道路工程材料之石料与集料

1、道路工程材料之石料与集料1.1 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。一、石料的岩石学特性1 1造岩矿物造岩矿物造岩矿物造岩矿物岩石岩石地质作用地质作用石英、云母、长石；角闪石、方解石、白云石、黄铁矿、石膏、菱镁矿、赤铁矿灯。1.1 石料2 2岩石的分类岩石的分类一、石料的岩石学特性按成岩条件分u岩浆岩u沉积岩u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1.1 石料二、

2、石料的物理性质l物理常数l吸水性l抗冻性1.1 石料二、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。m0VnMmSViVsVV0闭口孔隙闭口孔隙矿物实体矿物实体开口孔隙开口孔隙图图1-1 石料组成局部的质量与体积关系示意图石料组成局部的质量与体积关系示意图1 11.1 石料二、石料的物理性质物理常数1 1密度 规定条件下，石料矿质实体单位体积的质量。l真实密度l表观密度l毛体积密度1.1 石料 规定条件下，烘干石料矿质实体单位真实体积的质量。stVms二、石料的物理性质物理常数1 1密度33;/cmVgmcmgSst石料矿质实体的

3、体积，石料矿质实体的质量，石料的真实密度，真实密度m0VnMmSViVsVV0闭口孔隙闭口孔隙矿物实体矿物实体开口孔隙开口孔隙1.1 石料nsVVmsa二、石料的物理性质物理常数1 1密度333;/cmVcmVgmcmgnSsa隙的体积，石料矿质实体中闭口孔；石料矿质实体的体积，石料矿质实体的质量，石料的表观密度，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。m0VnMmSViVsVV0闭口孔隙闭口孔隙矿物实体矿物实体开口孔隙开口孔隙1.1 石料inshVVVms二、石料的物理性质物理常数1 1密度3333;/cmVcmVcmVgmcmginSsh隙的体积，石料矿质实体

4、中开口孔隙的体积，石料矿质实体中闭口孔；石料矿质实体的体积，石料矿质实体的质量，石料的表观密度，毛体积密度 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。%100)1(thinhVVVn1.1 石料二、石料的物理性质物理常数1 1 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。孔隙率333;%;cmVcmVcmVnhin孔隙体积）实体、开口孔隙和闭口石料的毛体积（含矿质隙的体积，石料矿质实体中开口孔隙的体积，石料矿质实体中闭口孔石料的空隙率， 吸水率：常温吸水率：常温202、标准大气压、标准大气压101.325kPa) ，最大的吸水质量占枯燥，最大的吸水质量占枯

5、燥试样质量的百分比。试样质量的百分比。 饱水率：常温、真空抽气饱水率：常温、真空抽气2.67 kPa，最大吸水质量占枯燥试样质量的百分比。，最大吸水质量占枯燥试样质量的百分比。gmgmmmmxx试样质量，吸水（饱水）至恒重时量，烘干至恒重时的试样质水率；石料试样的吸水率或饱干燥试样质量最大吸水质量吸水率（饱水率）21112;%1001.1 石料二、石料的物理性质吸水性2 2材料吸入水分的能力。包括吸水率和饱水吸水率。1.1 石料l 直接冻融法l 巩固性法二、石料的物理性质二、石料的物理性质抗冻性3 3 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1.1

6、石料直接冻融法冻融循环试验： 吸水饱和，-15冰冻常温融解 循环假设干次(15、25、50次) gmgmQmmmQ质量，冻融试验后烘干试样的，试验前烘干试样的质量；石料的质量损失率，冻冻21121;%100二、石料的物理性质抗冻性3 3。试件的饱水抗压强度，冻融循环作用后，石料；抗压强度，试验前石料试件的饱水系数，冻融循环后石料的耐冻aa%1002112MPRMPRKRRKl冻融系数4h石料直径、高50mm圆柱体试件，50mm正方体试件，在1055烘干。l质量损失率 道路试件道路试件: 505050 2mm立方体立方体 50H50 2mm的圆柱体的圆柱体 桥梁试件桥梁试件:707070 2 m

