道路建筑材料.ppt

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1、道路建筑材料,主 编：翟晓静 赵 毅 副主编：贾红霞主 审：李中秋 马彦芹,高职高专道路桥梁工程技术专业“十二五”规划教材,道路建筑材料,第一篇 道路建筑材料第一章 砂石材料教学要点：1.岩石的主要技术性质及其评价指标；2.集料的基本概念；3.路用集料的主要技术性质及其评价指标；4.集料在道路施工中常用的试验检测技术；5.矿质混合料的级配理论和组成设计方法。,道路建筑材料,第一节 砂石材料的技术性质与检验砂石材料包括天然岩石、人工轧制的集料以及工业冶金矿渣等，下面将对这些材料的技术性质予以论述。一、岩石的技术性质与检验岩石的技术性质，主要从物理性质、力学性质和化学性质三方面进行评价。,道路建筑

2、材料,（一）物理性质岩石的物理性质包括：物理常数（如真实密度、毛体积密度和孔隙率等）、吸水性（如吸水率、饱水率）和抗冻性。1.物理常数岩石的物理常数是岩石矿物组成结构状态的反映，它与岩石的技术性质有着密切的关系。岩石的内部组成结构主要是由矿质实体和孔隙（包括与外界连通的开口孔隙和不与外界连通的闭口孔隙）所组成，如图1-1a）。各部分质量与体积的关系如图1-1b）。,道路建筑材料,图1-1 岩石组成结构示意图a）岩石组成结构外观示意图；b）岩石结构的质量与体积关系示意图,道路建筑材料,（1）真实密度 真实密度是岩石在规定条件（105110）下烘干（时间一般为6h12h）至恒重（干燥器中冷却至20

3、2称量，前后两次称量质量差小于0.3毫克），烘干岩石矿质实体单位体积（不包括开口与闭口孔隙）的质量。用 表示。岩石真实密度的检测方法按我国现行公路工程岩石试验规程（JTG E412005）采用“密度瓶法”。要获得矿质实体的体积，必须将岩石粉碎磨细，通过试验测定出来，详见第二篇。,道路建筑材料,（2）毛体积密度 在规定条件下，岩石（包括孔隙在内）的单位体积的质量，用 表示。根据岩石含水状态，毛体积密度可分为干密度、饱和密度和天然密度。按我国现行公路工程岩石试验规程（JTG E412005）规定，岩石毛体积密度的检测方法可以量积法，水中称量法和蜡封法来测定。,道路建筑材料,（3）孔隙率 岩石的孔隙

4、率是指岩石孔隙体积占岩石总体积的百分率。用 表示：直接测定孔隙体积来计算孔隙率有些难度，工程上常采用真实密度和毛体积密度间接计算求得，由式（1-3）得：n=1(VsV)100，故式（1-3）可表达为式（1-4）：,道路建筑材料,2.吸水性 岩石的吸水性是岩石在规定条件下吸水的能力，用吸水率和饱和吸水率两项指标来表征。（1）吸水率 岩石吸水率是指在规定条件（常温、常压、自由吸水48h）下，岩石试样最大的吸水质量与烘干岩石试件质量之比，以百分率表示，按式（1-5）计算：吸水率、饱和吸水率能有效地反映岩石微裂隙的发育程度，可用来判断岩石的抗冻性和抗风化等性能。,道路建筑材料,3.抗冻性 岩石抗冻性是

5、指岩石在吸水饱和状态下，经受规定次数的冻融循环后抵抗破坏的能力。冻融后的质量损失率按式（1-7）计算：冻融系数是指未经冻融的岩石试件抗压强度与冻融循环后的岩石试件抗压强度的比值。冻融系数按式（1-8）计算：,道路建筑材料,如无条件进行冻融试验，也可采用坚固性简易快速测定法，这种方法通过饱和硫酸钠溶液进行多次浸泡与烘干循环后来测定。（二）力学性质 道路与桥梁工程结构物中使用的岩石，除受上述物理性质影响外，还受到外力的压作用，应具备一定的力学性质，如抗磨光、抗冲击和抗磨耗等力学性能。下面主要介绍单轴抗强度和磨耗性的确定方法。,道路建筑材料,1.单轴抗压强度 单轴抗压强度是指岩石试件抵抗单轴压力时保

