第2章 土木工程材料石料与集料.docx

1、第2章 土木工程材料石料与集料第2章 石料与集料本章导学学习目的：石材与集料是土木工程的基本材料，集料由石材加工而成。通过与地质学的对比学习 ，了解石材的物理、化学性质与原始岩石之间的关系，工程中如何根据地质学知识进行现场勘查，对岩石进行初选。同时，对集料的轧制过程有所了解，分析轧 制方法、集料的外形特性及集料等级的优选，为工程服务。教学要求：结合工程地质中有关岩石的形成规律的讲解，分析岩石的种类及其不同的物理、化学性质的成因；重点对比石材与集料的物理、力学性质的概念差异；深刻理解集料的级配的概念，例题讲解级配设计的要求、方法；通过现代教学手段演示石材、集料的基本物理力学试验，并进行实际操作。

2、2.1 常用的天然岩石2.1.1岩浆岩1)岩浆岩的形成及种类岩浆岩的形成岩浆岩又称火成岩，是地壳内的熔融岩浆在地下或喷出地面后冷凝而成的岩石。根据不同的形成条件，岩浆岩可分为以下三种：（1）深成岩 深成岩是地壳深处的岩浆在受上部覆盖层压力的作用下经缓慢冷凝而形成的岩石。其结晶完整、晶粒粗大、结构致密。具有抗压强度高、孔隙率及吸水率小、表观密度大、抗冻性好等特点。土木工程常用的深成岩有花岗岩、正长岩、橄榄岩、闪长岩等。（2）喷出岩 喷出岩是岩浆喷出地表时，在压力降低和冷却较快的条件下而形成的岩石。由于其大部分岩浆来不及完全结晶，因而常呈隐晶（细小的结晶）或玻璃质（非晶质）结构、当喷出的岩浆形成较

3、厚的岩层时，其岩石的结构与性质类似深成岩；当形成较薄的岩层时，由于冷却速度快及气压作用而易形成多孔结构的岩石，其性质近似于火山岩。土木工程常用的喷出岩有辉绿岩、玄武岩、安山岩等。（3）火山岩 火山岩是火山爆发时，岩浆被喷到空中而急速冷却后形成的岩石。有多孔玻璃质结构且表观密度上的散粒状火山岩，如火山灰、火山渣、浮石等；也有因散粒状火山岩堆积而受到覆盖层压力作用并凝聚成大块的胶结火山岩，如火山凝灰岩等。岩浆岩的种类岩浆岩的矿物成分是岩浆化学成分的反映。岩桨岩化学成分相当复杂，但含量高、对岩石的矿物成分影响最大的是 SiO2。根据SiO2的含量，岩浆岩可分为下面几类：1 酸性岩类(SiO2含量65

4、%)矿物成分以石英、正长石为主，并含有少量的黑云母和角闪石。岩石的颜色浅，密度小。常见的酸性岩类有花岗岩、花岗斑岩、流纹岩等。2 中性岩类(SiO2含量65-52% )矿物成分以正长石、斜长石、角闪石为主，并含有少量的黑云母及辉石。岩石的颜色比较深，密度比较大。常见的中性岩类有正长岩、正长斑岩、粗面岩、闪长岩、闪长斑岩、宝山岩等。3 基性岩类(SiO2含量52-45%)矿物成分以斜长石、辉石为主，含有少量的角闪石及橄榄石。岩石的颜色深，密度也比较大。常见的基性岩类有辉长岩、辉绿岩、玄武岩等。4超基性岩类（SiO245%）矿物成分以橄榄石、辉石为主，其次有角闪石，一般不含硅铝矿物。岩石的颜色很深

5、，密度很大。2)常用的岩浆岩花岗岩花岗岩是岩浆岩中分布较广的一种岩石，主要由长石、石英和少量云母（或角闪石等）组成，具有致密的结晶结构和块状构造。其颜色一般为灰白、微黄、淡红等；由于结构致密，其孔隙率和吸水率很小，表观密度大于2700kg/m3；抗压强度达12025Mpa；抗冻性达100200次冻融循环；耐风化，使用期约为75200年；对硫酸和硝酸的腐蚀具有较强的抵抗性。表面经琢磨加工后光泽美观，是优良的装饰材料。在土木工程中花岗岩常用于作基础、闸坝、桥墩、台阶、路面、墙石和勒脚及纪念性土建结构物等。但在高温作用下，由于花岗岩内的石英膨胀将石材引起破坏，其耐火性不好。玄武岩、辉绿岩玄武岩是喷出

