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1、可编辑,第一章 砂石材料,1,可编辑,本章教学目标 知识教学点 岩石的技术性质和技术要求 集料的技术性质和技术要求 矿质混合料组成设计方法 能力训练点 能够检验砂石材料各种技术指标 能够进行矿质混合料组成设计,2,可编辑,块石,卵石,碎石,砂子,3,可编辑,一、岩石的技术性质,技术性质,吸水性,耐久性,力学性质,吸水率,饱水率,抗冻性,坚固性,抗压强度,磨耗性,物理性质,化学性质,物理常数,密度、孔隙率,4,可编辑,1.岩石内部组成结构：矿质实体 开口孔隙闭口孔隙 石料组成结构外观示意图,一、岩石的技术性质,V,5,可编辑,6,可编辑,（1） 真实密度（密度） 岩石在规定条件(105土5烘干至
2、恒重，温度20土2)下，烘干岩石矿质实体(不含孔隙的矿质实体的体积)的质量。真实密度用t表示，按下式计算： 式中：t真实密度，g/cm3 或 kg/m3； ms材料的质量，g 或 kg； Vs材料的绝对密实体积，cm3 或 m3。,7,可编辑,因 所以 测定方法：1、李氏比重瓶法 2、密度瓶发 将石料磨细至全部过0.25mm的筛孔，然后将其装入比重瓶中，利用已知比重的液体置换石料的体积。,8,可编辑,试验原理：（1）称量矿粉试样质量m1。（2）向比重瓶中注入蒸馏水，至刻度01mL之间，读取比重瓶 中水面的刻度V1。（3）用小匙将矿粉试样通过漏斗徐徐加入比重瓶中，至接近比重瓶最大读数(接近24m
3、L)止，读取比重瓶的读数V2。（4）准确称取剩余矿粉的合质量m2。,试验方法：李氏比重瓶法。,9,可编辑,式中：m1试验前瓷皿中矿粉的干燥质量，g； m2试验后瓷皿中矿粉的干燥质量，g； V1比重瓶加矿粉以前的初读数，mL； V2比重瓶加矿粉以后的终读数，mL；,计算公式：矿粉的密度、相对密度,试验温度时水的密度（常数）。,为计算方便，也可以采用相对密度表示，即矿粉密度与同 温度水的密度之比。,10,可编辑,密度法,将岩粉烘干冷却备用四分法取样m1=15灌入瓶中至一半，摇动排除气泡向瓶内注水至满瓶，塞好瓶塞称m3倒出悬液注入蒸馏水至满瓶称m2,不同水温时水的密度,11,可编辑,(2)毛体积密度
4、:,在规定条件下，烘干岩石（包括孔隙在内)的单位体积的质量。,测定方法：利用量积法、水中称量法和蜡封法。,根据含水状态，毛体积密度可分为：干密度、饱和密度和天然密度。,12,可编辑,蜡封法步骤：（1）将试件烘干冷却至室温；（2）称出试件空气中质量m0；（3）将试件表面封蜡，厚度不大于1mm；（4）称出试件封蜡后的空气中质量m1 ；（5）称出封蜡后试件的水中质量m2；（6）计算毛体积密度。,13,可编辑,孔隙率：,孔隙体积占岩石总体积的百分率。 用n来表示,孔隙率是衡量材料密实程度的指标。,14,可编辑,2）吸水性,定义：岩石在规定条件下吸水的能力,指标：吸水率、饱和吸水率,吸水率： 岩石吸水率
5、是指在室内常温（202）和大气压条件下，岩石试样最大的吸水质量占烘干（105 5干燥至恒重）岩石试件质量的百分率。,15,可编辑,饱和吸水率： 在室内常温和真空抽气后的条件下，岩石试样最大吸水的质量占烘干岩石试件质量的百分率。,区别：,饱水率是在石料抽至真空的条件下测定的，此时水几乎充满开口孔隙的全部体积，而在常压下测定的吸水率，通常认为水分只填充部分孔隙。,16,可编辑,影响吸水性的因素：a、孔隙特征、孔隙率 b、岩石的酸碱性 c、矿物成分组织构造,饱水率吸水率,吸水率、饱和吸水率能有效地反映岩石微裂隙的发育程度，可用来判断岩石的抗冻性和抗风化等性能。,17,可编辑,3）抗冻性,定义：岩石在