6、持自身不被破坏的极限应力。按我国现行公路工程岩石试验规程（JTG E412005）规定：将岩石制备成标准试件（建筑地基用岩石制备成直径为50mm2mm，高径比为2：1的圆柱体试件；桥梁工程用岩石制备成边长为70mm土2mm的立方体试件；路面工程用岩石制备成边长为50mm2mm的立方体试件或直径和高均为50mm2mm的圆柱体试件），经吸水饱和后，单轴受压并按规定的加载条件下，达到极限破坏时单位面积承受的荷载。按式（1-9）计算：,道路建筑材料,岩石的抗压强度是岩石力学性质中最重要的一项指标，它是岩石强度分级和岩性描述的主要依据。,道路建筑材料,2.磨耗性 磨耗性是岩石抵抗摩擦、撞击的能力，以磨耗

7、率表示。（三）化学性质 早年的研究认为矿质集料是一种惰性材料，它在混合料（各种水泥混凝土或沥青混合料）中只起着物理作用。随着科学发展，科学家们根据物理一力学的研究，认为矿质集料在混合料中与结合料起着物理一化学作用。岩石的化学性质将影响着混合料的物理一力学性质。,道路建筑材料,二、集料的技术性质与检验 集 料是指在混合料中起骨架或填充作用的粒料，包括岩石天然风化而成的砾石（卵石）和砂等，以及由岩石经人工轧制的各种尺寸的碎石、机制砂、石屑等。（一）粗集料的技术性质与检验 本节仅对粗集料的一般技术性质进行阐述。1.物理性质（1）物理常数,道路建筑材料,1）表观密度 粗集料的表观密度（简称视密度）是在

8、规定条件（1055烘干至恒重）下，单位表观体积（包括集料矿质实体和闭口孔隙的体积）的质量，按式（1-11）计算。粗集料表观密度以 表示。,道路建筑材料,2）毛体积密度 粗集料的毛体积密度是在规定条件下，单位毛体积（包括矿质实体、闭口孔隙和开口孔隙）的质量，按式（1-12）计算：粗集料表观密度、毛体积密度可以采用容量瓶法、网篮法进行测定。,道路建筑材料,3）堆积密度 粗集料的堆积密度是单位体积（包括矿质实体、闭口孔隙和开口孔隙及颗粒间空隙）物质颗粒的质量，按式（1-13）求得：根据集料的堆积状态，粗集料的堆积密度可分为自然堆积密度、振实堆积密度和捣实堆积密度。,道路建筑材料,（2）级配粗集料中各

9、组成颗粒的分级和搭配称为级配，级配是通过筛分试验确定的。筛分试验就是将集料经过一系列筛孔尺寸的标准筛，测出各个筛上的筛余量，根据集料试样的质量与存留在各筛孔上的集料质量，就可求得一系列与集料级配有关的参数分计筛余百分率；累计筛余百分率；通过百分率。对水泥混凝土用粗集料可采用干筛法筛分试验，对沥青混合料及基层用粗集料必须采用水洗法筛分试验。粗集料筛分试验中采用的标准套筛尺寸范围及试样质量与细集料筛分试验有所不同，但级配参数的计算方法与细集料相同，详见“细集料的技术性质”内容。,道路建筑材料,（3）坚固性 对已轧制成的碎石或天然卵石亦可采用规定级配的各粒级集料，按现行试验规程公路工程集料试验规程（

10、JTG E422005）选取规定数量，分别装在金属网篮浸入饱和硫酸钠溶液中进行干湿循环试验。经5次循环后，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（也称安定性）。,道路建筑材料,2.力学性质粗集料力学性质主要指标是压碎值和磨耗值；其次是抗滑表层用集料的力学指标，即磨光值、道瑞磨耗值和冲击值。洛杉矶磨耗试验已在岩石力学性质中讲过，现将压碎值、磨光值、道瑞磨耗值和冲击值分述如下。（1）压碎值粗集料压碎值是集料在逐渐增加的荷载下，抵抗压碎的能力。它作为相对衡量集料强度的一个指标，用以评价其在公路工程中的适用性。,道路建筑材料,按式（1-15）计算集料的压碎值。（2）磨光值（PSV）集料磨

