)主要包括物理性質(zhì)、顆粒級(jí)配和粗度。
（1）物理性質(zhì)：細(xì)集料的物理常數(shù)主要有表觀(guān)密度、堆積密度和空隙率等，其含義與粗集料完全相同，具體數(shù)值可通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定。計(jì)算方法與粗集料相同，詳見(jiàn)粗集料技術(shù)性質(zhì)。
（2）顆粒級(jí)配與粗度：顆粒級(jí)配是集料各級(jí)粒徑顆粒的分配情況。砂的級(jí)配可通過(guò)砂的篩分試驗(yàn)確定。砂的篩分試驗(yàn)，是取試樣500g，在一整套標(biāo)準(zhǔn)篩上進(jìn)行篩分，分別求出試樣存留在各篩上質(zhì)量。然后按下述方法計(jì)算其級(jí)配有關(guān)參數(shù)。
1)分計(jì)篩余百分率。在各號(hào)篩上的篩余質(zhì)量占試樣總質(zhì)量的百分率，準(zhǔn)確至0.1%，可按下式求得
(1-17)
式中 ——各號(hào)篩的分計(jì)篩余百分率（%）；
——存留在某號(hào)篩上的質(zhì)量(g)；
M ——試樣的總質(zhì)量(g)。
2)累計(jì)篩余百分率。該號(hào)篩的分計(jì)篩余百分率和大于該號(hào)篩的各號(hào)篩的分計(jì)篩余百分率之總和，精確至0.1%，按下式求得
(1-18)
式中 ——各號(hào)篩的累計(jì)篩余百分率 (％)；
——從4.75mm,2.36mm,…至計(jì)算的某號(hào)篩的分計(jì)篩余(方孔篩)（%）。
3)通過(guò)百分率。各號(hào)篩的質(zhì)量通過(guò)百分率等于100減去該號(hào)篩的累計(jì)篩余百分率，準(zhǔn)確至0.1%，按下式求得
(1-19)
式中 p——各號(hào)篩的通過(guò)百分率(％)；
——各號(hào)篩的累計(jì)篩余百分率(％)。
4)粗度。粗度是評(píng)價(jià)砂粗細(xì)程度的一種指標(biāo)。通常用細(xì)度模數(shù)表示。細(xì)度模數(shù)按下式計(jì)算，精確至0.01。
(1-20)
式中?——砂的細(xì)度模數(shù)；
——分別為0.15mm、0.3mm、4.75mm各號(hào)篩上的累計(jì)篩余百分率 (％)；
細(xì)度模數(shù)越大，表示細(xì)集料越粗。我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《建筑用砂》(GB／T14684--2001)規(guī)定，砂的粗度按細(xì)度模數(shù)分為下列三級(jí)：
＝3.7～3.1為粗砂；＝3.0～2.3為中砂； ＝2.2～1.6為細(xì)砂。
砂的細(xì)度模數(shù)只能用劃分砂的粗細(xì)程度,并不能反映砂的級(jí)配優(yōu)劣，細(xì)度模數(shù)相同的砂,其級(jí)配不一定相同。
用累計(jì)篩余百分率繪制級(jí)配曲線(xiàn)表示砂顆粒級(jí)配情況,根據(jù)《建筑用砂》(GB／T14684--2001)，是以0.6 mm孔徑篩的累計(jì)篩余率劃分為三個(gè)級(jí)配區(qū)。級(jí)配范圍見(jiàn)表1-1，砂的級(jí)配應(yīng)符合表中任何一個(gè)級(jí)配區(qū)所規(guī)定的級(jí)配范圍。
表1-1 砂的分區(qū)及級(jí)配范圍 級(jí)配區(qū)
