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1、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1页/共68页第一节 石料一、石料的岩石学特性p岩石的定义：是指在各种地质作用下按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。第2页/共68页p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、块状岩第3页/共68页第4页/共68页p常见岩石种类第5页/共68页第6页/共68页第7页/共68页第8页/共68页n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。n亲水系数表明
2、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。第9页/共68页二、石料的物理性质物理常数吸水性抗冻性第10页/共68页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 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：第11页/共68页石料体积组成示意图m0VnMmSViVsVV0开口孔隙闭口孔隙矿物实体第12页/共68页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.
3、325kPa)饱水率：常温、真空抽气（2.67 kPa）第13页/共68页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）循循环环若若干干次次(15、25、50次次)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）第14页/共68页三、石料的力学性质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:707070 mm立方体第15页/共68页图1-2 石料抗压强度试件影响石料抗压强度的因影响石料抗压强
4、度的因素：素：内因内因：材料的矿物成分：材料的矿物成分 结构和构造结构和构造外因：外因：试件尺寸试件尺寸 加荷速率加荷速率 湿度等湿度等第16页/共68页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：式中：m2试验后试验后2mm筛上烘干石料试样质量；筛上烘干石料试样质量；m1试验前烘干石料试样质量。试验前烘干石料试样质量。第17页/共68页图1-3 双筒式磨耗仪
5、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），与路用实际情况不符合合 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第18页/共68页图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，石料级差剪切、摩擦作用，石料级差大大 试样级配较符合路用状况试样级配较符合路用状况第19页/共68页物理性质物理性质物理常数：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力学性质抗压强度：单位面积上所能承受的最大
6、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第20页/共68页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 I 最坚强 II 坚强 III 中等坚强 IV 较软四、石料的技术标准第21页/共68页第二节第二节集料集料概述：概述：笼统的说集料就是粒状石质材料。1 1集料分类集料分类（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；第22页/共68页图1-5
7、碎石集料不同粒径、尺寸较小的石料颗粒的集合体第23页/共68页2 2粗细集料粒径的界限粗细集料粒径的界限水泥混凝土水泥混凝土 4.75mm4.75mm，沥青混合料沥青混合料 2.36mm2.36mm3 3最大粒径最大粒径（1 1）集料最大粒径：）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 2）集料公称最大粒径）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指集料可能全部通过或允许有少量不通过(一般容许一般容许筛余不超过筛余不超过10%)10%)的最小标准筛筛孔尺寸。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。通常集料公称最大粒径比最大粒径要小
8、一个粒级。第24页/共68页4 4标准筛标准筛 统一规定筛孔规格及筛孔大小变化要求的套筛称统一规定筛孔规格及筛孔大小变化要求的套筛称为为标准筛标准筛。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标准筛，以方孔筛为准，相应的筛孔尺寸依次为75mm75mm、63mm63mm、53mm53mm、37.5mm37.5mm、31.5mm31.5mm、26.5mm26.5mm、19mm19mm、16mm16mm、13.2mm13.2mm、9.5mm9.5mm、4.75mm4.75mm、2.36mm2.36mm、1.18mm1.1
9、8mm、0.6mm0.6mm、0.3mm0.3mm、0.15mm0.15mm、0.075mm0.075mm；对集料颗粒大小的划分和相应筛分试验都要依靠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。标准筛来进行。第25页/共68页筛析试验用套筛第26页/共68页一、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
10、体积第27页/共68页图1-6 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颗粒之间的空间体积第28页/共68页图1-7 细集料堆积密度试验仪具示意图第29页/共68页（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，并评价集料的骨架结构。第30页/共68页（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
11、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。第31页/共68页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。第32页/共68页碎石受压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。第33页/共68页泥是指砂中粒径小于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
12、小于2.36mm（细集料小于0.6mm）的颗粒含量。4含泥量和泥块含量第34页/共68页粗集料的力学性能 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性质 物理常数：密度、空隙率 吸水性：吸水率、饱水率 抗冻性第35页/共68页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筛上集料质量二、粗
13、集料力学性质第36页/共68页压碎指标值测试仪具尺寸图1020mm集料分二层夯实，在集料分二层夯实，在35min加荷至加荷至 Pmax=200kN，恒压，恒压5s后，脱膜后过后，脱膜后过2.36mm筛筛试验集料第37页/共68页压碎值测试仪将将1216mm碎石分三层夯实，在碎石分三层夯实，在010min加压加压至至400kN，立即卸载，过，立即卸载，过2.36mm筛筛试验集料容器第38页/共68页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：式中：m1磨耗前的试件质量（磨耗前的试件质量（g）m2
