建筑工程砂、石颗粒力学特性的检测与分析

建筑工程砂、石颗粒力学特性的检测与分析

林金贵

文昌市建设工程材料检测中心

571300

摘要：本研究首先介绍砂、石颗粒的力学特性对工程结构的影响，之后讨论了砂、石颗粒力学特性的基本参数以及砂、石颗粒的力学行为。在此基础上，介绍了砂、石颗粒力学特性的测试方法，最后，对砂、石颗粒力学特性进行分析。本文旨在为砂石颗粒力学特性进行检测与分析提供参考。

关键词：建筑工程；砂、石颗粒；力学特性；检测；分析

建筑工程中，砂石是常用的材料之一，在混凝土、沥青、路基等建筑物的建设中起着至关重要的作用。砂石颗粒力学特性的检测与分析研究可以帮助更好地了解砂石的物理和力学特性。通过对砂石颗粒力学特性的检测与分析，可以更准确地评估砂石的工程用途和性能。此外，也可以提高工程的安全性、可靠性和持久性。

1.砂、石颗粒的力学特性对工程结构的影响

砂石颗粒的抗压强度和抗剪强度能够直接影响结构的承载能力和抗震性能。如果砂石颗粒的力学特性不符合设计要求，结构可能会出现破坏或失稳的风险。砂石颗粒的孔隙结构、孔隙度和孔隙水压力特性决定了结构的渗透性和水分运移能力。如果砂石颗粒的排水性较差，结构可能会出现渗漏、浸润、水运移不畅等问题。砂石颗粒的粒度分布和颗粒形状会影响结构的流动性和可塑性，从而影响施工过程中的浇筑、压实、振动等工艺。此外，砂石颗粒的变形性能和收缩性会对结构的变形和裂缝控制带来影响。砂石颗粒中的细颗粒会影响混凝土的孔隙结构和渗透性，从而影响结构的耐久性和抗侵蚀性。此外，砂石颗粒的化学成分和反应性也与结构的耐久性密切相关。

2.砂、石颗粒力学特性的基本参数

2.1颗粒大小和颗粒分布的测量和分析方法

颗粒大小可以通过筛分方法来测量。常用的方法是将砂石样品通过一系列不同孔径的标准筛网进行筛分，然后根据颗粒的通过和滞留情况，得到不同粒径范围的颗粒百分含量。颗粒分布可以通过绘制累积颗粒百分含量曲线（累计曲线）来进行分析。该曲线显示了在不同粒径范围内的颗粒百分含量，通过分析曲线的形状可以得到颗粒分布的特征。

2.2颗粒形状和圆度的评估和分析方法

颗粒形状可以通过数字图像处理技术来测量和分析。常用的方法包括图像采集、处理和特征提取。从颗粒的图像中可以得到各种形状参数，如长径比、圆度指数、形状系数等。圆度可以通过测量颗粒的直径差异来评估，常用的方法是测量颗粒在同一维度上的最大和最小直径，然后计算圆度指数。

2.3颗粒密度和孔隙率的测量和计算方法

颗粒密度可以通过测量砂石样品的质量和体积来计算。质量可以通过天平测量，体积可以通过排水法或容积法来测量。孔隙率是指砂石样品中的孔隙体积与总体积的比值。可以通过测量样品湿重和干重，然后计算出样品的体积和颗粒体积，进而得到孔隙率。

3.砂、石颗粒的力学行为

（1）颗粒间摩擦：当两个颗粒接触时，表面间存在摩擦力。常用的模型是库仑摩擦模型，其中摩擦力与颗粒之间的法向应力成正比，并且受到最大摩擦力极限值的限制。

（2）颗粒内部协调粒填充：颗粒内部的填充行为是指颗粒间的相对移动和紧密度的调整。常用的模型包括浆体力学模型和接触力模型，它们考虑了颗粒之间的接触力和填充行为。

（3）颗粒动力学：颗粒动力学描述了颗粒在外力作用下的运动和相对位置的变化。常用的模型有牛顿第二定律和离散元法，它们考虑了颗粒的质量、加速度和力的平衡关系。

（4）颗粒堆积：颗粒堆积是指颗粒以特定的排列方式堆积形成的固体。颗粒堆积的力学行为取决于颗粒之间的接触和排列方式，常用的模型有达西定律和尤金-薛定谔模型，它们描述了颗粒堆积的应力分布和变形特性。

（5）应力-应变关系：颗粒间的应力-应变关系描述了应力和应变之间的关系。常用的测试方法包括压缩试验和剪切试验，通过加载样品，测量应力和应变，进而得到应力-应变曲线。