6、吸水饱和的状态下，抵抗多次冻结和融 化作用而不发生显著破坏，同时也不严重降低 强度的性能。,指标： 抗冻标号（测定经过冻(-15 ,4h)、融(205 ,4h)循环，质量损失不超过5%，抗压强度不超过25%的次数。）,测定方法：直接冻融法,抗冻标号越大，抗冻性越好,18,可编辑,若无条件进行冻融实验，可采用坚固性简易快速测定法：,将烘干并已称量过的规则试件，浸入饱和的硫酸钠溶液中经20h，取出置于105 5的烘箱中烘4h。然后取出冷却至室温，作为一个循环。如此重复若干个循环。最后用蒸馏水沸煮洗净，烘干称量，计算质量损失百分率。,19,可编辑,2.力学性质,抗压强度,磨耗性,1）单轴抗压强度：（
7、无侧限抗压强度）,定义：按我国现行公路工程岩石试验规程规定的标准试 件经吸水饱和后，单轴受压并按规定的加载条件下， 达到极限破坏时，单位承压面积上所承受的荷载。,20,可编辑,21,可编辑,压力机,22,可编辑,影响岩石抗压强度的主要因素：岩石的组成结构 矿物组成 岩石的结构和构造 裂隙的分布试验条件 试件尺寸和形状 加载速度（0.5-1.0MPa/S ） 试验温度和湿度（饱和水状态）,用于评定岩石强度、划分石料等级,23,可编辑,定义：岩石抵抗撞击、边缘剪力和摩擦等联合作用的性 能，以磨耗率表示。,试验方法：洛杉矶式 （搁板式） 狄法尔式（双筒式）,2）磨耗性,24,可编辑,洛杉矾式磨耗机,
8、25,可编辑,试验时将规定质量且有一定级配的试样和一定质量的钢球置于试验机内，磨耗鼓以30-33r/min的速度旋转，至达到要求次数后停止，将试样取出，用1.7mm方孔筛筛去石屑，将留在筛上的试样洗净烘干并称其质量。 石料磨耗率计算公式为：,26,可编辑,依据石料的抗压强度的高低和磨耗率的大小将路用石料的技术分级：分4级级最坚硬的岩石级坚硬的岩石级中等坚硬的岩石级较软的岩石,27,可编辑,酸性石料 中性石料碱性石料,SiO2 65花岗岩、石英岩52SiO265闪长岩、辉绿岩SiO2 52石灰岩、玄武岩,3.化学性质：,28,可编辑,三、集料的技术性质,集料：在混合料中起骨架或填充作用的粒料。
9、工程上以粒径的大小为界，通常将集料分粗集料及细集料：细集料：指天然砂（河砂、山砂和海砂）、人工砂及石屑粗集料：指碎石、卵石等。,在沥青混合料中，以2.36mm为界，在水泥混凝土中以4.75mm为界。,29,可编辑,块石,卵石,碎石,砂子,30,可编辑,（一）物理性质,物理常数,集料的级配,颗粒形状和表面特征,含泥量和泥块含量,1.物理常数,密度,1.表观密度、毛体积密度。毛体积密度与岩石相应密度在 概念上相同，仅在实际的密度测定方法上有所区别。,2.表干密度：又称作饱和面干毛体积密度,3.堆积密度：由颗粒排列的松紧程度不同粗集料的可分为自然堆积密度、振实密度和捣实密度,31,可编辑,集料的质量
10、与体积的关系见图所示：,32,可编辑,（1）表观密度（又称视密度）在规定条件下，单位表观体积的质量。表观体积是指包括集料矿质实体和闭口孔隙的体积。,孔隙中是否含有水及含水的多少，均可能影响其总质量或体积。因此，材料的表观密度与其内部构成状态及含水状态有关。,测定方法：粗集料：采用网篮法。细集料：采用容量瓶法。,33,可编辑,（2）毛体积密度 在规定条件下，单位毛体积的质量。毛体积是指包括集料矿质实体、闭口孔隙和开口孔隙的体积。,（3）堆积密度 单位体积物质颗粒的质量。单位体积包括集料矿质实体、闭口孔隙、开口孔隙及颗粒间空隙的体积。,34,可编辑,细集料的堆积密度测定,35,可编辑,空隙率 集料
11、颗粒之间空隙体积(含开口孔隙)占集料总体积的百分率。,空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒互相填充的致密程度。空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算含砂率的依据。,36,可编辑,级配是指集料中各种粒径颗粒的搭配比例或分布情况。级配对水泥混凝土及沥青混合料的强度、稳定性及施工和易性有着显著的影响，级配设计也是水泥混凝土和沥青混合料配合比设计的重要组成部分。,2.级配,集料的级配一般是通过筛分试验确定的,对水泥混凝土用集料一般可采用干筛法筛分试验，对沥青混合料及基层用集料必须采用水洗法筛分试验。,采用标准套筛对集料进行过筛分析，以确定集料粗细颗粒的分布即级配就是所谓筛分试验。,37,可编辑,通过筛分试验