14、磨耗后的试件质量（磨耗后的试件质量（g）t集料的饱和面干密度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：式中：m0冲击前试样质量；冲击前试样质量；m1冲击后粒径小于冲击后粒径小于2.36mm集料试样质量集料试样质量第39页/共68页磨光机磨光值试件试件试件（金刚砂），经（金刚砂），经6h磨光后，磨光后，用摆式仪测摩擦系数（用摆式仪测摩擦系数（BPN）磨光磨光值值第40页/共68页图1-15道瑞 Dorry（英国）磨耗仪第41页/共68页图1-16 冲击值仪1015mm集料，集料，1kg分三次夯实。分三次夯实。冲击锤至冲击锤至3805mm处自由落下，重复处自
15、由落下，重复15次。次。将受冲击后的集料过筛（将受冲击后的集料过筛（2.36mm），称重。），称重。第42页/共68页密度类型密度类型真密度真密度表观密度表观密度毛体积密度毛体积密度表干密度表干密度装填密度装填密度定义定义石料矿石料矿质实体质实体单位真单位真实体积实体积的质量的质量石料矿质实石料矿质实体包括闭口体包括闭口孔隙在内的孔隙在内的单位表观体单位表观体积的质量积的质量石料矿质实体包石料矿质实体包括孔隙（闭口、括孔隙（闭口、开口孔隙）体积开口孔隙）体积在内的单位毛体在内的单位毛体积的质量积的质量单位毛体积单位毛体积（包括集料（包括集料矿质实体体矿质实体体积及全部孔积及全部孔隙体积）的隙体
16、积）的饱和面干质饱和面干质量量集料颗粒矿质实集料颗粒矿质实体的单位装填体体的单位装填体积（包括集料颗积（包括集料颗粒间空隙体积、粒间空隙体积、集料矿质实体及集料矿质实体及全部孔隙体积）全部孔隙体积）的质量的质量计算公式计算公式主要用途主要用途确定石确定石料、水料、水泥及矿泥及矿粉的密粉的密度，计度，计算石料算石料的孔隙的孔隙率和混率和混合料的合料的配合比配合比确定粗细集确定粗细集料的密度，料的密度，用于混合料用于混合料的配合比和的配合比和空隙率的计空隙率的计算算计算石料的孔隙计算石料的孔隙率和集料的骨架率和集料的骨架间隙率间隙率可用于集料可用于集料磨耗值计算磨耗值计算计算集料的空隙计算集料的空
17、隙率率砂 石 材 料 密 度 概 念 小 结第43页/共68页第三节 矿质混合料的组成设计v 矿质混合料的级配理论v 矿质混合料的组成设计矿质混合料的组成设计第44页/共68页 矿质混合料的级配理论级配研究意义：级配研究意义：探讨级配对集料性能探讨级配对集料性能密度和内摩阻力的影响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。第45页/共68页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、1.2
18、5、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、矿质混合料的级配第46页/共68页级配的几种情况骨架-空隙结构悬浮-密实结构密实-骨架结构第47页/共68页标准筛第48页/共68页（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第49页/共68
19、页（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级配类型示意图第50页/共68页图1-10 级配曲线示意图 作图：纵坐标为通过百分率作图：纵坐标为通过百分率P P()常数坐标常数坐标 横坐标为筛孔尺寸横坐标为筛孔尺寸(mm)(mm)注意：坐标单位注意：坐标单位 注明不同曲线意义注明不同曲线意义 判断集料级配是否符合要求判断集料级配是否符合要求第51页/共68页（1 1）连续级配）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。这种由大到粒由大到小连续分布，
20、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合料，称为小逐级粒径都有，并按比例互相搭配组成的矿质混合料，称为连续级配混合料。连续级配混合料。（2 2）间断级配：）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。几个粒级，形成一种不连续的级配，成为所谓的间断级配。（3 3）连续开级配：）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。在数个粒级
21、上以连续的形式出现，形成所谓的连续开级配。第52页/共68页 图1-17 级配类型示意图 第53页/共68页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级配指数第54页/共68页级配范围曲线 n=0.45，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=0.250.45，工作性较好，工作性较好第55页/共68页Superpave级配要求控制点禁区禁区控制点n=0.45第56页/共68页二、矿质混合料配合比设计
22、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 图解法第57页/共68页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第58页/共68页2）计算过程 已知：集料 混合料 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 计算方程：XYZ100 (1)d=i时：X.aA(i)+Y.aB(
23、i)+Z.aC(i)aM(i)(2)ABCM+第59页/共68页 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确定确定A集料中占优势含量的粒径：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：第60页/共68页步骤：计算C集料在矿质混合料中的用量Z确定确定C料中占优势的粒径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%忽略忽略A、C集料同一粒径含量集料同一粒径含量:aA(j
24、)=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%第61页/共68页 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第62页/共68页筛孔尺寸筛孔尺寸di（mm）集料集料A集料集料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
25、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所选择的粒径应在该集料中占有较大的优势所选择的粒径应在该集料中占有较大的优势所选择的粒径应在该集料中占有较大的优势第63页/共68页第64页/共68页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
26、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第65页/共68页筛孔尺寸筛孔尺寸(mm)16.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075级配范围级配范围(mm)1009510070884868365324411830122281648级配中值级配中值(mm)100987957453324171269879574533241260.0759.513.24.752.360.61.180.30.15第66页/共68页图解法用图 相叠等分纵距：两相邻级配曲线头尾重叠相叠等分纵距：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相离等分平距：两相邻级配曲线头尾相分b=bX（A用量）W（D用量）Z（C用量）Y（B用量）第67页/共68页感谢您的观看！第68页/共68页