第2章.道路材料试验检测

桥梁与渡河工程专业《公路工程试验检测技术》教案2008级（11-12.1）1第2章.道路材料试验检测道路材料指用于道路、桥梁工程结构及其附属构造物的各类建筑材料，是道路桥梁工程建设的物质基础，道路材料的技术性能和质量品质直接影响着工程结构物的质量和使用功能。道路材料的技术性质及其品质指标需要通过适当的试验检测手段来确定，本章主要学习常用道路材料的技术性质、技术标准及技术指标的测试，其中《道路建筑材料》课程中已讲过的常规试验项目，这里不再赘述。2.1岩石技术性质及试验检测方法道路桥梁结构物中所用的石料通常指由天然岩石经机械加工制成或直接开采得到的具有一定形状和尺寸的岩石制品。通过试验鉴定岩石的质量和各项技术指标，有助于合理选择与使用岩石，并深入地认识岩体介质在复杂环境中的力学特性，从而保证工程的安全、经济、合理。岩石的性质包括物理性质（密度、毛体积密度、孔隙率，含水率、吸水率、膨胀性）、力学性质（单轴抗压强度）、耐久性（抗冻性、坚固性）等。一、岩石的物理性质1.物理常数岩石的物理常数是反映材料矿物组成与结构状态的参数，与岩石的技术性质有着密切联系。常用的物理常数有密度、毛体积密度、孔隙率。这些物理常数可以间接预测岩石的有关物理性质和力学性质，在选用石料、进行混合料组成设计计算时，其也是重要的设计参数。岩石的内部组成结构从质量和体积的物理观点出发，主要由矿质实体和孔隙（包括开口孔隙、闭口孔隙）所组成。（1）密度：是在规定条件下，烘干岩石矿质实体单位真实体积(不包括开口孔隙、闭口孔隙的体积）的质量，用ρt表示。sstVM式中：ρt—岩石真实密度g/cm3；ms—岩石矿质实体的干质量g；Vs—岩石矿质实体的体积cm3。试验方法：密度瓶法按现行《公路工程岩石试验规程》（JTGE41-2005）,采用密度瓶法测定岩石密度：将岩石磨成细粉，以一定质量的石粉在密度瓶中通过置换法求得矿质实体的体积，从而计算出岩石的真实密度。试验时注意事项：a.石粉磨的愈细精度愈高；b.烘干石粉；c.排液时排净液体中的空气（用沸煮法或真空抽气法；使用煤油作试液时采用真空抽气法，严禁用沸煮法）。（2）毛体积密度：是在规定条件下，岩石单位毛体积(包括孔隙在内的体积）的质量，用ρ0表示。insVVVM0式中：ρ0—岩石毛体积密度g/cm3；M—岩石矿质实体的干质量g；Vs—岩石矿质实体的体积cm3；Vn—岩石闭口孔隙的体积cm3；Vi—岩石开口孔隙的体积cm3。桥梁与渡河工程专业《公路工程试验检测技术》教案2008级（11-12.1）2根据含水状态，毛体积密度分干毛体积密度ρd、饱和毛体积密度ρs、天然毛体积密度ρ0。试验方法：量积法、水中称重法、蜡封法按现行《公路工程岩石试验规程》（JTGE41-2005）,岩石毛体积密度测定方法有量积法、水中称重法、蜡封法。试验时注意事项：a.能制备成规则试件的各类岩石，采用量积法；除去遇水崩解、溶解和干湿涨缩外的其它各类岩石，可用水中称量法；遇水崩解、湿涨、含水溶性成分的松软石料及不能用量积法进行试验的各类岩石，宜用蜡封法（使用该法试件亦应进行适当处理，最好采用标准试件）。b.在公路工程中，岩石毛体积（块体）密度试验，绝大多数采用水中称量法，少数用量积法，而蜡封法只在特殊情况下采用。三种试验方法各有优点：水中称量法可以连续测定多种指标，但某些岩石受到限制；蜡封法适用于各种岩石和不规则试样，但测试技术较烦；量积法测试技术简单，但必须制备具有一定精度的试件。三种方法的测试成果，从理论上讲差别不大，在试样制备方法及精度要求得到全面解决以后，建议推广量积法。（3）孔隙率：孔隙率是岩石孔隙体积V0占其总体积V的百分率。用n表示。100110000tVVn式中：ρ0——岩石毛体积密度g/cm3；ρt——岩石密度g/cm3。2.吸水性岩石吸入水分的能力称为吸水性，其大小用吸水率和饱和吸水率两项指标来表示。