1. 道路工程材料 砂石材料.ppt

道路建筑材料道路建筑材料1.砂石材料砂石材料2.水泥水泥3.水泥混凝土水泥混凝土4.沥青材料沥青材料5.沥青混合料沥青混合料6.无机结合料稳定混合料无机结合料稳定混合料1.砂石材料砂石材料 主要内容主要内容 砂石材料的技术性能砂石材料的技术性能 矿质混合料的级配矿质混合料的级配 矿质混合料配合比设计方法矿质混合料配合比设计方法 石料与集料在道路工程中的应用石料与集料在道路工程中的应用1.1 砂石材料分类砂石材料分类按来源分类按来源分类天然砂石材料：卵石、砾石；砂（海砂、河砂、山砂等）天然砂石材料：卵石、砾石；砂（海砂、河砂、山砂等）人工轧制的砂石料：块料、碎石集料人工轧制的砂石料：块料、碎石集料工业冶金矿渣集料：钢渣、高炉渣、煤渣、粉煤灰等工业冶金矿渣集料：钢渣、高炉渣、煤渣、粉煤灰等按成岩条件按成岩条件岩浆岩岩浆岩地壳内部熔融岩浆上升冷却而成，又称火成岩地壳内部熔融岩浆上升冷却而成，又称火成岩例如：例如：花岗岩（侵入岩）、安山岩、玄武岩（喷出岩）花岗岩（侵入岩）、安山岩、玄武岩（喷出岩）沉积岩沉积岩母岩经长期风化、搬运、沉积成岩作用而形成（水成岩石）母岩经长期风化、搬运、沉积成岩作用而形成（水成岩石）例如：石灰岩、砂岩例如：石灰岩、砂岩变质岩变质岩岩浆岩或沉积岩经过地址变质作用而形成的岩石岩浆岩或沉积岩经过地址变质作用而形成的岩石例如：石灰岩例如：石灰岩大理岩，花岗岩大理岩，花岗岩片麻岩片麻岩公路用石料的开采与加工公路用石料的开采与加工开采矿山轧制设备筛选设备振动喂料鄂式粗破反击式细破筛分生产工艺各种集料1.2砂石材料的技术性能砂石材料的技术性能1.2.1石料的技术性质石料的技术性质1.2.1.1物理性质物理性质（物理常数、吸水性、抗冻性）（物理常数、吸水性、抗冻性）1）物理常数）物理常数图图1-1石料体积组成示意图石料体积组成示意图密度：密度：真实密度真实密度（真实体积真实体积vs矿物实体体积）矿物实体体积）表观密度表观密度（表观体积（表观体积vsvn含闭口孔隙）含闭口孔隙）毛毛体体积积密密度度(毛毛体体积积vs+vn+vi闭闭口口与与开开口口孔孔隙隙)孔隙率：孔隙率：图图1-1 石料体积组成示意图石料体积组成示意图2）吸水性吸水性：材料吸入水分的能力：材料吸入水分的能力吸水率吸水率：常温（：常温（202）、标准大气压（）、标准大气压（101.325kPa)饱水率：常温（饱水率：常温（202）、真空抽气（、真空抽气（2.67kPa）最大吸水质量最大吸水质量吸水率（饱水率）吸水率（饱水率）100干燥试样质量干燥试样质量3）抗抗冻冻性性：石石料料在在水水饱饱和和状状态态下下，能能经经受受反反复复冻冻融融而而不不破破坏坏，并并不不严严重重降低强度的能力降低强度的能力直接冻融法（冻融循环试验：直接冻融法（冻融循环试验：-15冰冻冰冻4h25融解融解4h）若干次若干次(15、25、50次次)质量损失质量损失强度损失：强度降低不大于强度损失：强度降低不大于25，耐冻系数，耐冻系数0.75硫酸钠坚固性法（硫酸钠坚固性法（Na2SO4结晶体积涨大）结晶体积涨大）将石料浸入饱和将石料浸入饱和Na2SO4溶液溶液20h，置于置于1055烘箱烘箱4h，循环循环5次次1.2.1.2力学性质力学性质道路试件道路试件:505050mm立方体立方体50H50mm的圆柱体的圆柱体图图1-2石料抗压强度试件石料抗压强度试件桥梁试件桥梁试件:200200200mm立方体立方体1）抗压强度）抗压强度石料应具备一定的抗压、抗弯、抗剪强度，以及抗冲石料应具备一定的抗压、抗弯、抗剪强度，以及抗冲击、摩擦作用的能力。抗压强度和磨耗率常用于评价击、摩擦作用的能力。