道路建筑材料复习课程

道路建筑材料复习课程道路建筑材料复习课程 无忧PPT发布道路建筑材料主主编翟晓静赵毅副主编贾红霞主主审李 中秋马彦芹高职高专道路桥梁工程技术专业 十二五 规划教材无 忧PPT发布道路建筑材料第一篇道路建筑材料第一章砂石材料教学要 点 1 岩石的主要技术性质及其评价指标 2 集料的基本概念 3 路用集料的主要技术性质及其评价指标 4 集料在道路施工中常用 的试验检测技术 5 矿质混合料的级配理论和组成设计方法 无忧PPT发布道路建筑材料第一节砂石材料的技术性质与检验 砂石 材料包括天然岩石 人工轧制的集料以及工业冶金矿渣等 下面将 对这些材料的技术性质予以论述 一 岩石的技术性质与检验 岩石的技术性质 主要从物理性质 力 学性质和化学性质三方面进行评价 无忧PPT发布道路建筑材料 一 物理性质 岩石的物理性质包括物 理常数 如真实密度 毛体积密度和孔隙率等 吸水性 如吸水 率 饱水率 和抗冻性 1 物理常数 岩石的物理常数是岩石矿物组成结构状态的反映 它与 岩石的技术性质有着密切的关系 岩石的内部组成结构主要是由矿质实体和孔隙 包括与外界连通的 开口孔隙和不与外界连通的闭口孔隙 所组成 如图1 1a 各部分质量与体积的关系如图1 1b 无忧PPT发布无忧PPT发布道路建筑材料 1 真实密度真实密度是岩石在规定条件 105 110 下烘 干 时间一般为6h 12h 至恒重 干燥器中冷却至20 2 称量 前后两次称量质量差小于0 3毫克 烘干岩石矿质实体单位 体积 不包括开口与闭口孔隙 的质量 用表示 岩石真实密度的检测方法按我国现行 公路工程岩石试验规程 JTG E41 xx 采用 密度瓶法 要获得矿质实体的体积 必须将岩石粉碎磨细 通过试验测定出来 详见第二篇 stsmV t 无忧PPT发布道路建筑材料 2 毛体积密度在规定条件下 岩石 包括孔隙在内 的单位体积 的质量 用表示 根据岩石含水状态 毛体积密度可分为干密度 饱和密度和天然密 度 按我国现行 公路工程岩石试验规程 JTG E41 xx 规定 岩石毛体积密度的检测方法可以量积法 水中称量法和 蜡封法来测定 sbs nimV V V b 无忧PPT发布道路建筑材料 3 孔隙率岩石的孔隙率是指岩石孔隙体积占岩石总体积的百分率 用用表示直接测定孔隙体积来计算孔隙率有些难度 工程上常采用 真实密度和毛体积密度间接计算求得 由式 1 3 得n 1 V s V 100 故式 1 3 可表达为式 1 4 0100VnV n 1 100btn 无忧PPT发布道路建筑材料2 吸水性岩石的吸水性是 岩石在规定条件下吸水的能力 用吸水率和饱和吸水率两项指标来 表征 1 吸水率岩石吸水率是指在规定条件 常温 常压 自由吸水48 h 下 岩石试样最大的吸水质量与烘干岩石试件质量之比 以百 分率表示 按式 1 5 计算吸水率 饱和吸水率能有效地反映岩石微裂隙的发育程度 可用来判断岩石的抗冻性和抗风化等性能 1100am mwm 无忧PPT发布道路建筑材料3 抗冻性岩石抗冻性是指岩石在吸 水饱和状态下 经受规定次数的冻融循环后抵抗破坏的能力 冻融后的质量损失率按式 1 7 计算冻融系数是指未经冻融的岩石试件抗压强度与冻融循环后的 岩石试件抗压强度的比值 冻融系数按式 1 8 计算100 sf smmmLffsRKR 无忧PPT发布道路建筑材料如无条件进行冻融试验 也 可采用坚固性简易快速测定法 这种方法通过饱和硫酸钠溶液进行 多次浸泡与烘干循环后来测定 二 力学性质道路与桥梁工程结构物中使用的岩石 除受上述物 理性质影响外 还受到外力的压作用 应具备一定的力学性质 如 抗磨光 抗冲击和抗磨耗等力学性能 下面主要介绍单轴抗强度和磨耗性的确定方法 无忧PPT发布道路建筑材料1 单轴抗压强度单轴抗压强度是指岩石试 件抵抗单轴压力时保持自身不被破坏的极限应力 按我国现行 公路工程岩石试验规程 JTG E41 xx 规定将岩石制备成标准试件 建筑地基用岩石制备成直径为为5 0mm 2mm 高径比为21的圆柱体试件 桥梁工程用岩石制备成边长 为70mm土2mm的立方体试件 路面工程用岩石制备成边长为50mm 2m m的立方体试件或直径和高均为50mm 2mm的圆柱体试件 经吸水 饱和后 单轴受压并按规定的加载条件下 达到极限破坏时单位面 