7、m立方体立方体1.1 石料三、石料的力学性质石料的抗压强度1 1试件类型图图1-2石料抗压试件石料抗压试件1.1 石料l材料的矿物成分l结构和构造APRP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，mm2三、石料的力学性质石料的抗压强度1 1影响因素l试件尺寸l加荷速率l湿度等内因外因对试件饱水处理后施加荷载直至破坏。1.1 石料三、石料的力学性质磨耗率2 2石料抵抗撞击、摩擦的联合作用的能力。l洛杉矶磨耗试验l狄法尔磨耗试验%100121abmmmQ 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。1.1 石料三、石料的力学性质磨耗率狄法尔法双筒式2 2

8、 50块石料5075mm，单一粒径，质量5000g左右，转速3033r/min，转10,000转5.55.0h磨耗率计算公式：图1-3 双筒式磨耗仪示意图 耗时长达耗时长达5h以上以上 试件尺寸单一试件尺寸单一5075mm，与路用实际情况不符合，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 试样为5000g有一定级配的集料，参加钢球12个48mm，5000g。转速3033r/min，转500转。1.1 石料三、石料的力学性质磨耗率洛杉矶法搁板式2 2%100121abmmmQ 式中：m2试验后2mm筛上烘干石料试样

9、质量； m1试验前烘干石料试样质量。图1-4 搁板式磨耗仪示意图 省时：省时：15min左右左右 使石料受到更严峻的冲击、使石料受到更严峻的冲击、 剪切、摩擦作用，石料级差大剪切、摩擦作用，石料级差大 试样级配较符合路用状况试样级配较符合路用状况洛杉矶法搁板式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 较弱软1.1 石料四、石料的技术标准物理性质物理常数：密度真实密度、表观密度、毛体积密度、孔隙率吸水性：吸水率、饱水率抗冻性力学性质抗压强度：单位面积上所能承受的最大荷载磨

10、耗率：石料抵抗撞击、剪切和摩擦综合作用的能力1.1 石料1.2 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粗集料细集料分界尺寸： 4.75mm(水泥混凝土) 2.36mm(沥青混凝土)1.2 集料一、集料的物理性质u物理常数l密度密度l空隙率空隙率u集料的级配u集料的颗粒形状与外表特征u含泥量和泥块含量图1-5 集料的体积组成孔隙：矿物之间的空间孔隙：矿物之间的空间Vn+Vi空隙：集料颗粒之间的空间空隙：集料颗粒之间的空间Vv颗粒之间的颗粒之间的空间体积空间体积(1)密度：表观密度、毛体积密度、表干密度、装

11、填密度inssVVVma1.2 集料一、集料的物理性质1 1物理常数密度表干密度 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vinssVVVVm1.2 集料一、集料的物理性质1 1物理常数密度装填密度 空隙率空隙率n：集料空隙体积(含开口孔隙)占集料总体积的百分比。 %100fivVVVn1.2 集料一、集料的物理性质1 1物理常数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集料中各种粒径颗粒的搭配比例或分布情况。 1.2 集料一、集料的物理性质2 2集料的级

12、配 颗粒形状：蛋圆形、棱角形、针状、片状1.2 集料集料的颗粒形状与外表特征一、集料的物理性质3 3 外表特征：外表的粗糙程度及孔隙特征等类型颗粒形状的特点集料品种蛋圆形具有较光滑的表面，无明显棱角，颗粒浑圆天然砂及各种砾石、陶粒棱角形具有粗糙的表面及明显棱边碎石、石屑、破碎矿渣针状长度方向尺寸远大于其他方向尺寸而呈细条形砾石、碎石中均存在片状厚度方向尺寸远小于其他方向而呈薄片形砾石、碎石中均存在含泥量：集料中粒径小于0.075mm的颗粒含量。 1.2 集料一、集料的物理性质4 4含泥量和泥块含量 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