抗压强度和磨耗率常用于评价石料等级。石料等级。单位面积上所能承受的最大荷载。单位面积上所能承受的最大荷载。图图1-2 石料抗压强度试件石料抗压强度试件影响石料抗压强度的因素：影响石料抗压强度的因素：内因：材料的矿物成分内因：材料的矿物成分 结构和孔隙构造结构和孔隙构造外因：试件尺寸外因：试件尺寸 加荷速率加荷速率 湿度等湿度等2)磨耗率磨耗率洛杉矶法（搁板式）洛杉矶法（搁板式）:试样为试样为5000g有级配的集料，并有级配的集料，并加入加入12个钢球（个钢球（48mm，约约5000g）。）。转速转速3033r/min，转转500转转图图1-4搁板式磨耗仪搁板式磨耗仪狄法尔法（双筒式）狄法尔法（双筒式）:50块石料（块石料（5075mm），），质量质量5000g左右，转速左右，转速3033r/min，转转10,000转（转（5.55.0h）图图1-3双筒式磨耗仪双筒式磨耗仪磨耗率计算公式磨耗率计算公式：式中：式中：m2试验后试验后2mm筛上烘干石料试样质量；筛上烘干石料试样质量；m1试验前烘干石料试样质量。试验前烘干石料试样质量。石料抵抗撞击、剪切和摩擦综合作用的能力。石料抵抗撞击、剪切和摩擦综合作用的能力。图图1-3 双筒式磨耗仪示意图双筒式磨耗仪示意图 耗时长达耗时长达5h以上以上 试件尺寸单一（试件尺寸单一（5075mm），），与路用实际情况不符合与路用实际情况不符合 石料间相互作用，不同性质石料的磨耗率相差不大石料间相互作用，不同性质石料的磨耗率相差不大图图1-4 搁板式磨耗仪示意图搁板式磨耗仪示意图 省时：省时：15min左右左右 使石料受到更严峻的冲击、使石料受到更严峻的冲击、剪切、摩擦作用，石料级差大剪切、摩擦作用，石料级差大 试样级配较符合路用状况试样级配较符合路用状况1.2.1.11.2.1.1物理性质物理性质物理性质物理性质物理常数：密度、空隙率物理常数：密度、空隙率吸水性：吸水率、饱水率吸水性：吸水率、饱水率抗冻性抗冻性1.2.1.21.2.1.2力学性质力学性质力学性质力学性质抗压强度：单位面积上所能承受的最大荷载抗压强度：单位面积上所能承受的最大荷载磨耗率：石料抵抗撞击、剪切和摩擦综合作用的能力磨耗率：石料抵抗撞击、剪切和摩擦综合作用的能力1.2.1石料的技术性质石料的技术性质1.分类分类：按照成岩条件、风化程度等：按照成岩条件、风化程度等岩浆岩类（火成岩）岩浆岩类（火成岩）石灰岩类（沉积岩）石灰岩类（沉积岩）砂岩与片麻岩类（变质岩）砂岩与片麻岩类（变质岩）砾石岩（天然风化）砾石岩（天然风化）2.分级指标分级指标：饱水抗压强度和磨耗率：饱水抗压强度和磨耗率最坚强最坚强坚强坚强中等坚强中等坚强较弱软较弱软1.3.2 石料的技术标准石料的技术标准1.2.2 集料的技术性质集料的技术性质图图1-5 碎石集料碎石集料 1.2.2.1 物理性质物理性质1）物理常数）物理常数图图1-6集料的体积组成集料的体积组成密度：表观密度、毛体积密度、装填密度密度：表观密度、毛体积密度、装填密度装填密度装填密度堆积（松装）密度堆积（松装）密度集料按自由下落方式装样集料按自由下落方式装样图图1-7细集料堆积密度试验仪具示意图细集料堆积密度试验仪具示意图振实（紧装）密度振实（紧装）密度集料振摇方式装样集料振摇方式装样捣实密度捣实密度集料振摇方式装样集料振摇方式装样空隙率空隙率VG：集料空隙体积占集料总体积的百分比集料空隙体积占集料总体积的百分比不含开口孔隙不含开口孔隙含开口孔隙含开口孔隙颗粒之间的颗粒之间的空间体积空间体积图图1-5 