砂石材料：道路工程中必不可少的材料

所谓的砂石材料是指石料和集料（或称骨料）的总称。它包括天然岩石经机械加工制成的或直接开采的、具有一定形状和尺寸的石料制品；天然岩石经自然风化而成的卵石、砂砾石集料，以及经开采或轧制得到的粒状碎石集料，也包括冶金矿渣集料。无论经加工或未经加工的砂石材料都是道路工程中用量最大的一类材料。准确地认识、合理地选择和使用这类材料，对于保证工程建筑质量有着不可忽视的重要意义。

（一）砂石材料的组成

1.天然砂石材料

（1）造岩矿物与天然砂石材料。不同造岩矿物和成岩条件使各类岩石具有不同的结构和构造特征，它们对天然砂石材料的物理、化学和力学性质影响甚大。在工程实践中，为了更好地应用砂石材料，需要了解和掌握有关岩石的工程地质特性。组成岩石的矿物称为造岩矿物，矿物是具有一定化学成分和结构特征的天然化合物或单质，某些岩石由一种矿物组成，大部分岩石由多种矿物组成。主要造岩矿物有：石英、长石、云母、角闪石、方解石、白云石和黄铁矿等。

石英为结晶的二氧化硅，硬度为7，常见的颜色有白色、乳白色和浅灰色，是最坚硬稳定的矿物之一。长石为结晶的铝硅酸盐类，硬度为6，颜色为白、浅灰、桃红、红、青和暗灰色；长石强度比石英低，稳定性不及石英，易风化成高岭土。云母为片状、结晶的含水铝硅酸盐，硬度为2～3，呈无色透明至黑色，极易分裂成薄片。当岩石中含有大量云母时，将降低岩石的耐久性和强度。角闪石、辉石、橄榄石均为结晶的铁、镁硅酸盐，硬度为5～7，颜色为暗绿、棕色或黑色，又称暗色矿物；这类造岩矿物强度高，坚固、耐久、韧性大。方解石是结晶的碳酸钙，硬度为3，呈白色，强度中等，易被酸类分解，微溶于水，易溶于含二氧化碳的水中。白云石是结晶的碳酸钙镁复盐，硬度为4，呈白色或黑色，物理性质与方解石相近，强度稍高。黄铁矿是结晶的二硫化铁，硬度为6～7，呈金黄色，遇水及氧化作用后生成游离的硫酸，污染并破坏岩石，是有害杂质。除这些造岩矿物外，尚有石膏、菱镁矿、磁铁矿和赤铁矿等。

（2）天然砂石材料的分类。砂石材料的性能除决定于岩石所含矿物成分外，地质形成条件有很大影响。按岩石的形成条件分为岩浆岩、沉积岩、变质岩三大类，它们具有显著不同的结构和构造。

1）岩浆岩。岩浆岩由地壳内部熔融岩浆上升冷却而成，又称火成岩。其中，深成岩是岩浆在地表深处，受上部覆盖层的压力作用，缓慢冷却而成的岩石。深成岩大多形成粗颗粒的结晶和块状构造，构造致密。浅成岩是在近地表处成岩的，由于冷却较快，晶粒较细。深成岩和浅成岩统称侵入岩，其共同特性是：密度大，抗压强度高，吸水性小，抗冻性好。工程上常用的深成岩有花岗岩、正长岩、辉长岩等。

喷出岩是岩浆喷出地表时，压力急剧降低和迅速冷却的条件下形成的，所以大部分未及结晶，多呈隐品质或玻璃质结构。当喷出岩形成较厚的岩层时，其结构、构造接近深成岩。当形成较薄的岩层时，常呈多孔构造，近于火山岩。工程上常用的喷出岩有玄武岩、安山岩等。

当岩浆被喷到空中，急速冷却后形成的岩石又称为火山碎屑岩，为玻璃体结构且呈多孔构造。如火山灰、火山砂、浮石等。火山灰、火山砂可作为混合材料，浮石可作轻混凝土骨料。火山灰、火山砂经覆盖层压力作用胶结而成的岩石，称为火山凝灰岩。火山凝灰岩多孔、质轻、易于加工，可作保温建筑的墙体材料，如磨细后可作为水泥的混合材料。

