道路工程材料第一章-砂石材料教程文件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,道路工程材料 第一章 石料与集料,第一章 石料与集料,道路工程材料,道路工程材料 第一章 石料与集料,第一章 石料与集料,1.1,石料,1.2,集料,1.3,矿质混合料的组成设计,1.4,石料与集料的工程应用,道路工程材料 第一章 石料与集料,1.1 石料,石料的物理力学性质在很大程度上取决于天然岩石的矿物成分，以及这些矿物在岩石中的结构与构造。,石料是天然岩石经机械加工制成的，或者直接开采得到具有一定形状和尺寸的石料制品。,一、石料的岩石学特性,1,造岩矿物,造岩矿物,岩石,地质作用,石英、云母、长石；角闪石方解石、白云石、黄铁矿、石膏、菱镁矿、赤铁矿灯。,道路工程材料 第一章 石料与集料,1.1 石料,2,岩石的分类,一、石料的岩石学特性,按成岩条件分,岩浆岩,沉积岩,变质岩片理状岩、块状岩,深成岩,喷出岩,火山岩,花岗岩、正长岩、辉长石,玄武岩、安山岩、辉绿岩,石灰岩、页岩、砂岩、石膏，散粒状的粘土、砂、卵石,道路工程材料 第一章 石料与集料,1.1 石料,二、石料的物理性质,物理常数,吸水性,抗冻性,道路工程材料 第一章 石料与集料,1.1 石料,二、石料的物理性质,物理常数,石料的物理常数是反映材料矿物组成、结构状态和特征的参数。常用物理常数是,密度,和,孔隙率,。,m,0,V,n,M,m,S,V,i,V,s,V,V,0,闭口孔隙,矿物实体,开口孔隙,图1-1 石料组成部分的质量与体积关系示意图,1,道路工程材料 第一章 石料与集料,1.1 石料,二、石料的物理性质,物理常数,1,密度,规定条件下，石料矿质实体单位体积的质量。,真实密度,表观密度,毛体积密度,道路工程材料 第一章 石料与集料,1.1 石料,规定条件下，烘干石料矿质实体单位真实体积的质量。,二、石料的物理性质,物理常数,1,密度,真实密度,m,0,V,n,M,m,S,V,i,V,s,V,V,0,闭口孔隙,矿物实体,开口孔隙,道路工程材料 第一章 石料与集料,1.1 石料,二、石料的物理性质,物理常数,1,密度,表观密度,规定条件下，烘干石料矿质实体单位表观体积（包括闭口孔隙）的质量。,m,0,V,n,M,m,S,V,i,V,s,V,V,0,闭口孔隙,矿物实体,开口孔隙,道路工程材料 第一章 石料与集料,1.1 石料,二、石料的物理性质,物理常数,1,密度,毛体积密度,规定条件下，烘干石料矿质实体单位毛体积（包括闭口、开口孔隙）的质量。,道路工程材料 第一章 石料与集料,1.1 石料,二、石料的物理性质,物理常数,1,石料孔隙体积占石料总体积（包括开口孔隙和闭口孔隙体积）的百分率。,孔隙率,道路工程材料 第一章 石料与集料,吸水率,：常温（202）、,标准大气压（101.325kPa),，最大的吸水质量占干燥试样质量的百分比。,饱水率,：常温、,真空抽气（2.67 kPa），,最大吸水质量占干燥试样质量的百分比。,1.1 石料,二、石料的物理性质,吸水性,2,材料吸入水分的能力。包括吸水率和饱水吸水率。,道路工程材料 第一章 石料与集料,1.1 石料,直接冻融法,坚固性法,二、石料的物理性质,抗冻性,3,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。,孔隙构造、吸水性,道路工程材料 第一章 石料与集料,1.1 石料,直接冻融法,（冻融循环试验：,吸水饱和，-15冰冻常温融解）,循环若干次(15、25、50次),二、石料的物理性质,抗冻性,3,冻融系数,4h,石料直径、高50mm圆柱体试件，50mm正方体试件，在1055烘干。