6、岩中最普通的一种，颜色较深，常呈玻璃质或隐晶质结构，有时也呈多孔状或斑形构造。硬度高，脆性大，抗风化能力强，表观密度为29003500 kg/m3，抗压强度为100500Mpa，常用作高强混凝土的骨料，道路路面的抗滑表层等。辉绿岩主要由铁、铝硅酸盐组成，具有较高的耐酸性。常用作高强混凝土的骨料、耐酸混凝土骨料、道路路面的抗滑表层等。其熔点为14001500，可作铸石的原料，所制得的铸石结构均匀致密且耐酸性好，是化工设备耐酸衬里的良好材料。火山灰、浮石、火山凝灰岩火山灰是颗粒粒径小于5mm的粉状火山岩。它具有火山灰活性，即在常温和有水的情况下可与石灰（CaO）反应生成具有水硬性胶凝能力的水化物。

7、因此，可作水泥的混合材及混凝土的掺和料。浮石粒径大于5mm并具有多孔构造（海绵状或泡沫状火山玻璃）的火山岩。其表观密度小，一般为300600 kg/m3，可作轻质混凝土的骨料。主要岩浆岩的矿物成分及性质可参见表2.1主要岩浆岩矿物成分及性质 表2.1 岩浆岩矿物成分主要性质深成岩喷出岩表观密度（kg/m3）抗压性质（MPa）花岗岩石英斑岩石英、长石、云母25002700120250正长岩粗面岩长石、暗色矿物（较少）26002800120250闪长岩安山岩长石、暗色矿物（较多）28003000150300灰长岩玄武岩、辉绿岩暗色矿物290035001005002.1.2沉积岩沉积岩的形成和种类沉

8、积岩又名水成岩，是由地表的各类岩石经自然界的自然风化、风力搬运、流水冲刷等作用后再沉积（压实、相互胶结、重结晶等）而形成的岩石，主要存在于地表及不太深的地下。其特征是呈层状构造，外观多层理，表观密度小，孔隙率和吸水率较大，强度较低，耐久性较差。沉积岩是地壳表面分布最广的一种岩石，虽然它的体积只占地壳的5，但是露出面积约占陆地表面积的75%。根据沉积岩的生成条件，可分为机械沉积岩、化学沉积岩、生物有机沉积岩。常用的沉积岩(1)石灰岩俗物灰石或青石。主要化学成分为CaCO3。主要矿物成分是方解石。但常含有白云石、菱镁硬矿、石英、蛋白石、含水量铁矿物及粘土等。因此，石灰的化学成分、矿物组成、致密程度

9、以及物理性质等差别甚大.石灰岩通常为灰白色、浅白色，常因含有杂质而呈现深灰、灰黑、浅黄、浅红，表观密度为26002800kg/m3，抗压强度为20160Mpa，吸水率为2%10%。石灰石来源广、硬度低、易劈裂、便于开采，具有一定的强度和耐入性，因而广泛用于土木工程中。块石可作基础、墙身、阶石及路面等，碎石是常用的水泥混凝土和沥青混凝土的骨料。此外，它也是生产水泥和石灰的主要原料。（2）砂岩砂岩主要是由石英砂或石灰岩等细小碎屑经沉积并重新胶结而成的岩石。它的性质决定于胶结物的种类及胶结物的种类及胶结的致密程度。以氧化硅胶结而成为硅质砂岩；以碳酸钙胶结而成为石灰质砂岩；还有铁质砂岩和粘土质砂岩。砂

