道路建筑材料-第1章砂石材料

第1章石料与集料★主要内容◇石料和集料的主要技术性能（物理、力学性能）◇技术性能评价指标和方法◇集料的级配概念和级配理论◇矿质集料配合比设计方法朱云升3☆按来源分类①天然砂石材料：卵石、砾石、漂石；砂(海砂、河砂、山砂等)②人工轧制的砂石料：块料、碎石集料③工业冶金矿渣集料：钢渣、高炉渣、煤渣、粉煤灰等☆按尺寸和用途分类①石料②集料：粗集料——粒径d＞4.75mm（＞2.36mm）细集料——粒径d≤4.75mm（≤2.36mm）石料集料砂石材料道路与桥梁结构圬工加工成各种尺寸集料水泥（沥青）混凝土骨料朱云升41.1.1天然岩石的分类现行公路工程石料试验规程将天然石料分为4个等级，对不同矿物组成的岩石技术性质要求不同。1.1石料石料：天然岩石经过机械加工制成或者由直接开采得到的具有一定形状和尺寸的石料制品。朱云升51.分类：按照成岩条件、风化程度等技术要求分为4类①岩浆岩类：花岗岩、辉绿岩、玄武岩②沉积岩类：石灰岩、白云岩、泥灰岩③变质岩类：石英岩、砂岩、片麻岩④砾石类（天然风化）：2.分级指标：饱水抗压强度和磨耗率①最坚强②坚强③中等坚强④较弱软1.1.1岩石的分类朱云升6物理常数：密度（表观密度、毛体积密度）、空隙率吸水性：吸水率、饱水率耐候性：抗冻性、坚固性1.1.2石料的物理性质朱云升71）物理常数图1-1石料体积组成示意图⑴密度：①真实密度（真实体积vs—矿物实体体积）②表观密度（表观体积vs＋vn—含闭口孔隙）③毛体积密度(毛体积vs+vn+vi—闭口与开口孔隙)⑵孔隙率：stvmnshvvminshvvvm%100)1(thinvVvvP1.1.2石料的物理性质朱云升8石料体积组成示意图m0VnMmSViVsVV0开口孔隙闭口孔隙矿物实体1.1.2石料的物理性质朱云升92）吸水性：材料吸入水分的能力①吸水率：常温（20±2℃）、标准大气压（101.325kPa)②饱水率：常温、真空抽气（2.67kPa）最大吸水质量吸水率（饱水率）＝干燥试样质量1.1.2石料的物理性质朱云升103）耐候性：石料抵抗大气自然因素作用的性能。一般石料受到各种自然因素的影响力学强度逐渐衰降。①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←→20℃融解4h）循环若干次(15、25、50次)◇质量损失：冻融前后质量损失百分率◇强度损失：强度降低不大于25％，耐冻系数＞0.75（合格）②坚固性法（硫酸钠Na2SO4结晶、体积涨大）饱和硫酸钠溶液中浸泡20h取出在105±5℃烘箱中烘4h，经过5次循环后测量质量损失率。（第2个循环起，浸泡和烘烤时间均为4h）1.1.2石料的物理性质朱云升111）抗压强度①道路试件:50×50×50（±2）mm立方体φ50×H50（±2）mm的圆柱体图1-2石料抗压强度试件②桥梁试件:70×70×70（±2）mm立方体0maxAFfsc1.1.3石料的力学性质抗压强度：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朱云升12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构造外因：试件尺寸加荷速率湿度等1.1.3石料的力学性质朱云升132)磨耗率（补充知识）：%100121abmmmQ＝双筒式（狄法尔法）:50块石料（50～75mm），质量5000g左右，转速30～33r/min，转10,000转（5.5～5.0h）（砾石）图1-3双筒式磨耗仪磨耗率计算公式：式中：m2——试验后2mm筛上烘干石料试样质量；m1——试验前烘干石料试样质量。1.1.3石料的力学性质石料磨耗率是指石料抵抗冲击、边缘剪力作用的性质，以鉴别石料品质的指标。