2）沉积岩。沉积岩是由出露地表的母岩经长期风化、搬运、沉积成岩作用，在地表或距地表不太深处形成的岩石，又称火成岩。沉积岩可分为机械沉积岩、化学沉积岩及生物沉积岩。与岩浆岩相比，沉积岩的成岩过程压力不大，温度不高，大都呈层状构造。各层的成分、结构、颜色、厚度都有差异，因此，岩性不匀，垂直层理与平行层理方向的性能不同。与深成火成岩相比，沉积岩的特性是密度小，孔隙率和吸水率大，强度较低，耐久性较差。但沉积岩分布广，加工较容易。所以工程上应用甚为广泛。常见沉积岩有石灰岩、页岩、砂岩、砾岩、石膏、白空、硅藻土等，散粒状的有粘土、砂、卵石等。

3）变质岩。变质岩是岩浆岩或沉积岩经过地质上的变质作用而形成的岩石。所谓变质作用是在地壳内部高温、高压、赤热气体和渗入岩石中的水溶液作用下，矿物重新再结晶，有时还可能生成新矿物，使原来岩石的矿物成分和结构构造发生显著变化而生成新的岩石。一般沉积岩由于在变质时受到高压和重结晶的作用，形成的变质岩更为紧密；例如石灰岩或白云岩变质而成的大理岩，砂岩变质而成的石英岩，均较原来的岩石坚固耐久。原为深成岩的岩石，经过变质后，常因产生了片状构造使性能恶化，如变质而成的片麻岩，较原花岗岩易于分层剥落，耐久性差。

整个地表岩石分布情况为：沉积岩占75%，岩浆岩和变质岩占25%。

2.冶金矿渣集料

冶金矿渣一般指金属冶炼过程中排出的非金属熔渣，为一类具有独特性能的人造石料。高炉炼铁时形成的熔渣称为高炉矿渣，钢渣是在炼钢过程中得到的氧化物。高炉渣及钢渣经自然冷却或经一定工艺处理，可用于修筑道路基层，也可作为水泥混凝土或沥青混凝土路面用的集料，还可以用作水泥混合材料。

炉渣中的主要化学成分有：酸性氧化物SiO2，Fe2O3，P2O5，TiO2；碱性氧化物CaO，MgO，M n O，BaO；中性氧化物Al2O3；硫化物CaS，M n S，FeS。

酸、碱氧化物含量比例对矿渣的性能影响较大。通常采用碱性系数M0或质量系数K来反映矿渣的活性：

碱性系数M0或质量系数K的数值越大，矿渣的活性越高。

由于热熔矿渣的冷却加工方式的不同，矿渣集料的矿物成分和组织的致密程度可能有很大的差别，所以其物理力学性能变化范围和分散性较大。如高炉矿渣集料中密实体的抗压强度可达120～250MPa，孔隙率为16%～17%；而多孔体的抗压强度仅为10～20MPa；孔隙率高达50%以上。矿渣集料的相对密度一般均高于石料。

矿渣集料作为混凝土骨料或道路路面基层材料使用时，必须具备良好的稳定性，否则就会由于产生分解、膨胀而破坏混凝土结构或路面结构。影响矿渣稳定性的原因有游离氧化钙（f—CaO）消解、铁和锰分解。

（二）常用石料的技术特性及标准

1.技术特性

（1）花岗岩。花岗岩是岩浆岩中分布最广的一种岩石，其主要矿物成分为石英、长石及少量暗色矿物和云母。花岗岩的颜色由造岩矿物决定，通常有深青、浅灰、黄、紫红等。优质花岗岩晶粒细，构造致密，没有风化迹象。花岗岩的技术特性是：密度大（2.5～2.8g/cm3），抗压强度高（120～250MPa），孔隙率小，吸水率低，耐磨性好，耐久性高。

（2）玄武岩。玄武岩属于喷出岩，主要造岩矿物是暗色矿物，属玻璃质或隐晶质斑状结构，气孔状或杏仁状构造。玄武岩的抗压强度随其结构和构造的不同而变化较大（100～500MPa），表观密度为2.9～3.5g/cm3，玄武岩硬度高，耐久性好。