10、岩的主要矿物为石英，次要矿物有长石、云母及粘土等，致密的硅质砂岩其性能接近于花岗岩，密度大、强度高、硬度大、加工较困难，可用于纪念性土木工程及耐酸工程等；钙质砂岩的性质类似于石灰岩，抗压强度为6080Mpa，加工较易，应用较广，可作基础、踏步、人行道等，但不耐酸的侵蚀；铁质砂岩的性能比钙质砂岩差，其密实者可用于一般土木工程工程；粘土质砂岩浸水易软化，土木工程中一般不用。2.1.3变质岩变质岩的形成及种类变质岩是地壳中原有的各类岩石，在地层的压力或温度作用下，原岩石在固体状态下发生再结晶作用，其矿物成分、结构构造以至化学成分发生部分或全部改变而形成的新岩石。一般由岩浆岩变质而成的称正变质岩，如片

11、麻岩等；由沉积岩变质而成的称副变质岩，如大理石、石英岩等。常用的变质岩（1）大理岩大理岩又称大理石，是由石灰岩或白云经高温高压作用，重新结晶变质而成。表观密度为25002700kg/m3,抗压强度为50140Mpa，耐用年限为30100年。大理石构造致密，密度大，但硬度不大，易于分割。纯大理石常呈雪白色，含有杂质时，呈现黑、红、黄、绿等各种色彩。锯切、雕刻性能好，磨光后非常美观，可用于高级土木工程物的装饰工程。我国的汉白玉、丹东绿切花白、红奶油、墨玉等大理石均为世界著名高级土木工程装饰材料。（2）石英岩石英岩是由硅质砂岩变质而成，晶体结构。岩体均匀致密，抗压强度大（250400Mpa），耐久性

12、。但硬度大、加工困难。常用作耐磨耐酸的装饰材料。（3）片麻岩是由花岗岩变质而成，其矿物成分与花岗岩相似，呈片状构造，因而各个方向的物理、力学性质不同。在垂直于解理（片层）方向有较高的抗压强度，可达120200Mpa。沿解理方向易于开采加工，但在冻融循环过程中易肃落分离成片状，故抗冻性差，易于风化。常用作碎石、块石及人行道石板等。2.2天然石材的技术性质、加工类型及选用原则2.2.1技术性质天然石材的技术性质可分为物理性质、力学性质、化学性质与工艺性质。天然石材因生成条件各异，常含有不同种类的杂质，矿物成分会有所变动，所以，即使是同一类岩石，它们的性制裁敢可能有很大差别。因此，在使用时，都必须进

13、行检验和鉴定，以保证工程质量 。常用天然石材的性能可参见表22。名称主要指标主要用途花岗岩表观密度（kg/m3）25002700基础、桥墩、堤坝、阶石、路面、海港结构、基座、勒脚、窗台、装饰石材等。强度（MPa）抗压120250抗折8.515抗剪1319吸水率1膨胀系数（10-6/C）5.67.34平均韧性（cm）8平均质量磨耗率（%）11耐用年限（年）75200石灰岩表观密度（kg/m3）10002600墙身、桥墩、基础、阶石、路面及石灰、粉刷材料原料等。强度（MPa）抗压22140抗折1.820抗剪714吸水率（）26膨胀系数（10-6/C）6.756.77平均韧性（cm）7平均质量磨耗率

14、（）8耐用年限（a）2040砂岩表观密度（kg/m3）22002500基础、墙身、衬面、阶石、人行道、纪念碑及其它装饰石材等。强度（MPa）抗压47140抗折3.514抗剪8.518吸水率（）10膨胀系数（10-6/C）9.211.2平均韧性（cm）10平均质量磨耗率（）12耐用年限（a）20200大理岩表观密度（kg/m3）25002700装饰材料、踏步、地面、墙面、柱面、柜台、栏杆、电气绝缘析等。强度（MPa）抗压47140抗折2.51.6抗剪812吸水率（）1膨胀系数（10-6/C）6.511.2平均韧性（cm）10平均质量磨耗率（）12耐用年限（a）301001物理性质1）石材的真实密

15、度（简称密度）由于石材含有一定的孔隙（包括开口孔隙和闭口孔隙），因此，孔隙考虑方式的不同，其密度的计算结果也不同图21。（1） 石材的真实密度（简称密度）（True Density）图21 石材组成结构示意图a） 石材组成结构外观示意图 b）石材的质量与体积示意图真实密度是指材料在规定条件（1055烘干至恒重，温度20）绝对密实状态下（绝对密度状态是指不包括任何孔隙在内的体积）单位体积所具有的质量，按下式计算：（21a）式中： 真实密度（g/cm3）；ms材料矿质实体的质量（g）；Vs材料矿质实体的体积（cm3）。【真实密度的测定原理】在测定有孔隙的石材密度时，应把石材磨成细粉以排除其内部孔隙

