理学第一章石料与集料ppt课件

第一章石料与集料,1,本章主要内容,第一节石料岩石的物理、力学性质及技术标准第二节集料集料的物理、力学性质及技术标准第三节矿质混合料的组成设计矿质混合料的级配、配合比设计方法,本章内容要求,理解石料与集料主要技术性能及主要评价方法与评价指标了解集料的级配概念和相关理论掌握矿质混合料的配合比设计方法参考资料：土木工程材料陈志源道路建筑材料严家伋道路建筑材料孙凌公路工程集料试验规程,重点内容：石料的基本状态参数、石料的抗压强度、磨耗率难点：石料的物理常数要求：石料的基本状态参数石料与水有关的性质掌握石料的力学性质,第一节石料,1.造岩矿物矿物具有一定化学成分和结构特征的天然化合物或单质。主要的造岩矿物：石英：结晶的二氧化硅,最坚硬的矿物之一长石：结晶的铝硅酸盐，易风化成高岭土云母：结晶的、片状的含水铝硅酸盐角闪石、辉岩、橄榄石：结晶的铁、镁硅酸盐方解石：结晶的碳酸钙白云石：结晶的碳酸钙镁复盐黄铁矿：结晶的二硫化铁,一、石料的岩石学特征,2、岩石的分类（根据生成条件，按地质分类法）(1)岩浆岩（又称火成岩）深成岩如：花岗岩、正长岩、辉长岩喷出岩如：玄武岩、安山岩、辉绿岩火山岩如：火山灰、火山砂、浮石(2)沉积岩机械沉积岩化学沉积岩如：石灰岩、砂岩生物沉积岩(3)变质岩如：片麻岩（由花岗岩变质而成）,3、矿物的主要化学组成（1）石料的化学组成通常以氧化物的形式给出。（氧化硅、氧化钙、氧化铁、氧化铝、氧化铝等）（2）道路工程中，石料根据SiO2含量分为：酸性集料SiO265%,岩石的物理性质：物理常数、吸水性和耐候性。1物理常数反映岩石矿物组成结构状态。2吸水性反映岩石在规定的条件下吸水的能力。3耐候性反映道桥所用的岩石抵抗大气自然因素作用的能力。,二、石料的物理性质,1.物理常数（1）密度在规定条件下，烘干石料矿质实体单位体积的质量。路桥工程所用的石料通常用真实密度、表观密度和毛体积密度来表征。,可以预测岩石的有关物理和力学性质。在混合料组成设计计算时，是重要的原始资料,矿质实体,闭口孔隙,开口孔隙,石材的结构,矿质实体,m0,ms,M,Vi,Vn,Vs,V0,V,石料结构的质量与体积关系示意图,闭口孔隙,开口孔隙,不含孔隙的矿质实体的体积,a.真实密度t指石料在规定的条件（1055下烘干至恒重，冷却至20）下，单位真实体积的质量。t=ms/Vs式中：t石料的真实密度（g/cm3）；ms石料矿质实体的质量（g）；Vs石料矿质实体的体积（cm3）。,b、表观密度（视密度）,指在规定条件下，烘干石料单位表观体积的质量，式中：a石料的表观密度，；s、s意义同前；m1试样在水中的质量n石料闭口孔隙的体积，。,或,矿质实体体积+闭口孔隙体积,c.毛体积密度h,指石料在规定的条件下，单位毛体积的质量。式中：h石料的毛体积密度（g/cm3）；ms石料矿质实体的质量（g）；Vs石料矿质实体的体积（cm3）;Vi石料开口孔隙的体积（cm3）;Vn石料闭口孔隙的体积（cm3）。,表观体积+开口孔隙体积,相同点：单位体积的质量(ms)不同点：V=Vi+Vs+VnV0=Vi+Vs,计算t、a、h如何测定体积,Vs李氏瓶法,不含水溶性石粉排水法,含水溶性石粉排油法,如煤油,Vs+Vn,Vs+Vn+Vi,测定方法,规则的：用精密量具量取不规则的：蜡封法，静水称重法,李氏瓶法：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静水称量法：将石料浸入水中，使之吸水饱和后，用静水天平法称其在水中的质量mw，取出轻轻擦干表面（饱和面干状态），称量其质量mf。