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1、道 路 建 筑 材 料第一章 砂石材料,郑州交通技师学院 交通工程系 付丽,知识教学点和学习要求,知识教学点 砂石材料的技术性质和技术要求(石料和集料) 矿质混合料的级配理论和组成设计方法 学习要求 了解并掌握砂石材料的技术性质和技术要求 掌握级配理论和组成设计方法，会用图解法和试算法设计矿质混合料的配合比,第一节 砂石材料的技术性质,砂石材料按形状分类 1）块状石料：简称石料 2）粒状石料：简称集料 ，又按大小分为： A、粗集料：如碎石、卵石 B、细集料：如砂、 C、石屑 砂石材料按来源分类 A、天然石料 B、人工轧制的集料 C、工业冶金矿渣,第一节 砂石材料的技术性质,石路面,中国现存最早

2、，并且保存良好的是隋代赵州安济桥又称赵州桥。桥为敞间圆弧石拱，净跨37.02m,第一节 砂石材料的技术性质,第一节 砂石材料的技术性质,工 业 废 渣 骨 料,一）岩石的技术性质,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、石料的技术性质与技术要求,一、岩石的技术性质,2.岩石的技术性质 物理性质、力学性质、化学性质 （1）物理性质： 物理常数（真实密度、毛体积密度、孔隙率） 吸 水 性 （吸水率、饱和吸水率） 抗 冻 性 （耐候性、腐蚀性,1）物理常数（1）真密度：是岩石在规定条件下，烘干岩石矿质实体单位体积的质量，用t 表示。 因 故 Vs固体物质的体

3、积 M-岩石的质量（g）ms岩石矿质实体的质量（g,一、岩石的技术性质,一、岩石的技术性质,测定方法：李氏比重瓶法测定，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,2） 毛体积密度：在规定条件下，烘干岩石（包括孔隙在内）的单位体积的质量。 V-岩石的毛体积（ g/cm3 ） 其它符号同前,一、岩石的技术性质,可分为干密度、饱和密度和天然密度 相互之间如何换算,一、岩石的技术性质,3)孔隙率：岩石的孔隙率是指孔隙体积占总体积的百分率 n-岩石料的孔隙率 V0-岩石的孔隙体积（cm3,如何推算孔隙率公式,一、岩石的技术性质,2） 吸水性： （1）吸

4、水率:20 2 和大气压状态下，是岩石在规定条件下，岩石试样最大的吸水质量与烘干岩石试件质量之比。 质量吸水率： 体积吸水率： W体=（m2-m1）/VW Wx.Vx-石料的质量、体积吸水率（%） m1-石料试件烘干至恒重时的质量（g） m2-石料试件吸水至恒重时的质量（g,2) 饱和吸水率： 20 0 2 0 C ，在强制条件下，岩石试样最大的吸水质量与烘干岩石试件质量之比，以百分率表示 m2 -试件经强制吸水后的质量（g ) m1-同前,一、岩石的技术性质,2）吸水性 吸水性饱水系数 定义：岩石吸水率与饱和吸水率之比（0.50.8）。 意义：一般来说，石料的饱水系数越大，常压下吸水后留余的

5、空 间就越少，岩石越容易被冻胀破坏，其抗冻性就越差。 吸水性影响因素 影响因素：孔隙大小、孔隙构造特征 规律：一般来说，孔隙结构相同的石料，孔隙率越大，吸水率越 大；表观密度越大的石料，孔隙越小，吸水率也越小,一）石料的技术性质物理性质,一、岩石的技术性质,吸水率:是指在规定条件下，试件最大吸水质量与烘干石料试件质量之比。 （测试方法：将已知质量的干燥试件逐层加水至浸没，用自由吸水法测定其吸水后的质量） 饱和吸水率:是指在强制条件下，石料试件最大吸水质量与烘干试件质量之比。 （测试方法：将已知质量的干燥试件用煮沸法和真空抽气法强制饱水，测定其饱水后的质量,一、岩石的技术性质,3 ）抗冻性：抵抗

