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1、第二章 砂石材料,砂石材料的技术性质及要求集料技术性质细集料的级配设计,杭州湾跨海大桥,第一节 砂石材料的技术性质及要求,一、砂石材料分类二、岩石的技术性质 1、物理性质 2、力学性质 3、化学性质三、道路和桥涵用岩石制品四、石料技术要求,永吉桥,一、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 细集料粒径d4.75mm,二、岩石的技术性质,1、物理性质（1）物理常数(如真实密度、毛体积密度和孔隙率等)（2）吸水性（如吸水率
2、、饱水率等)（3）耐候性(耐冻性、坚固性等),（1）物理常数,密度：岩石在规定条件(105土5烘干至恒重，温度20)下，单位真实体积(不含孔隙的矿质实体的体积)的质量。真实密度用t表示。（2-1）式中：t 岩石的真实密度(gcm3)；MS 岩石矿质实体的质量(g)；VS 岩石矿质实体的体积(cm3)。,（1）物理常数,毛体积密度：岩石在规定条件下，单位毛体积(包括矿质实体和孔隙体积)质量。毛体积密度用h表示：（2-2）式中：h岩石的毛体积密度(gcm3)；Vi岩石开口孔隙和闭口孔隙的体积(cm3)Vn岩石开口孔隙和闭口孔隙的体积(cm3),（1）物理常数,孔隙率：岩石的孔隙体积占其总体积的百分
3、率。(1-3)式中：P岩石的孔隙率()V0岩石的孔隙(包括开口和闭口孔隙)的体积(cm3)V 岩石的总体积(cm3),（2）吸水性,吸水率：岩石吸水率是指在室内常温(202)和大气压条件下，岩石试件最大的吸水质量占烘干(1055干燥至恒重)岩石试件质量的百分率。W吸=（M2M1）/M1100(2-4)式中：W吸 岩石吸水率()M1 岩石试件烘干至恒量时的质量(g)M2 岩石试件吸水至恒量时的质量(g),（2）吸水性,饱水率：岩石饱水率是在室内常温(202)和真空抽气(抽至真空度为残压267kPa)后的条件下，岩石试件最大吸水的质量占烘干岩石试件质量的百分率。测定方法采用真空抽气法。因为当真空抽
4、气后占据岩石孔隙内部的空气被排出，当恢复常压时，则水即进入具有稀薄残压的岩石孔隙中，此时水分几乎充满开口孔隙的全部体积，所以，饱水率大于吸水率。饱水率的计算方法与吸水率相同。,（3）耐候性,概述：构件抵抗自然界暴露大气圬工砌体水、温R低（冻胀）测定方法：抗冻性、坚固性。,毛细孔的孔壁剥落,水 冰冻融循环,Na2SO4,抗压、抗拉、抗剪,抗冻性定义：饱水，经反复冻融循环（正负温度交替强度降低、质量损失符合要求。破坏现象：缺棱 掉角 松散一次冻融循环：205、45小时-15（毛细孔）4小时 常温：融解要求：一月份气温低于-10必作；证明具有足够抗冻性的石料可不做。,不超过25%,不大于5%,（3）
5、耐候性,（3）耐候性,坚固性：评定岩石试样经饱和硫酸钠溶液多次浸泡与烘干循环后，不发生显著破坏或强度降低的性质。计算坚固性试验质量损失率：（2-5）式中：Q冻 冻融后的质量损失率()m1 试验前烘干试件的质量(g)m2 试验后烘干试件的质量(g)孔壁受到张应力（简易、快速）,5次,浸泡20h,2、力学性质,（1）单轴抗压强度标准尺寸：桥梁工程边长702mm 立方体路面工程边长502mm 立方体（圆柱体）条件：吸水饱和公式：（影响因素组成结构和试验条件）,极限破坏荷载,公式：,受压面积,单位：MPa,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、力
6、学性质,（2）磨耗性：定义：石料抵抗撞击、剪切、摩擦综合作用的性能。试验方法两种：洛杉矶式磨耗试验（搁板式标准方法）狄法尔式磨耗试验（双筒磨耗）,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,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）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，
7、不同性质石料的磨耗率相差不大,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,图1-4 搁板式磨耗仪示意图,3、化学性质,水泥与砂石 复合材料整体 沥青与砂石要求：碱性、酸性（面层）1）依据：SiO2含量确定酸碱性 酸性 65%（花岗岩）中性52%65%（辉绿岩）碱性52%（石灰岩）,三、道路和桥涵用岩石制品,1、道路路面建筑用岩石制品包括直接铺砌路面面层用的整齐块石、半整齐块石和不整齐块石三类；用作路面基层用的锥形块石、片石等。高级铺砌用整齐块石路面铺砌用半整齐块石铺砌用不整齐块石锥形块石,2、桥梁建筑所用岩石主要制品片石块石方块石粗料石细料