11、光值是反映集料抵抗轮胎磨光作用能力的指标，是利用加速磨光机磨光集料并以摆式摩擦系数测定仪测得的磨光后集料的摩擦系数值来确定。集料磨光值愈高，表示其抗滑性愈好。,道路建筑材料,（3）冲击值（AIV）冲击值是反映集料抵抗多次连续重复冲击荷载作用的性能，可采用冲击试验仪测定。将试验后的集料用2.36mm的筛子筛分并称量，按式（1-16）计算：,道路建筑材料,2）磨耗值集料磨耗值用于评定抗滑表层的集料抵抗车轮撞击及磨耗的能力。其磨耗值按式（1-17）计算：集料磨耗值愈高，表示集料耐磨性愈差。,道路建筑材料,（二）细集料的技术性质与检验在沥青混合料中，细集料是指粒径小于2.36mm的天然砂、人工砂（包括

12、机制砂）及石屑；在水泥混凝土中，细集料是指粒径小于4.75mm的天然砂、人工砂。在工程中应用较多的细集料是砂。砂按来源分为两类。一类为天然砂，另一类为人工砂细集料技术性质主要包括物理性质、颗粒级配和粗度。,道路建筑材料,1.物理常数细集料的物理常数主要有表观密度、堆积密度和空隙率等，其含义与粗集料完全相同，具体数值可通过试验测定。细集料的物理常数计算方法与粗集料相同，详见“粗集料技术性质”。2.级配级配是集料各级粒径颗粒的分级搭配情况，砂的级配可通过筛分试验确定。对水泥混凝土用细集料可采用干筛法，如果需要也可采用水洗法筛分；对沥青混合料及基层用细集料必须用水洗法筛分。,道路建筑材料,（1）分计

13、筛余百分率按式（1-18）求得：（2）累计筛余百分率按式（1-19）计算：（3）通过百分率按式（1-20）计算：Pi=100一Ai,道路建筑材料,3.粗度粗度是评价砂粗细程度的一种指标，通常用细度模数表示。细度模数亦称细度模量，可按式（1-21）计算，准确至0.01。细度模数愈大，表示细集料愈粗。我国现行标准建筑用砂（GBT146842001）规定砂的粗度按细度模数可分为下列三级：Mx=3.73.1为粗砂 Mx=3.02.3为中砂 Mx=2.21.6为细砂,道路建筑材料,三、冶金矿渣集料的技术性质冶金矿渣是在冶金生产过程中由矿石、燃料及助溶剂中易熔硅酸盐化合而成的副产品。冶金矿渣分为黑色金属冶

14、金矿渣与有色金属冶金矿渣两大类。黑色金属冶金矿渣又分为高炉重矿渣和钢渣两类。这些冶金矿渣从熔炉排出后，在空气中自然冷却，形成坚硬的材料，是一种很好的路用人工矿渣集料。它可作为基层材料，又可作为修筑水泥混凝土或沥青混凝土路面的集料。,道路建筑材料,（一）矿渣的化学成分和矿物成分矿渣化学成分随矿物成分、燃烧、助熔剂及熔化金属的化学成分的不同而异，大部分矿渣成分中基本上包含着SiO2、A12O3、CaO，并混有MgO、FeO、MnO等。根据化学成分采用碱度（或酸度）作为矿渣分类基础，碱度是矿渣中碱性氧化物之和与酸性氧化物之和的比值，通常用模量来表示。MgO、CaO、FeO和MnO属于碱性氧化物，Si