6、大气自然因素目前主要考虑抗冻性，常用抗冻性标号表示，测定经过冻 (-15 0 C,4h) 、融 (20 0 50 C,4h) 循环，质量损失不超过 5% ，抗压强度不超过 25% 的次数,1)耐久性（原耐候性） 定义：是指石料承受干湿、冻融等环境条件及交通条件 的变化不老化、不劣化的抵抗能力。 检测试验： T0241-1994 抗冻性试验：石料在浸水条件下，经多次冻结与融化作用后测定试件的质量损失以及单轴饱水抗压强度的变化。（指标：冻融系数、质量损失率和外观变化） T0241-1994 坚固性试验：石料经多次饱和硫酸盐溶液浸泡与干燥作用后，测定试样质量损失的变化。(指标：质量损失率,一）石料的

7、技术性质物理性质,JGJ E41-2005公路工程石料试验规程,想一想,1、孔隙率与真实密度、毛体积密度有何关系？ 2、干燥状态、饱和状态下的毛体积密度有何关系,技术指标：单轴抗压强度、单轴压缩变形、劈裂强度、抗 剪强度、点荷载强度和抗折强度，以及抗压碎、 抗冲击、抗磨光和抗磨耗等性能。 关键指标：单轴抗压强度和抗磨耗性,一）石料的技术性质力学性质,JGJ E41-2005公路工程石料试验规程,1）单轴抗压强度（T0221-2005） 意义：反映石料力学性能的重要指标。 测试方法：将石料制成规定标准试件，饱水后处理后用万能 试验机（或压力试验机），使试件在按规定加载 条件下单轴受压，直至到达极

8、限破坏时的单位承 压面积强度,一）石料的技术性质力学性质,2）单轴压缩变形（T0222-2005） 意义：测定岩石试件在单轴压缩应力条件下的轴向及径向应 变值，据此计算岩石的弹性模量和泊松比。 测试方法：将石料制成规定圆柱体标准试件后采用电阻应变 仪或千分表进行测定,一）石料的技术性质力学性质,3）劈裂强度（T0223-1994） 意义：岩石的抗拉能力较弱，并且在工程实践中拉断破坏是 工程岩体的主要破坏方式之一，因此需对其进行测定。 测试方法：将圆柱体石料试件置于万能 试验机上，采用劈裂法在规 定条件下加压，直至试件劈 裂破坏,一）石料的技术性质力学性质,4）抗剪强度（T0224-2005）

9、意义：抗剪强度是指石料在剪切面上所能承受的极限剪应力， 它是岩体基础设计的基本参数。 测试方法：利用直剪仪对岩石试件施加法向 荷载和剪切荷载直至试件破坏， 并观察破坏形状,一）石料的技术性质力学性质,5）点荷载强度（T0225-1994） 意义：点荷载强度反映了石料各向异性的特点，为岩体分级和 抗拉强度计算提供设计参数。 测试方法：将岩石钻芯取样，利用点荷 载试验仪对岩芯试样进行径 向和轴向加载直至破坏，以 点荷载强度指数表征,一）石料的技术性质力学性质,6）抗折强度（T0226-1994） 意义：抗折强度是石料在荷载作用下受弯至折断时的极限弯曲应力，它评价岩石板材、条石基础和条石路面等建材的

10、主要力学指标。 测试方法：将石料制成规定的标 准长方体试件，并在规定条件下 施加荷载直至试件折断破坏,一）石料的技术性质力学性质,一、岩石的技术性质,2 ）磨耗性：指石料抵抗撞击、边缘剪力和磨 擦等联合作用的性质。 洛杉矶式磨耗试验（ 标准方法 ） m1kg 石料 +12 个 5kg 的钢球 磨 500 转 测定过1.7mm( 方筛 )后洗净烘干后质量为m2,一）粗集料的技术性质力学性能,2）磨耗值 测试方法：洛杉矶磨耗试验(T0317-2005)或搁板式磨耗试验道瑞磨耗试验(T0323-2005) 将按规定级配组成的集料与一定数目的钢球同时加入洛杉矶磨耗试验机的磨耗鼓中，磨耗鼓在规定条件下旋

