矿物骨料土木工程材料.docx

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1、7骨料7.1引言矿物骨料在使用量方面是主要的土木工程材料。它们单独使用（在道路基础和各种类型的填充）和与水泥基复合材料一起使用（如波特兰水泥或沥青水泥），形成复合材料或混凝土。我们最感兴趣的是，作为波特兰水泥和沥青混凝土的一个组成部分使用的骨料，这将形成本章讨论的基础。矿物集合体构成70-80%的波特兰水泥混凝土和沥青混凝土90%或更多的量。其结果是，骨料特性直接影响这些混凝土的性能。骨料被定义为惰性，颗粒，无机材料，通常由石头或石状固体组成。（在一些特殊的混凝土中，有机材料和一些骨料缓慢与含水波特兰水泥反应）。在实践中所用的大量的骨料（1）自然的，在该材料中的颗粒的材料并没有被改变，在他们的

2、生产过程中（虽然骨料本身可能已经进行处理，如破碎，洗涤和筛分）；以及（2）正常的体重（即，与一个特定的重力或相对密度约2.6）。这种骨料的例子是天然砂，砾石和碎石。合成骨料或人工骨料：1、工业过程的副产物，如高炉矿渣。2、产品的生产过程开发制造具有特殊性能的骨料，如膨胀粘土，页岩，或石板,用于轻质骨料。3、再生或废弃建筑材料，如再生波特兰水泥混凝土。这样的骨料是不常用的，但可能在经济上考虑的基础上，或其特定的属性是必需的。然而，回收或废弃建筑材料的使用作为骨料，应大幅增加，在未来的天然骨料变得不那么丰富，因此更昂贵。对骨料性能通过测试的相关样本通常用标准方法或程序的规定确定。由于骨料质量是可变

3、的，必须遵循适当的抽样程序，以确保样品的测试是代表作为一个整体。7. 2成分与结构天然骨料来自岩石。这些可能包括单一的矿物（例如，石灰石），但他们经常包含几个不同的矿物（例如，花岗岩）。他们是按成因分为三大类型的火成岩,沉积岩，变质岩，可进一步根据化学组成和矿物组成，内部结构，纹理细分。火成岩通过熔融物冷却形成（即，熔融岩石的问题）或高于或低于地球表面。在冷却过程中的相分离，这些岩石包括晶体或矿物中的结晶（或有时是玻璃）脉石。冷却速度决定了晶体的大小，从而加强了岩石性质：细粒度较小的岩石一般都比较强（见图7.1和表7.1）。沉积岩是由地球表面现有岩石风化和侵蚀产物的固结所形成的。虽然在形成过程

4、中可能会产生一些额外的结晶，但主要是减少孔隙率，因为很少发生烧结。这些岩石往往是弱于火成岩的，因为在产生强大的微观结构中机械压实与有效的晶体生长是不一样。这些岩石一般都反映了其组成矿物的各向异性行为。变质岩是由强烈的热、压力作用于沉积岩矿床形成的。由此产生的岩石是没有太多孔的（即，它们是更致密的），并且具有更强的脉石，因为再结晶和晶粒生长过程中可能会发生在形成过程中。因此，它们比沉积岩（见图7.2）更为强烈，更不具各向异性。(a)玄武君*15(b)花囱岩*15图7.1细粒玄武岩(a)比粗粒花岗岩(b)强.表7.1不同微观结构岩石的特性岩石类型例子玄武岩比重2.6-3.O孔隙率(%vol)0.1

5、-1.0抗压强度MPa50-200弹性模量GPa30-70摘要细纹理火成岩-44-J=UUU花冈石2.6-3.O0.5-1.5100-2505-50粗糙的粒状的页岩2.0-2.753010-100550沉积岩石灰岩2.3-2.852035-2502-70砂岩2.2-2.752520-1755-50复合结构板岩2.6-2.90.l-0.5100-20010来自页岩变质岩大理岩2.6-2.80.5-2.0100-25040-100来自石灰石硅岩2.6-2.70.5-5.0100-30010-70来自砂岩图7.2石灰石(a)和大理石(b)的微观结构，说明了所产生的离子变质过程的不同。不列颠哥伦比亚大