,质量损失率,道路工程材料 第一章 石料与集料,道路试件:505050 2mm立方体,50H50 2mm的圆柱体,桥梁试件:707070 2 mm立方体,1.1 石料,三、石料的力学性质,石料的抗压强度,1,试件类型,图1-2石料抗压试件,道路工程材料 第一章 石料与集料,1.1 石料,材料的矿物成分,结构和构造,P试验时石料试件破坏的极限荷载，N,A石料试件的受力截面积，mm,2,三、石料的力学性质,石料的抗压强度,1,影响因素,试件尺寸,加荷速率,湿度等,内因,外因,对试件饱水处理后施加荷载直至破坏。,道路工程材料 第一章 石料与集料,1.1 石料,三、石料的力学性质,磨耗率,2,石料抵抗撞击、摩擦的联合作用的能力。,洛杉矶磨耗试验,狄法尔磨耗试验,道路工程材料 第一章 石料与集料,式中：m,2,试验后2mm筛上烘干石料试样质量；,m,1,试验前烘干石料试样质量。,1.1 石料,三、石料的力学性质,磨耗率,狄法尔法（双筒式）,2,50块石料（5075mm），单一粒径，质量5000g左右，转速3033r/min，转10,000转（5.55.0h）,磨耗率计算公式,：,道路工程材料 第一章 石料与集料,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,狄法尔法（双筒式）,道路工程材料 第一章 石料与集料,试样为5000g有一定级配的集料，加入钢球12个48mm，5000g。转速3033r/min，转500转。,1.1 石料,三、石料的力学性质,磨耗率,洛杉矶法（搁板式）,2,式中：m,2,试验后2mm筛上烘干石料试样质量；,m,1,试验前烘干石料试样质量。,道路工程材料 第一章 石料与集料,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,洛杉矶法（搁板式）,道路工程材料 第一章 石料与集料,1.分类,：按照成岩条件、风化程度等,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,1.1 石料,四、石料的技术标准,道路工程材料 第一章 石料与集料,物理性质,物理常数：密度（真实密度、表观密度、毛体积密度）、孔隙率,吸水性：吸水率、饱水率,抗冻性,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,1.1 石料,道路工程材料 第一章 石料与集料,1.2 集料,集料,是由不同粒径矿质颗粒组成的混合料。包括各种天然砂、人工砂、卵石、碎石以及各类工业冶金矿渣。,天然砂、人工砂粒径4.75mm,粗集料细集料分界尺寸：4.75mm(水泥混凝土),2.36mm(沥青混凝土),道路工程材料 第一章 石料与集料,1.2 集料,一、集料的物理性质,物理常数,密度,空隙率,集料的级配,集料的颗粒形状与表面特征,含泥量和泥块含量,道路工程材料 第一章 石料与集料,图1-5 集料的体积组成,孔隙：矿物之间的空间,V,n,+,V,i,空隙：集料颗粒之间的空间,V,v,颗粒之间的空间体积,道路工程材料 第一章 石料与集料,(1)密度：表观密度、毛体积密度、表干密度、装填密度,1.2 集料,一、集料的物理性质,1,物理常数,密度表干密度,道路工程材料 第一章 石料与集料,堆积（松装）密度集料按自由下落方式装样,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,1.2 集料,一、集料的物理性质,1,物理常数,密度装填密度,道路工程材料 第一章 石料与集料,空隙率n：,集料空隙体积(含开口孔隙)占集料总体积的百分比。,1.2 集料,一、集料的物理性质,1,物理常数,n_集料的空隙率，%,Vf集料颗粒的堆积体积，Vs+Vn+Vi+Vv，cm,3,Vv集料颗粒孔隙，cm,3,Vi矿质实体中开口孔隙体积，cm,3,道路工程材料 第一章 石料与集料,集料中各种粒径颗粒的搭配比例或分布情况。