11、转摩擦500次后取出集料试样，测试试验后集料1.7mm方孔筛上通过质量百分率,3）化学性能酸碱性 决定因素：氧化硅和氧化钙在岩石组份中比例的多少决定了 石料的酸碱性。 分类： 酸性岩 SiO265%（例花岗岩、石英岩等） 中性岩 SiO2含量在52%65% 碱性岩 SiO252%（例石灰岩、玄武岩等） 选择石料时应考虑岩石的酸碱性对沥青与岩石粘结的影响 意义：石料与沥青的粘接性能不良而造成的沥青混合料剥离 是沥青路面常见的破坏形式之一。 试验方法：水煮法或水浸法,一）石料的技术性质化学性质,工程实际中所采用的石料必须满足一定的技术要求，该要求就是石料的技术标准。 标准制定思路是： 首先根据石料

12、所属岩石类型，将石料分成四大类岩浆岩、石灰岩、砂岩或片麻岩以及砾岩；再依据石料物理-力学性能将每种类型岩石划分成四个等级。其中：I级最坚强的岩石；II级坚强的岩石；III级中等强度岩石；IV级较软的岩石,一）石料的技术要求,一）石料的技术要求技术标准,一）道路用石料制品分类？ （二）桥梁建筑用主要岩石制品有那些,第二节 道路和桥涵用石料制品（自学,第三节 集料的技术性质,概述：集料是指在混合料中起骨架或填充作用的粒料，包括岩石天然风化而成的砾石（卵石）和砂等，以及由岩石经人工轧制和各种尺寸的碎石、石屑、另有工业冶金矿渣等。 1. 集料分类 根据集料形成的过程不同，分为卵石（又称砾石）和碎石；

13、根据粒径大小的不同，分为粗集料和细集料。工程上分为粗骨料和细骨料。 2. 粗细集料粒径的界限 水泥混凝土用集料的粗细界限尺寸为4.75mm，沥青混合料用集料粗细界限尺寸为2.36mm。大于或等于该尺寸的颗粒为粗集料，余为细集料,3. 最大粒径 这是一个较为重要但又容易引起混淆的概念，集料的最大粒径这一概念由两个不同定义构成，即集料最大粒径和集料公称最大粒径。 集料最大粒径：指集料100%都要求通过的最小标准筛筛孔尺寸。 集料公称最大粒径：指集料可能全部通过或允许有少量不通过（一般容许筛余不超过10%）的最小标准筛筛孔尺寸。 这两个定义涉及的粒径有着明显区别，通常集料公称最大粒径比最大粒径要小一

14、个粒级。但在实际使用过程中、甚至在一些书本资料上也经常不加严格区别，容易引起混淆。实际上工程中所指的最大粒径往往是指公称最大粒径，这一点在今后的应用中要加以区分,第三节 集料的技术性质,一）粗集料的技术性质,路用粗集料的物理性质：物理常数（表观密度、毛体积密度、堆积密度及空隙率等）、级配和坚固性。 路用粗集料的力学性质： 压碎性 磨光性 冲击性 磨耗性,一）粗集料的技术性质物理性能,1）物理常数 （1）表观密度 定义：是指在规定条件下，烘干石料矿质单位表观体积（含括矿物实体和闭口孔隙体积）集料的质量。 测试方法：网篮法,三、集料的技术性质,Vs、Vn、Vi、Vv -分别为矿质实体、闭口孔隙、开