（3）石灰岩。石灰岩的主要矿物组成为方解石，常含有少量粘土、白云石、氧化铁、氧化硅和碳酸镁及有机物质等。石灰岩的颜色随所含杂质的不同而不同，含粘土或氧化铁等杂质的石灰岩呈灰色、浅黄或浅红色。当有机质含量多时呈深灰以至黑色。石灰岩的构造有散粒、多孔和致密等。松散土状的称作白垩；其组成几乎完全是碳酸钙，是制造玻璃、石灰、水泥的原料。密实的即普通石灰岩，各种致密石灰岩表观密度为2.0～2.6g/cm3，抗压强度为20～120MPa。当石灰岩中粘土等杂质的含量超过3%～4%时，则其抗冻性、耐水性显著降低。硅质石灰岩强度高、硬度大、耐久性好。大部分石灰岩质地细密、坚硬、抗风化能力较强。当杂质含量高时，则成为其他岩石，如粘土含量为25%～60%，称为泥灰岩；碳酸镁含量为40%～60%时称为白云岩。石灰岩分布极广，开采加工容易，常作为地方材料，广泛用于基础、墙体、桥墩、台阶及一般砌石工程。石灰岩加工成碎石，可用作混凝土集料或道路基层用集料。石灰岩不能用于酸性或含游离二氧化碳较多的水中，因方解石易被溶解侵蚀。

（4）砂岩。砂岩属沉积岩，由母岩碎屑沉积物被天然胶凝物胶结而成。主要造岩矿物是石英，另有少量长石、方解石、白云石及云母等。砂岩为碎屑结构，层状构造。根据胶结物的不同，砂岩又分为：由氧化硅胶结而成的硅质砂岩，常呈淡灰色；由碳酸钙胶结而成的钙质砂岩，呈白或灰色；由氧化铁胶结而成的铁质砂岩，常呈红色；由粘土胶结而成的粘土质砂岩，呈灰黄色。

砂岩的性能与其中的胶结物种类及胶结的密实程度有关。硅质砂岩密实，坚硬耐久，耐酸，性能接近于花岗岩。钙质砂岩，有一定的强度，加工较易，是砂岩中最常用的一种，但质地较软，不耐酸。铁质砂岩的性能稍差，其中密实者，仍可用于一般建筑工程。粘土质砂岩的性能差，易风化，长期受水作用会软化，甚至松散，在建筑中一般不用。由于砂岩的胶结物和构造的不同，其性能波动很大，抗压强度为5～200MPa，表观密度为1.5～2.2g/cm3。即使同一产地的砂岩，性能也有很大差异。

（5）石英岩。由硅质砂岩变质而成。变质后，石英颗粒和氧化硅胶结物发生再结晶，颗粒相互镶嵌，结构均匀致密，矿物成分主要是结晶石英。在几种主要岩石中，石英岩的强度较高（250～400MPa），十分耐久，但硬度大，加工困难。

（6）片麻岩。片麻岩由花岗岩或其他岩石经深度变质而成，其矿物成分与花岗岩类似。片麻岩结晶大多是等粒或斑状的，呈片麻状构造，各向性质不同，垂直于片理方向的抗压强度大（120～250MPa）。沿片麻岩的片理易于开采加工，但在冻融循环作用下，易成层剥落。通常制成碎石、片石及料石等，用于地方性的一般建筑工程。

（7）辉长岩。辉长岩由斜长石、辉石及少量橄榄石组成，为等粒结晶质结构和块状结构，一般呈黑绿色。辉长岩表观密度大（2.9～3.3g/cm3），抗压强度高（200～350MPa），韧性及抗风化性好，可琢磨抛光，既可作承重材料也可作饰面料。

2.石料技术标准

按照JTJ09—94《我国公路石料试验规程》分类，路用石料按其所属岩石类型分为四类，每一类石料又按其饱水极限抗压强度及磨耗率分为四个等级。一级为最坚强的岩石，二级为坚强的岩石，三级为中等强度的岩石，四级为较软的岩石。具体技术指标见表2-7。在道路工程中，可根据工程结构特点、有关技术要求、用途以及当地石料资源，选用合适的石料。

表2-7　常用石料等级及技术标准(www.xing528.com)

（三）砂石材料的工程应用

道路、桥梁工程中，符合技术要求的砂石材料以石料制品或集料的形式使用。如具有一定形状和尺寸的毛石、料石等通过干砌或浆砌构成工程结构物；集料混合料可与沥青、水泥制成沥青混合料和水泥混凝土；或通过摊铺、压实等工艺直接形成道路结构层；称为无结合料集料。

1.道路桥梁工程用石料制品的技术规格

（1）毛石。岩石经爆破后所得不规则的石块，有乱毛石（片石）和平毛石（块石）两种。前者是形状不规则的石块，后者则是具有两个大致平行面的石块。一般要求每块毛石中部厚度不小于15cm，长度为30～40cm，质量为15～30kg。用于主体工程的毛石，其抗压强度应不小于30MPa，用于附属工程的则不应小于20MPa。毛石多用于砌筑基础、挡土墙、沟渠，也可用来干砌或浆砌护坡，浇筑片石混凝土，砌筑桥墩与桥台及涵洞的边墙、端墙和翼墙等结构物。