,1.2 集料,一、集料的物理性质,2,集料的级配,道路工程材料 第一章 石料与集料,颗粒形状：蛋圆形、棱角形、针状、片状,1.2 集料,集料的颗粒形状与表面特征,一、集料的物理性质,3,表面特征：表面的粗糙程度及孔隙特征等,类型,颗粒形状的特点,集料品种,蛋圆形,具有较光滑的表面，无明显棱角，颗粒浑圆,天然砂及各种砾石、陶粒,棱角形,具有粗糙的表面及明显棱边,碎石、石屑、破碎矿渣,针状,长度方向尺寸远大于其他方向尺寸而呈细条形,砾石、碎石中均存在,片状,厚度方向尺寸远小于其他方向而呈薄片形,砾石、碎石中均存在,道路工程材料 第一章 石料与集料,含泥量：,集料中粒径小于0.075mm的颗粒含量。,1.2 集料,一、集料的物理性质,4,含泥量和泥块含量,泥块含量：,粗集料中原尺寸大于4.75mm,但经水浸洗、手捏后小于2.36mm的颗粒含量。,存在类型：由纯泥组成的团块；由砂、石屑与泥组成的团块；包裹在集料颗粒表面的泥。,道路工程材料 第一章 石料与集料,1.2 集料,二、集料的力学性质,压碎值,磨光值,冲击值,磨耗值,道路工程材料 第一章 石料与集料,压碎指标值（适用于水泥混凝土用集料）,压碎值（沥青混合料用集料）,式中：,m,0,试验前风干试件的质量，g,m,1,试验后通过2.36mm筛孔的细集料质量，g,1.2 集料,二、集料的力学性质,压碎值,：,石料抵抗压碎的能力。,1,道路工程材料 第一章 石料与集料,图1-6 压碎指标值测试仪具尺寸图,1020mm集料分二层夯实，在35min加荷至 P,max,=200kN，恒压5s后，脱膜后过2.36mm筛。,试验集料,压碎值的测试,道路工程材料 第一章 石料与集料,图1-7 压碎值测试仪,将1216mm碎石分三层夯实，在010min加压至400kN，立即卸载，过2.36mm筛。,试验集料容器,压碎值的测试,道路工程材料 第一章 石料与集料,1.2 集料,磨光值：,石料抵抗轮胎磨光作用能力的，即保持其原有粗糙的能力。,二、集料的力学性质,2,PSV石料的磨光值；,PSV,ra,试验试件的摩擦系数；,PSV,bra,标准试件的摩擦系数；,道路工程材料 第一章 石料与集料,式中：,m,0,冲击前试样质量，g；,m,1,冲击试验后，通过2.36mm筛的石屑质量，g,二、集料的力学性质,3,冲击值：,石料抵抗多次连续的重复冲击荷载的能力。,1.2 集料,道路工程材料 第一章 石料与集料,式中：,m,1,磨耗前的试件质量（g）,m,2,磨耗后的试件质量（g）,s,集料的表干密度g/cm,3,二、集料的力学性质,4,磨耗值：,石料抵抗表面磨损的能力。,1.2 集料,道路工程材料 第一章 石料与集料,粗集料的力学性能,压碎值：石料抵抗压碎的能力,磨光值：石料抵抗磨光的能力，即保持其原有粗糙的能力,磨耗值：石料抵抗磨擦、剪切的能力,冲击值：石料抵抗多次连续的重复冲击荷载的能力,物理性质,物理常数：密度、空隙率等,级配,颗粒形状与表面特征,含泥量，泥块含量,1.2 集料,道路工程材料 第一章 石料与集料,1.3 矿质混合料的组成设计,矿质混合料：,两种或两种以上的集料混合而成，简称矿料。,组成设计的目的：,根据目标级配范围要求，确定各种集料在矿质混合料中的合理比例。,图1-11 级配的几种情况,道路工程材料 第一章 石料与集料,1.3 矿质混合料的组成设计,一、矿质混合料的级配,1,集料级配的表示方法,筛分试验,一定数量的集料试样，在标准筛上进行筛分试验。试验后分别称量集料试样存留在各筛上的筛余质量并计算相关的级配参数。,道路工程材料 第一章 石料与集料,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、0.3、0.15、0.075。,1.3 矿质混合料的组成设计,一、矿质混合料的级配,1,集料级配的表示方法,筛分试验标准筛,图1-12 筛分试验用套筛,道路工程材料 第一章 石料与集料,1.3 矿质混合料的组成设计,分计筛余百分率,a,i,：,某号筛上的筛余质量占试样总质量的百分率,。,一、矿质混合料的级配,1,集料级配的表示方法,筛析试验级配参数,通过百分率p,i,：,通过某号筛的集料质量占试件总质量的百分率。,P,i,=100-A,i,累计筛余百分率A,i,：,等于或大于某号筛上筛余质量之和占总质量的百分率A,i,=,a,1,+,a,2,+.