16、，在105?5烘干至恒重，冷却后称得其质量 ；然后在密度瓶中加水煮沸后，使水分充分进入闭口空隙中，冷却后再将水注满，称得其质量 ；倒出石材与水的混合液，洗净后注满水，再称得质量 ，石材的真实相对密度 为：其中： 石材的真实相对密度，即石材的密度与4纯水密度之比称相对密度，是一个无量纲的物理量；m1 烘干试样的重量（g）；m2瓶与水的合质量（g）；m3 瓶、水与试样的总质量（g）。由于在不同水温条件下水的密度不同，石材水中称得的重量也不同，因此石材的密度必须考虑不同水温条件下水的密度影响。不同水温条件下水的密度 和水温修正系数 见表23，再按式（21b）计算石材的真实密度。（21b）式中： 石材

17、的真实密度（g/cm3）；T试验温度T时的水温修正系数，见表23；T试验温度T时水的密度，见表23；w4时水的密度，（1.00g/cm3）。不同水温时水的密度T 和水温修正系数T 表23 水温()1516171819202122232425T(g/cm3)0.999130.998790.998800.998620.998430.998220.997790.99779 0.997560.997330.99702T0.0020.0030.0030.0040.0040.0050.0050.0060.0060.0070.007在测量某些较致密的不规则的散粒石材（如卵石、砂等）的实际密度时，常直接用排水

18、法测其绝对体积的近似值（颗粒内部的封闭孔隙体积无法排除），这时所求的真实密度为似密度。2)毛体积密度毛体积密度（Bulk Density）毛体积密度是单位体积（含材料的实体矿物及不吸水的闭口孔隙，能吸水的开口空隙在内的体积）所具有的质量，按下式计算：（22a）式中： b堆积密度（kg/m3）；ms 、Vs、Vn意义同式（2.2）；Vi材料吸水的开口孔隙的体积（cm3或m3）。【毛体积密度的测定原理】测试原理及过程同表观密度，但应按下式计算石材的毛体积相对密度 为：其中：m3 石材饱水后在空气中的质量（g）；其它符号同前。同样应考虑不同水温条件下水的密度对石材密度的影响。由材料的毛体积相对密度及

19、温度条件计算石材的毛体积密度用式（22b）。（22b）式中：符号及数据同前。3）表观密度表观密度（Apparent Density）表观密度是单位体积（含石材的实体矿物及不吸水的闭口孔隙，但不包括能吸水的开口空隙在内的体积）所具有的质量，按下式计算：（23a）式中： a 表观密度（g/cm3或kg/m3）；ms 、Vs意义同式（21）； Vn材料不吸水的闭口孔隙的体积（cm3或m3）。【表观密度的测定原理】把材料在1055烘干至恒重，冷却后称得质量 ；然后在水中浸泡24h，并轻轻搅拌石材，使附着在石材表面的气泡逸出，然后在静水天平上称出饱水的材料在水中的质量 。取出浸水试件并用纱布擦去试件表面

20、水分后称其在空气中的饱和面干质量 ，按下式计算石材的表观相对密度 为：其中：m1材料的烘干质量（g）；m2 材料饱水后在水中的质量（g）。同样应考虑不同水温条件下水的密度对石材密度的影响。由材料的表观相对密度及温度条件计算石材的表观密度用式（22）。（23b）式中：符号及数据同前。天然石材根据表观密度大小可分为：轻质石材 表观密度1800kg/m3；重质石材 表观密度1800kg/m3。表观密度的大小常间接反映石材的致密程度与孔隙多少。在通常情况下，同种石材的表观密度愈大，则抗压强度愈高，吸水率小，耐久性强、导热性好。4）吸水性石材在浸水状态下吸入水分的能力为吸水性。吸水性的大小，以吸水率表示