(1)吸水率（自由吸水率）：在规定条件下，岩石试样最大的吸水质量占烘干岩石试样质量的百分率。即1001mmmwa式中：wa——岩石吸水率或自由吸水率%；m——岩石试件烘干至衡量时的质量g；m1——岩石吸水饱和质量g。(2)饱水率（饱和吸水率）：在强制条件下，岩石试样最大的吸水质量占烘干岩石试样质量的百分率。1002mmmwas，m2-试件经强制饱和后的质量g。试验方法：按现行《公路工程岩石试验规程》（JTGE41-2005）规定，岩石吸水率采用自由吸水法测定；饱水率采用沸煮法或真空抽气法测定试验时注意事项：a.吸水率试验规定条件：温度15-25℃的自然状态；饱水率试验规定条件：采用沸煮法、抽真空法。b.试件的形状：一般没有严格规定。但应尽可能采用规则试样，采用规则试样测定吸水率和饱水率，不仅操作方便，提高效率，而且也有利于建立各指标之间的相互关系。c.吸水稳定标准：在大气压力下吸水的稳定标准规定采用48h。试验资料证明，浸水24h平均吸水率达到绝对吸水率的85%,48h达到94%，继续浸水的吸水量很小，因此，在大气压力下吸水的稳定标准规定采用48h，完全能够反映岩石试样的吸水特征。桥梁与渡河工程专业《公路工程试验检测技术》教案2008级（11-12.1）3d.沸煮和抽气时间：一般认为适当延长煮沸和抽真空时间是必要的。现行规程只提出沸煮和抽气时间下限：煮沸6h以上（原规程3h），抽气4h以上。e.饱水系数Kw：岩石的吸水率与饱和吸水率之比，称为饱水系数，即asa饱水系数是评价岩石抗冻性的一种指标。一般来说，岩石的饱水系数为0.5-0.8。饱水系数愈大，说明常压下吸水后留余的空间有限，岩石愈容易被冻胀破坏，因而岩石的抗冻性就差。3.抗冻性抗冻性指岩石在饱水状态下，能够经受反复冻融循环作用而不破坏并不严重降低强度的性质。一般要求在寒冷地区，冬季月平均气温低于-15℃的重要工程所用的岩石，其吸水率大于0.5%时，要进行抗冻性试验。试验方法：直接冻融法、坚固性试验直接冻融法注意事项：a.直接冻融法采用标准圆柱体(d=5cm，h/d=2.0)试件，每组6个试件，3个冻融，3个不经冻融直接测饱水抗压强度；b.岩石的抗冻性用两个直接指标表示：一个是冻融系数，另一个为质量损失率。【冻融系数】是冻融试验后的试件饱水抗压强度与冻融试验前的试件饱水抗压强度的比值。【质量损失率】冻融试验前后的试件干质量差与冻融试验前的试件干质量的比值，用百分数表示。c.判定岩石抗冻性能好坏的三个指标：冻融后强度变化、质量损失、外形变化。一般认为，冻融系数（抗冻系数）0.75，质量损失率2%时，为抗冻性好的岩石；吸水率0.5%，软化系数0.75以及饱水系数0.8的岩石，具有足够的抗冻能力。对于公路工程，往往根据上述标准来确定是否需要进行岩石的抗冻性试验。坚固性试验注意事项：a.坚固性试验是确定岩石试样经饱和硫酸钠溶液多次浸泡与烘干循环后而不发生显著破坏或强度降低的性能，是测定岩石抗冻性的一种简易方法。一般适用于质地坚硬的岩石。有条件者均应采用直接冻融法进行岩石的抗冻性试验。（由于硫酸钠结晶后体积膨胀，产生与水结冰相似的作用，使岩石的孔壁受到压力，所以坚固性试验也是评定岩石抗冻性的方法）b.一组3个试件（d=5cm,h/d=2），经5次浸烘循环，计算质量损失率(取3个试件的算术平均值作为测定值)。2.2粗集料技术性质及试验检测方法集料是由不同粒径矿质颗粒组成的混合料，包括各种天然砂、人工砂、卵石、碎石及各类工业冶金矿渣等。集料按其粒径范围分为粗集料和细集料。在水泥砼中，粗、细集料的分界尺寸为4.75mm；在沥青砼中，粗细集料的分界尺寸为2.36mm。有关集料粒径内容还涉及到一个重要且易混淆的概念——集料最大粒径、集料公称最大粒径。【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。【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。