+,a,3,道路工程材料 第一章 石料与集料,评价细集料粗细程度。,粗砂：,M,f,3.73.1,中砂：,M,f,3.02.3,细砂：,M,f,2.21.6,一、矿质混合料的级配,1,集料级配的表示方法,（2）细集料的细度模数,1.3 矿质混合料的组成设计,道路工程材料 第一章 石料与集料,1.3 矿质混合料的组成设计,一、矿质混合料的级配,1,集料级配的表示方法,（3）集料的级配曲线,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,图1-13 级配曲线,道路工程材料 第一章 石料与集料,1.3 矿质混合料的组成设计,一、矿质混合料的级配,1,集料级配的表示方法,（3）集料的级配曲线,连续级配：级配曲线光滑，每一种尺寸的集料都有,间断级配：剔除一个或几个分级，曲线形成折线形,单粒径：,道路工程材料 第一章 石料与集料,图,1-17,级配类型示意图,单粒径,图1-14 连续级配与间断级配曲线示意图,道路工程材料 第一章 石料与集料,1.3 矿质混合料的组成设计,一、矿质混合料的级配,2,级配组成对矿料性能的影响,矿质混合料的级配组成与其密度及颗粒间内摩阻力有关，从而对水泥混凝土或沥青混凝土的强度、耐久性及施工和易性有显著影响。,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，紧密多级空间网络骨架结构。,道路工程材料 第一章 石料与集料,p,2,=,kd,当,d,=,D,时，,p,=100100,2,=,kD,式中：,d,集料中颗粒的筛孔尺寸，mm,D,矿质混合料最大粒径，mm,1.3 矿质混合料的组成设计,一、矿质混合料的级配,3,连续级配的计算,(1)最大密度级配计算富勒理论,集料在某筛孔上的通过百分率和筛孔尺寸的关系越接近抛物线，该集料的密度越大，空隙率越小。,道路工程材料 第一章 石料与集料,式中：,n,级配指数,1.3 矿质混合料的组成设计,一、矿质混合料的级配,3,连续级配的计算,(2)级配曲线范围公式泰波公式,道路工程材料 第一章 石料与集料,图1-15 级配指数与级配曲线的关系图,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）,道路工程材料 第一章 石料与集料,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,P,d,设计级配范围,P,d,方法：,数解法,图解法,1.3 矿质混合料的组成设计,二、矿质混合料的配合比设计方法,道路工程材料 第一章 石料与集料,需要根据集料的分计筛余率进行计算,1.3 矿质混合料的组成设计,二、矿质混合料的配合比设计方法,1,数解法试算法,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,道路工程材料 第一章 石料与集料,计算过程,已知：集料 混合料,(1),准备工作：P,i,A,i,a,i,参数,集料,A,集料,B,集料C,混合料,M,筛孔i的分计筛余/%,a,A,(i),a,B,(i),a,C,(i),a,M,(i),在混合料中的比例/%,X,Y,Z,100,(2),计算方程：,X,Y,Z,100 (1),d,=,i,时：,X.a,A,(i)+,Y.a,B,(i),+,Z.a,C,(i),a,M,(i),(2),A,B,C,M,+,+,矿质混合料的配合比设计方法试算法,道路工程材料 第一章 石料与集料,确定各集料用量,步骤：计算,A,集料在矿质混合料中的用量,X,确定,A,集料中占优势含量的粒径：,A,集料中含量占优势粒径,i,=4.75mm:,a,A,(4.75)=49.9%,忽略其它集料在此粒径含量,a,B,(i),=0、,a,C,(i)=0，代入式（2）,A,集料用量,X,为：,矿质混合料的配合比设计方法试算法,道路工程材料 第一章 