碎石集料碎石集料不同粒径、尺寸较小的石料颗粒的集合不同粒径、尺寸较小的石料颗粒的集合体体集料是由不同粒径矿质颗粒组成的混合料，包括：天然砂（小于4.75mm）人工砂（机制砂，混和砂）卵石（大于4.75mm）碎石（岩石、卵石破碎）工业矿渣（高炉矿渣、刚渣）图图1-6 集料的体积组成集料的体积组成孔隙：矿物之间的空间孔隙：矿物之间的空间Vn+Vi空隙：集料颗粒之间的空间空隙：集料颗粒之间的空间Vv图图1-7 细集料堆积密度试验仪具示意图细集料堆积密度试验仪具示意图2）级配：）级配：指集料中不同尺寸颗粒的比例指集料中不同尺寸颗粒的比例反映了粒径大小不同的矿质颗粒的相互搭配情况反映了粒径大小不同的矿质颗粒的相互搭配情况图图1-8级配的几种情况级配的几种情况筛析试验筛析试验图图1-9套筛套筛圆孔筛圆孔筛(直径直径)：40、20、10、5、2.5、1.25、0.63、0.3方孔筛方孔筛(边长边长)：13.2、9.5、4.75、2.36、1.18、0.6、0.3筛分试验参数筛分试验参数分计筛余百分率分计筛余百分率ai：某号筛上的筛余质量占试样总质量的百分率某号筛上的筛余质量占试样总质量的百分率累累计计筛筛余余百百分分率率Ai：等等于于或或大大于于某某号号筛筛上上筛筛余余质质量量之之和和占占总总质质量量的百分率的百分率通过百分率通过百分率Pi：通过某号筛的集料质量占试件总质量的百分率通过某号筛的集料质量占试件总质量的百分率级配曲线的绘制级配曲线的绘制图图1-10级配曲线级配曲线制表和作图要求制表和作图要求图图1-8 级配的几种情况级配的几种情况 图图1-9 套筛套筛级配曲线示意图级配曲线示意图 作图：纵坐标为通过百分率作图：纵坐标为通过百分率P P()常数坐标常数坐标 横坐标为筛孔尺寸横坐标为筛孔尺寸(mm)mm)注意：坐标单位注意：坐标单位 注明不同曲线意义注明不同曲线意义 判断集料级配是否符合要求判断集料级配是否符合要求3）粗粗度度细细度度模模数数评评价价砂砂（0.164.75mm）粗粗细细程程度度，为为筛筛分分试试验验中中各各号号筛筛上上累累计计筛筛余余百百分率之和，按下式计算：分率之和，按下式计算：细度模数越大，表示细集料越粗。细度模数越大，表示细集料越粗。w粗砂：粗砂：Mf 3.73.1w中砂：中砂：Mf 3.02.3w细砂：细砂：Mf2.21.6细度细度模数取决于模数取决于0.15mm2.26mm筛上累计筛余量之和，对于较粗颗粒含量比筛上累计筛余量之和，对于较粗颗粒含量比较敏感。较敏感。无单位。无单位。没有考虑小于没有考虑小于0.15mm颗粒含量。不能全面反应细集料颗粒颗粒含量。不能全面反应细集料颗粒分布。分布。颗粒形状：颗粒形状：蛋圆形、棱角形、针状、片状，理想的形状接近立方体。蛋圆形、棱角形、针状、片状，理想的形状接近立方体。针状：长度大于其平均粒径针状：长度大于其平均粒径2.4倍的颗粒倍的颗粒片状：厚度小于其平均粒径片状：厚度小于其平均粒径0.4倍的颗粒倍的颗粒现行规范公路工程集料试验规程现行规范公路工程集料试验规程JTJ0582000定义集定义集料针偏状颗粒为颗粒最小厚度（或直径）与最大长度（或宽度）料针偏状颗粒为颗粒最小厚度（或直径）与最大长度（或宽度）方向的尺寸比小于方向的尺寸比小于1：3的颗粒的颗粒。表面特征：表面特征：是指集料表面的粗糙程度及孔隙特征等，与集料的材质、岩是指集料表面的粗糙程度及孔隙特征等，与集料的材质、岩石的结构、矿物组成以及受到冲刷、腐蚀程度有关。集料表面特石的结构、矿物组成以及受到冲刷、腐蚀程度有关。集料表面特征影响集料与结合料的粘结性能，从而影响混合料的强度，尤其征影响集料与结合料的粘结性能，从而影响混合料的强度，尤其是抗折强度。是抗折强度。