第一章 石料与集料1.ppt

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1、第一章 石料与集料,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）,第一节 石料,授课目的:了解砂石材料的类别，岩石种类及其鉴别以及石料的技术性质及其应用。,重点难点:石料的物理性质、力学性质。,第一节 石料,一、石料的岩石学特性,岩石的定义：是指在各种地质作用下按

2、一定方式组合而成的矿物集合体，是组成地壳及地幔的主要物质。,岩石的分类,根据成岩条件将岩石分成三类 岩浆岩深成岩、喷出岩、火山岩 沉积岩-碎屑岩、粘土岩、化学及生物化学岩 变质岩-片理状岩、块状岩,常见岩石种类,根据石料组成中二氧化硅成分含量的多少，将岩石分成不同酸碱性石料。,亲水系数表明石料对水亲和力的大小。亲水系数越大，说明石料与水的结合程度越高，相对应与沥青的结合力就越弱，所以石料的酸碱性直接影响到石料和沥青构成的混合料的性质。,二、石料的物理性质,物理常数吸水性抗冻性,1、物理常数图1-1 石料体积组成示意图 密度：真实密度（真实体积 vs 矿物实体体积）表观密度（表观体积 vs vn

3、 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Na2SO4结晶、体积涨大）,三、石料的力学性质1、抗压强度

4、,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:707070 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,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-

5、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

6、和磨耗率 I 最坚强 II 坚强 III 中等坚强 IV 较软,四、石料的技术标准,第二节 集料,概述：笼统的说集料就是粒状石质材料。,1集料分类,（1）总分类：包括天然砂、人工砂、卵石、碎石，另有工业冶金矿渣。,（2）根据集料形成的过程不同，分为卵石（又称砾石）和碎石；,（3）根据粒径大小的不同，分为粗集料和细集料；,图1-5 碎石集料不同粒径、尺寸较小的石料颗粒的集合体,2粗细集料粒径的界限,水泥混凝土 4.75mm，沥青混合料 2.36mm,3最大粒径,（1）集料最大粒径：指集料100%都要求通过的最小标准筛筛孔尺寸。,（2）集料公称最大粒径:指集料可能全部通过或允许有少量不通过(一般容

7、许筛余不超过10%)的最小标准筛筛孔尺寸。,通常集料公称最大粒径比最大粒径要小一个粒级。,4标准筛,统一规定筛孔规格及筛孔大小变化要求的套筛称为标准筛。,标准筛由一组多个不同大小孔径的套筛组成。,标准筛，以方孔筛为准，相应的筛孔尺寸依次为75mm、63mm、53mm、37.5mm、31.5mm、26.5mm、19mm、16mm、13.2mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm、0.075mm；,对集料颗粒大小的划分和相应筛分试验都要依靠标准筛来进行。,筛析试验用套筛,一、集料的 物理性质,1、物理常数图1-6 集料的体积组成 密度：表观密

8、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1-6 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,（3）粗集料的骨架间隙率VCA粗集料骨架间隙率通常指4.75mm以上粗集料颗粒间的空隙体积的百分含量，由下式计算。粗集料骨架间隙率的大小用于确定混合料中细集料和结合料的数量，并评价集料的

9、骨架结构。,（4）细集料的棱角性细集料的棱角性由在一定条件下测定的空隙率表征，按下式计算。天然砂、人工砂和石屑等细集料的棱角性对沥青混合料的内摩擦角和抗流动性变形能力及对水泥混凝土的和易性有着显著的影响。当空隙率较大时，意味着细集料有着较大的内摩阻角。,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。,碎石受压,3、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征等,砾石受压,针片状颗粒的定义：最大长度与厚度之比大于3的颗粒。,泥是指砂

10、中粒径小于0.075mm的颗粒，泥块是指粗集料原尺寸大于4.75mm（或细集料大于1.18mm），但经水浸洗、手捏后小于2.36mm（细集料小于0.6mm）的颗粒含量。,4含泥量和泥块含量,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

11、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,二、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 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

12、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。,砂 石 材 料 密 度 概 念 小 结,第三节 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,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

13、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、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 级配参数 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：通过某号筛的集料质量占试件总质量的百分率,一、矿质混合料的级配,级配的几种情况,骨架-空隙结构,悬

14、浮-密实结构,密实-骨架结构,标准筛,（2）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,（3）集料的级配曲线,级配曲线的绘制 图1-10 级配曲线示意图,级配曲线类型 图1-17 级配类型示意图,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,（1）连续级配,连续级配是某一矿料在标准套筛中进行筛分后，矿料的颗粒由大到小连续分布，每一级都占有适当的比例。这种由大到小逐级粒径都有，并按比例互相搭配组成的矿质混

15、合料，称为连续级配混合料。,（2）间断级配：,在矿料颗粒分布的整个区间里，从中间剔除一个或连续几个粒级，形成一种不连续的级配，成为所谓的间断级配。,（3）连续开级配：,整个矿料颗粒分布范围较窄，从最大粒径到最小粒径仅在数个粒级上以连续的形式出现，形成所谓的连续开级配。,图1-17 级配类型示意图,3、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=0.45，密实度最大n=0.30.7，密实度尚可n=0.2

16、50.45，工作性较好,Superpave级配要求,控制点禁区,禁区,控制点,n=0.45,二、矿质混合料配合比设计方法,目的：确定矿质混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.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

17、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)=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

18、(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,所选择的粒径应在该集料中占有较大的优势,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相接垂线连分；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）,