（2）料石。由人工或机械开采出较规则的六面体石块，略加凿琢而成。按其表面加工的平整程度分为毛料石、粗料石、半细料石和细料石。

毛料石形状规则，大致方正，一般不加工或稍加修整，以便在铺砌时相互合缝。其正面的高度不小于20cm，宽度和长度不小于高度，抗压强度不得低于30MPa。毛料石可用于桥墩台的镶面工程，涵洞的拱圈与帽石，隧道衬砌的边墙，也可用作高大的或受力较大的桥墩台的填腹材料等。

粗料石形体方正，其正面要进行锤凿加工，表面的凹凸深度不应大于2cm，其抗压强度要求视用途而定：用作桥墩破冰体镶面时，不应低于60MPa；用于桥墩分水体时，不应低于40MPa；用于其他砌体镶面时，应不低于砌体内部石料的强度。

细料石和半细料石主要作为镶面石料，其规格、尺寸与粗料石相同，但加工程度要求较高。半细料石正表面的凹凸相差不大于1cm，细料石则相差不大于0.2cm。

2.用于道路结构层的碎（砾）石集料

碎（砾）石集料主要用于道路结构的基层或垫层。其理想性质应是，有较大的刚度，以提供良好的荷载分布性质；有较高的抗剪强度，以减轻车辆（包括施工车辆）作用下的辙槽；有较高的透水性，以使进入的自由水能快速排出。砂（砾）石集料中的细土应没有塑性，以保证良好的水稳性，并应无冰冻敏感性。

（1）级配型碎（砾）石集料。级配型碎（砾）石集料是指由各种大小不同粒级集料组成的混合料，其级配应符合技术规范的规定。由于级配型集料中没有水泥、石灰或沥青等胶结料，常称为无结合料（胶结料）粒料或无结合料集料。级配型集料包括级配碎石、级配碎砾石（碎石和砾石的混合料）和级配砾石（或称级配砂砾）。级配型集料可以用作沥青路面和水泥混凝土路面的基层和底基层，也可用作路基改善层，还可以用作低等级道路上的面层。

1）级配型集料的力学特征及其影响因素。级配型集料强度形成和抗变形能力主要与集料颗粒间的摩擦作用、嵌锁作用和粘结作用有关。摩擦作用本身与集料结构层中所产生的内应力以及颗粒接触面上能达到的摩阻力有关，这种内应力与集料层的密实度及所处位置有关，集料层的密实度又与集料颗粒组成和形状有关，集料颗粒接触面上能达到的摩擦力与颗粒的强度及颗粒的表面特征有关。所以，级配型集料的力学性质与集料的表面特征、颗粒形状、颗粒强度和级配有关。根据这种观点，级配碎石是级配型集料中稳定性最好的材料，级配砾石是级配型集料中最差的集料，级配碎砾石则处于前两者之间。

级配型集料中的细土（指0.5mm以下颗粒）对该类集料的作用有两个方面的意义。一方面，对于仅含少量或不含细料的级配型集料，其稳定性依靠颗粒间的摩阻力获得，其透水性好，不易冰冻，密实度较低。此时，若有适量的细土填充集料间空隙时，集料的稳定性仍然由颗粒间的摩阻力获取，且施工时易于压实，密实度提高，但透水性降低。随着细土的进一步增加，使集料悬浮于细土之中，彼此失去接触，稳定性降低，虽然施工时易于压实，但其密度将降低，而且不透水。另一方面，细土的液限和塑性指数对级配集料的水稳定性和冰冻稳定性有很大影响。试验表明：级配集料中加入少量塑性土会降低其强度和抗变形能力，使得级配集料在相同的荷载作用下产生较大的变形。这种土的液限和塑性指数愈大，集料的水稳定性愈不好。为此，除了控制细土含量外，还应严格限制级配集料中细土的液限和塑性指数。目前常采用控制集料中细土含量与塑性指数的乘积不超过一定数值的方法，来保证当集料中的含水量增加时，仍能保持足够的强度。一般来说，在不同水温区域，同样用作基层的级配型集料，这一乘积的规定可以有所不同。

级配集料结构层的强度和稳定性还与施工方式有关。符合质量要求的集料应在最佳含水量时进行碾压，达到规定的压实度，每层的压实厚度与压路机功率有关，一般在15～20cm。

