道路桥梁工程概论第2章 道路建筑材料

第二章 道路建筑材料 第一节 概述第二节 道路工程中常用的原材料第三节 无机混合料第四节 有机混合料第五节 其他道路工程材料第二章 道路建筑材料v 知识目标v 掌握无机混合料、有机混合料和其他道路工程材料的基本概念和分类。 v 理解道路建筑材料的分类，道路桥梁工程结构对材料的要求、道路建筑材料的技术标准、性能检测和质量控制、道桥工程所用材料应具备的基本技术性能。v 了解道路工程材料的发展历史及趋势、道路建筑材料在公路工程中的作用。v 能力目标v 能解释无机混合料、有机混合料和其他道路工程材料的基本概念和分类。v 能结合实际情况，指出各种建筑材料的类型。v 一、道路工程材料的发展历史及趋势v 1. 道路工程材料的发展历史v 公元前 2000 3000年，人类就开始使用石膏和石灰砂浆作为胶凝材料。v 公元前 16世纪至公元前 11世纪的商朝殷墟中，考古学家发现有碎陶片和砾石铺筑的路面，并出现了大型的木桥。v 公元初年，为提高路的强度和抵抗水的侵蚀，古希腊人和罗马人开始在石灰中掺入火山灰。v 1796年，人们开始用天然水泥岩 (黏土含量为 20一 25的石灰 )煅烧、磨细，制得天然水泥，罗马水泥问世。v 由于天然水泥岩材料有限，人们开始人工配制水泥。 1824年，英国泥瓦工约瑟夫 阿斯普丁 (Joseph Aspdin)首先取得厂波特兰水泥生产的专利权。从这时起，人类社会进入厂人工配制胶凝材料的新阶段。 第一节 概述v 世界上最早的沥青路面是距今约 3000年前的古巴比伦仪仗大道。宽约 20m，道路中间是由残损不全的大块砖头和天然沥青铺成的沥青路面。v 印加帝国在十五世纪采以用天然沥青修筑沥青碎石路。v 英国于 1832 1838年，用煤沥青在格洛斯特郡修筑了第一段煤沥青碎石路；v 法国 1858年在巴黎用天然岩沥青修筑第一条地沥青碎石路；v 我国上海在 20世纪 20年代开始铺设沥青路面。第一节 概述建筑材料的发展经历了一个很长的历史时期，是随着人类社会生产力的发展而发展的。v 天然的土、石、竹、木是占人类的主要建筑材料。v 人类能够用黏土烧制砖瓦、用岩石烧制石灰、石膏之后，建筑构件进入了人工生产阶段。v 十八、十九世纪，建筑钢材、水泥、混凝土和钢筋混凝上相继问世而成为不可替代的结构材料v 二十世纪出现了预应力混凝土。v 21世纪，高性能混凝土将作为主要结构材料得到广泛应用。第一节 概述2. 道路工程材料的发展趋势v (1) 高性能材料 研制具有轻质、高强度、高耐久性、高耐火性、高抗震性、高保温性、高吸声性、优异的装饰性及防水性的材料，对提高道路建筑物的安全性、适用性、艺术性、经济性及使用寿命等有着非常重要的作用。v (2) 多功能复合材料 利用复合技术生产的多功能材料、特殊性能材料及高性能材料，将对提高道路建筑物的使用功能、经济性及加快施工速度等有着十分重要的作用。v (3) 工业废渣再利用材料 充分利用工业废渣生产建筑材料， 以保护自然资源和生态环境。v (4) 节能材料 研制和生产低能耗 (包括材料生产能耗和建筑使用能耗 )的新型节能建筑材料，可以降低建筑材料和建筑物的成本以及建筑物的使用能耗，充分节约能源。二、道路建筑材料在公路工程中的作用v 1材料是路桥工程结构物的物质基础道路建筑材料质量的好坏，配制是否合理及选用是否适当等，都直接影响结构物的质量，其性质对结构物的使用起着决定性的作用。道路工程结构物终年裸露于自然环境中，承受瞬时、反复荷载的作用，道路工程材料的性能和质量对结构物的使用性能和工程寿命有着极为重要的影响。