道路工程材料-第1章砂石材料.ppt

2013 09 道路工程材料 土木工程与建筑系 第一章砂石材料 1 石料 2 集料 3 矿质混合料的组成设计 4 石料与集料的工程应用 道路工程材料第一章砂石材料 1石料 石料的物理力学性质在很大程度上取决于天然岩石的矿物成分 以及这些矿物在岩石中的结构与构造 石料是天然岩石经机械加工制成的 或者直接开采得到具有一定形状和尺寸的石料制品 1 1石料的岩石学特性 1 1 1造岩矿物 造岩矿物 岩石 石英 云母 长石 角闪石 方解石 白云石 黄铁矿 石膏 菱镁矿 赤铁矿等 道路工程材料第一章砂石材料 1石料 1 1 2岩石的分类 按成岩条件分 岩浆岩 沉积岩 变质岩 片理状岩 块状岩 深成岩喷出岩火山岩 花岗岩 正长岩 辉长石 玄武岩 安山岩 辉绿岩 石灰岩 页岩 砂岩 石膏 散粒状的粘土 砂 卵石 道路工程材料第一章砂石材料 1石料 1 2石料的物理性质 物理常数 石料的物理常数是反映材料矿物组成 结构状态和特征的参数 常用物理常数是密度和孔隙率 吸水性抗冻性 反映材料与水有关的性质 道路工程材料第一章砂石材料 1石料 材料内部体积构成 闭口孔隙 体积为Vn 开口孔隙 体积为Vi 材料内部固体物质体积 Vs 道路工程材料第一章砂石材料 1 2石料的物理性质 规定条件下 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 1石料 1 2 1物理常数 密度 道路工程材料第一章砂石材料 1 2石料的物理性质 1 2 1物理常数 真实密度 1石料 规定条件下 烘干石料矿质实体单位真实体积的质量 道路工程材料第一章砂石材料 1石料 1 2石料的物理性质 1 2 2物理常数 表观密度 规定条件下 烘干石料矿质实体单位表观体积 包括闭口孔隙 的质量 道路工程材料第一章砂石材料 规定条件下 烘干石料矿质实体单位毛体积 包括闭口 开口孔隙 的质量 1石料 1 2石料的物理性质 1 2 3物理常数 毛体积密度 道路工程材料第一章砂石材料 道路工程材料第一章砂石材料 1石料 1 2石料的物理性质 1 2 4物理常数 孔隙率 石料孔隙体积占石料总体积 包括开口孔隙和闭口孔隙体积 的百分率 道路工程材料第一章砂石材料 1 2石料的物理性质 1 2 5物理常数 吸水性 1石料 吸水率 常温 20 2 标准大气压 101 325kPa 最大的吸水质量占干燥试样质量的百分比 饱水率 常温 真空抽气 2 67kPa 最大吸水质量占干燥试样质量的百分比 材料吸入水分的能力 包括吸水率和饱和吸水率 道路工程材料第一章砂石材料 直接冻融法坚固性法 石料在水饱和状态下 能经受反复冻融而不破坏 并不严重降低强度的能力 孔隙构造 吸水性 1 2石料的物理性质 1 2 5物理常数 抗冻性 1石料 道路工程材料第一章砂石材料 直接冻融法 冻融循环试验 吸水饱和 15 冰冻 常温融解 循环若干次 15 25 50次 冻融系数 4h 石料 直径 高50mm圆柱体试件 50mm正方体试件 在105 5 烘干 质量损失率 1 2石料的物理性质 1 2 5物理常数 抗冻性 1石料 道路工程材料第一章砂石材料 道路试件 50 50 50 2mm立方体 50 H50 2mm的圆柱体 桥梁试件 70 70 70 2mm立方体 1 3石料的力学性质 石料的抗压强度 石料抗压试件 1石料 试件类型 道路工程材料第一章砂石材料 材料的矿物成分结构和构造 P 试验时石料试件破坏的极限荷载 NA 石料试件的受力截面积 mm2 影响因素 试件尺寸加荷速率湿度等 内因 外因 对试件饱水处理后施加荷载直至破坏 1 3石料的力学性质 石料的抗压强度 1石料 道路工程材料第一章砂石材料 磨耗率 洛杉矶磨耗试验狄法尔磨耗试验 1 3石料的力学性质 1石料 石料抵抗撞击 摩擦的联合作用的能力 道路工程材料第一章砂石材料 式中 m2 试验后2mm筛上烘干石料试样质量 m1 试验前烘干石料试样质量 磨耗率试验方法 狄法尔法 双筒式 50块石料 50 75mm 单一粒径 质量5000g左右 转速30 33r min 转10 000转 5 5 5 0h 磨耗率计算公式 1 3石料的力学性质 1石料 道路工程材料第一章砂石材料 双筒式磨耗仪示意图 耗时长达5h以上 试件尺寸单一 50 75mm 与路用实际情况不符合 石料间相互作用 不同性质石料的磨耗率相差不大 狄法尔法 双筒式 道路工程材料第一章砂石材料 1 3石料的力学性质 1石料 磨耗率试验方法 