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第3章砂石材料砂石材料是道路与桥梁建筑中用量最大的一种建筑材料 按照用途不同 砂石材料可以分为石料 集料和矿质混合料 3 1石料3 2集料3 3矿质混合料 1 3 1石料3 1 1石料的技术性质石料主要指可以加工成一定规则形状的 块石可以直接用于土木工程建筑 石料的技术性质 物理性质力学性质化学性质 2 1 物理性质石料的物理性质包括 物理常数 吸水性 以及耐候性 1 物理常数石料的物理常数是石料矿物组成结构状态的反映 矿物实体闭口孔隙开口孔隙 三部分组成 3 1 密度 石料在规定条件 105土5 烘干至恒重 温度20 下 单位实体体积 闭口孔隙 矿质实体的体积 的质量 公式 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 在空气中称量石料质量 m0 0 ms M 4 2 毛体积密度 指在规定条件下 石料单位毛体积 矿质实体 孔隙的体积 的质量 公式 式中 h 石料的毛体积密度 g cm3 ms vs 意义同前式 vi 石料开口孔隙的体积 cm3 vn 石料闭口孔隙的体积 cm3 V 石料的毛体积 cm3 5 3 孔隙率 石料的孔隙体积占其总体积的百分率 定义式为 式中 n 石料的孔隙率 V0 石料的孔隙 开口 闭口孔隙 的体积 cm3 V 石料的总体积 cm3 计算式 6 2 吸水性 石料在规定的条件下吸水的能力 工程上常采用吸水率和饱水率这两项指标表征 1 吸水率吸水率是指在室内常温和大气压条件下 石料试件最大的吸水质量占烘干 105土5 干燥至恒重 石料试件质量的百分率 式中 W 石料吸水率 m1 石料烘干至恒量时的质量 g m2 石料试件吸水至恒量时的质量 g 7 2 饱水率 在内常温 20 2 和真空 真空度为2 67kPa 条件下 石料试件的最大吸水质量占烘干石料试件质量的百分率 计算方法与吸水率相似 但饱水率 吸水率 8 3 耐候性 石料抵抗大气等自然因素作用的性能称为耐候性 试验方法 抗冻性和坚固性 1 抗冻性 石料在饱水状态下 能抵抗多次冻结和融化作用而不破坏的性能 表征指标 抗冻损失率 质量损失率 按下式计算 式中 Qfr 抗冻质量损失率 m1 试验前烘干试件质量 g m2 试验后烘干试件质量 g 9 耐冻系数计算公式 式中 Kfr 试件的耐冻系数 fsc 试验前石料试件饱水抗压强度 MPa fsc fr 经冻融循环试验后石料试件饱水抗压强度 MPa 公路工程用石料技术要求 一般要求其耐冻系数大于0 75 质量损失率不大于5 同时试件应无明显缺损 包括剥落 裂缝和边角损坏等情况 10 2 坚固性测定方法 采用硫酸钠坚固性法 将硫酸钠饱和溶液浸入石料孔隙后 经烘干 硫酸钠结晶体积膨胀 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 引起石料破坏 坚固性是测定石料耐候性的一种简易 快速的方法 有条件者均应采用直接冻融法 11 2 力学性质 主要讨论确定石料等级的抗压强度和磨耗率两项性质 1 单轴抗压强度石料的工程用途不同 抗压强度的测试方法也不相同 道路工程 建筑工程用石料的单轴抗压强度按下式计算 式中 fsc 石料的抗压强度 MPa Fmax 极限破坏时的荷载 N A 试件的截面积 mm2 12 2 磨耗性 石料抵抗冲击 边缘剪切和摩擦等的联合作用的性能 也是评定石料等级的依据之一 测定方法 