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1、道路建筑材料,1.砂石材料 2.水泥 3.水泥混凝土 4.沥青材料 5.沥青混合料 6.无机结合料稳定混合料,1.砂石材料,主要内容 砂石材料的技术性能 矿质混合料的级配 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,1.1 砂石材料分类,按来源分类 天然砂石材料：卵石、砾石；砂（海砂、河砂、山砂等）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、粉煤灰等按成岩条件 岩浆岩地壳内部熔融岩浆上升冷却而成，又称火成岩 例如：花岗岩（侵入岩）、安山岩、玄武岩（喷出岩）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）例如：石灰岩、砂岩变质岩岩浆岩或沉积岩经过
2、地址变质作用而形成的岩石 例如：石灰岩 大理岩，花岗岩 片麻岩,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石料的技术性质,1.2.1.1 物理性质（物理常数、吸水性、抗冻性）1）物理常数图1-1 石料体积组成示意图 密度：真实密度（真实体积vs 矿物实体体积）表观密度（表观体积vs vn 含闭口孔隙）毛体积密度(毛体积vs+vn+vi闭口与开口孔隙)孔隙率：,图1-1 石料体积组成示意图,2）吸水性：材料吸入水分的能力 吸水率：常温（202）、标准大气压（101.325kPa)饱水率：常温（202
3、）、真空抽气（2.67 kPa）最大吸水质量 吸水率（饱水率）100 干燥试样质量3）抗冻性：石料在水饱和状态下，能经受反复冻融而不破坏，并不严重降低强度的能力 直接冻融法（冻融循环试验：-15冰冻4h 25融解4h）若干次(15、25、50次)质量损失 强度损失：强度降低不大于25，耐冻系数0.75 硫酸钠坚固性法（Na2SO4结晶体积涨大）将石料浸入饱和Na2SO4溶液20h，置于1055烘箱4h，循环5次,1.2.1.2 力学性质,道路试件:505050 mm立方体 50H50mm的圆柱体 图1-2 石料抗压强度试件 桥梁试件:200200200 mm立方体,1）抗压强度,石料应具备一定
4、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石料等级。,单位面积上所能承受的最大荷载。,图1-2 石料抗压强度试件,影响石料抗压强度的因素：内因：材料的矿物成分 结构和孔隙构造外因：试件尺寸 加荷速率 湿度等,2)磨耗率,洛杉矶法（搁板式）:试样为5000g有级配的集料，并加入12个钢球（48mm，约5000g）。转速3033r/min，转500转 图1-4 搁板式磨耗仪,狄法尔法（双筒式）:50块石料（5075mm），质量5000g左右，转速3033r/min，转10,000转（5.55.0h）图1-3 双筒式磨耗仪 磨耗率计算公式：式中：m2试验后2mm筛
5、上烘干石料试样质量；m1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。,图1-3 双筒式磨耗仪示意图,耗时长达5h以上 试件尺寸单一（5075mm），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,图1-4 搁板式磨耗仪示意图,省时：15min左右 使石料受到更严峻的冲击、剪切、摩擦作用，石料级差大 试样级配较符合路用状况,1.2.1.1 物理性质 物理常数：密度、空隙率 吸水性：吸水率、饱水率 抗冻性1.2.1.2 力学性质抗压强度：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,石料的技术性质,1.分类：按照成岩条件、风化
6、程度等 岩浆岩类（火成岩）石灰岩类（沉积岩）砂岩与片麻岩类（变质岩）砾石岩（天然风化）2.分级指标：饱水抗压强度和磨耗率 最坚强 坚强 中等坚强 较弱软,1.3.2 石料的技术标准,1.2.2 集料的技术性质图1-5 碎石集料 1.2.2.1 物理性质,1）物理常数图1-6 集料的体积组成 密度：表观密度、毛体积密度、装填密度 装填密度 堆积（松装）密度集料按自由下落方式装样 图1-7 细集料堆积密度试验仪具示意图 振实（紧装）密度集料振摇方式装样 捣实密度集料振摇方式装样 空隙率VG：集料空隙体积占集料总体积的百分比 不含开口孔隙 含开口孔隙,颗粒之间的空间体积,图1-5 碎石集料不同粒径、
7、尺寸较小的石料颗粒的集合体,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1-6 集料的体积组成,孔隙：矿物之间的空间Vn+Vi空隙：集料颗粒之间的空间Vv,图1-7 细集料堆积密度试验仪具示意图,2）级配：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 图1-8 级配的几种情况 筛析试验图1-9 套筛 圆孔筛(直径)：40、20、10、5、2.5、1.25、0.63、0.3 方孔筛(边长)：13.2、9.5、4.75、2.36、1.18、0.6、
8、0.3 筛分试验参数 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 累计筛余百分率Ai：等于或大于某号筛上筛余质量之和占总质量的百分率 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 级配曲线的绘制图1-10 级配曲线 制表和作图要求,图1-8 级配的几种情况,图1-9 套筛,级配曲线示意图,作图：纵坐标为通过百分率P()常数坐标 横坐标为筛孔尺寸(mm)注意：坐标单位 注明不同曲线意义 判断集料级配是否符合要求,3）粗度细度模数评价砂（0.164.75mm）粗细程度，为筛分试验中各号筛上累计筛余百分率之和，按下式计算：,细度模数越大，表示细集料越粗。粗砂：Mf 3.7
9、3.1中砂：Mf 3.02.3细砂：Mf 2.21.6,细度模数取决于0.15mm2.26mm筛上累计筛余量之和，对于较粗颗粒含量比较敏感。无单位。没有考虑小于0.15mm颗粒含量。不能全面反应细集料颗粒分布。,颗粒形状：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2.4倍的颗粒片状：厚度小于其平均粒径0.4倍的颗粒 现行规范公路工程集料试验规程JTJ 0582000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）方向的尺寸比小于1：3的颗粒。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、岩石的结构、矿物组成以及受到冲刷、腐蚀程度有关。