12、，求得集料试样的级配参数。,（1）粗集料筛分试验标准及取样量,38,可编辑,（2）细集料筛分试验标准及取样量,标准筛:4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075mm (方孔),标准筛,39,可编辑,筛分三个参数：分计筛余百分率：各号筛上的筛余质量占试样总质量的百分率。 累计筛余百分率：该号筛及大于该号筛的各号筛的分计筛余百分率之和。 通过百分率：100减去该号筛的累积筛余百分率。,40,可编辑,粗度:评价砂粗细程度的一种指标。,表示方法：细度模数（细度模量）（精确至0.01）,砂的粗度分类 =3.7-3.1为粗砂 =3.0-2.3为中砂 =2.2-1.6为细砂,41,可
13、编辑,从某工地取回砂样，经烘干后称取500g，进行筛分试验，筛分结果如下表：,计算：（1）该砂样的分计筛余百分率ai、累计筛余百分率Ai和通过量百分率Pi？ （2）计算细度模数，确定砂的类型？,42,可编辑,集料的形状和表面特征将影响集料颗粒间的内摩阻力、集料颗粒与结合料粘结性及吸附性等方面。1.理想集料颗粒形状是球状或立方体。不取用扁平、薄片、细长状的颗粒。 针状颗粒的定义：最大长度大于2.4倍的平均粒径的颗粒。片状颗粒的定义：最大厚度小于0.4倍的平均粒径的颗测定方法：针片状规准仪、游标卡尺法2.集料表面特征指集料的粗糙程度和孔隙特征。表面粗糙的集 料颗粒有较显著的摩阻力，同时也会影响集料
14、的施工和易 性；粗糙且有吸收水泥浆和沥青轻组分的孔隙特征的集料与 结合料的粘结能力较强。,3.集料的颗粒形状与表面特征,43,可编辑,5.粗集料的坚固性:,用饱和Na2SO4溶液干湿循环5次后，测定试样质量损失。,用质量损失百分率计算坚固性（即安定性）。,44,可编辑,（二）粗集料的力学性质,压碎值,道瑞磨耗值,磨光值,冲击值,（1）粗集料压碎值：集料在连续增加的荷载下抵抗压碎的能力，也是集料强度的相对指标，用以鉴定集料品质。用来评价公路路面和基层用集料的相对强度。,45,可编辑,试验方法：取粒径约9.5mm13.2mm的集料试样3kg，装入压碎值测定仪的金属筒内，放在压力机上，于10min加
15、荷至400kN，稳压5s然后卸载，称其通过2.36mm的筛余质量的百分率。,46,可编辑,压碎值测定仪,47,可编辑,磨光值（PSV） 反映集料抵抗轮胎磨光作用能力的指标，它是采用加速磨光机磨光集料，并用摆式摩擦系数测定仪测得的磨光后集料的摩擦系数。该值越大，集料的抗磨光性能越好。 用高磨光值的岩石来铺筑道路路面表层，可以提高路表抗滑能力，保障车辆安全行驶。,要求：一级公路、高速公路 PSV42 其它公路 PSV35,48,可编辑, 冲击值（AIV） 反映集料抵抗多次连续重复冲击荷载作用的性能，可采用冲击试验仪测定。,粗集料冲击值愈小，表示抗冲击能力愈好。,式中：AIV集料冲击值(%) m1冲
16、击破碎后通过2.36mm筛孔的质量 m试样总质量,49,可编辑, 磨耗值（AAV） 确定集料抵抗表面磨损的能力，适用于对路面抗滑表层所用集料抵抗车轮磨耗能力的评定。,采用道瑞磨耗试验机来测定集料磨耗值（AAV）。,集料磨耗值愈高，表示集料耐磨性愈差。高速公路、一级公路抗滑层用集料的AAV应不大于14。,s集料表干密度(g/cm3）,50,可编辑,第二节 矿质混合料的组成设计,51,可编辑,第二节 矿质混合料的组成设计,52,可编辑,教学目标 知识教学点 掌握级配范围的确定 掌握级配范围曲线的绘制 掌握试算法、图解法的计算 能力教学点 能进行级配范围曲线的绘制 试算法、图解法的计算过程,53,可