8、石镶面石,赵州桥,四、石料的技术要求,技术分级：路用石料按技术性质分为四级名称：按造岩矿物成分、含量及组织结构命名。在饱和水状态下的力学性质分为四级：最坚强 坚强 中等坚强 较弱软主要力学性质：抗压强度、磨耗率。,第二节 集料技术性质,一、细集料的技术性质 1、物理常数 2、级配 3、粗度 4、含泥量和泥块含量,产源：天然砂山砂、河砂、人工砂提高粘结力 废 料废模型砂（砂细碎如砂的物质，砂砾）（沙极细碎的石砾，沙漠、风沙）,骨架和填充作用,考虑：产源、粒径、物理、酸碱性、级配,总结：沥青混合料中的细集料是指粒径小于2.36mm。水泥混凝土中的细集料是指粒径小于4.75mm。,一、细集料的技术性
9、质,1、物理常数（同粗集料）分析：与粗集料不同点粒径小、量少；要求干净的（含泥量、杂质量、有机质）,2、级配：是砂各级粒径颗粒的分配情况。方法：采用筛析法（圆孔筛一套标准筛）分析：级配目的：提高密实（耐久性好）细度模数目的：控制抗折强度、节约 水泥 总结：砂子的级配两方面控制。同时满足要求。,（旧筛方孔）5.0 mm4.75mm（新）2.5 mm 2.36mm 1.25 mm1.18mm 0.63 mm0.6mm 控制粒径 0.315 mm0.3mm 0.16 mm0.15mm 筛底0.16 筛底,2、级配,总称量500g,筛析法：一套标准筛。,0.6mm 粒径的含量决定它的区间。,有关级配的
10、重要参数,存留量：mi；总量：M=500g,分计筛余百分率,累计筛百分率,通过百分率,目的：求100g砂中各筛上存留量。,砂子筛析试验,粗砂,中砂,细砂,标准砂,水泥混凝土组成材料用,测水泥胶砂强度用,3、粗度：粗度是评价砂粗细的一种指标。用细度模数表示，是各号筛的累计筛余百分率之和除以100之商。,规定：砂的细度模数分为三级。MX=3.73.1 粗砂 MX=3.02.3 中砂 MX=2.21.6 细砂,“%”不代入计算,A1：不是砂子,公式：,（1）细度模数水泥裹覆着集料平均粒径组成;分析：粒径差太大，拌合困难；粒径差太小，细小颗粒多受力易断裂；细级料粒径过小，表面积大，浪费水泥；完全是一种
11、颗粒的砂，密实度不够。还必须考虑颗粒的级配。,总结（一）,问题：粗、中、细砂如何确定？砂的粗细程度确定的指标有哪两项？,例：集料粒径从大变小，总表面积增大。,设正方体边长为10cm，那么它的表面积为：S1=10106=600cm2,该正方体一分为二，那么它的总表面积为：S2=10104+1058=800cm2,正方体一分为四。那么它的总表面积为：S3=10516+558=1000cm2,正方体一分为八。那么它的总表面积为：S4=5548=1200cm2,总结：相同体积的集料粒径变小，总表面积增大。,（2）颗粒级配：砂子级配好密实耐久性好强度高。混凝土用砂的级配按建筑用砂（GB/T 146842
12、001）的规定划分为三个级配区有：粗砂、中砂、细砂。完全粗的不行，小颗粒的也需要。要符合2-3规定。从级配来说，就是填满骨架的空隙。,总结（二）,砂的分区及级配范围 表2-3,说明：区砂属于粗砂采用较区大的砂率（不易捣实）；区砂属于中砂由中砂和一部分偏粗砂的细砂组成；区砂属于细砂采用较区小的砂率（易捣实）。,0102030405060708090100,累计筛余百分率(%),上限,下限,P62控制粒径,偏粗,偏细,中砂区,砂样,粗砂区,细砂区,规定：必须同时满足级配和Mx两项指标。,砂样,砂样,注 意,砂样的曲线完全在标准区间之内，且Mx符合规定二者统一，如：都属于二区，该项砂是中砂；除4.7
13、5mm和0.60mm筛孔外,允许超出分界线，但其总量不应大于5%；如何选择细集料属于哪个级配区？先计算细度模数，但超出量符合规定，来确定。若有一方面不符合规定，该集料不符合要求。若给定的集料不符合规定，可取用二种以上集料组合级配，直到符合要求为止。集料一定要干净，符合有害杂质含量的规定。,4、含泥量和泥块含量,泥块含量：指细集料中原尺寸大于1.18mm，但经水浸洗、手捏后小于0.60mm的颗粒含量。集料中的泥块（三种类型存在）：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。含泥量是指集料中粒径小于0.075mm的颗粒含量。石粉含量是指人工砂中小于0.075mm的颗粒含量。