4）集料的颗粒形状与表面特征集料的颗粒形状与表面特征1）压碎值）压碎值：石料抵抗压碎的能力：石料抵抗压碎的能力压碎指标值（适用于水泥混凝土用集料）压碎指标值（适用于水泥混凝土用集料）图图1-11压碎值测试仪具尺寸图压碎值测试仪具尺寸图压碎值（沥青混合料用集料）压碎值（沥青混合料用集料）图图1-12压碎值测试仪压碎值测试仪式中：式中：m0试验前风干试件的质量试验前风干试件的质量 m1试验后试验后2.36mm筛筛上集料质量上集料质量1.2.2.2 粗集料力学性质粗集料力学性质压碎值是集料强度的相对指标，用以鉴定集料的品质。压碎值测试仪具压碎值测试仪具1020mm集料分二层夯实，在集料分二层夯实，在35min加荷至加荷至Pmax=200kN，恒压恒压5s后，脱膜后过后，脱膜后过2.5mm筛筛（适用于水泥混凝土用集料）（适用于水泥混凝土用集料）压碎值测试仪具压碎值测试仪具将将13.216mm碎石分三层夯实，在碎石分三层夯实，在010min加压至加压至400kN，立即卸载，过立即卸载，过2.36mm筛筛（适用沥青混合料用集料）（适用沥青混合料用集料）内径：150mm高度：125mm2)磨光值磨光值：石料抵抗磨光的能力，即保持其原有粗糙的能力：石料抵抗磨光的能力，即保持其原有粗糙的能力图图1-13磨光值磨光值3)磨耗值磨耗值：石料抵抗磨擦、剪切的能力：石料抵抗磨擦、剪切的能力图图1-15道瑞道瑞Dorry（英国）英国）磨耗仪磨耗仪式中：式中：m1磨耗前的试件质量（磨耗前的试件质量（g）m2磨耗后的试件质量（磨耗后的试件质量（g）t集料的饱和面干密度集料的饱和面干密度4）冲击值）冲击值：石料抵抗多次连续的重复冲击荷载的能力：石料抵抗多次连续的重复冲击荷载的能力(LashedStoneValue)图图1-16冲击值仪冲击值仪式中：式中：m0冲击前试样质量；冲击前试样质量；m1冲击后粒径小于冲击后粒径小于2.36mm集料试样质量集料试样质量 磨光机磨光机试件试件（金刚砂（金刚砂30号和号和280号），经号），经6h磨光后，用摆式仪测摩擦系数，与标磨光后，用摆式仪测摩擦系数，与标准试件比较，用准试件比较，用PSV表示（表示（Polished Stone value)集料的磨光值。集料的磨光值。将1015mm石料单层紧密排列试模中，用环氧树脂砂浆固定（4个试件）。磨光值试件磨光值试件摆式仪及其基本构造摆式仪及其基本构造道瑞道瑞 Dorry（英国）磨耗仪英国）磨耗仪将1015mm石料单层紧密排列试模中，用环氧树脂砂浆固定（石料不少于24个）。旋转500转，同时洒石英砂.冲击值仪冲击值仪1015mm集料，集料，1kg分三次夯实。分三次夯实。冲击锤（冲击锤（13.75kg）至至3805mm处自由落下，重复处自由落下，重复15次。次。将受冲击后的集料过筛（将受冲击后的集料过筛（2.36mm），），称重。称重。交通部公路沥青路面施工技术规范粗集料主要技术标准指标单位高速公路及一级公路其他等级公路表面层其他层次压碎值，不大于262830洛杉机磨耗损失，不大于283035吸水率，不大于2.03.03.0坚固性，不大于1212针片状颗粒含量，不大于151820磨光值，不小于421.4 矿质混合料的组成设计矿质混合料的组成设计1.4.1 矿质混合料的级配理论矿质混合料的级配理论级配研究意义：级配研究意义：探讨级配对集料性能探讨级配对集料性能密度和内摩阻力的影响密度和内摩阻力的影响最小空隙率：达到最大密实度最小空隙率：达到最大密实度最大摩阻力：增加集料的稳定性和强度；最大摩阻力：增加集料的稳定性和强度；互相嵌紧、互不干涉，形成紧密互相嵌紧、互不干涉，形成紧密多级的多级的 空间网络骨架结构。空间网络骨架结构。