13、：由纯泥组成的团块；由砂、石屑与泥组成的团块；包裹在集料颗粒外表的泥。1.2 集料二、集料的力学性质l压碎值l磨光值l冲击值l磨耗值 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，g m1试验后通过2.36mm筛孔的细集料质量，g%10001mmQa压碎值1.2 集料二、集料的力学性质压碎值：石料抵抗压碎的能力。1 1图1-6 压碎指标值测试仪具尺寸图1020mm集料分二层夯实，在35min加荷至 Pmax=200kN，恒压5s后，脱膜后过2.36mm筛。试验集料试验集料压碎值的测试 图1-7 压碎值测试仪将1216mm碎石分三层夯实，在010min

14、加压至400kN，立即卸载，过2.36mm筛。试验集料容器试验集料容器压碎值的测试1.2 集料磨光值：石料抵抗轮胎磨光作用能力的，即保持其原有粗糙的能力。 二、集料的力学性质2 2braraPSVPSVPSV49PSV石料的磨光值；石料的磨光值；PSVra试验试件的摩擦系数；试验试件的摩擦系数；PSVbra标准试件的摩擦系数；标准试件的摩擦系数； 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%10001mmLSV冲击值二、集料的力学性质3 3冲击值：石料抵抗屡次连续的重复冲击荷载的能力。1.2 集料 式中：m1磨耗前的试件质量g m2磨耗后的试件质量g s集

15、料的表干密度g/cm3s213）（磨耗值mmAAV二、集料的力学性质4 4磨耗值：石料抵抗外表磨损的能力。1.2 集料粗集料的力学性能 压碎值：石料抵抗压碎的能力 磨光值：石料抵抗磨光的能力，即保持其原有粗糙的能力 磨耗值：石料抵抗磨擦、剪切的能力 冲击值：石料抵抗屡次连续的重复冲击荷载的能力物理性质 物理常数：密度、空隙率等 级配 颗粒形状与外表特征 含泥量，泥块含量1.2 集料1.3 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。图图1-11 级配的几种情况级配的几种情况1.3 矿质混合料

16、的组成设计一、矿质混合料的级配1 1集料级配的表示方法 筛分试验 一定数量的集料试样，在标准筛上进行筛分试验。试验后分别称量集料试样存留在各筛上的筛余质量并计算相关的级配参数。 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。 1.3 矿质混合料的组成设计一、矿质混合料的级配1 1集料级配的表示方法 筛分试验标准筛图1-12 筛分试验用套筛1.3 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 。一、矿质混合料的级配1 1集料级配的表示

17、方法 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%100Mmaii评价细集料粗细程度。 粗砂：Mf 3.73.1 中砂：Mf 3.02.3 细砂：Mf 2.21.675. 475. 415. 03 . 06 . 018. 136. 2f1005)(AAAAAAAM一、矿质混合料的级配1 1集料级配的表示方法2细集料的细度模数1.3 矿质混合料的组成设计1.3 矿质混合料的组成设计一、矿质混合料的级配1 1集料级配的表示方法3集料的级配曲线 作

18、图：纵坐标为通过百分率作图：纵坐标为通过百分率P ()常数坐常数坐标；横坐标为筛孔尺寸标；横坐标为筛孔尺寸(mm) 注意：坐标单位；注明不同曲线意义注意：坐标单位；注明不同曲线意义 判断集料级配是否符合要求判断集料级配是否符合要求图图1-13 级配曲线级配曲线1.3 矿质混合料的组成设计一、矿质混合料的级配1集料级配的表示方法3集料的级配曲线l连续级配：级配曲线光滑，每一种尺寸的集料都有l间断级配：剔除一个或几个分级，曲线形成折线形l单粒径： 图1-17 级配类型示意图 单粒径单粒径图图1-14 连续级配与间断级配曲线示意图连续级配与间断级配曲线示意图1.3 矿质混合料的组成设计一、矿质混合料

19、的级配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：到达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、互不干预，紧密多级空间网络骨架结构。 p2=kd 当d=D时，p=1001002=kD 式中：d 集料中颗粒的筛孔尺寸，mm D 矿质混合料最大粒径，mmDdp 1001.3 矿质混合料的组成设计一、矿质混合料的级配3 3连续级配的计算(1)最大密度级配计算富勒理论 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。 式中：n级配指数n