（6）强度参数：强度参数是用于描述颗粒材料抵抗破坏的能力。常用的参数包括抗压强度、抗拉强度、抗剪强度等。这些参数可以通过实验室试验和分析来获得，通过加载样品，并测量力和变形，从而计算出强度参数。

4.砂、石颗粒力学特性测试方法

4.1单粒强度测试方法和设备

直径测定法通过测量颗粒的直径来评估其单粒强度。常用的设备有光学显微镜或投影仪等。将颗粒放在设备上，通过放大观察和测量直径来确定单粒强度。压缩试验法通过单颗颗粒在压缩设备中承受力的变化来评估其单粒强度。常用的设备有压力机、万能试验机等。将颗粒放在设备中，施加一定的压力并记录力和变形，从而计算出单粒强度。

4.2颗粒间摩擦角测定方法和实验装置

直接剪切试验法通过剪切设备来测定颗粒间的摩擦角。常用的设备有直剪仪、双剪仪等。将两个颗粒放在设备中，施加一定的剪切力，并同时测量两颗颗粒间的应力和位移，从而得到摩擦角。倾斜箱法通过倾斜一个箱体来测定颗粒间的摩擦角。常用的设备有倾斜箱或模型箱。将砂石颗粒放置在箱体上，逐渐倾斜箱体直到颗粒开始移动，记录相应的倾斜角度，从而得到摩擦角。

4.3圆形度和球度测试方法和仪器

形状参数测定法通过测量颗粒的形状参数来评估其圆形度和球度。常用的设备有数字图像分析仪或形状分析仪等。将颗粒放置在设备中，使用图像识别和分析软件来计算圆形度和球度指数。玻璃小珠法通过与颗粒进行配对比较，评估颗粒的圆度和球度。常用的设备有玻璃小珠比较仪。将颗粒与一组已知圆度和球度的玻璃小珠进行比较，通过观察和比较来评估颗粒的形状特征。

5.砂、石颗粒力学特性分析

5.1颗粒力学参数的计算和可靠性评估

颗粒力学参数可以通过实验测量和数值模拟等方法进行计算。例如，通过压缩试验或剪切试验来获取颗粒的抗压强度、抗剪强度等参数。在进行计算时，需要考虑实验的可靠性和数据的准确性，可通过重复实验和统计分析来评估可靠性。同时，还可以使用不同的计算方法和模型来比较和验证结果，以提高参数计算的可靠性。

5.2颗粒大小和形状对力学行为的影响分析

颗粒的大小和形状对其力学行为有重要影响。较小的颗粒通常具有更高的比表面积，因此表现出更强的粘聚性和流动性。颗粒的形状也会影响其堆积特性和内部摩擦行为。分析颗粒大小和形状对力学行为的影响可以通过实验、数值模拟和理论推导等方法进行。对于不同大小和形状的颗粒，可以考虑相应的参数和模型，以评估其力学性质。

5.3颗粒力学特性与工程结构性能之间的关联分析

砂、石颗粒的力学特性与工程结构的性能密切相关。通过分析颗粒的力学特性，可以预测工程结构的强度、变形和稳定性等方面的性能。例如，在土力学中，通过分析土体颗粒的力学特性，可以评估土体的承载力和变形特性，从而设计合适的基础和地基工程。在颗粒填充材料中，通过分析颗粒的力学特性，可以评估材料的稳定性和抗冲刷性能，从而确定其广泛应用于堤坝、护坡和路基等工程中。因此，通过研究颗粒力学特性与工程结构性能之间的关联，可以为工程设计和施工提供重要的依据和指导。

结论

综上所述，可以看出砂石颗粒力学特性的检测与分析是一个综合的研究课题，需要通过实验测试和数据分析来获取准确的结果。砂石颗粒的强度、形状和大小等参数会直接影响工程结构的承载能力、变形特性和稳定性；砂、石颗粒的力学特性可以通过一些基本参数进行描述；砂、石颗粒在力学行为上表现出不同的特点。通过对砂、石颗粒力学特性的测试和分析，可以为工程结构的设计、施工和评估提供重要的依据和指导。了解砂石颗粒的力学特性对于建筑结构设计、施工方案的制定和工程质量的控制具有重要意义。

参考文献

[1] GB/T 14685-2011,岩土工程试验方法 颗粒形状试验法.[S]

[2] GB/T 14686-2011,岩土工程试验方法 颗粒密度试验法.[S]

[3] GB/T 50123-2019,岩土工程室内试验标准总则.[S]

[4] GB/T 50124-2019,岩土工程室内试验试验方法.[S]