15、O2、P2O3和TiO2等是酸性氧化物。硫化物FeS、MnS是矿渣的中性成分。A12O3是具有两面性的氧化物，遇碱时它起弱酸作用，而遇酸则起弱碱作用。矿渣的酸性和碱性可用下列模量表示：,道路建筑材料,碱性矿渣；酸性矿渣；中性矿渣；且其中mi分别为矿渣中矿物成分的含量。矿渣中常见的矿物成分有：黄长石、辉石、橄榄石及少量的硫化物。在氧化钙含量最高的重矿渣中，还含有一定的硅酸二钙。,道路建筑材料,（二）矿渣的物理、力学性质矿渣的相对密度与其矿物成分有关。矿渣的相对密度一般较岩石为大，大约在2.973.32之间。矿渣堆积密度约为1900kg/m3以上。矿渣的耐冻性（或坚固性）通常均能符合路用要求。矿渣

16、的力学强度一般均较高，其强度与孔隙率有关，通常极限抗压强度在50MPa以上，高者可达150MPa，相当于石灰至花岗岩的强度。其他性能，如压碎值、磨光值和磨耗值等均能符合筑路石材的要求。因此，冶金矿渣只要稳定性合格，其力学性能均能满足路用要求。稳定的冶金矿渣集料可以应用于各种路面基层和面层，对新料源的矿渣必须通过试验试用，积累使用经验后，才能逐步推广使用。,道路建筑材料,第二节 矿质混合料的组成设计道路与桥梁用砂石材料，大多数是以矿质混合料的形式与各种结合料（如水泥或沥青等）组成水泥混凝土或沥青混合料使用。欲使水泥混凝土和沥青混合料具备优良的路用性能，除各种矿质集料的技术性质应符合技术要求外，矿

17、质混合料还必须满足最小空隙率和最大摩擦力的基本要求。1.最小空隙率不同粒径的各级矿质集料按一定比例搭配，使其组成一种具有最大密实度（即最小空隙率）的矿质混合料。,道路建筑材料,2.最大摩擦力各级矿质集料在进行比例搭配时，应使各级集料紧密排列，形成一个多级空间骨架结构，且具有最大的摩擦力。为达到上述要求，必须对矿质混合料进行组成设计，设计内容包括：（1）级配理论和级配范围的确定；（2）组成设计的基本方法。,道路建筑材料,一、矿质混合料的级配（一）级配类型各种不同粒径的集料，按照一定比例搭配起来，以达到最大密实度和最大摩擦力的要求，可以采用两类级配类型。1.连续级配连续级配是采用标准套筛对某一混合

18、料进行筛分试验，所得级配曲线平顺圆滑，具有连续性。这种颗粒由大到小、逐级粒径均有，按比例互相搭配组成的矿质混合料，称为连续级配混合料。,道路建筑材料,2.间断级配 间断级配是在矿质混合料中剔除其一个或几个分级而形成一种不连续的混合料，这种混合料称为间断级配混合料。两种级配类型的级配曲线如图1-3所示。二）级配理论1.富勒（WBFuller）理论富勒根据试验提出一种理想级配，认为：“级配曲线愈接近抛物线时，则其密度愈大”。因此，当级配曲线为抛物线时即为最大密度曲线，如图1-3所示。,道路建筑材料,最大密度曲线方程可表示为：当粒径d等于最大粒径D时，矿质混合料的通过率等于100，将此关系代入式（1

19、-22），即可求出任意一级粒径d的通过率P：,道路建筑材料,2.泰波（ANTalbal）理论,道路建筑材料,道路建筑材料,（三）级配曲线范围的绘制矿质混合料按级配理论公式计算出各粒级的通过百分率，以粒径（mm）为横坐标，以通过百分率为纵坐标，绘制理论级配曲线。但由于矿料在轧制过程中的不均匀性，以及混合料配制时的误差等因素影响，使所配制的混合料往往不可能与理论级配完全相符合。因此，必须允许配料时的合成级配在适当的范围内波动，这就是“级配范围”。本节介绍已确定的计算参数条件下绘制级配范围曲线的方法。,道路建筑材料,二、矿质混合料的组成设计 天然的或人工轧制的单一集料的级配一般很难完全符合某一合适级