积承受的荷载 按式 1 9 计算无忧PPT发布道路建筑材料岩石的抗压强度是岩石力学性质 中最重要的一项指标 它是岩石强度分级和岩性描述的主要依据 PRA 无忧PPT发布道路建筑材料2 磨耗性磨耗性是岩石抵抗摩擦 撞 击的能力 以磨耗率表示 三 化学性质早年的研究认为矿质集料是一种惰性材料 它在混 合料 各种水泥混凝土或沥青混合料 中只起着物理作用 随着科学发展 科学家们根据物理一力学的研究 认为矿质集料在 混合料中与结合料起着物理一化学作用 岩石的化学性质将影响着混合料的物理一力学性质 100121 mm mQ无忧PPT发布道路建筑材料 二 集料的技术性质与检验集料是指在混合料中起骨架或填充作用 的粒料 包括岩石天然风化而成的砾石 卵石 和砂等 以及由岩 石经人工轧制的各种尺寸的碎石 机制砂 石屑等 一 粗集料的技术性质与检验本节仅对粗集料的一般技术性质进 行阐述 1 物理性质 1 物理常数无忧PPT发布道路建筑材料1 表观密度粗集料的表观 密度 简称视密度 是在规定条件 105 5 烘干至恒重 下 单位表观体积 包括集料矿质实体和闭口孔隙的体积 的质 量 按式 1 11 计算 粗集料表观密度以表示 a sas nmVV 无忧PPT发布道路建筑材料2 毛体积密度粗集料的毛体积密 度是在规定条件下 单位毛体积 包括矿质实体 闭口孔隙和开口 孔隙 的质量 按式 1 12 计算粗集料表观密度 毛体积密度可以采用容量瓶法 网篮法 进行测定 sbs nimV VV 无忧PPT发布道路建筑材料3 堆积密度粗集料的堆积密度是 单位体积 包括矿质实体 闭口孔隙和开口孔隙及颗粒间空隙 物 质颗粒的质量 按式 1 13 求得根据集料的堆积状态 粗集料的堆积密度可分为自然堆积 密度 振实堆积密度和捣实堆积密度 ss ni VmVVVV 无忧PPT发布道路建筑材料 2 级配 粗集料中各组成颗粒的分级和搭配称为级配 级配是通 过筛分试验确定的 筛分试验就是将集料经过一系列筛孔尺寸的标准筛 测出各个筛 上的筛余量 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 分计筛余百分率 累计筛余百分率 通过百分率 对水泥混凝土用粗集料可采用干筛法筛分试验 对沥青混合料及基 层用粗集料必须采用水洗法筛分试验 粗集料筛分试验中采用的标准套筛尺寸范围及试样质量与细集料筛 分试验有所不同 但级配参数的计算方法与细集料相同 详见 细 集料的技术性质 内容 无忧PPT发布道路建筑材料 3 坚固性对已轧制成的碎石或天然卵石亦可采用规定级配的各粒 级集料 按现行试验规程 公路工程集料试验规程 JTG E42 xx 选取规定数量 分别装在金属网篮浸入饱和硫酸钠溶液中进行 干湿循环试验 经5次循环后 观察其表面破坏情况 并用质量损失百分率来计算其 坚固性 也称安定性 无忧PPT发布道路建筑材料 2 力学性质 粗集料力学性质主要指标是 压碎值和磨耗值 其次是抗滑表层用集料的力学指标 即磨光值 道瑞磨耗值和冲击值 洛杉矶磨耗试验已在岩石力学性质中讲过 现将压碎值 磨光值 道瑞磨耗值和冲击值分述如下 1 压碎值 粗集料压碎值是集料在逐渐增加的荷载下 抵抗压碎 的能力 它作为相对衡量集料强度的一个指标 用以评价其在公路工程中的 适用性 无忧PPT发布道路建筑材料按式 1 15 计算集料的压碎值 2 磨光值 PSV 集料磨光值是反映集料抵抗轮胎磨光作用能力 的指标 是利用加速磨光机磨光集料并以摆式摩擦系数测定仪测得 的磨光后集料的摩擦系数值来确定 集料磨光值愈高 表示其抗滑性愈好 10100amQm 无忧PPT发布道路建筑材料 3 冲击值 AIV 冲击值是反映集料抵抗多次连续重复冲击荷载 作用的性能 可采用冲击试验仪测定 将试验后的集料用2 36mm的筛子筛分并称量 按式 1 16 计算1002 mmAIV无忧PPT发布道路建筑材料 2 磨耗值 集料磨 耗值用于评定抗滑表层的集料抵抗车轮撞击及磨耗的能力 其磨耗值按式 1 17 计算集料磨耗值愈高 表示集料耐磨性愈差 123 sm mAAV 无忧PPT发布道路建筑材料 二 细集料的技术性质与检验 在沥青混合料中 细集料是指粒径小于2 36mm的天然砂 人工砂 包括机制砂 及石屑 在水泥混凝土中 细集料是指粒径小于4 75m m的天然砂 人工砂 