21、。吸水率有质量吸水率和体积吸水率。质量吸水率：石材所吸收水分的质量占材料干燥质量的百分数，按下式计算：（24）式中：W石材的质量吸水率（%）；m3石材饱水后在空气中的质量（g）；m1石材的烘干质量（g）。体积吸水率：石材吸收水分的体积占干燥自然体积的百分数，是材料体积内被水充实的程度。按下式计算：（25）式中：P 石材的体积吸水率（%）；V2石材在饱水时，水的体积（cm3）；V1干燥石材在自然状态下的体积（cm3）；水的密度（g/ cm3）；其它符号同前。质量吸水率与体积吸水率存在如下关系：(26)【石材吸水率的测定原理】测试原理及过程同表观密度。吸水率低于1.5%的岩石称为低吸水性岩石，介于

22、1.5%3.0%的称为中吸水性岩石，高于3.0%的称高吸水性岩石。岩浆深成岩以及许多变质岩，它们的孔隙率者很小，故而吸水率也很小，例如花岗岩的吸水率通常小于0.5%。沉积岩由于形成条件、密实程度与胶结情况有所不同，因而孔隙率与孔隙特征的变动很大，这导致石材吸水率的波动也很大，例如致密的石灰岩，它的吸水率可小于1%，而多孔贝壳石灰岩可高达15%。5）耐水性、抗冻性、耐热性、坚固性耐水性石材的耐水性以软化系数（见式111）表示。岩石中含有较多的粘土或易溶物质时，软化系数则较小，其耐水性较差。根据软化系数大小。可将石材分为高、中、低三个等给级。软化系数0.90为高耐水性，软化系数在0.750.90之

23、间为中耐水性，软化系数在0.60.75之间为低耐水性，软化系数0.60者不允许用于重要土木工程物中。抗冻性材料在饱水状态下，能经受多次冻结和融化作用（冻融循环）而不破坏，同时也不严重降低强度的性质称为抗冻性。通常采用-15的温度（水在微小的毛细管中低于-15才能冻结）冻结后，再在20的水中融化，这样的过程为一次冻融循环。材料经多次冻融交替作用后，表面将出现剥落、裂纹，产生质量损失，强度也将会降低。因为，材料孔隙内的水结冰时体积膨胀将引起材料的破坏。根据能经受的冻融循环次数，可将石材分为：5、10、15、25、50、100及200等标号。根据经验，吸水率0.5%的石材具有抗冻性，可不进行抗冻试验

24、。耐热性耐热性与其化学成分及矿物组成有关。含有石膏石材，在100以上时就开始破坏；含有碳酸镁的石材，温度高于725会发生破坏；含有碳酸钙的石材，温度达827时开始破坏。由石英与其它矿物所组成的结晶石材如花岗岩等，当温度达到700以上时，由于石英受热发生膨胀，强度迅速下降。石材的耐热性与导热性有关，导热性主要与其致密程度有关。重质石材的热导率可达 2.913.49W/（mK）之间。具有封闭孔隙的石材，导热性较差。坚固性坚固性(Soundness)是采用硫酸钠侵蚀法(JTJ 054T0212)来测定。该法是将烘干并已称量过的规则试件，浸入饱和的硫酸钠溶液中经20h后，取出置于105?5的烘箱中烘4

25、h。然后取出冷却至室温，这样作为一个循环。如此重复若干个循环。最后用蒸馏水沸煮洗净，烘干称量与直接冻融法同样方法计算其质量损失率。此方法的机理是基于硫酸钠饱和溶液浸入石材孔隙后，经烘干、硫酸钠结晶体积膨胀，产生有如水结冻相似的作用，使石材孔隙周壁受到张应力，经过多次循环，引起石材破坏。坚固性是测定石材耐候性的一种简易、快速的方法。有设备条件的单位应采用直接冻融法试验。2.2.2加工类型1）砌筑用石材、颗粒状石砌筑用石材砌筑用石材分为毛石、料石两类。毛石（又称片石或块石）是由爆破直接得到的石块。按其表面的平整程度分为乱毛石和平毛石两类：（1）乱毛石是形状不规则的毛石。一般在一个方向的尺寸达300