可采用洛杉矾试验法或狄法尔试验法确定 1 洛杉矶试验法石料磨耗率计算公式 式中 Q磨 石料的磨耗率 m1 装入磨耗机的试样质量 g m2 试验后洗净烘干的试样质量 g 13 2 狄法尔试验法石料的磨耗率同样是以通过2mm圆孔筛或1 6mm方孔筛的质量损失百分率来表示 计算公式同上 14 3 化学性质 1 石料化学性质 石料按SiO2的含量划分为 酸性石料 SiO2 65 性石料 SiO2 52 65 碱性石料 SiO2 52 2 石料与沥青粘附性测定方法按照我国现行标准 可采用水煮法和水浸法 15 3 1 2石料的技术标准1 石料的技术分级根据公路工程对岩石的不同要求 自然界的岩石可划分为四个岩类 2 石料的技术标准道路建筑用石料按其技术性质 饱水后的抗压强度和磨耗率 划分为四个等级 类 岩浆岩类 类 石灰岩类 类 砂岩和片岩类 类 砾石类 1级 最坚硬岩石2级 坚硬岩石3级 中等强度的岩石4级 较软的岩石 16 公路工程用石料的技术标准 17 3 2集料3 2 1集料的分类集料包括岩石天然风化而成的砾石 卵石 和砂等 岩石经机械和人工轧制的各种尺寸的碎石 以及工业冶金矿渣 根据集料在工程混合料中的不同作用 可以按粒径将其划分为粗集料和细集料两种 18 集料 粗集料 在混合料中起骨架作用 碎石 砾石等 细集料 在混合料中起填充作用 天然砂 人工砂和石屑 在水泥混凝土中 粒径 5mm 以圆孔筛计 在沥青混合料中 粒径 2 36mm 以方孔筛计 在水泥混凝土中 粒径 5mm 以圆孔筛计 在沥青混合料中 粒径 2 36mm 以方孔筛计 19 3 2 2集料的技术性质1 粗集料的技术性质 1 物理性质1 物理常数集料的物理常数 要考虑到集料颗粒中的孔隙 开口孔隙或闭口孔隙 以及颗粒间的空隙 表观密度 简称视密度 指在规定条件 105 5 烘干至恒重 下 单位表观体积 包括矿质实体和闭口孔隙的体积 的质量 20 由右图体积与质量的关系 可表示为 式中 t 粗集料的表观密度 g cm3 ms 矿质实体质量 g Vs 矿质实体体积 cm3 Vn 矿质实体中闭口孔隙体积 cm3 21 毛体积密度粗集料的毛体积密度指在规定的条件下 单位毛体积 包括矿质实体 闭口孔隙和开口孔隙 的质量 可由下式求得 式中 h 粗集料的毛体积密度 g cm3 ms 矿质实体质量 g vs vi vn 分别为粗集料矿质实体 闭口孔隙和开口孔隙体积 cm3 22 堆积密度 将集料装填于容器中包括集料空隙 颗粒之间的 和孔隙 颗粒内部的 在内的单位体积的质量 计算公式 式中 f 粗集料的堆积密度 g cm3 ms 矿质实体质量 g vs vp vv 分别为粗集料矿质实体 孔隙和空隙的体积 cm3 按堆积的松紧程度不同分类 自然堆积密度与振实堆积密度 23 空隙率 指集料在自然堆积 或紧密堆积 时空隙体积占总体积的百分率 计算公式 式中 n 粗集料的空隙率 t 粗集料的表观密度 g cm3 f 粗集料的自然 或紧密 堆积密度 g cm3 24 2 级配 指粗集料中各组成颗粒的分级和搭配 可通过筛析试验来确定 级配的三参数 分计筛余百分率 累计筛余百分率 通过百分率 3 坚固性可参照石料的抗冻性和坚固性试验 对已碎石或卵石 可采用规定级配的各粒级集料试验 25 2 路用粗集料的力学性质 主要是压碎值和磨耗度 其次磨光值 道瑞磨耗值和冲击值 1 集料压碎值 指集料在连续增加的荷载下 抵抗压碎的能力 计算公式 式中 m0 试验前试样质量 g m1 试验后通过2 36mm筛孔细料质量 g 26 2 