沥青混合料 第三章-石料与集料课件

沥青混合料第三章石料与集料学习目的与任务：1、介绍石料的岩石学特征、阐述石料与集料的主要技术性能及主要评价方法和评价指标；2、讨论集料的级配概念和级配理论，并以此为基础，学习矿料的配合比设计方法。学习要求：了解石料和集料的技术性质和技术标准；掌握级配理论和组成设计方法。石料和集料（亦称骨料）统称为砂石材料，是道路与桥梁建设中用量最大的一种建筑材料，它们可以用作道路与桥梁工程的圬工材料，也是沥青混合料和水泥混凝土中最重要的基本原料。因此，全面的认识、合理的选择以及正确的使用石料和集料，对于保证道路建筑工程的质量有着不可忽视的重要意义。1）岩浆岩岩浆岩是岩浆冷凝而成的岩石，它是所有岩石中最原始的岩石。岩浆岩按冷却条件可分为深成岩（如花岗岩、正长岩等）、喷出岩（如玄武岩、安山岩等）和火山岩（如火山凝灰岩等）。岩浆岩具有优良的工程性质，在道路工程中用途广泛。深成岩具有密度大、抗压强度高、吸水性和抗冻性好的优点；火山岩多孔、质轻，是良好的保温建筑材料和水泥混合材料；喷出岩的物理力学性质介于岩浆岩与火山岩之间。2．岩石分类

岩石的性质除了与构成岩石的矿物有关之外，还取决于不同的成岩条件。根据成岩条件将岩石分成三类：岩浆岩、沉积岩、变质岩。2）沉积岩沉积岩是由母岩（岩浆岩、变质岩和已形成的沉积岩）在地表风化剥蚀，经过搬运、沉积和石化等作用而形成的岩石，它占地表的66%，是地表的主要岩类。沉积岩可分为碎屑岩类（如凝灰岩、砾岩等）、粘土岩类（如页岩、泥岩等）和化学及生物化学岩类（如石灰岩、白云岩等）。沉积岩的物理力学性质与矿物、岩屑的成分以及胶结物质的性能有很大关系，通常表现出各向异性的特点。与深成岩相比，沉积岩密度小、孔隙率和吸水率大、强度低、耐久性差。3）变质岩变质岩是原生的岩浆岩或沉积岩经过地质上的变质作用而形成的岩石。变质岩可分为片理状岩类（如片岩、千枚岩等）和块状岩类（如大理岩、石英岩等）。变质岩的物理力学性质不仅与原岩性质有关，而且与变质作用条件及变质程度有关。由沉积岩的得到的变质岩受高压和重结晶作用，比原岩更加坚固耐久；由深成岩得到的变质岩经变质作用后产生片状结构，耐久性降低。3.常见岩石种类

岩石种类繁多，并且很难找到严格按照上面分类的单一种类岩石，多为几种岩石的组合体。因此，在选岩时要严格按照规范要求，对岩相、岩性进行细致的鉴定，从而避免因选岩不当造成的负面影响。

二、石料的物理性质

1．物理常数

物理常数主要指石料的密度和孔隙率，此类常数能够直接影响到石料的力学性质，也是将石料用于混合料配合比设计的参数之一。1）密度

定义：在规定条件下（大多指规定的温度），石料矿质实体单位体积的质量。由于石料在组成结构上或多或少存在着孔隙，而孔隙又分为与外界连通的开口孔隙和与外界不连通的闭口孔隙，所以石料（包括集料）的密度就有数种不同形式。图1-5石料组成部分的质量与体积关系示意图a)石料结构剖面图；b）石料的体积与质量的关系（2）毛体积密度

毛体积密度是指在规定条件下，烘干石料矿质实体包括孔隙（闭口、开口孔隙）体积在内的单位毛体积的质量，由如下公式计算。2．吸水性石料在规定的条件下吸入水分的能力称为吸水性，通常用吸水率与饱和吸水率来表征，它能有效反映石料微裂缝的发育程度，可用来判断石料的抗冻和抗风化等性能。1）吸水率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。测定石料的吸水率是将已知质量的干燥规则试件逐层加水至浸没，用自由吸水法测定其吸水后质量，按下式计算。

2）饱水率饱水率是指在强制条件下，石料试件的最大吸水质量与烘干试件质量之比。测定石料的饱和吸水率是将已知质量的干燥规则试件用煮沸法或真空抽气法强制饱水，测定其饱水后的质量，按下式计算。3）饱水系数饱水系数是指岩石吸水率与饱和吸水率之比。它是评价岩石抗冻性的一种指标。一般来说，石料的饱水系数为0.5～0.8。饱水系数越大，说明常压下吸水后留余的空间有限，岩石越容易被冻胀破坏，因而岩石的抗冻性就差。3．抗冻性

抗冻性是指石料在饱水状态下,能够经受反复冻结和融化而不破坏,并不严重降低强度的能力。抗冻性试验是指试件在浸水条件下，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。岩石的抗冻性用两个直接指标表示，一个为冻融系数，另一个为质量损失率。冻融系数：是冻融试验后试件饱水抗压强度与冻融试验前试件饱水抗压强度之比