6、学地球与海洋科学系照片。7.3特征7.3.1几何属性颗粒尺寸与分级骨料的颗粒或微粒材料，骨料的有用性在相当程度上取决于其大小和级配，或粒度分布，以及其组成的颗粒。骨料微粒大小的粒子被认为是某种程度的粒子的直径。在实践中，一个粒子的大小，无论其形状，如果粒子会穿过一个方形孔大小则考虑为4。因为骨料的颗粒样品中可能有一个无限大的尺寸范围，一系列的筛子或不同尺寸筛口用于获得一些粒子大小的估计分布。粒子的大小通过筛子大小4的筛口但保留下一个小筛的大小dm,然后采用4dm或粒子被认为属于d,一dm大小。例如，所有粒子穿过一个40亳米的筛口但保留一个20毫米的筛口属于20-40毫米大小分段。最大化尺寸骨料

7、(MSA)被定义为最小的通过筛孔的整个总样本。粒子大小的分布在一个总样本里,称为等级或层次,通常表示为粒子的累积百分比较小或大于每一系列筛或筛口的机会。这些分布通常以图形化形式呈现,称为颗粒级配曲线,通过累积百分比或保留绘制特定筛筛分粒度。有几种类型的骨料级配。最常用的是连续的或密集的分级，其中骨料包含的最大和最小颗粒尺寸的每一个大小之间的数值，被称为一个或多个梯度的颗粒的骨料，其中包含一个或多个尺寸大小的颗粒被称为间隙分级。图7.3所示的连续、均匀和间隙梯度集的示意图和分级曲线。结合MSA,级配确定总样品中的颗粒特定的表面积（即表面积，每单位重量或体积）。对于一个浓密（连续）的级配骨料，当M

8、SA减小时表面积增大。骨料级配与骨料颗粒之间的空间（即，空隙空间）是最小的，因此骨料密度的最大值在一些应用中是非常重要的。理论或理想的最大密度等级（图7.4a）,已在球形颗粒的充填特性的基础上发展起来了（图7.4b）。骨料在尺寸上通常分为2类：细和粗。该分割是任意在4毫米（4.75毫米）或5毫米的颗粒大小；较小的颗粒组成的细骨料，和较大的颗粒，粗骨料。骨料规格通常含有细和粗骨料的分级限制，典型的细和粗骨料在波特兰水泥混凝土混合物使用的分级限制分别在表7.2和7.3给出。一种骨料级配的粗度和细度可以通过经验系数表示为细度模数，这是通过增加骨料样品的百分比使其保持在每一个指定系列筛型以及总和除以1

9、00。这一系列的标准筛的尺寸是0.15毫米（IoO号），0.30毫米（50号），0.60毫米（30号），1.18毫米（161号），2.36毫米（8号），4.75毫米（4号），9.50毫米（3/8以内），19毫米（3/4以内），38.1毫米（1.5以内），76毫米（3以内），150亳米（6以内）。对于细集料，材料的累积百分比保持在低于4号筛（4.75亳米）或5亳米的尺寸是用来确定细度模数和这个值通常落在2.3和3.1之间，当骨料的级配增加实例计算粗糙度增加，在累积或总通过率方面，和细度模数（FM）为细骨料是表7.4中给出的。骨料在级配曲线中相同，具有相同细度模数并不是必要的。连续均匀间隙（a）增

10、加累计百分比增加粒径/筛开（b）图7.3不同级配的示意图（a）和（b）相应的级配曲线。表7.2ASTMC-33级配细骨料的限制筛大小通过9.50毫米（3/8）1004.75毫米（4号）951002.36亳米（8号）80100L18毫米（16号）5085600微米（30号）560300微米（50号）I（T30150微米（IOo号）210表7.3ASTMC-33分级粗骨料的限制通过（额定最大尺寸骨料）37.5mm25.Omm19.Omm12.5mm筛大小1.5内1内0.75内0.5内50mm（2内）10037.5（1.5内）95-10010025.Omm（1内）95-10010019.Omm（0.