20、配范围的要求，因此，必须采用几种集料按照一定比例进行搭配才能达到级配范围的要求，这就需要对矿质混合料进行配合组成设计。确定矿质混合料配合比的方法很多，但一般主要采用试算法和图解法。不管采用哪种方法，首先必须具备两项已知条件：（1）各种组成集料的筛分结果；（2）按技术规范要求（或理论级配确定）的矿质混合料的级配范围。,道路建筑材料,（一）试算法1.基本原理 试算法适用于23种矿料组成的混合料，是最简单的一种方法。此方法的基本原理是，现有几种矿质集料，欲配制成某一种符合一定级配要求的矿质混合料，当决定各组成集料在混合料中的比例时，先假定混合料中某种粒径的颗粒是由某一种对这一粒径占优势的集料组成，而

21、其它各种集料中不含有此粒径。这样即可根据各个主要粒径去试算各种集料在混合料中的大致比例，再经过校核调整，最终获得满足混合料级配要求的各集料的配合比例。,道路建筑材料,例如现有A、B、C三种集料，欲配制成某一级配要求的混合料M。确定这三种集料在混合料M中的配合比例（即配合比），按题意作下列两点假设：设X、Y、Z为A、B、C三种集料组成矿质混合料M的配合比例，则：X+Y+Z=100 式（1-25）又设混合料M中某一级粒径（i）要求的含量为aM（i），A、B、C三种集料在原来级配中此粒径（i）颗粒的含量分别为aA（i）、aB（i）、aC（i），则,道路建筑材料,2.计算步骤（1）由假设，混合料M中某

22、一级粒径（i）主要由A集料所提供（即A料占优势），而忽略其它集料在此粒径的含量，这样即可计算出A料在混合料中的用量比例。（2）由假设，混合料M中某一级粒径（j）由C集料占优势，同理可计算出C料在混合料中的用量比例。,道路建筑材料,（3）由式（1-29）可计算出B料在混合料中的用量比例，即：（4）校核按上述步骤即可计算A、B、C三种集料组成矿质混合料的配合比X、Y、Z。经校核如不在要求的级配范围内，应调整配合比，重新计算和复核。,道路建筑材料,（二）图解法我国现行规范推荐采用的图解法又称为修正平衡面积法。由3种或3种以上的集料进行组配时，采用此方法进行设计十分方便。修正平衡面积法的设计步骤如下：

23、1.绘制级配曲线图（1）根据要求的级配范围计算通过率的中值，作为设计依据。（2）根据级配范围中值，确定相应的横坐标的位置。（3）在坐标图上绘制各种集料的级配曲线。,道路建筑材料,2.确定各种集料的用量比例从级配曲线图（如图1-8）上最粗集料开始，依次分析两种相邻集料的级配曲线，直至最细集料。在分析过程中，两相邻集料的级配曲线可能出现的情况有图1-8所示的三种情况：,道路建筑材料,图1-8组成集料级配曲线及其关系,道路建筑材料,（1）两相邻级配曲线重叠如集料A级配曲线下部与集料B级配曲线上部重叠，此时，应进行等分，即在两级配曲线相重叠的部分引一条使a=a的垂线AA，再通过垂线AA与对角线OO的交

24、点M作一水平线交纵坐标于P点。OP即为集料A的用量比例。（2）两相邻级配曲线相接如集料B的级配曲线末端与集料C的级配曲线首端正好在一垂直线上，此时，应进行连分。即将集料B级配曲线的末端与集料C级配曲线的首端相连，即为垂线BB，再通过垂线BB与对角线OO的交点N作一水平线交纵坐标于Q点。PQ即为集料B的用量比例。,道路建筑材料,（3）两相邻级配曲线相离如集料C级配曲线的末端与集料D级配曲线的首端相离一段距离，此时，应进行平分。即作一垂线CC平分相离的距离（即b=b），再通过垂线CC与对角线OO的交点R作一水平线交纵坐标于S点。QS即为集料C的用量比例。剩余部分ST即为集料D的用量比例。3.校核按图解所得各种集料的用量比例校核计算合成级配是否符合要求，如超出级配范围要求，应调整各集料的比例，直至符合要求为止。,谢谢大家！,