《道路工程材料》中的砂石材料密度概念解析

張增平 張強

摘 要：砂石材料是道路、橋梁和各種建筑工程中用量最大的一種建筑材料，本文從不同密度的概念、孔隙率和空隙率、吸水率和密度的關(guān)系和密度的測試方法等四個方面加深學(xué)生對砂石材料密度概念的理解。

1.引言

砂石材料是公路工程中用量最大的一類基本原材料。通常意義的砂石材料包括巖石和集料。主要是人工開采的巖石或軋制的碎石以及地殼表層若石經(jīng)風(fēng)化而得到的天然砂礫。其中尺寸較大的塊狀石料經(jīng)加工后，可以直接用于砌筑道路、橋梁工程結(jié)構(gòu)物或鋪筑隧道基礎(chǔ)，性能穩(wěn)定的巖石集料可用于配制水泥混凝土和瀝青混合料。廣義上講，也包括一些工業(yè)冶金礦渣，如高爐礦渣和鋼渣。在使用砂石材料時，有眾多指標(biāo)用來檢測和評價其性能。其中，密度是最基本的物理性能。密度指標(biāo)看似簡單，卻對掌握其性能具有重要的意義。而且，有多個密度的概念，容易混淆，因此有必要理解清楚。

2.《道路工程材料》中的密度概念解析

2.1幾個重要的密度概念

在學(xué)習(xí)巖石和集料密度時，巖石有真實密度、毛體積密度和表觀密度。而對于集料而言，除了有和巖石概念類似的表觀密度和毛體積密度之外，集料還有堆積密度概念，這是集料的特殊之處。巖石的真實密度ρt是巖石在規(guī)定條件下，單位真實體積（不含孔隙的礦質(zhì)實體的體積）的質(zhì)量。集料和巖石的毛體積密度和表觀密度概念類似。毛體積密度ρh是巖石（或集料）在規(guī)定條件下，單位毛體積（包括礦質(zhì)實體和孔的體積）的質(zhì)量。表觀密度ρa是指巖石（或集料）在規(guī)定條件下，烘干集料礦質(zhì)實體單位表觀體積（包括閉口孔隙在內(nèi)的礦物實體的體積）的質(zhì)量。需要特別指出的，有一個密度概念是集料獨有的，是巖石沒有的，即堆積密度。其原因就是因為集料是一組顆粒的堆積體，顆粒之間有空隙。而巖石是就某個具體的塊體材料而言的，不存在空隙體積。集料的堆積密度指單位體積（含物質(zhì)顆粒固體及閉口、開口孔隙體積及顆粒間空隙體積）物質(zhì)顆粒的質(zhì)量。根據(jù)集料堆積方式的不同，又可以分為堆積密度、振實密度和搗實密度。

2.2區(qū)分開空隙率和空隙率

在學(xué)習(xí)巖石和集料密度的時候，會常常碰到“孔隙”和“空隙”兩個名詞。其概念是不同的，教學(xué)過程中一定要區(qū)分清楚二者的概念和含義。巖石體積由礦質(zhì)實體和孔隙構(gòu)成，這里的孔隙又可分成開口孔隙和閉口孔隙兩種，是巖石在成巖過程中形成的。巖石孔隙率是巖石孔隙體積占巖石總體積（包括孔隙體積在內(nèi)）的百分率。就單個集料顆粒而言，孔隙的概念和巖石是相似。空隙是集料才有的概念，指某種堆積狀態(tài)下集料顆粒之間的空間。集料空隙率是集料顆粒之間空隙體積占總集料體積的百分比。

2.3吸水率和密度的關(guān)系

材料的性能決定于其化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)，巖石性能與其孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，而巖石孔隙結(jié)構(gòu)可以用吸水率和飽和吸水率兩個指標(biāo)進行一定的了解。巖石的吸水率ωa定義是在規(guī)定條件下，巖石試樣最大的吸水質(zhì)量與烘干材巖石試件質(zhì)量之比，以百分率表示。在強制條件（沸煮法或抽真空法）的巖石吸水率稱為飽和吸水率ωsa。二者之比KW=ωa/ωsa是飽水系數(shù)。其大小可以反映常壓下吸水后留余的空間多少。KW越大，說明常壓下吸水后留余空間越少，巖石越容易發(fā)生凍脹破壞。集料的吸水率ωx是吸入集料開口孔隙中的水的質(zhì)量與集料固體部分質(zhì)量之比。巖石和集料吸水率測試的時候，都要獲得試樣吸水后的飽和面干狀態(tài)，用此狀態(tài)下吸水質(zhì)量與試樣烘干質(zhì)量之比計算吸水率。同時可以獲得表觀密度、毛體積密度等。

2.4測試方法

巖石和集料由于各種密度概念具有不同的含義，其測試和計算方法各不相同。就巖石來說，真實密度是將巖石借助球磨機研磨成能通過0.315mm篩孔的巖粉后采用密度瓶法測試;巖石毛體積密度測試可分為量積法、水中稱量法和蠟封法;巖石的表觀密度、毛體積密度在公路工程中使用相對較少，公路工程巖石試驗規(guī)程中沒有具體測試方法。粗集料的毛體積密度和表觀密度通常按T0304用網(wǎng)籃法測試，或按T0308用容量瓶法測定，粗集料顆粒較小時也可借用細集料的方法T0330用容量瓶法測定;細集料表觀密度按T0328采用容量瓶法測試;細集料毛體積密度、表觀密度采用坍落筒法按T0330測定。

3.結(jié)束語

公路工程中，巖石常用密度是真實密度和毛體積密度;集料常用的密度是表觀密度和毛體積密度。吸水率、密度和孔隙率之間有著內(nèi)在聯(lián)系。我們應(yīng)該熟悉和區(qū)分這些密度概念，選擇正確的試驗方法進行測定。

參考文獻：

[1]申愛琴，道路工程材料，第二版，人民交通出版社[M]，2016

[2]伍必慶，道路建筑材料，人民交通出版社[M]，2007

[3]公路工程巖石試驗規(guī)程，JTG E41-2005，人民交通出版社，2005

[4]公路工程集料試驗規(guī)程，JTG E42-2005，人民交通出版社，2005

作者簡介：

1.張增平（1981年10月生），男，陜西藍田人，博士。工作單位：長安大學(xué)公路學(xué)院道路工程所。職稱：教授。研究方向：道路工程材料。

2. 張強（1986年12月25日生），男 ，陜西西安人。學(xué)歷：本科。工作單位：中國三安建設(shè)集團有限公司，職稱：工程師。