17、编辑,54,可编辑,一、 矿质混合料的级配理论 1.最大密度曲线理论（富勒理论） 观点：矿质混合料的颗粒级配曲线愈接近抛物线，则 其密度愈大。,理想最大密度级配曲线,当矿质混合料的级配曲线为抛物线时，具有最大密实度。,55,可编辑,最大密度级配曲线公式：可用矿料颗粒粒径（d）与通过量（p）表示 。,式中：d 矿质混合料各级颗粒粒径，mm； p 各级颗粒粒径集料的通过量，%； k 常数。,56,可编辑,2.最大密度曲线n幂公式（泰波理论）观点：最大密度曲线是一种理论的级配曲线，实际上， 级配曲线应该有一定的波动范围。,式中：n 实验指数。实际研究认为： 在沥青混合料中应用，当n=0.45时密度最
18、大； 在水泥混凝土中应用，当n=0.250.45时工作性较好。 通常使用的矿质混合料的级配范围：n=0.30.6,公式：,57,可编辑,图中：n=0.5为最佳级配曲线n=0.30.6为允许 波动范围,58,可编辑,二、级配曲线范围的绘制必须采用半对数坐标即横坐标用对数坐标（解释原因）建立对数坐标的方法：1、先求出各颗粒粒径的对数2、求出各颗粒粒径间的对数间距 ， 并计算出各颗粒对数间距的总和,59,可编辑,3、求出间距系数K4、选定横坐标长度，各颗粒间距5、计算出各颗粒粒径在横坐标上的位置6、确定横坐标，以Pi为纵横坐标，即为对数坐标7、建立好坐标后，画级配范围,60,可编辑,三、 矿质混合料
19、的组成设计方法 目前主要设计方法有：试算法与图解法两大类。 1.数解法 最常用的数解法有试算法 试算法适用于23种矿料组配，正规方程法可用 于多种矿料组成，所得结果准确，但计算较为繁杂， 不如图解法简便。,61,可编辑,（1）试算法 1）按题意作两点假设： 设A、B、C三种集料在混合料M中的用量比例分别 为X、Y、Z，则, 又设混合料M中某一级粒径（i）要求的含量为 M（i），A、B、C三种集料中该粒径的含量分别 为aA(i)、 aB(i) 、 aC(i) 。则：,62,可编辑,2）计算步骤 计算A集料在矿质混合料中的用量比例 首先，找出A集料占优势含量的某一粒径，如 粒径（i），而忽略B、C
20、集料在此粒径的含量，即 B集料和C集料该粒径的含量aB(i)=aC(i)=0。 A集料在混合料中的用量：,63,可编辑, 计算C集料在矿质混合料中的用量比例 原理同前，设C集料的优势粒径为j（mm），则 A集料和B集料在该粒径的含量aA(j)=aB(j)=0。 C集料在混合料中的用量：, 计算B集料在矿质混合料中的用量比例 由前式得出B集料在矿质混合料中的用量：,64,可编辑,矿质混合料组成设计算例(试算法）,65,可编辑,矿质混合料配合组成设计校核,66,可编辑, 校核调整 按以上计算的配合比计算合成级配，如不在要求 的级配范围内，应调整。重新计算和复核配合比，经 几次调整，直到符合要求为止
21、。 如经计算确实不能满足级配要求时，可掺加某些 单粒级集料，或调换其它原始集料。,67,可编辑,2.图解法 （1）基本原理 通常级配曲线图采用半对数坐标图绘制，所绘出 的级配范围中值为一抛物线。 图解法中，为使要求级配中值呈一直线，采用纵坐标的通过量（Pi）为算术坐标，而横坐标的粒径采 用(d/D)n表示，则绘出的级配曲线中值为直线。 如图：,68,可编辑,半对数坐标主要用于 绘制级配曲线,指数坐标主要用于 图解设计,69,可编辑,三、 矿质混合料的组成设计方法 目前主要设计方法有：试算法与图解法两大类。 1.试算法 最常用的数解法有试算法 试算法适用于23种矿料组配，正规方程法可用 于多种矿