,（2）材料的孔隙孔隙对材料的影响：a、孔隙的多少（孔隙率）b、孔隙的特征,孔隙率定义：指材料内部所有孔隙体积占材料总体积的百分率。公式：,开口孔隙和闭口孔隙,孔隙的特征a、孔隙尺寸大小，分为微孔、细孔和大孔b、孔隙之间是否相互贯通，分为孤立孔、连通孔c、孔隙与外界之间是否连通，分为开口孔、封闭孔,孔隙对于材料的性能有何影响,？,2.吸水性,吸水性：石料在水中吸收水分的能力，采用吸水率和饱水率两项指标来表征。吸湿性：在空气中吸收水分的能力，用含水率表示。,(1)吸水率在常温（202）常压下，石料试件吸水饱和时吸收水的质量占干燥质量的百分率。式中：Wx石料的吸水率（%）；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)饱水率：在常温（202）真空（残压2.67kPa）条件下，石料试件吸水饱和时吸收水的质量占干燥质量的百分率。在常压时，水分并非充满孔隙。当抽真空后，内部空气基本被排除，水充满孔隙。饱水率更能有效地反映岩石微裂纹的发育程度，可用来判断岩石的抗冻和抗风化等性能。,3.耐候性自然因素导致石料结构的破坏：首先是温度的升降，产生的温度应力而引起石料的破坏，其次是石料在潮湿条件下，受到正、负气温的交替冻融作用，引起石料内部组织结构的破坏。在大多数地区，后者即抗冻性占主导地位。,抗冻性：材料在含水状态下，能经受多次冻溶循环作用而不破坏，强度也不显著降低的性质。机理：当石料的开口孔隙大部分充满水时，在达到0以后，由于孔隙中的水结冰而移动困难，同时体积膨胀，从而对孔壁施加张应力，在多次冻融循环后，石料就会逐渐产生裂缝、掉边、缺角或表面松散等破坏现象。,常用检测方法：直接冻融法和硫酸钠坚固性法采用的试件：直径和高均为50mm的圆柱体或边长为50mm的立方体试件,直接冻融法将试件放入烘箱（1055）烘至恒重，冷却后称其质量，试件浸水至吸水饱和，然后取出擦去表面水分，置于冰箱（15）冻结，然后取出放入205的水中4，然后进行下一次冻融循环，反复至规定次数为止，并检查试件是否有无剥落、裂缝、分层及掉边等现象，再烘干至恒重，并称其质量。冻融次数规定：在严寒地区（最冷月的月平均气温低于-15）为25次；在寒冷地区（最冷月的月平均气温低于-15-5）为15次。,a.质量损失率和抗冻系数fr试件冻融后的质量损失率和耐冻系数，；试验前烘干试件的质量，；试验后烘干试件的质量，。R2经冻融循环后的试件饱水抗压强度，MPa；R1未经冻融试验的试件饱水抗压强度，MPa。,公路工程，一般要求石料的耐冻系数大于0.75；质量损失率不大于。同时，试件应无明显缺损（包括剥落、裂缝和边角损坏等情况）。桥梁工程石料，对一月份平均气温低于-10的地区，要进行抗冻性试验。,）硫酸钠坚固性法将试件烘干后置于饱和硫酸钠溶液中20h后，再放入105110的烘箱中4h，完成第一个循环，待试样冷却后再开始第二个循环，浸泡和烘干时间变为4h，完成5次循环后，看试件是否破坏，将试件洗净烘干至恒重，称其质量，算出质量损失率。,吸水率大于5时，石料的抗冻性变差。