2道路建筑材料的使用与道路工程的造价密切相关路桥工程材料方面的费用约占总工程费用的 40 60。有些重要工程甚至达 70 80。合理地选择和使用材料，对节约工程投资、降低工程造价具有十分重要的意义。v 3材料科学的进步可以促进路桥工程的技术发展材料是促进道路桥梁工程技术发展的重要基 础，新材料的出现和使用必然导致路桥工程建筑设计和施工工艺出现新的突破，促进道路工程结构设计和施工工艺的发展。三、道路桥梁工程结构对材料的要求v 1. 道路工程结构用材料v （ 1）面层结构 直接承受行车荷载作用，并受到自然环境中温度和湿度变化的直接影响，因此用于面层结构的材料应有足够的强度、稳定性、耐久性和良好的表面特性。道路面层结构中的常用材料主要是沥青混合料、水泥混凝土、粒料和块料等材料。v （ 2）基层结构 基层在面层之下，主要承受面层传递下来的车辆荷载的竖向应力，并将这种应力向下扩散到垫层和路基中，为此基层材料应有足够的强度、刚度及扩散应力的能力。常用的基层材料有结合料稳定类混合料、碎石或砾石混合料、天然砂砾、碾压混凝上和素混凝上、沥青稳定集料等。v （ 3）垫层结构 垫层是介于基层和路基之间的结构层次，主要作用是改善路基的湿度和温度状况，扩散由基层传来的荷载应力，以减少路基变形，常用的垫层材料有碎石或砾石混合料、结合料稳定类混合料等。二、道路建筑材料在公路工程中的作用v 2桥梁工程结构用材料v 为支撑桥梁上部结构及其传递的荷载，桥梁的墩、桩结构应具有足够的强度、承载能力；为抵抗环境介质的侵蚀作用，桥梁的墩、桩结构具有良好的抗渗透性、抗冻性和抗腐蚀能力。桥梁的上部结构将直接承受车辆荷载、自然环境因素的作用，应具有足够的强度、抗冲击性、耐久性等。用于桥梁结构的中要材料有钢材、水泥混凝土钢筋混凝土，用于桥面铺装层的沥青混合料及各种防水材料等。v 四、道路建筑材料的分类v 1. 按材料的化学成分分类v （ 1） 无机材料 可分为金属材料 (如钢、铁、铜、铝、各类合金等 )、非金属材料 (如水泥、石灰、混凝土、砂浆、天然石材、玻璃、烧土制品等 )和金属 非金属复合材料 如钢筋混凝土等 )。v 砂石材料 是经人工开采的岩石或轧制碎石以及地壳表层岩石经天然风化而得到的松散粒料。砂石材料可以直接应用于铺筑道路或砌筑各种桥梁结构物，也可以作为集料来配制水泥混凝土和沥青混合料。v 水泥与集料配制的水泥混凝土 是桥梁建筑中钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土结构的主要材料。石灰、粉煤灰、水泥与土 (或集料 )拌制而成的稳定土广泛应用于路面基层，成为半刚性基层的重要组成材料。水泥砂浆是各种桥梁圬工结构物砌筑的重要结合料。v 建筑钢材 是桥梁钢结构及钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土结构的重要材料。四、道路建筑材料的分类v 1. 按材料的化学成分分类v （ 2）有机材料 有机材料种类也很多，如木材、竹材、塑料、涂料、胶黏剂、合成橡胶、石油沥青、煤沥青、沥青制品等。有机结合料主要指沥青材料，它与不同粒径的集料组成沥青混合料。可以铺筑成各种类型的沥青路面，成为现代公路建设中一种极为重要的筑路材料。v （ 3）复合材料 复合材料又可分为无机非金属与有机材料复合材料 (如玻璃纤维增强塑料、聚合物水泥混凝土等 )、金属与无机非金属复合材料 (如钢纤维增加混凝土等 )、金属与有机材料复合材料 (如轻质金属夹芯板等 )。v (4) 高分子聚合物材料 近年来随着我国化学工业的发展，多种高分子聚合物逐渐应用于道路和桥梁工程中，主要是用来改善沥青混合料或水泥混凝土的性能，是一种有发展前途的新材料。