石料与集料,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:,j,0.075mm,a,Z,(0.075mm)=85.3%,忽略,A,、B集料同一粒径含量:,a,A,(j),=0、,a,B,(j)=0,C,料用量Z为：,矿质混合料的配合比设计方法试算法,道路工程材料 第一章 石料与集料,步骤：计算B集料在矿质混合料中的用量,Y,由公式(1)：,Y,100(,X,Z,）100(42.17.0）50.9%,矿质混合料的配合比设计方法试算法,道路工程材料 第一章 石料与集料,校核调整,计算合成矿质混合料的通过百分率,P,M(i),合成级配,X.P,A(i),+,Y.P,B(i),+,Z.P,C(i),P,M(i),要求：,合成级配,a,M(i),或,P,M(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,矿质混合料的配合比设计方法试算法,道路工程材料 第一章 石料与集料,筛孔尺寸d,i,（mm）,集料A,集料B,集料C,碎石分计筛余,a,A(i),（%）,石屑分计筛余,a,B(i),（%）,矿粉分计筛余,a,C(i),（%）,13.2,0.8,9.5,43.6,4.75,49.9,2.36,4.4,2.0,1.18,1.3,22.6,0.6,23.7,0.3,18.4,0.15,13.0,4.0,0.075,10.9,10.7,0.075,9.5,85.3,所选择的粒径应在该集料中占有较大的优势,道路工程材料 第一章 石料与集料,道路工程材料 第一章 石料与集料,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,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,2,1.3 矿质混合料的组成设计,道路工程材料 第一章 石料与集料,筛孔尺寸(mm),16.0,13.2,9.5,4.75,2.36,1.18,0.6,0.3,0.15,0.075,级配范围(mm),100,95100,7088,4868,3653,2441,1830,1222,816,48,级配中值(mm),100,98,79,57,45,33,24,17,12,6,98,79,57,45,33,24,12,6,0.075,9.5,13.2,4.75,2.36,0.6,1.18,0.3,0.15,矿质混合料的配合比设计方法图解法,道路工程材料 第一章 石料与集料,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,X（A用量）,W（D用量）,Z（C用量）,Y（B用量）,(2)确定各种集料用量,矿质混合料的配合比设计方法图解法,道路工程材料 第一章 石料与集料,(3)合成级配的校核与调整,计算合成级配：,P,m(i),=,P,j(i),X,j,调整：合成级配曲线应尽可能光滑,靠近级配范围中值线,矿质混合料的配合比设计方法图解法,道路工程材料 第一章 石料与集料,试件加速磨光机（30#，280#金刚砂），经6h磨光后，用摆式摩擦系数测定仪测摩擦系数（BPN）磨光值,图1-8 磨光值试件及磨光机,9.513.2mm石料颗粒，环氧树脂砂浆固定制成试件。,磨光值试验,道路工程材料 第一章 石料与集料,9.513.2mm集料，1kg分三次装入量筒中，夯实。,冲击锤至3805mm处自由落下，重复15次，间隔不少于1s。,将受冲击后的集料过筛（2.36mm），称重。,图1-9冲击值仪,冲击值试验,道路工程材料 第一章 石料与集料,图1-10道瑞 Dorry（英国）磨耗仪,磨耗值试验,9.513.2mm石料颗粒，单层紧密排列，用环氧树脂砂浆固定成型。,同种石料2个试件一组用金属托盘固定于道瑞机的圆平板上,2830r/min，100转，连续不断、均匀，撒布一定细度的石英砂。,同样方法再磨400转。,道路工程材料 第一章 石料与集料,谢 谢,道路工程材料 第一章 石料与集料,