朱云升14双筒式磨耗仪示意图①耗时长达5h以上②试件尺寸单一（50～75mm），与路用实际情况不符合③石料间相互作用，不同性质石料的磨耗率相差不大1.1.3石料的力学性质朱云升15公路工程石料技术标准（JTJ054-94）（部分）岩石类别岩石品种技术等级技术标注饱水极限强度磨耗率(洛杉矶法)磨耗率(狄法尔法)岩浆岩花岗岩玄武岩安山岩辉绿岩11202542100~20025~304~5380~10030~455~74-45~607~10石灰岩石灰岩白云岩1100305280~10030~355~6360~8035~506~12430~6050~6012~201.1.4石料的技术标准朱云升16集料：由不同粒径矿物质颗粒组成的混合料，包括各种天然砂、人工砂、卵石、碎石及各类工业矿渣。天然砂：风化、水流搬运和分选堆积形成粒径小于4.75mm的岩石颗粒，包括河砂、湖砂、山砂和淡化海砂，但不包括软质岩石和风化岩石的颗粒人工砂：经除土处理的机制砂（机械破碎筛分而成小于4.75mm）和混合砂卵石：风化、搬运形成粒径大于4.75mm碎石：将天然岩石或卵石经过机械破碎、筛分制成的粒径大于4.75mm的岩石颗粒工业矿渣：冶炼非金属溶渣（高炉矿渣、钢渣）1.2集料朱云升171.2集料粗集料——粒径d＞4.75mm（＞2.36mm）细集料——粒径d≤4.75mm（≤2.36mm）集料骨架作用填充作用朱云升18不同粒径、尺寸较小的石料颗粒的集合体1.2集料朱云升191.2.1集料的物理性质物理常数：密度（表观密度、毛体积密度）、空隙率、粗集料骨架间隙率集料级配颗粒形状与表面特征含泥量与泥块含量朱云升201）物理常数（集料的体积组成图）⑴密度：表观密度、毛体积密度、堆积密度、表干密度堆积密度：①堆积（松装）密度——集料按自由下落方式装样（细集料堆积密度试验仪具示意图）②振实（紧装）密度——集料振摇方式装样③捣实密度——集料捣实方式装样ssnivmvvvv颗粒之间的空间体积1.2.1集料的物理性质朱云升21集料的体积组成图孔隙：矿物之间的空间—Vn+Vi空隙：集料颗粒之间的空间—Vv颗粒之间的空间体积1.2.1集料的物理性质朱云升22细集料堆积密度试验仪具示意图1.2.1集料的物理性质朱云升231.2.1集料的物理性质④表观密度：烘干集料矿质实体包括闭口孔隙在内的表观单位体积的质量snsbimvvv⑤毛体积密度：烘干集料矿质实体包括闭口孔隙和开口孔隙在内的单位毛体积质量snsamvv朱云升241.2.1集料的物理性质⑥表干密度（饱和面干毛体积密度）：集料颗粒单位毛体积表干质量(1)100%VifaVVnVassnimvvv矿质实体质量与吸入开口孔隙水质量之和⑵空隙率n：集料空隙体积占集料总体积的百分比朱云升251.2.1集料的物理性质(1)100%cbVCA（3）粗集料骨架间隙率：粗集料在捣实状态下颗粒间的空隙体积百分率确定混合料中细集料和结合料的数量，评价集料的骨架结构ρc：堆积密度（水泥混凝土用振实密度，沥青混合料用捣实密度）ρb：表观密度或毛体积密度朱云升261.2.1集料的物理性质(1)100%csU（4）细集料棱角性（一定条件下测定的间隙率表征）对沥青混合料内摩擦角和流动变形能力及水泥混凝土和易性影响显著ρc：堆积密度，ρs：毛体积密度2）集料级配集料中各种粒径颗粒搭配比例或分布情况朱云升271.2.1集料的物理性质（4）细集料棱角性（流动时间、间隙率法）朱云升283）集料的颗粒形状与表面特征（1）颗粒形状：蛋圆形、棱角形、针片状粗集料针片状颗粒：集料中长的针状颗粒与片状颗粒水泥混凝土：颗粒形状诸方向中最小厚度（或直径）与最大长度（或宽度）的尺寸之比小于规定比值（规准仪法）沥青混凝土：最大长度与最小厚度比值大于3（游标卡尺法）细集料棱角性：（流动时间法、间隙率法）1.2.1集料的物理性质朱云升291.2.1集料的物理性质规准仪法朱云升301.2.1集料的物理性质规准仪法朱云升311.2.1集料的物理性质游标卡尺法朱云升32碎石受压3）集料的颗粒形状与表面特征（2）表面特征：表面的粗糙程度及孔隙特征等砾石受压1.2.1集料的物理性质影响集料与结合料间的粘结性能，从而影响混合料强度。