15、口孔隙和空隙的体积 其中：V0=Vi+Vn 各种密度都是在规定条件下，单位体积（体积不同，所对应的密度值不同，注意区分,一）粗集料的技术性质物理性能,1）物理常数毛体积密度 定义：是指在规定条件下，单位毛体积（含括矿物实体、 开口孔隙体积和闭口孔隙体积）的质量。 测试方法：容量瓶法,三、集料的技术性质,3 ）堆积密度,粗集料的堆积密度包括： 、堆积状态 B、振实密度 - 用于水泥混凝土 C、捣实密度- 用于沥青混合料,在一定条件下(自然堆积、振实和捣实)，单位体积(包括矿物实体、开口孔隙体积、闭口孔隙体积及颗粒间空隙体积)集料的质量,式中v0=vi+vn,4）空隙率 集料在某种装填状态下的空隙

16、体积（含开口隙）占装填体积的百分率,一、集料的技术性质,材料的各种密度与体积之间的关系,几种密度的比较,复 习,石料组成结构外观示意图,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,集料的体积组成,复 习,三、集料的技术性质,2 ）级配 （ 1 ）筛分试验标准及取样量,三、集料的技术性质,2) 筛分试样须备两份：水洗法（混凝土可省去水洗法）、干筛法 （3）必须除去超粒径部分颗粒后，进行筛分试验 （ 4 ）有关参数计算 .分计筛余百分率计算 B. 累计筛余百分率计算 C.通过百分率,一）粗集料的技术性质物理性能,2）级配 定义：是指集料中各种粒径颗粒的搭配比例

17、或分布情况。 意义：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。 测定：筛分析试验,沥青路面及各类基层集料用标准筛均以方孔筛为准（相应的筛孔尺寸依次为75mm、63mm、53mm、37.5mm、31.5mm、26.5mm、19mm、16mm、13.2mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、 0.15mm、0.075mm）， 前期水泥混凝土路面使用的是圆孔筛（相应筛孔尺寸依次为100mm、80mm、63mm、50mm、40mm、31.5mm、25mm、20mm、16mm、10mm、5mm、2.5mm、1.25mm、0.63m

18、m、0.315mm、0.16mm、0.075mm） ，原规程保留了方孔筛和圆孔筛两种筛孔，但在实际使用过程中两套筛孔易使试验人员在操作上引起混乱。 目前，所有试验规程中的集料全部统一为方孔筛规格,一）粗集料的技术性质物理性能,一）粗集料的技术性质物理性能,3）坚固性 根据JGJ E42-2005公路工程集料试验规程中T0314-2005粗集料坚固性试验规定，选取规定数量，分别装在金属网篮中浸入饱和硫酸钠溶液中进行干湿循环试验，经5次循环次数后，观察其表面破坏情况，并用质量损失百分率来计算其坚固性（也称安定性,压碎值：集料在逐渐增加的荷载下抵抗压碎的能力。衡量集料强度的相对指标，以鉴定集料品质。

19、 磨光值：反映集料抵抗轮胎磨光作用的指标，即保持其原有粗糙的能力。用高磨光值的集料来铺筑道面表层，可以提高路表的抗滑能力，保障车辆的安全行使 冲击值：反映集料抵抗多次连续重复冲击荷载的能力。由于路表集料直接承受车轮荷载的冲击作用，这一指标对道路表层用集料非常重要。 磨耗值：反映集料抵抗车轮撞击及磨耗的能力，一般磨耗损失小的集料坚硬、耐磨并且耐久性好,一）粗集料的技术性质力学性能,一）粗集料的技术性质力学性能,1）压碎值,测试方法 水泥混凝土压碎值试验是将9.513.2mm集料试样3kg装入压碎值测定仪的钢质圆筒内，放在压力机上，在10min左右均匀地加荷至400kN ，稳压5s，然后卸荷，称其