11、75内）35-7090-10010012.5mm（0.5内）25-6090-1009.50（3/8内）10-3020-5540-704.75mm（4号）0-50-100-100-152.36mm（8号）0-50-50-5Sieveno.（b）图7.4密集级配骨料：（a）汤普森最大密度（最小空隙率）的级配曲线；（b）对密实分级概念的示意图。表7.4筛分试验结果及级配曲线和细度模数的计算筛大小编号保留重量g保留%累计保留g通过保留g4.7540001002.368241.911.911.990.61.1816388.919.131740.630505.524.955.951.70.350543.4

12、26.782.625.10.15100340.816.899.48.4Pan11.30.61000FM=(11.9+31.0+55.9+82.6+99.4)/100=2.81沥青混凝土混合物的力量很大程度上是由于混合物骨料颗粒之间的机械联锁的，因此它是重要的，以确保粒子的大小和分级等促进骨料嵌锁。虽然密度等级都需要高强度混合，福勒汤普森最大密度的空隙含量层次太低而不足以容纳足够的水泥或沥青粘结剂，并在实践中，定级的沥青混凝土混合物会稍微分离。然而，对于波特兰水泥混凝土混合物，骨料颗粒之间的交互干扰材料的新鲜状态的可加工性，和更少的密实骨料必须使用分级。此外，密度较低的骨料表面积较小（尽管孔隙空

13、间比较大），所以需要更少的波特兰水泥浆来覆盖聚合粒子并且混合物的成本可能更低。然而，根据最大尺寸聚合和组合的某些属性，需要一些最少的细骨料，以确保一个波特兰水泥混凝土有足够的凝聚力和可塑性。最佳骨料分级，就分级限制而言，由各种组织指定为不同结果使用。商用总量可能不符合这样的规范，因此两个或两个以上的聚合有不同层次可能需要结合或混合生产指定的层次。颗粒形状和表面纹理颗粒的形状和表面纹理也很重要，在确定的量之间的聚集体颗粒之间产生相互作用。然而，这些性能没有得到充分的定义在一个定量的意义上，因此它们对混凝土混合物性能的影响不能准确地评价。颗粒的形状和表面纹理是该骨料己被影响处理操作的结果，以及它的

14、矿物组成和晶体结构。粒子的形状是相对独立的两个特征：角度和球度。棱角性是一个边缘的相对清晰度函数。它可以被数值化的定义，但它通常表示描述性：例如，圆与角。圆球度是颗粒表面积与体积比的函数。它也可以被数值化定义，但是它通常用描述性术语在粒子尺寸之间的关系的基础上描述：例如，等轴，片状，或拉长。颗粒表面纹理与表面粗糙、光滑或粗糙的相对程度有关。该属性也是对其描述或定性的评估。由于机械联锁的骨料颗粒度之间增加的颗粒增加了棱角，用于沥青混凝土混合料的集料要求的最低的粉碎颗粒的断裂或断裂面达到的强度或稳定性令人满意。用碎石相关的粗糙表面纹理也增加了颗粒间的摩擦以及混合料的强度。此外,虽然粗糙的表面纹理的沥青水泥比光滑，玻璃质地纹理更难润湿，一旦润湿，它会提供更多的附着力。对波特兰水泥混凝土混合料而言和易性的要求决定使用光滑骨料。然而，粗糙的纹理表面，提高了硬化混凝土水泥净浆骨料的粘结，及其力学性能。7.3.2物理性质孔隙率和空隙率孔隙率定义为指散粒状材料堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的比例(即，内容积)。因此，它并不涉及对颗粒间空隙体积的填料中的骨料颗粒，这是空隙率。孔隙率为体积百分数的数值定义为：p=(Vp/Vb)X100,(7.1)VP=体积内的毛孔聚合粒子，然后Vb=多孔骨料颗粒的体积总量