,试验原理：硫酸钠饱和溶液浸入石料孔隙后，经烘干，硫酸钠结晶同时体积发生膨胀，产生有如水结冻相似的作用，使石料孔隙周壁受到张应力，经过多次循环，引起石料破坏。,无条件做抗冻性时，可采用此法,表1-1桥涵用石料抗冻性指标,思考题：1.孔隙的特征与吸水率的关系。2.什么条件下要对石料进行抗冻性试验？什么是冻融循环？3.如何判定石料抗冻性是否合格？,三、石料的力学性质,抗压强度（）公路工程一般仅采用单轴抗压强度试验，每组6个试件。a、建筑地基采用圆柱体试件，直径为50mm2mm、高/径=2。b、桥梁工程采用立方体试件，边长为70mm2mm。c、路面工程采用圆柱体或立方体试件，其直径或边长和高均为50mm2mm。,注：作边坡验算要进行三轴抗压强度试验,非标准圆柱体试件，测得抗压强度值按右式转换,公式：式中：fsc石料的抗压强度，MPa；Fmax试件极限破坏时的荷载，N；试件的截面积，mm。,（）桥梁工程桥用石料以抗压强度为基准，其他力学指标（如抗拉强度、抗剪强度、抗弯强度等）一般可采用与抗压强度的大约比值。抗压强度试验是采用边长为702mm的正方体试件，经吸水饱和后，进行单轴抗压强度试验。公式：,影响石料抗压强度的主要因素：材料的组成孔隙率含水率温度试件尺寸加荷速度,强度,强度,、磨耗率石料的磨耗率是指石料抵抗冲击、剪力和摩擦等联合作用的能力，可采用洛杉矶试验法或狄法尔试验法测定，以质量损失百分率来评价。,a.洛杉矶磨耗试验法采用洛杉矶（或搁板）式磨耗试验机。是将石料试样洗净烘干，称出标准规定的级配石料，连同钢球一起放在洛杉矶磨耗机，以3033/min的转速转动500转后。过2mm圆孔筛或1.7mm方孔筛，将筛子上的试样洗净烘干，称其质量。计算出质量损失百分率。公式：,b.狄法尔试验法将石料破碎后过筛，选出5075mm的试样502块，共约5kg，分两份，分别洗净烘干，装入狄法尔磨耗机的两圆筒中，以3033r/min的转速转动10000转，通过2mm筛孔（碎石)或2.5mm筛孔（砾石），计算质量损失百分率。,两种方法的比较：狄法尔法采用单一粒径，而洛杉矶法采用不同的级配，更能反映实际情况，所以一般以洛杉矶试验法为准。注：这两种方法与道路实际经受的磨耗还有很大差别。需用以后将学的道瑞法进一步验证。,四、化学性质,化学性质：石料的矿物组分与周围物质进行化学反应或在外界物质影响下保持其组成结构稳定的能力。65%：碱性石料与沥青粘附性好为保证沥青混合料的强度，应优先考虑采用碱性岩石，当必须采用酸性岩石时，可掺加抗剥剂以提高沥青与岩石的粘附性。,五、道路和桥梁用石料制品,(一）路面用石料制品1.高级铺砌用整齐块石2.路面铺砌用半整齐块石3.铺砌用不整齐块石4.锥形块石（二）桥梁用石料制品1.片石2.块石3.方块石4.粗料石5.细料石6.镶面石,41,常用石料制品的特点、规格尺寸和用途,重点内容：集料的基本状态参数、集料的抗压强度、磨耗值、冲击值难点：集料的物理常数要求：集料的基本状态参数掌握集料的力学性质,第二节集料,1集料分类（1）来源：天然砂、人工砂、卵石、碎石、工业冶金矿渣。（2）加工过程：卵石（又称砾石）和碎石；（3）粒径：粗集料和细集料2粗细集料粒径的界限4.75mm（2.36mm）为粗集料4.75mm（2.36mm）为细集料。,水泥混凝土以4.75mm为界沥青混合料以2.36mm为界,3最大粒径（1）集料最大粒径：指集料全部通过的最小标准筛筛孔尺寸。