洛杉矶法 搁板式 试样为 5000g有一定级配的集料 加入12个48mm钢球 5000g 转速30 33r min 转500转 式中 m1 试验前烘干石料试样质量 m2 试验后2mm筛上烘干石料试样质量 道路工程材料第一章砂石材料 省时 15min左右 使石料受到更严峻的冲击 剪切 摩擦作用 石料级差大 试样级配较符合路用状况 洛杉矶法 搁板式 道路工程材料第一章砂石材料 1 分类 按照成岩条件 风化程度等 岩浆岩类 火成岩 石灰岩类 沉积岩 砂岩与片麻岩类 变质岩 砾石岩 天然风化 2 分级指标 饱水抗压强度和磨耗率 最坚强 坚强 中等坚强 较软弱 1 4石料的技术标准 1石料 道路工程材料第一章砂石材料 物理性质物理常数 密度 真实密度 表观密度 毛体积密度 孔隙率吸水性 吸水率 饱水率抗冻性 冻融循环力学性质 抗压强度 单位面积上所能承受的最大荷载 磨耗率 石料抵抗撞击 剪切和摩擦综合作用的能力 1石料 道路工程材料第一章砂石材料 2集料 集料是由不同粒径矿质颗粒组成的混合料 包括各种天然砂 人工砂 卵石 碎石以及各类工业冶金矿渣 天然砂 人工砂 粒径 4 75mm 卵石 碎石 粒径 4 75mm 粗集料细集料分界尺寸 4 75mm 水泥混凝土 2 36mm 沥青混凝土 道路工程材料第一章砂石材料 2集料 2 1集料的物理性质 物理常数 密度空隙率 集料的级配 集料的颗粒形状与表面特征 含泥量和泥块含量 道路工程材料第一章砂石材料 2集料 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 道路工程材料第一章砂石材料 2集料 2 1集料的物理性质 1 密度 表观密度 毛体积密度 表干密度 装填密度 2 1 1物理常数 表干密度 道路工程材料第一章砂石材料 2集料 2 1集料的物理性质 1 密度 表观密度 毛体积密度 表干密度 装填密度 2 1 1物理常数 堆积 松装 密度 集料按自由下落方式装样 振实 紧装 密度 集料振摇方式装样 捣实密度 集料振摇方式装样 装填密度 2集料 2 1集料的物理性质 2 1 1物理常数 道路工程材料第一章砂石材料 2 空隙率n 集料空隙体积 含开口孔隙 占集料总体积的百分比 n 集料的空隙率 Vf 集料颗粒的堆积体积 Vs Vn Vi Vv cm3Vv 集料颗粒孔隙 cm3Vi 矿质实体中开口孔隙体积 cm3 道路工程材料第一章砂石材料 2集料 2 1集料的物理性质 2 1 2集料的级配 集料中各种粒径颗粒的搭配比例或分布情况 道路工程材料第一章砂石材料 2集料 2 1集料的物理性质 2 1 3集料的颗粒形状与表面特征 颗粒形状 蛋圆形 棱角形 针状 片状 表面特征 表面的粗糙程度及孔隙特征等 道路工程材料第一章砂石材料 2集料 2 1集料的物理性质 2 1 4含泥量和泥块含量 含泥量 集料中粒径小于0 075mm的颗粒含量 泥块含量 粗集料中原尺寸大于4 75mm 但经水浸洗 手捏后小于2 36mm的颗粒含量 存在类型 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 道路工程材料第一章砂石材料 2 2集料的力学性质 压碎值磨光值冲击值磨耗值 2集料 压碎指标值 适用于水泥混凝土用集料 压碎值 沥青混合料用集料 式中 m0 试验前风干试件的质量 gm1 试验后通过2 36mm筛孔的细集料质量 g 道路工程材料第一章砂石材料 压碎值 石料抵抗压碎的能力 2 2集料的力学性质 2集料 道路工程材料第一章砂石材料 压碎值的测试 10 20mm集料分二层夯实 在3 5min加荷至Pmax 200kN 恒压5s后 脱膜后过2 36mm筛 试验集料 道路工程材料第一章砂石材料 压碎值的测试 将12 16mm碎石分三层夯实 在0 10min加压至400kN 立即卸载 过2 36mm筛 试验集料容器 道路工程材料第一章砂石材料 压碎值的测试 道路工程材料第一章砂石材料 2 2集料的力学性质 2集料 磨光值 石料抵抗轮胎磨光作用的能力 即保持其原有粗糙的能力 PSV 石料的磨光值 PSVra 试验试件的摩擦系数 PSVbra 标准试件的摩擦系数 9 5 13 2mm石料颗粒 环氧树脂砂浆固定制成试件 磨光值试验试件制备 试件 加速磨光机 30 280 金刚砂 经6h磨光后 用摆式摩擦系数测定仪测摩擦系数 BPN 磨光值 磨光值试件及磨光机 磨光值试验 道路工程材料第一章砂石材料 2 2集料的力学性质 2集料 式中 