在工程中应用较多的细集料是砂 砂按分为两类 一类为天然砂 另一类为人工砂 细集料技术性质主要包括物理性质 颗粒级配和粗度 无忧PPT发布道路建筑材料 1 物理常数 细集料的物理常数主要有表 观密度 堆积密度和空隙率等 其含义与粗集料完全相同 具体数 值可通过试验测定 细集料的物理常数计算方法与粗集料相同 详见 粗集料技术性质 2 级配 级配是集料各级粒径颗粒的分级搭配情况 砂的级配可通 过筛分试验确定 对水泥混凝土用细集料可采用干筛法 如果需要也可采用水洗法筛 分 对沥青混合料及基层用细集料必须用水洗法筛分 无忧PPT发布道路建筑材料 1 分计筛余百分率 按式 1 18 求得 2 累计筛余百分率 按式 1 19 计算 3 通过百分率 按式 1 20 计算P i 100一A i100iiimam 12 i iAaaa 无忧PPT发布道路建筑材料 3 粗度 粗度是评价砂粗细程 度的一种指标 通常用细度模数表示 细度模数亦称细度模量 可按式 1 21 计算 准确至0 01 细度模数愈大 表示细集料愈粗 我国现行标准 建筑用砂 GB T14684 xx 规定砂的粗度按细度模数可分为下列三级 M x 3 7 3 1为粗砂 M x 3 0 2 3为中砂 M x 2 2 1 6为细砂0 150 30 61 182 364 754 75 5100 xA AAAA AMA 无忧PPT发布道路建筑材料 三 冶金矿渣集料的技术性质 冶金矿渣是在冶金生产过程中由矿石 燃料及助溶剂中易熔硅酸盐化合而成的副产品 冶金矿渣分为黑色金属冶金矿渣与有色金属冶金矿渣两大类 黑色金属冶金矿渣又分为高炉重矿渣和钢渣两类 这些冶金矿渣从熔炉排出后 在空气中自然冷却 形成坚硬的材料 是一种很好的路用人工矿渣集料 它可作为基层材料 又可作为修筑水泥混凝土或沥青混凝土路面的 集料 无忧PPT发布道路建筑材料 一 矿渣的化学成分和矿物成分 矿渣 化学成分随矿物成分 燃烧 助熔剂及熔化金属的化学成分的不同 而异 大部分矿渣成分中基本上包含着S iO 2 A12O 3 CaO 并混有MgO FeO MnO等 根据化学成分采用碱度 或酸度 作为矿渣分类基础 碱度是矿渣 中碱性氧化物之和与酸性氧化物之和的比值 通常用模量来表示 MgO CaO FeO和MnO属于碱性氧化物 S iO 2 P2O3和和TiO2等是酸性氧化物 硫化物FeS MnS是矿渣的中性成分 A12O3是具有两面性的氧化物 遇碱时它起弱酸作用 而遇酸则起弱 碱作用 矿渣的酸性和碱性可用下列模量表示无忧PPT发布道路建筑材料 碱 性矿渣 酸性矿渣 中性矿渣 且 其中m i分别为矿渣中矿物成分的含量 矿渣中常见的矿物成分有黄长石 辉石 橄榄石及少量的硫化物 在氧化钙含量最高的重矿渣中 还含有一定的硅酸二钙 2231CaO MgObcSiOAl OmmMm m 2321CaO MgOAlOacSiOm mmMm 1 bcM1 acM无忧PPT发布道路建筑材料 二 矿渣的物理 力学性质 矿渣的相对密度与其矿物成分有关 矿渣的相对密度一般较岩石为大 大约在2 97 3 32之间 矿渣堆积密度约为1900kg m3以上 矿渣的耐冻性 或坚固性 通常均能符合路用要求 矿渣的力学强度一般均较高 其强度与孔隙率有关 通常极限抗压 强度在50MPa以上 高者可达150MPa 相当于石灰至花岗岩的强度 其他性能 如压碎值 磨光值和磨耗值等均能符合筑路石材的要求 因此 冶金矿渣只要稳定性合格 其力学性能均能满足路用要求 稳定的冶金矿渣集料可以应用于各种路面基层和面层 对新料源的 矿渣必须通过试验试用 积累使用经验后 才能逐步推广使用 无忧PPT发布道路建筑材料第二节矿质混合料的组成设计 道路与桥 梁用砂石材料 大多数是以矿质混合料的形式与各种结合料 如水 泥或沥青等 组成水泥混凝土或沥青混合料使用 欲使水泥混凝土和沥青混合料具备优良的路用性能 除各种矿质集 料的技术性质应符合技术要求外 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 1 最小空隙率 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 无忧PPT发布道路建筑材料 2 最大摩擦力 各级矿质集料在进行比例 搭配时 应使各级集料紧密排列 