朱云升334）集料的含泥量和泥块含量%100010mmmQa1.2.1集料的物理性质（1）含泥量与矿粉含量含泥量：集料中小于0.075mm颗粒含量矿粉含量：人工砂中小于0.075mm颗粒含量降低水泥水化反应速度妨碍集料与水泥（沥青）间的粘结能力泥土危害朱云升344）集料的含泥量和泥块含量砂当量：用于测定细集料中粘性土和杂质含量，判定集料的洁净程度，对集料中小于0.075mm的矿粉、细砂与“泥土”加以区别。砂当量越大，表明小于0.075mm颗粒中矿粉和细砂比例越高。亚甲蓝值：用于评定小于0.075mm颗粒含量主要是泥土还是与母岩相同的矿粉，评定集料的洁净程度，亚甲蓝值越小，说明小于0.075mm颗粒主要是母岩石粉。1.2.1集料的物理性质（2）泥块含量：粗集料中大于4.75mm（细集料中大于1.18mm）经水浸洗、手捏后小于2.36mm（细集料0.6mm)颗粒含量朱云升354）集料的含泥量和泥块含量1.2.1集料的物理性质亚甲蓝试验得到的色晕图像(左图符合要求，右图不符合要求)朱云升36压碎值：集料抵抗压碎的能力磨光值：集料抵抗磨光的能力，即保持其原有粗糙的能力磨耗值（率）：集料抵抗磨擦、剪切的能力冲击值：集料抵抗多次连续的重复冲击荷载的能力1.2.2粗集料的力学性质朱云升37压碎值：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粗集料力学性质%100010ammmQ压碎值将9.5～13.2mm碎石在低于100℃烘箱烘干不超过4h，三组3kg试样，每组分三层夯实（金属棒夯实25次），夯实后试样在筒内深度为100mm，在0～10min加压至400kN，稳压5s后卸载，过2.36mm筛1）压碎值：集料在逐渐增加的荷载下抵抗压碎的能力（压碎值测试仪具尺寸图）朱云升38压碎值测试仪具尺寸图1.2.2粗集料力学性质朱云升39补充知识：细集料压碎值（1）105℃±5℃条件下烘干试样冷却至室温，过筛分成4.75㎜～2.36㎜、2.36㎜~1.18㎜、1.18㎜~0.6㎜、0.6㎜~0.3㎜4组试样，各组取1000g备用。（2）试样装模后开动压力机，均匀地施加荷载，以500N／s的速率，加压至25kN，稳压5s，以同样的速率卸荷。（3）将试模从压力机上取下，取出试样，以该粒组的下限筛孔过筛(如对4.75㎜~2.36㎜以2.36㎜标准筛过筛)。称取试样的筛余量(m1)和通过量(m2)，准确至1g。112100imymm朱云升402)磨光值：集料抵抗磨光的能力，即保持其原有粗糙的能力（表征石料的当轮胎磨光作用能力的指标）（磨光值图）1.2.2粗集料力学性质朱云升41磨光机磨光值试件9.5～13.2mm干净石料颗粒→试件→（金刚砂），30号磨6h，280号磨6h用摆式仪测摩擦系数（PSV）→磨光值1.2.2粗集料力学性质每种集料宜制备6～10块试件，从中挑选4块试件供两次平行试验用。每轮1次磨14块试件，每种集料为2块试件，包括6种试验用集料和1种标准集料。朱云升42磨光值越高，表明集料抗滑性能越好。1.2.2粗集料力学性质一块试件重复测试5次，5次读数的最大值和最小值之差不得大于3。取5次读数的平均值作为该试件的磨光值读数(PSVr)。标准试件的磨光值读数用PSVbr表示计算两次平行试验4块试件(每轮2块)的算术平均值PSVra，读数PSVr的最大值与最小值之差不得大于4.7，否则试验作废，应重新试验。PSVra=∑PSVri/4计算两次平行试验4块标准试件算术平均值PSVbra，平均值PSVbra必须在46～52范围内，否则试验作废，应重新试验。PSVbra=∑PSVbri/4PSV=PSVra+49-PSVbra朱云升433)磨耗值（道瑞法）：用于评定道路路面表层所用集料抵抗车轮磨擦、剪切的能力（道瑞Dorry（英国）磨耗仪）式中：m1—