20、Ddp)(100 1.3 矿质混合料的组成设计一、矿质混合料的级配一、矿质混合料的级配3 3连续级配的计算连续级配的计算(2)级配曲线范围公式泰波公式图1-15 级配指数与级配曲线的关系图 n=0.450.5，密实度最大，密实度最大n=0.30.7，密实度尚可，密实度尚可n=0.350.45，工作性较好，工作性较好工艺性能工艺性能目的：确定矿质混合料中各档集料的比例条件： 各档集料级配 Pd 设计级配范围 Pd方法： 数解法 图解法1.3 矿质混合料的组成设计二、矿质混合料的配合比设计方法 需要根据集料的分计筛余率进行计算1.3 矿质混合料的组成设计二、矿质混合料的配合比设计方法1 1数解法试

21、算法l 根本假定l 某一粒径的颗粒由一种集料提供，其它集料中不含此粒径的颗粒l 该粒径的颗粒在该集料中是占优势的l计算过程 ：集料 混合料 (1) 准备工作：PiAiai参数参数集料集料A集料集料B集料集料C混合料混合料M筛孔筛孔i的分计筛余的分计筛余/%aA(i)aB(i)aC(i)aM(i)在混合料中的比例在混合料中的比例/%XYZ100(2)计算方程： XYZ100 (1) d=i时： X .aA(i) + Y .aB(i) +Z .aC(i) aM(i) (2)ABCM+矿质混合料的配合比设计方法试算法 确定各集料用量步骤： 计算A集料在矿质混合料中的用量X确定A集料中占优势含量的粒径

22、： A集料中含量占优势粒径 i=4.75mm: aA(4.75) =49.9%忽略其它集料在此粒径含量 aB(i) =0、aC(i) =0，代入式2 A集料用量X为： %1 .42%1009 .490 .21%100%100A(4.75)M(4.75)A(i)M(i)aaaaX矿质混合料的配合比设计方法试算法步骤： 计算C集料在矿质混合料中的用量Z 确定C料中占优势的粒径由表 C集料中含量占优势粒径为: j0.075mm aZ(0.075mm) =85.3% 忽略A、B集料同一粒径含量: aA(j) =0、aB(j) =0 C料用量Z为：%0 . 7%1005 .830 . 6%100%100

23、0.075)Z(0.075)M(Z(j)M(j)aaaaZ矿质混合料的配合比设计方法试算法步骤： 计算B集料在矿质混合料中的用量Y由公式(1) ：Y100(XZ100(42.17.050.9%矿质混合料的配合比设计方法试算法 校核调整 计算合成矿质混合料的通过百分率PM(i) 合成级配 X .PA(i) + Y .PB(i) +Z .PC(i)PM(i) 要求：合成级配aM(i) 或PM(i) 应在规定的级配范围内调整配合比后还应重新进行校核，直至符合要求为止经调整后仍不能满足级配要求时，可掺加单粒级集料或调换集料矿质混合料的配合比设计方法试算法筛孔尺寸筛孔尺寸di （mm） 集料集料A集料集

24、料B集料集料C碎石分计筛余碎石分计筛余 aA(i) （%）石屑分计筛余石屑分计筛余aB(i) （%）矿粉分计筛余矿粉分计筛余 aC(i) （%）13.20.89.543.64.7549.92.364.42.01.181.322.60.623.70.318.40.1513.04.00.07510.910.70.075 9.5 85.3 所选择的粒径应在该集料中占有较大的优势010203040506070809010026.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.08筛孔尺寸（mm)通过百分率（%）AC-20上限AC-20下限级配S2(粗)010203040506070809010026.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075筛孔尺寸（mm)通过百分率（%）上限下限合成级配1图解法修正平衡面积法 按通过百分率计算并制图(1)绘制图解法坐标图计算设计级配范围中值绘制图框并作对角线为设计级配中值确定纵坐标： 通过百分率算术坐标确定横坐标：根