形成一个多级空间骨架结构 且 具有最大的摩擦力 为达到上述要求 必须对矿质混合料进行组成设计 设计内容包括 1 级配理论和级配范围的确定 2 组成设计的基本方法 无忧PPT发布道路建筑材料 一 矿质混合料的级配 一 级配类型 各种不同粒径的集料 按照 一定比例搭配起来 以达到最大密实度和最大摩擦力的要求 可以 采用两类级配类型 1 连续级配 连续级配是采用标准套筛对某一混合料进行筛分试验 所得级配曲线平顺圆滑 具有连续性 这种颗粒由大到小 逐级粒径均有 按比例互相搭配组成的矿质混 合料 称为连续级配混合料 无忧PPT发布道路建筑材料 2 间断级配 间断级配是在矿质混合料中 剔除其一个或几个分级而形成一种不连续的混合料 这种混合料称 为间断级配混合料 两种级配类型的级配曲线如图1 3所示 二 级配理论 1 富勒 W B Fuller 理论 富勒根据试验提出一 种理想级配 认为 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即为最大密度曲线 如图1 3所示 无忧PPT发布道路建筑材料最大密度曲线方程可表示为当粒径d等于 最大粒径D时 矿质混合料的通过率等于100 将此关系代入式 1 22 即可求出任意一级粒径d的通过率P2P kd 100dPD 无忧PPT发布道路建筑材料 2 泰波 A N Talbal 理 论100ndPD 无忧PPT发布道路建筑材料无忧PPT发布道路建筑 材料 三 级配曲线范围的绘制 矿质混合料按级配理论公式计算 出各粒级的通过百分率 以粒径 mm 为横坐标 以通过百分率为 纵坐标 绘制理论级配曲线 但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等 因素影响 使所配制的混合料往往不可能与理论级配完全相符合 因此 必须允许配料时的合成级配在适当的范围内波动 这就是 级配范围 本节介绍已确定的计算参数条件下绘制级配范围曲线的方法 无忧PPT发布道路建筑材料 二 矿质混合料的组成设计 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 必须采用几种集 料按照一定比例进行搭配才能达到级配范围的要求 这就需要对矿 质混合料进行配合组成设计 确定矿质混合料配合比的方法很多 但一般主要采用试算法和图解 法 不管采用哪种方法 首先必须具备两项已知条件 1 各种组成集料的筛分结果 2 按技术规范要求 或理论级配确定 的矿质混合料的级配范围 无忧PPT发布道路建筑材料 一 试算法 1 基本原理 试算法适用 于2 3种矿料组成的混合料 是最简单的一种方法 此方法的基本原理是 现有几种矿质集料 欲配制成某一种符合一 定级配要求的矿质混合料 当决定各组成集料在混合料中的比例时 先假定混合料中某种粒径的颗粒是由某一种对这一粒径占优势的 集料组成 而其它各种集料中不含有此粒径 这样即可根据各个主要粒径去试算各种集料在混合料中的大致比例 再经过校核调整 最终获得满足混合料级配要求的各集料的配合 比例 无忧PPT发布道路建筑材料例如现有A B C三种集料 欲配制成某 一级配要求的混合料M 确定这三种集料在混合料M中的配合比例 即配合比 按题意作下 列两点假设 设X Y Z为A B C三种集料组成矿质混合料M的配合 比例 则X Y Z 100式 1 25 又设混合料M中某一级粒径 i 要求的含量为a M i A B C三种集料在原来级配中此粒径 i 颗粒的含 量分别为a A i a B i a C i 则 Ai BiCi MiaXaYaZa 无忧PPT发布道路建筑材料2 计算步骤 1 由假设 混合料M中某一级粒径 i 主要由A集料所提供 即A料占优势 而忽略其它集料在此粒径的含量 这样即可计算出 A料在混合料中的用量比例 2 由假设 混合料M中某一级粒径 j 由C集料占优势 同理 可计算出C料在混合料中的用量比例 100M iAiaXa 100M jCjaZa 无忧PPT发布道路建筑材料 3 由式 1 29 可计算出B料在混合料中的用量比例 即 4 校核 按上述步骤即可计算A B C三种集料组成矿质混合料的 配合比X Y Z 经校核如不在要求的级配范围内 应调整配合比 重新计算和复核 100 Y XZ 无忧PPT发布道路建