20、通过2.36mm的质量百分率，代入下式，即可求得集料的压碎值,一）粗集料的技术性质力学性能,2）磨光值(T0321-2005) 将9.513.2mm并剔除针片状颗粒的集料制成试件，加速磨光后采用摆式磨擦系数测定仪测定磨光后集料的磨擦系数BPN ，再转化为集料的磨光值PSV ，该值愈高，表明集料的抗滑性愈好,一）粗集料的技术性质力学性能,3）冲击性（T0322-2005） 按规定方法称取9.513.2mm试样质量，装入冲击钢筒捣实后，用13.75kg的冲击锤沿导杆自规定高度自由下落按规定连续锤击集料，重复15次，冲击试验后2.36mm标准筛上通过质量百分率,一）粗集料的技术性质力学性能,道瑞磨耗

21、试验（T0323-2005） 将粒径为9.513.2mm的洁净干燥集料试样单层紧排于两个试模内，然后用环氧树脂砂浆填充密实，经24h养护后拆模清砂取出试件并称其质量，再将试件固定于道瑞磨耗机上，在规定条件下旋转摩擦500圈后，取出试件，清砂后再次称取质量,1、定义：在沥青混合料中，指粒径小于 2.36mm 天然砂，人 工砂及石屑。在水泥混凝土中，指粒径小于 4.75mm 的天然砂、人工砂。 2、分类： 1 ）天然砂：由岩石在自然条件下风化形成的。天然砂通常包括以下几种类型： 河砂：颗粒表面圆滑、比较洁净，质地较好，产源广。 山砂：表面粗糙有棱角，含泥量及含有机杂质多。 海砂：常混有贝壳和盐分等

22、有害杂质。 2）人工砂：由岩石轧碎而成的颗粒，表面有棱角，较洁净， 但价格较高，无特殊情况多不采用,二）细集料的技术性质,二）细集料的技术性质,技术性质 物理常数 颗粒级配 粗度 级配：集料各级粒径颗粒的分配情况，由筛分析试验确定。 试验方法：在筛分试验中，分别称量 500g砂样充分过筛，根据砂样存留在各筛 上的筛余质量，分别计算出分计筛余百分 率、累计筛余百分率 、通过百分率,分计筛余百分率、累计筛余百分率 与通过百分率之间的关系,二）细集料的技术性质,粗度：评价砂粗细粗度的一种指标，通常用细度模数表示，按下式计算： 细度模数愈大，表示细集料愈粗。砂按细度模数分为粗、中、细三种规格，相应的细

23、度模数分别为：3.73.1为粗砂 ；3.02.3为中砂；2.21.6为细砂。 细度模数虽然表示砂的粗细程度，但不能完全反映出砂的颗粒级配情况，因为相同细度模数的砂可有不同的颗粒级配。因此，要全面表征砂的颗粒性质，必须同时使用细度模数和级配两个指标,二）细集料的技术性质,重点难点强化训练,思考点：如何评价砂的粗细程度？ 例2：取一批砂做筛分试验，结果如表，试计算砂的细度模 数，并评定砂的粗细程度,作 业,有一份残缺的砂子筛分记录如下表，根据现有的材料补全，并评定砂的粗细程度,解 答,有一份残缺的砂子筛分记录如下表，根据现有的材料补全，并评定砂的粗细程度,矿质混合料的级配理论 级配曲线范围的绘制

24、矿质混合料的组成设计方法,第四节 矿质混合料的组成设计,概 述,级配对混合料的影响： 矿质混合料的级配组成直接影响到水泥混凝土或沥青混合料的强度、耐久性和施工和易性，原因是级配直接决定矿质混合料的密实度和矿质混合料颗粒间内摩擦力,级配的几种情况,概 述,在混合料中是以结合料（水泥或沥青）来填充集料的空隙并包裹集料。所以，集料空隙越大，填充集料颗粒空隙所需的结合料越多；集料的总表面积越大，包裹集料颗粒所需的结合料越多。从节约结合料的角度考虑，最好采用空隙较小，总表面积也较小的集料。 若各种粒径的集料颗粒在相互排列时， 能够互相嵌锁又互相不干涉，形成紧 密多级嵌挤的空间骨架结构，则集料 颗粒间将具

