第三章_石料与集料.ppt

第三章石料与集料 本章主要内容 石料的物理 力学性质 技术标准及评价方法集料的物理 力学性质 技术标准及评价方法矿质混合料的级配理论 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 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 3 1天然砂石材料概论 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 2 沉积岩 碎屑岩 粘土岩 化学沉积岩 生物沉积岩 3 变质岩如 片麻岩 由花岗岩变质而成 3 石料的主要化学组成 1 岩石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 氧化镁等 2 石料的酸碱性根据SiO2含量分为 酸性石料SiO2 65 中性石料52 SiO2 65 碱性石料SiO2 52 3 2冶金矿渣材料 1 矿渣的主要化学成分及活性高炉矿渣中主要化学成分 酸性氧化物 SiO2 Fe2O3等 碱性氧化物 CaO MgO等 中性氧化物 Al2O3 硫化物 CaS等 1 矿渣的主要化学成分及活性矿渣的活性 其与水 某碱性溶液或硫酸盐溶液发生化学反应的性质 碱性系数Mo 矿渣化学成分中碱性氧化物与酸性氧化物之比值Mo 称之为碱性系数 Mo 1表示碱性氧化物多于酸性氧化物 该矿渣称之为 碱性矿渣 Mo 1表示碱性氧化物等于酸性氧化物 该矿渣称之为 中性矿渣 Mo 1表示碱性氧化物少于酸性氧化物 该矿渣称之为 酸性矿渣用化学成分分析来评定矿渣的质量是评定矿渣的主要方法 我国国家标准 GB T203 规定高炉矿渣质量系数K如下 式中 各氧化物表示其质量百分数含量 质量系数K反映了矿渣中活性组份与低活性 非活性组份之间的比例关系 质量系数K值越大 矿渣活性越高 2 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 3 3砂石材料的技术性质和技术标准 1 砂石材料的技术性质物理性质力学性质化学性质 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 1 砂石材料的技术性质物理性质 物理常数 吸水性 抗冻性 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 真实密度 表观密度 毛体积密度 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 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 105 5 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 2 材料的孔隙率 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 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 1 吸水率在常温 20 2 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 20 2 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 105 5 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20 5 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105 110 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 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50mm 2mm 高 径 2 b 桥梁工程采用立方体试件 边长为70mm 2mm 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50mm 2mm 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70 2mm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30 33 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50 75mm的试样50 2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30 33r 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 酸性石料与沥青粘附性差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 沥青与石料的粘附性 1 粘附机理 见图3 8 润湿理论 W sb bw sw sb sw bwcos 0 sb sw bwcos W bw 1 cos 沥青的性质 沥青的稠度 沥青中极性物质含量 如沥青酸和及其酸酐 随着沥青的稠度和沥青酸含量增加 沥青与石料粘附性增强 沥青与矿料在界面上的交互作用 沥青与矿料界面交互作用示意图 沥青与石料的粘附性 2 粘附性评价方法水煮法和水浸法 根据最大粒径决定 3 石料的技术标准 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为粗集料 4 75mm为细集料 3 4集料的技术性质 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 105 5 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 2 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 3 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 粗集料的毛体积密度 g cm3 4 含泥量和泥块含量 1 含泥量与石粉含量含泥量指集料中粒径小于0 075mm的颗粒含量 石粉含量指人工砂中小于0 075mm的颗粒含量 利用筛洗法 按照 3 24 式计算a 砂当量SE JTJ058T0344 1994 用于测定细集料中所含粘土及杂质含量 判断集料的洁净程度 b 甲基蓝MB值用于判别人工砂中小于0 075mm颗粒含量主要是泥土还是石粉 2 泥块含量 泥块含量指粗集料中原尺寸大于4 75mm 细集料中1 18mm 但经水浸洗手捏后小于2 36mm 细集料中0 6mm 的颗粒含量 按照 3 26 计算 