1.4.1.1 级配曲线类型级配曲线类型图图1-17 级配类型示意图级配类型示意图 1）连续级配：级配曲线光滑，每一种尺寸的集料都有）连续级配：级配曲线光滑，每一种尺寸的集料都有 2）间断级配：剔除一个或几个分级，曲线形成折线形）间断级配：剔除一个或几个分级，曲线形成折线形 3）单粒径：只有一种规格）单粒径：只有一种规格级配类型示意图级配类型示意图 1.4.1.2典型的级配理论典型的级配理论连续级配连续级配1）最大密度曲线最大密度曲线富勒理论富勒理论p2=kd当当d=D时，时，p=1001002=kD式中：式中：d欲计算通过百分率的粒径欲计算通过百分率的粒径D混合料最大粒径混合料最大粒径2）级配范围曲线级配范围曲线泰波公式（最大密度曲线泰波公式（最大密度曲线n幂公式）幂公式）式中：式中：n级配指数级配指数 图图1-18 级配范围曲线级配范围曲线 n=0.450.5，密实度最大密实度最大n=0.30.7，密实度尚可密实度尚可n=0.350.45，工作性较好（工艺性能）工作性较好（工艺性能）1.4.2矿质混合料的组成设计矿质混合料的组成设计目的：确定矿质混合料中各档集料的比例目的：确定矿质混合料中各档集料的比例已知条件：已知条件：各档集料级配；各档集料级配；设计级配范围设计级配范围1.4.2.1数解法数解法试算法试算法需要根据集料的分计筛余进行计算需要根据集料的分计筛余进行计算1）基本假定）基本假定某某一一粒粒径径的的颗颗粒粒由由一一种种集集料料提提供供，其其它它集集料料中中不不含含此此粒粒径的颗粒径的颗粒该粒径的颗粒在该集料中是占优势的该粒径的颗粒在该集料中是占优势的2）计算过程）计算过程已知：集料已知：集料A、B、C准备工作：准备工作：PiAiai;集料集料A集料集料B集料集料C混合料混合料M筛孔筛孔i的分计筛余的分计筛余/%aA(i)aB(i)aC(i)aM(i)在混合料中的比例在混合料中的比例/%XYZ100计算方程：计算方程：XYZ100(1)d=i时：时：X.aA(i)+Y.aB(i)+Z.aC(i)aM(i)(2)确定各集料用量确定各集料用量步骤步骤：计算计算A集料在矿质混合料中的用量集料在矿质混合料中的用量X确定确定A集料中占优势含量的粒径：集料中占优势含量的粒径：由表由表 A集集 料料 中中 含含 量量 占占 优优 势势 粒粒 径径 i=4.75mm:aA(4.75)=49.9%忽略其它集料在此粒径含量忽略其它集料在此粒径含量 aB(i)=0、aC(i)=0，代入式（代入式（1）A集料用量集料用量X为：为：步骤步骤：计算计算C集料在矿质混合料中的用量集料在矿质混合料中的用量Z确定确定C料中占优势的粒径料中占优势的粒径由表由表C集料中含量占优势粒径为集料中含量占优势粒径为:j0.075mm aZ(0.075mm)=85.3%忽略忽略A、C集料同一粒径含量集料同一粒径含量:aA(j)=0、aB(j)=0 C料用量料用量Z为：为：步骤步骤：计算计算B集料在矿质混合料中的用量集料在矿质混合料中的用量Y由由公公式式(2)：Y100(XZ）100(42.17.0）50.9%校核调整校核调整计算合成矿质混合料的通过百分率计算合成矿质混合料的通过百分率PM(i)合成级配合成级配 X.PA(i)+Y.PB(i)+Z.PC(i)PM(i)要求：要求：合成级合成级配配aM(i)或或PM(i)应在规定的级配范围内应在规定的级配范围内调整配合比后还应重新进行校核，直至符合要求为止调整配合比后还应重新进行校核，直至符合要求为止经调整后仍不能满足级配要求时，可掺加单粒级集料或调换集料经调整后仍不能满足级配要求时，可掺加单粒级集料或调换集料筛孔尺寸筛孔尺寸di（mm）集料集料A集料集料B集料集料C碎石分计筛余碎石分计筛余aA(i)（%）石屑分计筛余石屑分计筛余aB(i)（%）矿粉分计筛余矿粉分计筛余 