集料磨光值高速公路要求的力学性质 集料的抗磨光性 按我国现行试验规程 是采用石料磨光值 PolishedStoneValue简称PSV 来表示 意义 石料磨光值愈高 表示其抗滑性愈好 抗滑面层应选用磨光值高的集料 如玄武岩 安山岩 砂岩和花岗岩等 27 3 集料冲击值集料抵抗多次连续重复冲击荷载作用的性能 称为抗冲击韧性 指标 冲击值 计算公式 式中 LSV 集料的冲击值 m1 试验后通过2 36mm的试样质量 g m 原试样质量 g 28 4 集料磨耗值 道瑞试验 用于评定抗滑表层所用粗集料抵抗车轮撞击及磨耗的能力 磨耗值的计算公式 式中 AAV 集料磨耗值 m1 磨耗前试件的质量 g m2 磨耗后试件的质量 g s 集料表干密度 g cm3 29 意义 磨耗值愈高 表示集料耐磨性愈差 要求 不同道路等级对抗滑表层集料的磨光值 道瑞磨耗值和冲击值的技术要求见下表 抗滑表层用集料技术要求 30 2 细集料的技术性质 1 物理常数 包括表观密度 堆积密度和空隙率等物理常数 其含义与粗集料完全相同 但是由于它的粒径较小 测定与计算的方法稍有不同 2 级配 各级粒径颗粒的分配情况 可通过砂的筛分试验确定 筛分试验 将500g试样 置于一套标准筛进行筛分 分别称出试样存留在各筛上质量 并计算其级配有关参数 31 1 分计筛余百分率 某号筛上的筛余质量占试样总质量的百分率 计算公式 式中 ai 某号筛的分计筛余 mi 存留在某号筛上的质量 g M 试样总质量 g 32 2 累计筛余百分率 某号筛的分计筛余百分率和大于某号筛的各筛分计筛余百分率之总和 计算公式 式中 Ai 累计筛余 a1 a2 ai 从5mm 2 5mm 至计算的某号筛的分计筛余 圆孔筛 33 3 通过百分率 通过某筛的质量占试样总质量的百分率 即100与累计筛余百分率之差 计算公式 式中 Pi 通过百分率 Ai 累计筛余 34 3 粗度粗度是评价砂粗细程度的一种指标 指标 细度模数 或细度模量 是各号筛的累计筛余百分率之和除以100之商 可按下式计算 当砂中含有大于5mm的颗粒时 则按下式计算 35 按细度模数可将砂分为下列三级 式中 Mx 细度模数 A5 A2 5 A1 25 A0 63 A0 316 A0 16 5mm 2 5mm 0 16mm各筛累计筛余 Mx 3 7 3 1为粗砂Mx 3 0 2 3为中砂Mx 2 2 1 6为细砂 结论 细度模数越大 表示细集料越粗 36 3 3矿质混合料3 3 1矿质混合料的级配类型砂石集料在土木工程中 主要以矿质混合料的形式与结合料组配使用 组配要求 多种集料按照一定的比例搭配起来 以达到较高的密实度和较大的摩擦力 可采用的级配类型 有连续级配和间断级配两种 如图所示 37 3 3 2矿质混合料的级配理论1 最大密度曲线理论 富勒理论 观点 矿质混合料的颗粒级配曲线愈接近抛物线 则其密度愈大 当矿质混合料的级配曲线为抛物线时 具有最大密实度 a b a 常坐标 b 半对数坐标 理想最大密度级配曲线 38 最大密度级配曲线公式 可用矿料颗粒粒径 d 与通过量 p 表示 式中 d 矿质混合料各级颗粒粒径 mm p 各级颗粒粒径集料的通过量 k 常数 39 2 最大密度曲线n幂公式 泰波理论 观点 最大密度曲线是一种理论的级配曲线 实际上 级配曲线应该有一定的波动范围 公式 式中 p d和D 意义同前 n 实验指数 实际研究认为 在沥青混合料中应用 当n 0 45时密度最大 在水泥混凝土中应用 当n 0 25 0 45时工作性较好 通常使用的矿质混合料的级配范围 