2）级配型集料的材料规格和技术要求。级配碎石可由未筛分碎石和石屑组配而成，也可以由预先筛分成几个大小不同粒级的碎石组配而成。级配砾石是由有一定比例的天然砂砾石和砂组配而成。级配碎砾石是由颗粒组成合适的天然砂砾与部分未筛分碎石配合而成。未筛分碎石指控制最大粒径D（仅过一个规定筛孔D的筛）后，由碎石机轧制的未经筛分的碎石料，具有良好的级配。轧制碎石的原料可以是坚硬岩石或矿渣（已崩解稳定，干密度和质量均匀）。石屑是指碎石场筛下的孔径小于5mm的筛余料，其实际颗粒组成常为0～10mm，并具有良好的级配。

在实际工程中，级配碎石的最大粒径应控制在30mm（高速和一级公路基层以及半刚性路面的中间层）和40mm（二级和二级以下公路基层）；级配砾石的最大粒径不应超过40mm（基层）和50mm（底基层）。用于基层的级配碎（砾）石的有关指标应满足表2-8的规定。当未筛分碎石或天然砂砾的级配符合表2-8的要求时，可以直接用作底基层。

表2-8　级配型集料的颗粒组成范围及适用条件

①　潮湿多雨地区的基层采用的塑性指数不大于6，其它地区的基层采用的塑性指数不大于9。
②　对于无塑性的混合料，小于0.075mm的颗粒含量应接近高限，使压实后的基层透水性小。

级配型集料所用碎（砾石）的压碎值应满足表2-9的规定。砂（砾）石中的细长及扁平状颗粒含量不应超过20%；当砾石中形状不合格的颗粒含量超过20%时，应掺入部分合乎规格的石料。碎（砾）石中不应有粘土块、植物等有害物质。

（2）填隙碎石。用单一尺寸的粗碎石做主骨料，经压路机碾压就位后，形成嵌锁结构，用石屑填塞粗碎石间的空隙，增加密实度和稳定性，这种结构称填隙碎石结构。缺乏石屑时，也可以添加细砾砂或粗砂等细集料，但其技术性能不如石屑。填隙碎石可适用于各等级公路的底基层和二级以下公路的基层。

1）填隙碎石结构层的强度及影响因素。填隙碎石结构强度的形成主要靠粗碎石颗粒之间的嵌锁作用，用石屑或相当的天然砂砾或粗砂填塞粗碎石间的空隙，使其变成一种密实结构，进一步增加其强度和稳定性。嵌锁作用的大小，主要取决于粗碎石的尺寸、强度和形状以及集料的压实度。因此，粗碎石应带有棱角，近于立方体，并具有较高的强度和韧性。石屑、天然砂砾或粗砂等灌缝料填塞在粗碎石结构中，它们可产生少量的粘结作用，进一步增加填隙碎石结构的强度和稳定性。

填隙碎石层质量好坏有两个关键。第一，从上到下粗碎石间的空隙一定要填满，也就是达到规定的密实度非常重要。填隙碎石的稳定性靠专门的压实得到保证，压实良好的填隙碎石的密实度和强度与良好的级配碎石相当。第二，表面粗碎石间的空隙既要填满，填隙料又不能覆盖粗碎石而自成一层，表面应看得见粗碎石，其棱角可外露3～5mm。这一点对于薄沥青面层非常重要，它可以保证薄沥青面层与基层粘接良好，避免薄沥青面层在基层顶面产生推移破坏。

按照施工方法的不同，填隙碎石有干压碎石和水结碎石之分。干压碎石是指将材料撤铺后直接压实而成，特别适宜于干旱缺水地区施工。水结碎石是在压实前适量洒水，以降低碎石颗粒间的摩擦力，水结碎石在压实过程中会产生部分磨碎石粉，它可起到粘结作用。

2）填隙碎石组成材料的质量要求。粗碎石可以用具有—定强度的各种岩石或漂石轧制，也可用稳定的矿渣轧制（矿渣的干密度和质量应比较均匀，干密度不小于960kg/m3）。粗碎石的最大粒径不应超过60mm（基层）或80mm（底基层）。粗碎石的颗粒组成范围应符合表2-10的规定。粗碎石的压碎值不应大于26%（基层）或30%（底基层），材料中的扁平、长条和软弱颗粒的含量不应超15%。

表2-9　级配型集料的压碎值要求

表2-10　填隙碎石粗碎石的颗粒组成

轧制碎石时得到的5mm以下的细筛余料（即石屑）是最好的填隙料。填隙料宜具有表2-11的颗粒组成及塑性指数要求。

表2-11　填隙料的颗粒组成和塑性指数