集料中的泥块主要以三种类型存在 由纯泥组成的团块 由砂 石屑与泥组成的团快 包裹在集料颗粒表面的泥 二 力学性质 1 粗集料压碎性 集料在连续荷载下 抵抗压碎的能力 用压碎值表示 沥青路面用粗集料的压碎值将9 5mm 13 2mm集料试样3kg 三层装入 每层捣实25下 压碎值测定仪的钢质圆筒内 放在压力机上 在10min内均匀地加荷至400kN 稳压5s然后卸载 称其通过2 36mm的筛余质量 压碎指标仪 水泥混凝土用粗集料的压碎值将9 5mm 19 5mm集料试样3kg 两层装入 每层颠击25次 压碎值测定仪的钢质圆筒内 放在压力机上 在3min 5min均匀地加荷至200kN 稳定荷载5s 称其通过2 36mm的筛余质量 式中 m1 试验后筛余的试样质量 m0 试验前试样质量 2 粗集料磨光值 PSV 经过一段时间的车辆荷载作用后 公路最后向汽车提供抗滑能力是以粗集料为主 所以 必须检测粗集料磨光值 粗集料磨光值反映集料抵抗轮胎磨光作用的能力即抗滑性 以石料被磨光后的磨擦系数表示 摆式摩擦系数测定仪 取9 5mm 13 2mm的干燥石料颗粒单层紧密并排列在试模中 用环氧树脂砂浆固定 制成试件 经养护拆模 安装在道路轮上 按照规定先用30号金刚砂对试件磨蚀3h 再用280号金刚砂磨蚀3h 然后用摆式摩擦系数测定仪测定试件的摩擦系数PSVraPSV PSVra 49 PSVbraPSVbra 试件未打磨时的摩擦系数粗集料磨光值愈高 表示其粗集料在车轮作用下其抗滑性愈好 高速公路 一级公路PSV 42 其它公路PSV 35 3 集料冲击值 LSV 反映集料抵抗多次重复荷载作用的能力 抗冲击韧性 可采用冲击试验仪测定 粗集料冲击值试验用以测定路面用粗集料抗冲击的性能 以击碎后小于2 36mm部分的质量百分率表示 冲击试验选取9 5mm 13 2mm的集料试样 分三层装于冲击值试验仪的盛样器中 每层用捣杆捣实25次使其初步压实 然后用质量为 13 75 0 05 kg冲击锤 沿导杆自380mm 5mm处自由落下锤击集料 并连续锤击15次 最后将试验后的集料在2 36mm的筛上筛分并称量 冲击值 式中 LSV 粗集料的冲击值 m 试样总质量 g m1 试验后通过2 36mm的试样质量 g 4 集料磨耗值 AAV 用于评定抗滑表层的集料抵抗车轮撞击及磨耗的能力 将圆孔筛粒径为10mm 15mm 或方孔筛为9 5mm 13 2mm 的集料单层紧密排列 用环氧树脂砂浆固定 养护24后 然后用道瑞磨耗机以28 30r min的转速磨500圈 测出试验前后的质量损失 粗集料磨耗值按下式计算式中 AAV 集料道瑞磨耗值 m1 磨耗前试验件的质量 g m2 磨耗后试件的质量 g s 集料表干密度 g cm3 粗集料磨耗值愈高 表示集料耐磨性愈高 高速公路 一级公路抗滑层AAV 14 其它公路AAV 16 三 集料的技术性质 沥青混合料用粗集料质量要求 沥青混合料用细集料质量要求 一 集料的级配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 3 5集料的级配与级配理论 振筛机 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 2 级配参数 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 粗砂 f 3 7 3 1 中砂 f 3 0 2 3 细砂 f 2 2 1 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 级配曲线的绘制通过百分率为纵坐标 以筛孔尺寸为横坐标绘制而成的曲线 问题 由于筛孔尺寸大致以1 2递减 横坐标的位置前密后疏 图形很混乱 取对数坐标作为横坐标 可使大部分等间距排列 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 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 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 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 二 级配理论 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 P 100 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 45时 沥青混合料密度最大 0 25 0 45时 水泥混凝土施工性能好 0 3 0 7常用范围 可得级配的上限和下限 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 不同n幂的级配曲线 3 k法 三 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 t 前粒级的间隙 等于次粒级的粒径d D 前粒级的粒径 0 次粒级的理论实积率 s 次粒级的实积率 四 级配曲线范围的绘制级配曲线范围的绘制 按前述级配理论公式计算出各级集料在矿料的通过百分率 以通过百分率为纵坐标 以粒径 mm 为横坐标 绘制成曲线 即为理论级配曲线 由于矿料在轧制过程中的不均匀性 以及混合料配制时的误差 配制的混合料往往不可能与理论级配完全相符合 因此 必须允许配料的合成级配在适当的范围内波动 这就是 级配范围 已知计算参数条件下的级配范围曲线绘制方法如下 由于常用筛孔是按1 2递减的 为便于绘制和查阅 通常采用半对数坐标代替 即横坐标颗粒粒径 即筛孔尺寸 采用对数坐标 而纵坐标通过百分率采用常坐标 按颗粒粒径的对数计算值和各颗粒粒径 di 的通过百分率 Pi 绘制在坐标图上 再将确定的各点连接为光滑的曲线 在两个指数 n1和n2 曲线之间所包络的范围即为级配范围 图中阴影部分 n1 0 3 n2 0 7时的示意图如下 四 级配曲线范围的绘制 级配范围曲线 本章结束 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 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 1 36 aA i X aB i Y aC i Z aM i 1 37 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 1 38 则X aA i aM i 1 39 同理 C集料 aC j Z aM j 1 40 即 Z aM j aC j 1 41 则B集料 Y 100 X Z 1 42 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 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