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1、1.砂石材料,砂石材料分类 主要内容 砂石材料的技术性能 矿质混合料的级配理论 矿质混合料配合比设计方法 石料与集料在道路工程中的应用,砂石材料分类,按来源分类 天然砂石材料：卵石、砾石、漂石；砂(海砂、河砂、山砂等)人工轧制的砂石料：块料、碎石集料 工业冶金矿渣集料：钢渣、高炉渣、煤渣、粉煤灰等按尺寸和用途分类 石料 集料：粗集料粒径d4.75mm（2.36mm）细集料粒径d4.75mm（2.36mm）,1.2 砂石材料的技术性能 1.2.1石料的技术性质,1.2.1.1 物理性质物理常数吸水性抗冻性,1.2.1石料的技术性质,1）物理常数图1-1 石料体积组成示意图 密度：真实密度（真实体
2、积 vs 矿物实体体积）表观密度（表观体积 vs vn 含闭口孔隙）毛体积密度(毛体积 vs+vn+vi闭口与开口孔隙)孔隙率：,石料体积组成示意图,m0,Vn,M,mS,Vi,Vs,V,V0,开口孔隙,闭口孔隙,矿物实体,2）吸水性：材料吸入水分的能力 吸水率：常温（202）、标准大气压（101.325kPa)饱水率：常温、真空抽气（2.67 kPa）,3）抗冻性：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 直接冻融法（冻融循环试验：-15冰冻4h常温融解）循环若干次(15、25、50次)质量损失 强度损失：强度降低不大于25，耐冻系数0.75 坚固性法（硫酸钠Na2
3、SO4结晶、体积涨大）,1.2.1.2 力学性质1）抗压强度,道路试件:505050 mm立方体 50H50mm的圆柱体 图1-2 石料抗压强度试件 桥梁试件:200200200 mm立方体,图1-2 石料抗压强度试件,影响石料抗压强度的因素：内因：材料的矿物成分 结构和构造外因：试件尺寸 加荷速率 湿度等,2)磨耗率,搁板式（洛杉矶法）:试样为5000g有级配的集料，加入钢球12个48mm，5000g。转速3033r/min，转500转 图1-4 搁板式磨耗仪,双筒式（狄法尔法）:50块石料（5075mm），质量5000g左右，转速3033r/min，转10,000转（5.55.0h）图1-
4、3 双筒式磨耗仪 磨耗率计算公式：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。,图1-3 双筒式磨耗仪示意图,耗时长达5h以上 试件尺寸单一（5075mm），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,图1-4 搁板式磨耗仪示意图,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,物理性质物理常数：密度（表观密度、毛体积密度）、空隙率吸水性：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耗率：石料抵抗撞击、剪切和摩擦综合作用的能力,石料的技术性质,1.分类：按照成岩条件、风
5、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,1.3.2 石料的技术标准,1.2.2 集料的技术性质图1-5 碎石集料 1.2.2.1 物理性质,1）物理常数图1-6 集料的体积组成 密度：表观密度、毛体积密度、装填密度 装填密度 堆积（松装）密度集料按自由下落方式装样 图1-7 细集料堆积密度试验仪具示意图 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 空隙率VG：集料空隙体积占集料总体积的百分比 不含开口孔隙 含开口孔隙,颗粒之间的空间体积,图1-5 碎石集料不同粒径
6、、尺寸较小的石料颗粒的集合体,图1-6 集料的体积组成,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,图1-7 细集料堆积密度试验仪具示意图,2）级配：指集料中不同尺寸颗粒的比例 反映了粒径大小不同的矿质颗粒的相互搭配情况 级配的几种情况 筛析试验套筛 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 筛分试验参数 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 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 通过百分率Pi：
7、通过某号筛的集料质量占试件总质量的百分率 级配曲线的绘制图1-10 级配曲线 制表,图1-8 级配的几种情况,筛析试验用套筛,图1-10 级配曲线示意图,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,3）粗度细度模数评价砂（0.164.75mm）粗细程度细度模数粗砂：Mf 3.73.1中砂：Mf 3.02.3细砂：Mf 2.21.6,碎石受压,4）集料的颗粒形状与表面特征 颗粒形状：蛋圆形、棱角形、针状、片状针状：长度大于其平均粒径2.4倍的颗粒片状：厚度小于其平均粒径0.4倍的颗粒 表面特征：表面的粗糙程度及孔隙特