（2）集料公称最大粒径:指集料有10%筛余的最小标准筛筛孔尺寸。,工程中所指的最大粒径一般指公称最大粒径,集料结构示意图,集料体积与质量关系示意图,1.物理常数,（1）表观密度(视密度)：在规定条件（1055)下烘干至恒重，单位表观体积的质量。式中：a集料的表观密度（g/cm3）；ms集料矿质实体的质量（g）；Vs集料矿质实体的体积（cm3）；Vn集料闭口孔隙的体积（cm3）。,矿质实体+闭口孔隙,（2）毛体积密度h,定义：集料在规定的条件下，单位毛体积的质量。式中：h集料的毛体积密度（g/cm3）；ms集料矿质实体的质量（g）；Vs集料矿质实体的体积（cm3）;Vi、Vn集料开、闭口孔隙的体积（cm3）;,矿质实体+开口+闭口孔隙,测定方法：a（静水天平法）：将已知质量的干燥粗集料装在金属吊篮中浸水24h，使之吸水饱和，然后在静水天平上称出粗集料在水中的质量，按排水法可计算出包括闭口孔隙在内的体积。h：将已知质量的干燥集料经24h饱水后，用湿毛巾擦干而求得饱和面干质量，然后用排水法求得在水中的质量，按此测得集料质量和饱和面干体积。,3）堆积密度：指烘干集料颗粒之间单位填充体积的质量。式中：集料的堆积密度（g/cm3）；ms集料矿质实体的质量（g）；Vs集料矿质实体的体积（cm3）；Vn集料闭口孔隙的体积（cm3）；Vi集料开口孔隙的体积（cm3）；VV集料空隙的体积（cm3）。测定方法：容积升（容量筒）,矿质实体+开/闭口孔隙+颗粒间的空隙,堆积密度分为自然堆积密度，震实密度和捣实密度。自然堆积密度（又称松装密度）：以自由落入方式堆积所测的密度。震实密度：将集料分三层装入，在容器底部放一根直径25mm的钢筋（每次钢筋的位置垂直），每装一层，将容器左右交替颠击地面25下。（水泥混凝土)捣实密度：将集料分装三层，每层用捣棒捣25下。(沥青混合料）,（5）空隙率,定义：集料在自然堆积下空隙的体积（或紧密堆积）占总体积的百分率。反映集料颗粒间相互填充程度。式中：集料的堆积密度或紧装密度（g/cm3）；a集料的表观密度（g/cm3）；Vi集料开口孔隙的体积（cm3）；VV集料空隙的体积（cm3）；V集料的总体积（cm3）。,（6）粗集料骨架间隙率,定义：指粗集料在捣实状态下颗粒间的空隙体积所占的百分率。用来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。c粗集料的堆积密度（g/cm3），b粗集料的表观密度（g/cm3）；,（7）细集料的棱角性,以一定条件测定细集料的空隙率表征，对于沥青混合料的内摩擦角和抗流变性及水泥混凝土的和易性有显著的影响。c细集料的堆积密度（g/cm3）；s细集料的表观密度（g/cm3）；,对于混凝土的粗集料用震实密度，沥青混合料的粗集料用捣实密度；,2.级配,级配：集料中各级颗粒的搭配情况。通过筛分析来评定级配是否符合要求。测定方法：干筛法和水筛法水泥混凝土用干筛法，沥青混合料用水筛法。,采用干筛法不能准确测出13.2)）水浸法(最大粒径13.2)）亲水系数法,坚硬,为保证沥青混合料的强度，在选择集料时应优先考虑采用碱性石料。若当地缺乏碱性石料且必须采用酸性石料时，必须作抗剥落性检验。,四.工业冶金矿渣的技术特性,工业冶金矿渣一般是指炼铁或炼钢过程中得到的高炉矿渣或钢渣。.