实际上，工程上所指的最大粒径往往是指公称最大粒径，在应用中需加以区别。粗、细集料在混合料中分别起骨架和填充作用，由于所起的作用不同，对其技术要求也有所不同。粗集料包括岩石天然风化而成的卵石（砾石）及人工轧制的碎石。其技术性质包括物理桥梁与渡河工程专业《公路工程试验检测技术》教案2008级（11-12.1）4性质和力学性质两个方面。一、粗集料的物理性质（一）物理常数集料是矿质颗粒的散状混合物，其体积组成除了包括矿物及矿物间的孔隙外，还包括矿质颗粒间的空隙（间隙）。（1）表观密度（视密度）ρa：在规定条件下，单位表观体积（包括矿质实体和闭口孔隙体积）的质量，g/cm3。（2）表观相对密度（视比重）：表观密度与同温度的水的密度之比值。（3）毛体积密度ρb：在规定条件下，单位毛体积（包括矿质实体和闭口、开口孔隙体积）的质量，g/cm3。（4）毛体积相对密度：毛体积密度与同温度的水的密度之比值。（5）表干密度（饱和面干毛体积密度）ρs：单位毛体积（包括矿质实体和闭口、开口孔隙体积）物质颗粒的饱和面干质量，g/cm3。（6）表干相对密度：表干密度与同温度的水的密度之比值。（7）堆积密度ρf：烘干集料颗粒的单位装填体积（包括颗粒间空隙体积、实体体积及开口、闭口孔隙体积）的质量。（8）空隙率VG：粗集料试样在自然堆积（或紧密堆积）时的空隙占总体积的百分率。1001tfGV式中t—粗集料的表观密度（g/cm3）；f—粗集料的自然（或紧密）堆积密度（g/cm3）。空隙率反映了集料颗粒间相互填充的致密程度。试验结果表明，在松装和紧装状态下，粗集料的空隙率范围分别为43-48%和37-42%。集料不同形式的密度是计算材料空隙率或进行配合比设计的基本参数。因此，必须掌握其基本检测方法。试验注意事项：①在表干密度和毛体积密度测定过程中:集料的表干状态不易掌握，操作时只能用拧干的毛巾轻轻擦拭集料表面的水分，以免将集料开口孔隙的毛细水擦出。试验环境温度应在15-25℃之间，并且试验过程中温度波动不超过2℃。②在粗集料堆积密度及空隙率试验过程中:要完全按照每种密度的测定要求装填试样，以免不必要的振捣或所要求的振捣达不到标准，引起实验误差。容量筒应根据集料的工程最大粒径按照规格选用，也可就大不就小，即小一级的粒径可选择大一级的容量筒，但反之则不可。（二）级配粗集料中各组成颗粒的分级和搭配情况称为级配，级配通过筛分试验确定。筛分试验：粗集料通过一系列规定筛孔尺寸的标准筛，测定出存留在各个筛上的集料质量，可求得一系列与集料级配有关的参数，包括分计筛余百分率、累计筛余百分率、通过百分率。对水泥砼用粗集料可采用干筛法筛分；对沥青混合料及基层用粗集料必须用水洗法筛分。粗集料颗粒级配类型:单粒级配（单粒粒级）：为便于工程应用及质量控制，常将石子按粒径大小分成若干不同粒级，并分别存放、分桥梁与渡河工程专业《公路工程试验检测技术》教案2008级（11-12.1）5别运输。如5-10mm/10-20mm/16-31.5mm/20-40mm等，称单粒级配（单粒粒级）。连续级配（连续粒级）：是从最大粒径开始，由大到小各级相连，其中每一级石子都占有适当的比例。如5-10mm/5-16mm/5-20mm/5-40mm等。连续级配在工程上应用较多。间断级配（间断粒级）：是各级石子不连续，即省去中间的一、二级石子，即成为间断级配。如将5-10mm与20-40mm两种粒级石子配合使用，中间缺少10-20mm的石子，即间断级配。（三）坚固性粗集料的坚固性也是用来表征材料耐候性的一项指标，即集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。（这种晶胀作用比冻胀作用更显著）。试验方法：硫酸钠溶液法采用规定级配的各粒级粗集料，按试验规程选取规定数量，分别装在金属网篮中浸入饱和硫酸钠溶液中进行干湿循环试验。经过一定的循环次数后，观察表面的破坏情况，用质量损失百分率计算坚固性（