14、,计算公式：式中：Qb集料的含泥量（%）；G1细集料为1.18mm筛上试样的质量（g）；G2细集料为1.18mm筛上试样经水洗后，细 集料为0.6mm筛上烘干试样的质量（g）。,砂子类别确定的设计步骤,例：已知砂子筛分的存留量设计步骤：计算分计筛余量计算重要参数：计算累计筛余量 计算通过百分率计算细度模数（结果）用标准级配确定砂子的级配范围（结果）结论（根据细度模数和级配范围）。,例 题,某工地现有水泥混凝土用砂取500g做筛分试验,筛分结果如下表所示。计算该砂样的规格和类别。,（1）列表计算,（2）计算细度模数MX,MX=2.05 介于2.21.6之间，由细度模数判别该砂的规格为细砂。,（3
15、）确定砂子的类别,画标准级配图,在标准级配区内画出砂样。,由级配类别知：该砂属于细砂。,结论：由细度模数和级配二项指标确定该砂为细砂。,步骤：,课堂练习,某砂筛分试验结果如下表，试计算其累计筛余及细度模数，并画出级配曲线。,二、粗集料的技术性质,1、物理常数 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 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,（3）坚固性：除前述的将原岩石加工成规则试块进行抗冻性和坚固性试验外，对已轧制成的碎石或天然的卵石，
16、亦可采用规定级配的各粒级集料，按现行公路工程集料试验规程(JTJ 0582000)选取规定数量，分别装在金属网篮中浸入饱和硫酸钠溶液中进行干湿循环试验。经一定的循环次数后，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。,碎石集料不同粒径、尺寸较小的石料颗粒的集合体,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筛析试验（方孔筛边长）9.5、4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15,粗集料筛析试验用套筛,（1）颗粒级配：表示石子大小搭配的情况。连续粒级：分级尺寸是连续的。即从某一最大粒级以下依次有其它粒级。单粒级：不含较小粒级，大部分集中于
17、某一个粒径或某两个粒径的颗粒。注意：单粒级一般不宜单独用来配制混凝土。（2）最大粒径：粗骨料中公称粒级的上限。,级配的几种情况,3、含泥量和泥块含量,泥块含量：指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。集料中的泥块（三种类型存在）：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。含泥量是指集料中粒径小于0.075mm的颗粒含量。石粉含量是指人工砂中小于0.075mm的颗粒含量。,计算公式：式中：Qb集料的含泥量（%）；G1粗集料为4.75mm筛上试样的质量（g）；G2粗集料为4.75mm筛上试样经水洗后，粗 集料为2.36mm筛上烘干试
18、样的质量（g）。,4、集料的颗粒形状与表面特征,（1）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（2）表面特征：表面的粗糙程度及孔隙特征等,碎石受压,砾石受压,5、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,（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
19、验后2.36mm筛上集料质量,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,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 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.
20、36mm集料试样质量,磨光值试件试件（金刚砂），经6h磨光后，用摆式仪测摩擦系数（BPN）磨光值,磨光机,道瑞 Dorry（英国）磨耗仪,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。,三、冶金矿渣集料,指黑色金属冶金矿渣集料高炉重矿渣、钢渣在空气中冷却形成坚硬的材料路用、集料冶金矿渣的化学成分酸、中、碱矿渣物理性质堆积密度约900/m3 相对密度2.973.32g/cm(2.672.7g/cm)力学性质强度较高（相当于花岗岩）压碎值 磨光值 磨耗值符合要求应用：稳定的矿渣集料可应用于各种路面的基层和垫层。,