矿渣的主要化学成分及活性高炉矿渣中的主要化学成分有：酸性氧化物SiO2FeO3P2O5TiO2碱性氧化物CaOMgOMnOBaO中性氧化物Al2O3硫化物CaSMnSFeS,矿渣的活性是指与水、或与某些碱性溶液、或硫酸盐溶液发生化学反应的性质。采用碱性系数M0及质量系数K反映高炉矿渣活性。钢渣与高炉矿渣虽都是冶金矿渣，但它们的化学成分及矿物组成明显不同。所以钢渣采用碱度系数M反映。,M0=（CaO+MgO）/（SiO2+Al2O3）,K=（CaO+MgO+Al2O3）/（SiO2+MnO）,M=CaO/（SiO2+P2O5）,.矿渣集料的技术特性,）物理力学特性受冷却加工方式的影响）化学稳定性主要是矿渣中的某些成分与水发生化学反应，导致体积变化a)游离的氧化钙（f-Cao）的消解通常f-Cao含量小于时方可应用于路面结构中。b)铁和锰分解,第二节矿质混合料的组成设计,重点内容：矿质混合料级配、组成设计难点：图解法求矿质混合料组成要求：用试算法、图解法求矿质混合料组成,道桥用的砂石材料，大多数是以矿质混合料的形式与结合料（如水泥或沥青等）组成使用。然而为使混合料具备优良的性能，除各种矿质集料的技术性质应符合要求外，矿质混合料还必须满足最小空隙率和最大摩擦力的基本要求，即级配良好。,一、矿料的级配1集料级配的表示方法（1）筛分试验采用标准套筛对集料进行过筛分析，以确定集料粗细颗粒的分布,即级配,就是所谓筛分试验。以细集料的筛分为例：筛分试验：称量500g砂样过筛，称量筛子上残余的砂，计算出分计筛余、累计筛余、通过百分率。,振筛机,碎石标准筛,标准方筛孔为：70mm、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和0.075mm。标准园筛孔为：100mm、80mm、63mm、50mm、40mm、31.5mm、25mm、20mm、16mm、10mm、5mm、2.5m。,）分计筛余ai（%）：某号筛上的筛余量占试样总质量的百分率。）累计筛余Ai（%）：某号筛的分计筛余和大于某号筛的各筛分计筛余的总和。）通过百分率Pi（%）：通过某号筛的质量占试样总质量的百分率，即100与某号筛的累计筛余之差。,（2）细集料的细度模数细度模数是用于评价细集料粗细程度的指标（以水泥混凝土用细集料为例）：,粗砂：Mx=3.73.1；中砂：Mx=3.02.3；细砂：Mx=2.21.6。细度模数越大，砂越粗。,例题1-1某砂样筛分结果如下表，请填满下表并求该砂的细度模数并判断该砂属于哪一类砂（干筛法）。,属于粗砂,级配曲线的绘制理论级配曲线：以级配理论公式计算出的通过百分率（%）为纵坐标，以筛孔尺寸（mm）为横坐标绘制而成的曲线。问题：由于筛孔尺寸以1/2递减，横坐标的位置前密后疏，图形很混乱。筛孔尺寸取对数作为横座标等间距排列,（3）级配曲线,图1-3集料级配曲线示意图a）常数坐标；b）半对数坐标,绘制步骤：1、先计算出各颗粒粒径的对数lgdi2、以对数lgdi为横坐标，通过百分率为纵坐标。3、将按计算所得的各颗粒粒径（di）的通过百分率（pi）绘于坐标图上，再将各点连接为光滑的曲线，即为级配曲线。,级配类型:连续、间断、连续开级配a、连续级配：矿料的颗粒由大到小连续分布，每一级都占有适当的比例。b、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。