22、料组成，所得结果准确，但计算较为繁杂， 不如图解法简便。,70,可编辑,2.图解法 （1）基本原理 通常级配曲线图采用半对数坐标图绘制，所绘出 的级配范围中值为一抛物线。 图解法中，为使要求级配中值呈一直线，采用纵坐标的通过量（Pi）为算术坐标，而横坐标的粒径采 用(d/D)n表示，则绘出的级配曲线中值为直线。 如图：,71,可编辑,（2）计算步骤1）绘制级配曲线坐标图 横轴10cm，纵轴15cm，连接对角线 在纵轴找到级配范围的中值，过中值做水平线与对角线有交点，向下做垂线，交点即为粒径2）确定各种集料用量 两相邻级配曲线重叠，平分横距； 两相邻级配曲线相接，首尾相连； 两相邻级配曲线相离，
23、平分纵距。,72,可编辑,1009080706050403020100,Pi(%),di（mm）,98,79,57,45,33,24,17,12,6,16.0,13.2,9.5,4.75,2.36,1.18,0.6,0.3,0.15,0.075,A,B,C,D,A 32%,B 44%,C 12%,D 12%,A,A,B,B,C,C,M,R,级配中值线,N,73,可编辑,3） 校核 按图解所得的各种集料用量，校核计算所得 合成级配是否符合要求。如不能符合要求，即超 出级配范围，应调整各集料的用量，再重新计算 和复核配合比，经几次调整，直到符合要求为止。,74,可编辑,试采用图解法设计某高速公路用
24、细粒式沥青混凝土的矿质混合料配合比。 1.原始资料（1）现有碎石、石屑、砂和矿粉四种矿质集料，筛分如下表：,75,可编辑,（2）确定矿质混合料的工程级配范围如下表：,76,可编辑,2.设计步骤 （1）绘制级配曲线图，在纵坐标上按算术坐标绘出通过 百分率Pi，如下图。 （2）连对角线OO作为级配范围通过率中值。在纵坐标 上找出各个筛孔通过率中值作水平线，通过与对角线OO的 交点作垂线，与横坐标的交点，即为相应筛孔。 （3）将碎石、石屑、砂和矿粉的级配曲线绘于图中。 （4）从碎石、石屑、砂和矿粉四条级配曲线依次分析， 均为重叠的位置关系。在其重叠部分分别作垂线AA、 BB、CC与对角线OO依次相交
25、于M、N、R；过M、N、R 分别引水平线，可以确定 碎石:石屑:砂:矿粉 = 36%:31%:25%:8%。,77,可编辑,1009080706050403020100,Pi(%),di（mm）,98,79,57,45,33,24,17,12,6,16.0,13.2,9.5,4.75,2.36,1.18,0.6,0.3,0.15,0.075,碎石,石屑,砂,矿粉,碎石 36%,石屑 31%,砂 25%,矿粉 8%,A,A,B,B,C,C,M,N,R,级配中值线,78,可编辑,3. 校核（1）计算得合成级配结果，并绘制合成级配曲线；（2）调整配合比。 配合比调整原则： 对高速公路和一级公路，宜在
26、工程设计级配范围内 计算13组粗细不同的配合比，绘制设计级配曲线，分别 位于工程设计级配范围的上方、中值及下方。 设计合成级配不得有太多的锯齿形交错，且在0.3 0.6mm范围内不出现“鸵峰”。当反复调整不能满意时，宜 更换材料设计。,79,可编辑,41% 41.0 38.5 10.7 0 0 0 0 0 0 0,36% 36.0 36.0 36.0 28.8 14.4 6.1 0 0 0 0,15% 15.0 15.0 15.0 15.0 14.1 13.5 11.4 5.7 2.6 0,调整后 100 97.5 69.7 51.8 36.5 27.6 19.4 13.7 10.6 6.6,（1）计算合成级配结果表,80,可编辑,（2）绘制级配曲线，并调整配合比 从图中可以看出，计算的合成级配曲线接近级配范围中值。 由于高速公路交通量大、轴载重，为使沥青混合料具有较高 的高温稳定性，合成级配曲线应偏向级配曲线范围的下限,因此 需要调整。,81,可编辑,经调整，各种材料用量为 碎石:石屑:砂:矿粉=41%:36%:15%:8%。 按此结果重新计算合成级配，计算结果如表(表中括号部分)并绘图，可见调整后的合成级配曲线光滑、平顺，且接近级配曲线的下限。,82,