10、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，尤其是抗折强度。,4）集料的颗粒形状与表面特征,1）压碎值：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）图1-11 压碎值测试仪具尺寸图 压碎值（沥青混合料用集料）图1-12 压碎值测试仪 式中：m0试验前风干试件的质量 m1试验后2.36mm筛上集料质量,1.2.2.2 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,1020mm集料分二层夯实，在35min加荷至 Pmax=200kN，恒压5s后，脱膜后过2.5mm筛,（适用于水泥混凝土用集料）,压碎值测试仪具,将13.216mm碎石
11、分三层夯实，在010min加压至400kN，立即卸载，过2.36mm筛,（适用沥青混合料用集料）,内径：150mm高度：125mm,2)磨光值：石料抵抗磨光的能力，即保持其原有粗糙的能力 图1-13磨光值3)磨耗值：石料抵抗磨擦、剪切的能力 图1-15道瑞 Dorry（英国）磨耗仪 式中：m1磨耗前的试件质量（g）m2磨耗后的试件质量（g）t集料的饱和面干密度4）冲击值：石料抵抗多次连续的重复冲击荷载的能力(Lashed Stone Value)图1-16 冲击值仪 式中：m0冲击前试样质量；m1冲击后粒径小于2.36mm集料试样质量,磨光机,试件（金刚砂30号和280号），经6h磨光后，用摆
12、式仪测摩擦系数，与标准试件比较，用PSV表示（Polished Stone value)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,摆式仪及其基本构造,道瑞 Dorry（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,1015mm集料，1kg分三次夯实。冲击锤（13.75kg）至3805mm处自由落下，重复15次。将受冲击后的集料过筛（2.36mm），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,1.4 矿质混合料的组成设计,1.4.1 矿质
13、混合料的级配理论级配研究意义：探讨级配对集料性能密度和内摩阻力的影响最小空隙率：达到最大密实度最大摩阻力：增加集料的稳定性和强度；互相嵌紧、互不干涉，形成紧密多级的 空间网络骨架结构。,1.4.1.1 级配曲线类型图1-17 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 2）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,级配类型示意图,典型的级配理论连续级配,1）最大密度曲线富勒理论 p2=kd 当d=D时，p=1001002=kD 式中：d欲计算通过百分率的粒径 D混合料最大粒径2）级配范围曲线泰波公式（最大密度曲线n幂公式）式中：n级配指数,图
14、1-18 级配范围曲线,n=0.450.5，密实度最大n=0.30.7，密实度尚可n=0.350.45，工作性较好（工艺性能）,1.4.2 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已知条件：各档集料级配；设计级配范围,1.4.2.1 数解法试算法 需要根据集料的分计筛余进行计算 1）基本假定 某一粒径的颗粒由一种集料提供，其它集料中不含此粒径的颗粒 该粒径的颗粒在该集料中是占优势的,2）计算过程 已知：集料A、B、C 准备工作：PiAiai;,计算方程：XYZ100(1)d=i时：X.aA(i)+Y.aB(i)+Z.aC(i)aM(i)(2),确定各集料用量步骤：计算A集料在矿
15、质混合料中的用量X确定A集料中占优势含量的粒径：由表 A集料中含量占优势粒径 i=4.75mm:aA(4.75)=49.9%忽略其它集料在此粒径含量 aB(i)=0、aC(i)=0，代入式（1）A集料用量X为：,步骤：计算C集料在矿质混合料中的用量Z,确定C料中占优势的粒径由表 C集料中含量占优势粒径为:j0.075mm aZ(0.075mm)=85.3%忽略A、C集料同一粒径含量:aA(j)=0、aB(j)=0 C料用量Z为：步骤：计算B集料在矿质混合料中的用量Y由公式(2)：Y100(XZ）100(42.17.0）50.9%,校核调整 计算合成矿质混合料的通过百分率PM(i)合成级配 X.
16、PA(i)+Y.PB(i)+Z.PC(i)PM(i)要求：合成级配aM(i)或PM(i)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,所选择的粒径应在该集料中占有较大的优势,1.4.2.2 图解法修正平衡面积法 按通过百分率计算并制图,1）绘制图解法坐标图 计算设计级配范围中值见表 绘制图框并作对角线（为设计级配中值）确定纵坐标：通过百分率（）算术坐标 确定横坐标：根据设计级配中值，Pd，确定筛孔尺寸位置 将各种集料的级配（通过量）绘在图中见图2）确定各集料的用量作图原则 3）合成级配的校核与调整 计算合成级配：Pm
17、(i)=Pj(i)Xj 调整：合成级配曲线应尽可能光滑 靠近级配范围中值线,图1-20 图解法用图,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 相离等分平距：两相邻级配曲线头尾相分b=b,第1章 复习题,石料与集料的主要物理常数的定义石料与集料的主要力学性能评价指标及其意义石料技术等级的评价方法集料级配的定义、测定方法、表示方法、研究意义、级配类型及其异同点、级配计算公式与级配指数的意义矿质混合料的配合比设计方法,实验课安排,1.实验课内容粗集料压碎值（演示）细集料筛分析、表观密度和堆积密度2.试验时间（周五）上午 8:109：40第一大组（学号为单号）先作粗集料试验第二大组（学号为双号）先作细集料试验4.地点：交通运输学院一楼实验室（桥梁馆对面）3.试验报告要求目的意义试验数据试验结果分析,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,