c、连续开级配：整个矿料颗粒分布范围较窄，从最大粒径到最小粒径仅在几个粒级上以连续的形式出现。,骨架作用好但易离析,2.集料的级配对于矿料性能的影响,a、集料级配差，骨架空隙率大，填充所用的结合料越多。b、各级集料颗粒能互相嵌锁而不相互干涉，则集料颗粒间具有较大的内摩擦力。c、接近球形或立方体的颗粒堆积密实度高；当扁平、细长颗粒多时，骨架空隙率增加。,级配优良的标准：a、空隙率最小：不同粒径的各级矿质集料按一定比例搭配，使其组成一种具有最大密实度（即最小空隙率）的矿质混合料。b、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。,3、级配计算（）（富勒）.uller理论“级配曲线愈接近抛物线时，则其密度愈大”，因此，当级配曲线为抛物线时为最大密度曲线。P通过率d筛孔尺寸K统计参数当（集料最大粒径）时，P100，则：,T,（）（泰波）.albal理论实际矿料的级配应允许有一定的波动范围，故将富勒最大密度曲线应改为n次幂的通式，即当1/2时为抛物线，即富勒曲线。当0.30.6时，矿质混合料具有较好的密实度。泰波理论可用来解决连续级配的级配范围问题，故具有很大的实用意义。,(3)魏茅斯粒子干涉理论颗粒之间的空隙，应由次小一级颗粒所填充；其余空隙由再次级小颗粒所填充，但填隙的颗粒不得大于其间隙之距离，否则大小颗粒粒子之间势必发生干涉现象。因此，大小粒子之间应按一定数量分配，并从临界干涉的情况下可导出前分级粒度的间距计算公式：,二、矿质混合料的配合比设计方法,在生产中，天然的或人工轧制的单一集料的级配一般很难完全符合某一合适级配范围的要求。因此需要几种不同规格（粒度）进行搭配。,92,矿质混合料的设计方法主要采用试算法和图解法。在应用设计方法时应具备以下两项条件：（1）各种集料的级配参数。（2）按技术规范（或理论级配）要求，确定矿质混合料的目标级配范围。,1数解法（试算法）设计步骤(1)建立基本计算方程设集料A、B、C在筛孔i上的分计筛余分别为aA(i)、aB(i)、aC(i)，配制矿质混合料在筛孔i上的分计筛余为aM(i)。在混合料中含量分别是X、Y、Z，则：X+Y+Z=100（136）aA(i)X+aB(i)Y+aC(i)Z=aM(i)(137）,（2）基本假设假定混合料中某一级粒径的颗粒仅由集料A来提供，而其它两种集料B和C中不含有此粒径，即B、C相应的分计筛余为0。,（3）计算根据上述假设，（4-7）式成为：aA(i)X=aM(i)（138）则X=aA(i)/aM(i)（139）同理，C集料：aC(j)Z=aM(j)（140）即：Z=aM(j)/aC(j)（141）则B集料：Y=100-X-Z（142）,（4）校核调整按以上各集料的含量得到的合成级配不一定在所要求的级配范围，应调整验算，直到满足为止。如仍不能达到要求，可掺加单粒级集料或调换其它集料。,【例题】某一级公路沥青混凝土路面AC-20用矿质混合料，现拟用碎石、石屑和矿粉三种矿质材料组成，各矿料筛分结果按分计筛余及要求的设计混合料的级配范围列于下表，试求碎石、砂和矿粉三种集料在混合料中的含量。,表1-5三种集料的分计筛余和混合料要求的级配范围,解：（1）将表1-5中矿质混合料要求的标准级配范围通过百分率pi换算为累计筛余Ai、级配范围累计筛余中值及要求的分计筛余aM（i）。,（2）由表中可知，碎石中4.75mm粒径颗粒含量