如用水泥混凝土路面的填缝料、配制改性沥青等。 四、道路建筑材料的分类v2. 按材料的使用功能分类v(1) 结构材料 指用作承重构件的材料 (如桥梁工程中的梁、板、柱所用的材料 )。v(2) 功能材料 指用作建筑中具有某些特殊 功能的材料 (如防水、隔热、装饰材料等 )。v 1、力学性质v 各种强度指标及耐磨、抗变形指标。如，水泥混凝土的抗压、抗折强度；沥青混合料的稳定度、流值；石料的磨耗度等。v 2、物理性质v （ 1）物质指标：如材料的密度、孔隙率、含水量v （ 2）温度稳定性：如沥青软化点、脆点等。v （ 3）水稳定性等：如沥青混合料的残留稳定度等。v 3、化学性质v 各种材料的化学成分及其变化规律。如，水泥的各种成分与自然界之间的变化；沥青的化学成分及其变化规律。v 4、工艺性质 混凝土的流动性五、道桥工程所用材料应具备的基本技术性质v 1. 道路建筑材料的技术标准v 目前我国建筑材料的标准分为：国家标准、行业标准、地方标准和企业标准四个等级。v GB指国家标准v JTJ交通部门基本建设方面的规范v JC建材行业标准v SH石油化工行业标准v 国际上较有影响的技术标准有：v 国际标准 (ISO)、v 美国：材料试验学会标准 (ASTM)、v 日本：工业标准 (JIS)v 英国：英国标准 (BS) 。六、道路建筑材料的技术标准、性能检测和质量控制v 2. 道路建筑材料的性能检测v （ 1）道路工程材料的主要检测手段v 试验室原材料与混合料的性能检测；v 试验室模拟结构物的性能检测；v 现场足尺寸结构物的性能检测。v (2) 道路工程材料性能检测方法的发展趋势：v 单项材料检测向结构物检测发展；v 手工检测向自动化检测发展；v 破坏性检测向非破坏性检测发展；v 静态检测向动态检测发展；v 宏观检测向微观检测发展。六、道路建筑材料的技术标准、性能检测和质量控制v 3道路建筑材料的质量控制v (1) 材料进场前的质量控制 材料进场前必须详细阅读与工程材料有关的设计文件，熟悉文件对材料品种、规格、型号、强度等级、生产厂家与商标的规定和要求。v (2) 材料进场的质量控制 材料进场时必须检查到场材料的实际情况与设计文件的相关要求是否相符，同时保证进入施工现场的各种原材料都有相应的质量保证资料。v (3) 材料进场后的质量控制 不同种类、不同厂家、不同品种、不同型号、不同批号的材料必须分别堆放，界限清晰，并有专人管理。应用新材料前必须经过试验和鉴定，代用材料必须通过计算和充分论证；同时，为考察产品质量的稳定性和掌握材料存放过程中性能的降低情况，对重要工程材料应及时进行复验。六、道路建筑材料的技术标准、性能检测和质量控制石料与集料无机结合物有机结合物第二节 道路工程中常用的原材料v1. 砂石材料（石料）v 1、砂石材料的分类v 砂石材料按形状分类v 1）、块状石料：简称石料 v 如块石、片石等；v 2）、粒状石料：简称集料 集料又按大小分为：v 粗集料：如碎石、卵石v 细集料：如砂、石屑v 砂石材料按来源分类v 1）、天然石料v 2）、人工轧制的集料v 3）、工业冶金矿渣v一、石料与集料v 2、石料的技术要求v 1）路用石料的技术分级：分 4级v 级 最坚强的岩石v 级 坚强的岩石v 级 中等坚强的岩石v 级 较软的岩石v 2）路用石料的技术标准：见工程手册v 3、道路和桥涵用石料制品v （ 1）道路用石料制品v 1、高级铺砌用整齐块石：经精凿加工而成。v 2、路面铺砌用整齐块石：粗凿成的方块石或条石。