包括密级配和开级配 n 0 3 0 7 40 3 粒子干涉理论 式中 t 前粒级的间隙距离 即等于次粒级的粒径 D 前粒级的粒径 0 次粒级的理论实积率 即堆积密度与表观密度之比 s 次粒级的实用实积率 公式 41 3 3 3矿质混合料的组成设计方法目前矿质混合料的组成设计方法主要有数解法与图解法两大类 1 数解法用数解法解矿质混合料组成的方法很多 最常用的方法有试算法和正规方程法 试算法适用于3 4种矿料组配 正规方程法可用于多种矿料组成 所得结果准确 但计算较为繁杂 不如图解法简便 下面主要介绍试算法 42 1 试算法1 按题意作下列两点假设 设A B C三种集料在混合料M中的用量比例分别为X Y Z 则 又设混合料M中某一级粒径 i 要求的含量为M i A B C三种集料中该粒径的含量分别为 A i B i C i 则 2 计算步骤 计算A集料在矿质混合料中的用量比例首先 找出A集料占优势含量的某一粒径 如粒径 i 而忽略B C集料在此粒径的含量 即B集料和C集料该粒径的含量aB i 和aC i 均等于零 A集料在混合料中的用量 43 计算C集料在矿质混合料中的用量比例原理同前 设C集料的优势粒径为j mm 则A集料和B集料在该粒径的含量aA j 和aB j 均等于零 C集料在混合料中的用量 计算B集料在矿质混合料中的用量比例由前式得出B集料在矿质混合料中的用量 校核调整按以上计算的配合比计算合成级配 如不在要求的级配范围内 应调整 重新计算和复核配合比 经几次调整 直到符合要求为止 如经计算确不能满足级配要求时 可掺加某些单粒级集料 或调换其它原始集料 44 2 正规方程法基本原理 根据各种集料的筛分数据和规范要求的级配中值列出正规方程 然后用数学回归的方法或电算的方法求解 方法 设有k种集料 各集料在n级筛分的通过百分率为Pi j 欲配制为符合级配范围中值要求的矿质混合料 设矿质混合料任何一级筛孔的通过率为P j 它等于由各种组成集料在该级的通过百分率Pi乘各种集料在混合料中的用量 xi 之和 即 式中 i 集料种类 1 2 k j 筛孔数 1 2 n 45 按下式列出方程组 方程组可用数学回归法或电算法求解 46 2 图解法 1 基本原理通常级配曲线图采用半对数坐标图绘制 所绘出的级配范围中值为一抛物线 图解法中 为使要求级配中值呈一直线 采用纵坐标的通过量 Pi 为算术坐标 而横坐标的粒径采用 d D n表示 则绘出的级配曲线中值为直线 如图 a b 图解法级配曲线坐标图 47 2 计算步骤1 绘制级配曲线坐标图2 确定各种集料用量 两相邻级配曲线重叠 等分 两相邻级配曲线相接 连分 两相邻级配曲线相离 平分 3 校核按图解所得的各种集料用量 校核计算所得合成级配是否符合要求 如不能符合要求 即超出级配范围 应调整各集料的用量 48 矿质混合料配合比设计工程实例试采用图解法设计某高速公路用细粒式沥青混凝土的矿质混合料配合比 1 原始资料 1 现有碎石 石屑 砂和矿粉四种矿质集料 现场取样进行筛分如下表 49 2 确定矿质混合料的工程级配范围如下表 50 2 设计步骤 1 绘制级配曲线图 在纵坐标上按算术坐标绘出通过百分率Pi 如下图 2 连对角线OO 作为级配范围通过率中值 在纵坐标上找出各个筛孔通过率中值作水平线 通过与对角线OO 的交点作垂线 与横坐标的交点 即为相应的筛孔在横坐标上的位置 3 将碎石 石屑 砂和矿粉四种集料的级配曲线绘于下图 4 从碎石 石屑 砂和矿粉四条级配曲线依次分析 均为重叠的位置关系 在