25、有较大的内摩擦力,概 述,矿质混合料颗粒级配应满足的基本要求： 最小空隙率：使不同粒径的各级矿质集料按一定的比例搭 配后，应有最大密实度。 最大摩擦力：各级矿质集料在进行比例搭配时，应使各级 集料排列紧密，形成一个多级空间骨架结 构，且具有最大的摩擦力。 组成设计的目的： 选配一个具有足够密实度，并且有较高内摩擦力的矿质混合料,一、矿质混合料的级配理论,级配类型 ： 连续级配：是采用标准套筛对某一混合料进行试验，所得级配曲线平顺圆滑，具有连续性。这种由大到小，逐级粒径均有，按比例互相搭配组成的矿质混合料。 间断级配：在矿质混合料中剔除其一个分级或几个分级而形成一种不连续的矿质混合料。 单粒径,

26、单粒径,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 矿质混合料最大粒径,一、矿质混合料的级配理论,2）最大密度曲线n幂公式泰波公式 式中：n级配指数,一、矿质混合料的级配理论,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,一、矿质混合料的级配理论,二、级配曲线范围的绘制,建立半对数坐标的方法（必须采用半对数坐标）： 先求出各颗粒粒径的对数，并将其确定为横坐标；以 P i（通过百分率）为纵坐标。 根据泰波公式 n=0.30.7 计算所得的各颗粒粒径(di)的通过百分率(Pi)绘

27、制在坐标图上，将确定的各点连接为光滑曲线，即为级配曲线范围。 实际级配合成操作时，只要得出的合成级配结果位于要求的级配范围之间，则认为该合成级配基本满足设计级配的要求,二、级配曲线范围的绘制,二、级配曲线范围的绘制,二、级配曲线范围的绘制,二、级配曲线范围的绘制,三、矿质混合料的组成设计方法,矿质混合料的组成设计就是根据实际工程中现有的各种集料的级配参数（即筛分结果），针对设计要求或技术规范要求，采用一定的方法确定各规格集料在合成矿料中所占有比例的操作过程。 设计依据 各种集料的筛分结果 按规范要求的级配范围即标准级配 方法 试算法 图解法,三、矿质混合料的组成设计方法,一）试算法 ：（适用于

28、23种矿料组成的混合料） （1）基本原理： 在确定各组成集料在混合料中的比例时，先假定混合料中某种粒径的颗粒是由某一种对这一粒径占优势的集料组成，而其它各种集料中不含有此粒径。 根据各个主要粒径去试算各种集料在混合料中的大致比例，再经过较核调整，最终获得满足混合料级配的各集料的配合比例,2）计算过程 已知：集料 混合料 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) (2,三、矿质混合料的组成设计方法,三、矿质混合料的组成设计方法,X=23.550.5100=46.5 Z=6.086.6100=6.9

29、 Y=100-46.5-6.9=46.5 X Y Z分别乘入各量,并计算出值,一）图解法 修正平衡面积法： 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）确定各集料的用量 3）合成级配的校核与调整 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 靠近级配范围中值线,三、矿质混合料的组成设计方法,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,三、矿质混合料的组成设计方法,一、填空题 1.矿料的级配组成影响到水泥混凝土或沥青混合料的（ ）（ ）和（ ），原因是级配直接决定矿料的（ ）和矿料颗粒间（ ）。因此矿质混合料必须满足（ ）和（ ）的要求。 2. 采用标准套筛对某一混合料进行试验，如所得颗粒具有连续性。这种（ ）（ ），按（ ）互相搭配组成的矿质混合料称连续级配 . 如果剔除其中一个分级或几个分级而形成的一种（ ）的混合料，则称为（ ）混合料,温 故 而 知 新,3.富勒理论认为级配曲线为（ ）时，其密度最大 而泰波理论