v 3、铺砌用不整齐块石：又称拳石，要求顶面为一平面，底面与顶面基本平行。v 4、锥形块石：又称大块石，用于路面底基层，是由片石进一步加工而得的粗打石料。v（ 2）桥梁建筑用主要石料制品v1、片石：粗打石料，其形状不限制，但薄片者不得使用。v2、块石：有两个较大的平行面v3、方块石：在块石中选择形状比较整齐者稍加修整。v4、粗料石：表面凹凸不大于 10mm，砌缝宽度小于 20mm。v5、细料石：表面凹凸不大于 5mm，砌缝宽度小于 15mm。v6、镶面石：一般应选用较好的石料。v 工程上以粒径的大小为界，通常将集料分粗集料及细集料；其中在沥青混合料中，以 2.36mm为界，在水泥混凝土中以5mm为界。v （一）细集料的技术性质v 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。v 2、分类：在水泥混凝土中，指粒径小于 5mm的天然砂、人工砂。v 1) 天然砂：由岩石在自然条件下风化形成的。v 天然砂通常包括以下几种类型：v （ 1）河砂：性质较好，多用。v （ 2）山砂：含泥量及有机杂质多。v （ 3）海砂：混有贝壳和盐分等有害杂质。v 2) 人工砂：由岩石轧碎而成的颗粒，表面有棱角，较洁v 净，但价格较高，无特殊情况多不采用。2. 集料二、无机结合料v结合料（胶凝材料）： 能以自身的物理化学作用将松散材料 (如砂、石等 )胶结成为具有一定强度的整体结构的材料。v无机结合料： 石膏、石灰、水泥等，v有机结合料： 沥青、各种天然树脂、合成树脂等。二、无机结合料v 1. 石灰v A. 主要原料： 石灰石，其主要化学成分 CaCO3 、 MgCO3以及杂质v B. 生产过程： CaCO3在 1000 下加热生成 CaO和 CO2v C. 生石灰分类v 1、优质生石灰：洁白或带灰色，密度轻，一般 8001000kg/m3v 2、过火石灰：水化速度慢，体积膨化，产生 “崩裂 ”现象，过火石灰表面有裂缝或玻璃状的外壳，体积收缩明显，颜色呈灰黑色，密度大。v 3、欠火石灰：含有未烧透的内核，效率低，粘结力差，颜色呈深灰色。2. 水泥 （ 1）水泥品种v1）按化学成分为：v 硅酸盐类水泥 v 有六大类：硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥。v 铝酸盐类水泥v 无熟料（少熟料）类水泥2. 水泥v 2）按用途分为：v 普通水泥v 特殊水泥v 目前，在道路工程中，仍以硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥为主，故本节着重介绍这两个品种的水泥。此外，由于道路路面对水泥的特殊要求，近年来已生产了道路水泥。v 特殊水泥是为了满足一些特殊工程所生产的水泥，如：快硬水泥、早强水泥、膨胀水泥等。2. 水泥v 水泥是由多种矿物成分组成的，改变各种矿物成分的含量比例以及它们之间的匹配，则可以生产出性能各异的水泥。如：v 大坝水泥：降低 C3A C3S的含量，提高 C2S的含量。v 道路水泥：提高 C3S和 C4AF的含量。v 高强水泥：提高 C3S的含量。v 水泥加水后，即起水化反应，形成各种水化物，同时水泥浆的物理状态亦随之发生改变。3. 稳定土材料v （ 1）定义： 稳定土是在粉碎的或原来松散的土中，掺入v 足量的石灰、水泥、工业废渣、沥青及其它材料后，经拌v 合、压实及养生后，得到的具有较高后期强度，整体性和v 水稳定性均较好的一种材料。v （ 2）适用范围： 适用于路面的基层及底基层，不适用于v 路面的面层。v （ 3）