m0 冲击前试样质量 g m1 冲击试验后 通过2 36mm筛的石屑质量 g 冲击值 石料抵抗多次连续的重复冲击荷载的能力 9 5 13 2mm集料 1kg分三次装入量筒中 夯实 冲击锤至380 5mm处自由落下 重复15次 间隔不少于1s 将受冲击后的集料过筛 2 36mm 称重 冲击值试验 道路工程材料第一章砂石材料 2 2集料的力学性质 2集料 磨耗值 石料抵抗表面磨损的能力 式中 m1 磨耗前的试件质量 g m2 磨耗后的试件质量 g s 集料的表干密度g cm3 道瑞Dorry 英国 磨耗仪 磨耗值试验 9 5 13 2mm石料颗粒 单层紧密排列 用环氧树脂砂浆固定成型 同种石料2个试件一组用金属托盘固定于道瑞机的圆平板上28 30r min 100转 连续不断 均匀 撒布一定细度的石英砂 同样方法再磨400转 道路工程材料第一章砂石材料 3矿质混合料的组成设计 矿质混合料 两种或两种以上的集料混合而成 简称矿料 组成设计的目的 根据目标级配范围要求 确定各种集料在矿质混合料中的合理比例 集料级配的几种情况 道路工程材料第一章砂石材料 圆孔筛 直径 40 20 10 5 2 5 1 25 0 63 0 3 方孔筛 边长 13 2 9 5 4 75 2 36 1 18 0 6 0 3 0 15 0 075 3 1矿质混合料的级配 3 1 1集料级配的表示方法 1 筛分试验 标准筛 筛分试验用套筛 3矿质混合料的组成设计 道路工程材料第一章砂石材料 3 1矿质混合料的级配 3 1 1集料级配的表示方法 3矿质混合料的组成设计 分计筛余百分率ai 某号筛上的筛余质量占试样总质量的百分率 2 筛析试验 级配参数 通过百分率pi 通过某号筛的集料质量占试件总质量的百分率 Pi 100 Ai 累计筛余百分率Ai 等于或大于某号筛上筛余质量之和占总质量的百分率 Ai a1 a2 a3 道路工程材料第一章砂石材料 3 1矿质混合料的级配 3 1 1集料级配的表示方法 3矿质混合料的组成设计 评价细集料粗细程度 粗砂 Mf 3 7 3 1中砂 Mf 3 0 2 3细砂 Mf 2 2 1 6 3 细集料的细度模数 道路工程材料第一章砂石材料 4 集料的级配曲线 作图 纵坐标为通过百分率P 常数坐标 横坐标为筛孔尺寸 mm 注意 坐标单位 注明不同曲线意义 判断集料级配是否符合要求 级配曲线 3 1矿质混合料的级配 3 1 1集料级配的表示方法 3矿质混合料的组成设计 道路工程材料第一章砂石材料 4 集料的级配曲线 3 1矿质混合料的级配 3 1 1集料级配的表示方法 3矿质混合料的组成设计 连续级配 级配曲线光滑 每一种尺寸的集料都有间断级配 剔除一个或几个分级 曲线形成折线形单粒径 道路工程材料第一章砂石材料 单粒径 连续级配与间断级配曲线示意图 道路工程材料第一章砂石材料 3 1矿质混合料的级配 3矿质混合料的组成设计 3 1 2级配组成对矿料性能的影响 矿质混合料的级配组成与其密度及颗粒间内摩阻力有关 从而对水泥混凝土或沥青混凝土的强度 耐久性及施工和易性有显著影响 最小空隙率 达到最大密实度最大摩阻力 增加集料的稳定性和强度 互相嵌紧 互不干涉 紧密多级空间网络骨架结构 道路工程材料第一章砂石材料 3 1矿质混合料的级配 3矿质混合料的组成设计 3 1 3连续级配的计算 p2 kd当d D时 p 100 1002 k D 式中 d 集料中颗粒的筛孔尺寸 mmD 矿质混合料最大粒径 mm 1 最大密度级配计算 富勒理论 常坐标级配曲线 集料在某筛孔上的通过百分率和筛孔尺寸的关系越接近抛物线 该集料的密度越大 空隙率越小 道路工程材料第一章砂石材料 3 1矿质混合料的级配 3矿质混合料的组成设计 3 1 3连续级配的计算 式中 n 级配指数 2 级配曲线范围公式 泰波公式 半对数坐标级配曲线 n 0 45 0 5 密实度最大n 0 3 0 7 密实度尚可n 0 35 0 45 工作性较好 工艺性能 道路工程材料第一章砂石材料 3 1矿质混合料的级配 3矿质混合料的组成设计 3 2矿质混合料的配合比设计方法 目的 确定矿质混合料中各档集料的比例已知条件 各档集料级配P d 设计级配范围P d方法 试算法 数解法 图解法 道路工程材料第一章砂石材料 1 试算法因目前工程单位用的较多的是图解法 故试算法不再单独讲解 2 图解法又称修正平衡面积法 是目前工程单位用的较多的一种方法 步骤 绘制级配曲线图 确定各种集料的用量比例 两线相叠 两线相接 两线相离 校核及