aC(i)（%）13.20.89.543.64.7549.92.364.42.01.181.322.60.623.70.318.40.1513.04.00.07510.910.70.0759.585.3所选择的粒径应在该集料中占有较大的优势所选择的粒径应在该集料中占有较大的优势所选择的粒径应在该集料中占有较大的优势所选择的粒径应在该集料中占有较大的优势1.4.2.2图解法图解法修正平衡面积法修正平衡面积法按通过百分率计算并制图按通过百分率计算并制图1）绘制图解法坐标图）绘制图解法坐标图计算设计级配范围中值计算设计级配范围中值见表见表绘制图框并作对角线（为设计级配中值）绘制图框并作对角线（为设计级配中值）确定纵坐标：确定纵坐标：通过百分率（）通过百分率（）算术坐标算术坐标确定横坐标：根据设计级配中值，确定横坐标：根据设计级配中值，Pd，确定筛孔尺寸位置确定筛孔尺寸位置将各种集料的级配（通过量）绘在图中将各种集料的级配（通过量）绘在图中见见图图2）确定各集料的用量）确定各集料的用量作图原则作图原则3）合成级配的校核与调整）合成级配的校核与调整计算合成级配：计算合成级配：Pm(i)=Pj(i)Xj调整：合成级配曲线应尽可能光滑调整：合成级配曲线应尽可能光滑靠近级配范围中值线靠近级配范围中值线筛孔尺寸筛孔尺寸(mm)16.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075级配范围级配范围(mm)1009510070884868365324411830122281648级配中值级配中值(mm)10098795745332417126图图1-20 图解法用图图解法用图 相叠等分纵距：两相邻级配曲线头尾重叠相叠等分纵距：两相邻级配曲线头尾重叠a=a相接重线连分；两相邻级配曲线头尾相离相接重线连分；两相邻级配曲线头尾相离相离等分平距：两相邻级配曲线头尾相分相离等分平距：两相邻级配曲线头尾相分b=b第第1章章 复习题复习题v石料与集料的主要物理常数的定义石料与集料的主要物理常数的定义v石料与集料的主要力学性能评价指标及其意义石料与集料的主要力学性能评价指标及其意义v石料技术等级的评价方法石料技术等级的评价方法v集料级配的定义、测定方法、表示方法、研究集料级配的定义、测定方法、表示方法、研究意义、级配类型及其异同点、级配计算公式与意义、级配类型及其异同点、级配计算公式与级配指数的意义级配指数的意义v矿质混合料的配合比设计方法矿质混合料的配合比设计方法实验课安排实验课安排1.1.实验课内容实验课内容粗集料压碎值（演示）粗集料压碎值（演示）细集料筛分析、表观密度和堆积密度细集料筛分析、表观密度和堆积密度2.2.试验时间试验时间 2006.3.242006.3.24（周五（周五）上午上午 8:108:109 9：4040第一大组（学号为单号）第一大组（学号为单号）先作粗集料试验先作粗集料试验第二大组（学号为双号）第二大组（学号为双号）先作细集料试验先作细集料试验4.4.地点：交通运输学院一楼实验室（桥梁馆对面）地点：交通运输学院一楼实验室（桥梁馆对面）3.3.试验报告要求试验报告要求目的意义目的意义试验数据试验数据试验结果分析试验结果分析标准筛（Standard Test Sieves）沥青混合料：方孔16mm，13.2mm，9.5mm，4.75mm，2.36mm，1.18mm，0.6mm水泥混凝土：小于2.5mm方孔，等于和大于2.5mm圆孔20mm，16mm，10mm，5mm，2.5mm，1.25mm，0.63mm