26、400mm，质量约为2030kg的石块，强度不小于10Mpa，软化系数不应小于0.75。常用于砌筑基础、勒脚、墙身、堤坝、挡土墙等，也可作毛石混凝土的骨料。（2）平毛石是乱毛石略经加工而成的石块。形状较整齐，表面粗糙，其中部厚度不应小于200mm。料石（又称条石）系由人工或机械开采也的较规则拼略加凿琢而成的六面体石块。按料石表面工的平整程度可分为以下四种：（1）毛料石 一般不加工或仅稍加修整，为外形大致方正的石块。其厚度不小于200mm，长度常为厚度的1.53倍，叠砌面凹凸深度不应大于25mm。（2）粗料石 外形较方正，截面的宽度、高度不应小于200mm ，而且不小于长度的1/4，叠砌面凹凸深

27、度不应大于20mm。（3）半细料石 外形方正，规格尺寸同粗料石，但叠砌面凹凸深度不应大于15mm。（4）细料石 经过细加工，外形规则、规格尺寸同粗料石，其叠砌面凹凸深度不应大于10mm。制作为长方形的称作条石，长宽高大致相等的称方料石，楔形的称为拱石。上述料石常用致密的砂岩、石灰岩、花岗岩等开采凿制，至少应有一个面的边角整齐，以便相互合缝。料石常用于砌筑墙身、地坪、踏步、拱和纪念碑等；形状复杂的料石制品可用物柱头、柱基、窗台板、栏杆和其它装饰等。颗粒状石材（1）碎石是天然岩石经人工或机械破碎而成的粒径大于5mm的颗粒状石材。其性质决定于母岩的品质。主要用于配制混凝土或作道路、基础等的垫层。（2

28、）卵石是母岩经自然条件风化、磨蚀、冲刷等作用而形成的表面较光滑的颗粒状石材。用途同碎石，还可作为装饰混凝土（如粗露石混凝土等）的骨料和园林庭院地面的铺砌材料等。（3）石渣是用天然大理石右花岗石等的残碎料加工而成，具有多种颜色和装饰效果。可做人造大量石、水磨石、斩假石、水刷石等的骨料，还可用于制作粘石制品。2）板材用致密岩石凿平或锯解而成的厚度一般为20mm的石材称为石板。天然大理石板材大理石板材是用大理石荒料（即由矿山开采出来的具有规则形状的开然大理石块）经锯切、研磨、抛光等加工手的石板。常用规格为厚20mm，宽150915mm，长3001220mm。也可加工为812mm厚的薄板及异形板材。其

29、技术性能可能见表3.2主要用于室内饰面，如墙面、地面、柱面、台面、栏杆、踏步等。当用于室外时，因大理石抗风化能力差，易受空气中二氧化硫的腐蚀而使表面层失去光泽、变色并逐渐破损，通常，只有汉白玉、艾叶青等少数几种致密、质纯的品种可用于室外。天然大理石板可分为普通型板材（N）（正方形或长方形板材）、异型板材（S）（其它形状的板材）。按其外观质量、镜面光泽度等分为优等品（A）、一等品（B）、合格品（C）三个等级。板材正面的外观缺陷应符合（JG79-92）规定，见表25。天然大理石板材的外观质量要求 表25 缺陷名称优等品一等品合格品翘曲不允许不明显有，但不影响裂纹砂眼凹陷色斑污点正面棱缺陷长8mm宽3mm1处正面角缺陷长3mm宽3mm1处天然花岗石板材花岗石板材是以火成岩中的花岗岩、安山岩、辉长岩、片麻岩等块料经锯片、磨光、修边等加工而成的板材。其主要技术性能参见表26。该类板材品种、质地、花色繁多。根据用途和加工方法可分为以下四种：剁斧板材 表面粗糙，具有规则的条状斧纹；机刨板材 表面平整，具有相互平行的刨纹；粗磨板材 表面平整，光滑但无光泽；磨光板材 表面光亮平整，色泽鲜明，晶体纹理清晰，有镜面感。由于花岗石板材质感丰富，具有华丽高贵的装饰效果，且质地坚硬耐久性好，所以是室内外高级饰面材料。可用于各类高级土木工程物的墙