质量损失率：冻融试验前后的干试件质量差与冻融前干试件质量的比值一般认为冻融系数大于75％，质量损失率小于2％时，为抗冻性好的岩石。吸水率小于0.5％，软化系数大于0.75以及饱水系数小于0.8的岩石，具有足够的抗冻性。对于一般道路工程，往往根据上述标准来确定是否需要进行岩石的抗冻性试验。三、石料的力学性质1．单轴抗压强度单轴抗压强度是反映石料力学性质的重要指标。石料的单轴抗压强度是将石料制备成规定的标准试件，经饱水处理后在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的强度，石料单轴抗压强度值取决于内因和外因两方面因素。内因主要指石料的组成结构，如矿物组成、岩石的结构及孔隙构造、裂隙的分布；外因主要指试验条件，如试件几何尺寸、加载速率、温度和湿度等。四、石料的技术标准根据石料所属岩石类型，将石料分成四大类：岩浆岩、石灰岩、砂岩或片麻岩以及砾岩；再依据石料的抗压强度的高低和磨耗率的大小将每种类型岩石划分成四个等级。1．按粒径大小分类粗集料是指粒径大于2.36mm（沥青混合料）或4.75mm（水泥混凝土）的集料。细集料是指粒径小于2.36mm（沥青混合料）或4.75mm（水泥混凝土）的集料。矿粉也称填料，是指由石灰岩或岩浆岩等憎水性碱类石料经磨细加工得到的以小于0.075mm颗粒为主的矿质粉末。第二节集料的技术性质1．物理常数1）密度集料是矿质颗粒的散状混合物，不仅包括矿物及矿物间的开口孔隙和闭口孔隙，还包括矿质颗粒间的空隙。集料的体积和质量的关系如图所示。一、集料的物理性质集料组成质量与体积关系示意图①表观密度、毛体积密度

②堆积密度堆积密度是指单位体积（含物质颗粒固体及其闭口、开口孔隙体积及颗粒间空隙体积）物质颗粒的质量，分为松散堆积密度与振实堆积密度集料的堆积密度分为自然堆积密度、振实密度和捣实密度。1）自然堆积密度是指以自由落入方式装填集料，所测的密度又称为松装密度；2）振实密度是将集料分三层装入容器筒中，在容器底部放置一根直径25mm的圆钢筋，每装一层集料后，将容器筒左右交替颠击地面25次；3）捣实密度是将集料分三层装入容器中，每层用捣棒捣实25次。3）粗集料骨架间隙率骨架间隙率通常指4.75mm以上粗集料在捣实状态下颗粒间空隙体积的百分含量。粗集料骨架间隙率的大小用于确定混合料中细集料和结合料的数量，并评价集料的骨架结构。4）细集料的棱角性细集料的棱角性对沥青混合料和水泥混凝土的施工性能和使用性能有重要的影响，尤其是对沥青混合料的抗流动变形能力以及水泥混凝土的和易性更为显著。细集料的棱角性试验可采用间隙率法和流动时间法测定。棱角性试验采用细集料棱角性测定仪，测定一定量的细集料通过标准漏斗装入标准容器中的间隙率来表征细集料的棱角性。流动时间法采用细集料流动时间测定仪，通过测定一定体积的细集料（机制砂、石屑、天然砂）全部通过标准漏斗所需要的流动时间来表征细集料的棱角性。2.集料的级配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3．集料的颗粒形状与表面特征集料的性质除了与形成集料的岩石特征和孔隙结构等有直接关系之外，还与集料的颗粒形状和表面特征有一定的关系。因为集料的形状和表面特征都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）理想的集料颗粒形状是球状或立方体，而扁平、薄片、细长状的颗粒不仅增加集料的空隙率，还对施工的和易性和混凝土强度造成不利影响；针片状颗粒的定义：最大长度与厚度之比大于3的颗粒。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。4．含泥量和泥块含量泥是指砂中粒径小于0.075mm的颗粒，泥块是指粗集料原尺寸大于4.75mm（或细集料大于1.18mm），但经水浸洗、手捏后小于2.36mm（细集料小于0.6mm）的颗粒含量。集料中的泥块主要以三种形式存在：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土。二、集料的力学性质1．压碎值集料压碎值是集料在连续增加的荷载下抵抗压碎的能力，是衡量集料强度的一个相对指标，用以鉴定集料品质。集料的压碎值是对石料的标准试样在规定条件下加荷，测试石料被压碎后，2.36mm标准筛上通过质量的百分率。2、磨光值磨光值是反映集料抵抗轮胎磨光作用能力的指标。使用高磨光值的集料（如玄武岩、安山岩、砂岩和花岗岩等）铺筑道路表层路面，可提高路表的抗滑能力，保障车辆的安全行驶。集料的磨光值是将9.5mm-13.2mm并剔除针片状颗粒的集料制成试件，加速磨光后测定磨光后集料的摩擦系数PSVra3．冲击值冲击值反映了集料抵抗多次连续重复冲击荷载作用的能力。对于路面表层，冲击值是一项重要的检测指标。集料的冲击值试验是按规定方法称取9.5-13.2mm集料试样质量，并将其装入钢筒中捣实，然后用质量为13.75kg的冲击锤沿导杆自380±5mm处自由下落按规定连续锤击集料，测试试验后集料2.36mm标准筛上通过质量百分率。4、磨耗值磨耗值反映了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。沥青混合料和基层所用集料的磨耗值一般采用洛杉矶试验，沥青混合料抗滑表层所用集料的磨耗值通常采用道瑞试验。