8、征等,砾石受压,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：石料抵抗多次连续的重复冲击荷载的能力,集料的性能及评价指标,物理性质 物理常数：密度、空隙率 吸水性：吸水率、饱水率 抗冻性,1）压碎值：石料抵抗压碎的能力 压碎指标值（适用于水泥混凝土用集料）图1-11 压碎值测试仪具尺寸图 压碎值（沥青混合料用集料）图1-12 压碎值测试仪 式中：m0试验前风干试件的质量 m1试验后2.36mm筛上集料质量,1.2.2.2 粗集料力学性质,压碎指标值测试仪具尺寸图,1020mm集料分二层夯实，在35mi
9、n加荷至 Pmax=200kN，恒压5s后，脱膜后过2.36mm筛,试验集料,压碎值测试仪,将1216mm碎石分三层夯实，在010min加压至400kN，立即卸载，过2.36mm筛,试验集料容器,2)磨光值：石料抵抗磨光的能力，即保持其原有粗糙的能力 图1-13磨光值3)磨耗值：石料抵抗磨擦、剪切的能力道瑞 Dorry（英国）磨耗仪 式中：m1磨耗前的试件质量（g）m2磨耗后的试件质量（g）t集料的饱和面干密度4）冲击值：石料抵抗多次连续的重复冲击荷载的能力冲击值仪 式中：m0冲击前试样质量；m1冲击后粒径小于2.36mm集料试样质量,磨光机,磨光值试件试件（金刚砂），经6h磨光后，用摆式仪测
10、摩擦系数（BPN）磨光值,图1-15道瑞 Dorry（英国）磨耗仪,图1-16 冲击值仪,1015mm集料，1kg分三次夯实。冲击锤至3805mm处自由落下，重复15次。将受冲击后的集料过筛（2.36mm），称重。,1.4 矿质混合料的组成设计,矿质混合料的级配理论 矿质混合料的组成设计,1.4 矿质混合料的组成设计,1.4.1 矿质混合料的级配理论级配研究意义：探讨级配对集料性能密度和内摩阻力的影响 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。,1.4.1.1 级配曲线类型图1-17 级配类型示意图,1）连续级配：级配曲线
11、光滑，每一种尺寸的集料都有 2）间断级配：剔除一个或几个分级，曲线形成折线形 3）单粒径：,图1-17 级配类型示意图,单粒径,1.4.1.2典型的级配理论连续级配,1）最大密度曲线富勒理论 p2=kd 当d=D时，p=1001002=kD 式中：d 欲计算通过百分率的粒径 D 矿质混合料最大粒径2）级配范围曲线泰波公式（最大密度曲线n幂公式）式中：n级配指数,级配范围曲线,n=0.450.5，密实度最大n=0.30.7，密实度尚可n=0.350.45，工作性较好（工艺性能）,Superpave级配要求,控制点禁区,禁区,控制点,n=0.45,1.4.2 矿质混合料的组成设计,目的：确定矿质混
12、合料中各档集料的比例已知条件：各档集料级配 Pd 设计级配范围 Pd方法：数解法 图解法,1.4.2 矿质混合料的组成设计,1.4.2.1 数解法试算法 需要根据集料的分计筛余进行计算 1）基本假定 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 该粒径的颗粒在该集料中是占优势的,2）计算过程 已知：集料 混合料 准备工作：PiAiai;,计算方程：XYZ100(1)d=i时：X.aA(i)+Y.aB(i)+Z.aC(i)aM(i)(2),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：由表 A集料中含量占优势粒径 i=4.75mm:aA(4.75)
13、=49.9%忽略其它集料在此粒径含量 aB(i)=0、aC(i)=0，代入式（1）A集料用量X为：,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、C集料同一粒径含量:aA(j)=0、aB(j)=0 C料用量Z为：步骤：计算B集料在矿质混合料中的用量Y由公式(2)：Y100(XZ）100(42.17.0）50.9%,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
14、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,所选择的粒径应在该集料中占有较大的优势,1.4.2.2 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见表 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：根据设计级配中值，Pd，确定筛孔尺寸位置 将各种集料的级配（通过量）绘在图中见图2）确定各集料的用量作图原则 3）合成级配的校核与调整 计算合成级配：Pm(i)=Pj(i)Xj 调整：合成级配曲线应尽可能光滑 靠近级配范围中值线,图解法用图,相叠等分纵距：两相邻级配曲线头尾重叠a=a相接重线连分；两相邻级配曲线头尾相离 相离等分平距：两相邻级配曲线头尾相分b=b,X（A用量）,W（D用量）,Z（C用量）,Y（B用量）,