洛杉矶磨耗试验又称搁板式磨耗试验，是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转摩擦500次后取出集料试样，测试试验后集料1.17mm标准筛上通过质量百分率。

道瑞磨耗试验是将粒径为9.5-13.2mm的洁净干燥集料试样单层紧排于两个试模内，然后排砂并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m1，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，清砂后称取质量m2，可按下式计算。三、岩石集料的技术要求1．粗集料的技术要求

2．细集料的技术要求

矿质混合料就是能够满足级配要求的各种粒径材料的集合体，简称矿料。在水泥混凝土或沥青混合料中，所用集料颗粒的粒径尺寸范围较大，而天然或人工轧制的一种集料往往仅有几种粒径尺寸的颗粒组成，难以满足工程对某一混合料的目标设计级配范围的要求，因此需要将两种或两种以上的集料配合使用。确定几种集料混合时各自比例的过程就是矿料的组成设计，进行矿质混合料组成设计，必须道先明确目标级配范围，为此首先应掌握级配组成为矿料技术性能的影响。第三节集料的级配与级配理论一、矿质混合料的级配1．集料级配的表示方法1）筛分试验：集料中各组成颗粒的分级和搭配称为级配，级配通过筛分试验确定。筛分试验是将集料通过一系列规定筛孔尺寸的标准筛，测定存留在各个筛上的集料质量，根据集料试样的质量与存留在各筛孔上的集料质量，就可求得一系列与集料级配有关的参数，即分计筛余百分率、累计筛余百分率和通过百分率。（1）分计筛余百分率：某级筛孔尺寸上的筛余质量占试样总质量的百分率。（2）累计筛余百分率：某级筛孔尺寸上的分计筛余百分率和大于此筛孔尺寸上的各级筛孔尺寸的分计筛余百分率之和。（3）通过百分率：通过某级筛孔尺寸的质量占试样总质量的百分率，也就是100与累计筛余百分率之差。2）细度模数：细度模数是评价细集料粗细程度的一种指标，是各级筛孔尺寸的累计筛余百分率之和与100的比值。筛孔直径分别为：(4.75mm)、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm细度模数在数值上很大程度决定于粗颗粒含量，并且与小于0.15mm的颗粒含量无关，所以细度模数在一定程度上能反映细集料的粗细概念，但由于不同级配的细集料可以具有相同的细度模数，其并不能全面反映细集料的粒径分布情况。

细度模数越大，表示细集料越粗。粗砂μf=3.1-3.7；中砂μf=2.3-3.0；细砂μf=1.6-2.2。筛孔尺寸9.54.752.361.180.60.30.150.075筛底总计筛余质量，g015639910511575226500分计筛余百分率，%0312.619.82123154.41.2100累计筛余百分率，%0315.635.456.479.494.498.8100-通过百分率，%1009784.464.643.620.65.61.20-例：分析某细集料的级配组成并计算其细度模数故属于中砂3）集料的级配曲线（1）级配曲线的绘制为了直观形象地表示矿料各粒径的颗粒分布状况，常常采用级配曲线的方式来描述矿料级配。做法是以通过量的百分率为纵坐标，筛孔尺寸为横坐标，将各筛上的通过量绘制在坐标图中，然后用曲线将各点连接起来，成为所谓的级配曲线。由于标准套筛的筛孔分布是按1/2递减的方式设置，在描绘横坐标筛孔位置时，造成前疏后密的问题，以至到小孔径时无法清楚将其位置确定。所以在绘制级配曲线的横坐标时采用对数坐标（而相应纵坐标上的通过量仍采用常坐标），以方便级配曲线图的绘制。图1-3

集料级配曲线示意图a）常数坐标；b）半对数坐标（2）级配曲线类型粗细不同的粒径按照一定的比例组合搭配在一起，以达到较高的密实程度，根据搭配组成的结果，可得到以下几种不同级配形式。

①连续级配：连续级配是某一矿料在标准套筛中进行筛分后，矿料的颗粒由大到小连续分布，每一级都占有适当的比例。这种由大到小逐级粒径都有，并按比例互相搭配组成的矿质混合料，称为连续级配混合料。

2．级配组成对矿料性能的影响

矿料的级配组成直接决定矿料的两大特点：矿料密实度和矿料颗粒间内摩阻力。从而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。②间断级配：在矿料颗粒分布的整个区间里，从中间剔除一个或连续几个粒级，形成一种不连续的级配，成为所谓的间断级配。不同级配类型的级配曲线

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