瀝青混合料 第三章-石料與集料課件

瀝青混合料第三章石料與集料學(xué)習(xí)目的與任務(wù)：1、介紹石料的巖石學(xué)特征、闡述石料與集料的主要技術(shù)性能及主要評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)；2、討論集料的級(jí)配概念和級(jí)配理論，并以此為基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)礦料的配合比設(shè)計(jì)方法。學(xué)習(xí)要求：了解石料和集料的技術(shù)性質(zhì)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；掌握級(jí)配理論和組成設(shè)計(jì)方法。石料和集料（亦稱(chēng)骨料）統(tǒng)稱(chēng)為砂石材料，是道路與橋梁建設(shè)中用量最大的一種建筑材料，它們可以用作道路與橋梁工程的圬工材料，也是瀝青混合料和水泥混凝土中最重要的基本原料。因此，全面的認(rèn)識(shí)、合理的選擇以及正確的使用石料和集料，對(duì)于保證道路建筑工程的質(zhì)量有著不可忽視的重要意義。1）巖漿巖巖漿巖是巖漿冷凝而成的巖石，它是所有巖石中最原始的巖石。巖漿巖按冷卻條件可分為深成巖（如花崗巖、正長(zhǎng)巖等）、噴出巖（如玄武巖、安山巖等）和火山巖（如火山凝灰?guī)r等）。巖漿巖具有優(yōu)良的工程性質(zhì)，在道路工程中用途廣泛。深成巖具有密度大、抗壓強(qiáng)度高、吸水性和抗凍性好的優(yōu)點(diǎn)；火山巖多孔、質(zhì)輕，是良好的保溫建筑材料和水泥混合材料；噴出巖的物理力學(xué)性質(zhì)介于巖漿巖與火山巖之間。2．巖石分類(lèi)

巖石的性質(zhì)除了與構(gòu)成巖石的礦物有關(guān)之外，還取決于不同的成巖條件。根據(jù)成巖條件將巖石分成三類(lèi)：巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖。2）沉積巖沉積巖是由母巖（巖漿巖、變質(zhì)巖和已形成的沉積巖）在地表風(fēng)化剝蝕，經(jīng)過(guò)搬運(yùn)、沉積和石化等作用而形成的巖石，它占地表的66%，是地表的主要巖類(lèi)。沉積巖可分為碎屑巖類(lèi)（如凝灰?guī)r、礫巖等）、粘土巖類(lèi)（如頁(yè)巖、泥巖等）和化學(xué)及生物化學(xué)巖類(lèi)（如石灰?guī)r、白云巖等）。沉積巖的物理力學(xué)性質(zhì)與礦物、巖屑的成分以及膠結(jié)物質(zhì)的性能有很大關(guān)系，通常表現(xiàn)出各向異性的特點(diǎn)。與深成巖相比，沉積巖密度小、孔隙率和吸水率大、強(qiáng)度低、耐久性差。3）變質(zhì)巖變質(zhì)巖是原生的巖漿巖或沉積巖經(jīng)過(guò)地質(zhì)上的變質(zhì)作用而形成的巖石。變質(zhì)巖可分為片理狀巖類(lèi)（如片巖、千枚巖等）和塊狀巖類(lèi)（如大理巖、石英巖等）。變質(zhì)巖的物理力學(xué)性質(zhì)不僅與原巖性質(zhì)有關(guān)，而且與變質(zhì)作用條件及變質(zhì)程度有關(guān)。由沉積巖的得到的變質(zhì)巖受高壓和重結(jié)晶作用，比原巖更加堅(jiān)固耐久；由深成巖得到的變質(zhì)巖經(jīng)變質(zhì)作用后產(chǎn)生片狀結(jié)構(gòu)，耐久性降低。3.常見(jiàn)巖石種類(lèi)

巖石種類(lèi)繁多，并且很難找到嚴(yán)格按照上面分類(lèi)的單一種類(lèi)巖石，多為幾種巖石的組合體。因此，在選巖時(shí)要嚴(yán)格按照規(guī)范要求，對(duì)巖相、巖性進(jìn)行細(xì)致的鑒定，從而避免因選巖不當(dāng)造成的負(fù)面影響。

二、石料的物理性質(zhì)

1．物理常數(shù)

物理常數(shù)主要指石料的密度和孔隙率，此類(lèi)常數(shù)能夠直接影響到石料的力學(xué)性質(zhì)，也是將石料用于混合料配合比設(shè)計(jì)的參數(shù)之一。1）密度

定義：在規(guī)定條件下（大多指規(guī)定的溫度），石料礦質(zhì)實(shí)體單位體積的質(zhì)量。由于石料在組成結(jié)構(gòu)上或多或少存在著孔隙，而孔隙又分為與外界連通的開(kāi)口孔隙和與外界不連通的閉口孔隙，所以石料（包括集料）的密度就有數(shù)種不同形式。圖1-5石料組成部分的質(zhì)量與體積關(guān)系示意圖a)石料結(jié)構(gòu)剖面圖；b）石料的體積與質(zhì)量的關(guān)系（2）毛體積密度

毛體積密度是指在規(guī)定條件下，烘干石料礦質(zhì)實(shí)體包括孔隙（閉口、開(kāi)口孔隙）體積在內(nèi)的單位毛體積的質(zhì)量，由如下公式計(jì)算。2．吸水性石料在規(guī)定的條件下吸入水分的能力稱(chēng)為吸水性，通常用吸水率與飽和吸水率來(lái)表征，它能有效反映石料微裂縫的發(fā)育程度，可用來(lái)判斷石料的抗凍和抗風(fēng)化等性能。1）吸水率吸水率是指在規(guī)定條件下，試件最大吸水質(zhì)量與烘干石料試件質(zhì)量之比。測(cè)定石料的吸水率是將已知質(zhì)量的干燥規(guī)則試件逐層加水至浸沒(méi)，用自由吸水法測(cè)定其吸水后質(zhì)量，按下式計(jì)算。

2）飽水率飽水率是指在強(qiáng)制條件下，石料試件的最大吸水質(zhì)量與烘干試件質(zhì)量之比。測(cè)定石料的飽和吸水率是將已知質(zhì)量的干燥規(guī)則試件用煮沸法或真空抽氣法強(qiáng)制飽水，測(cè)定其飽水后的質(zhì)量，按下式計(jì)算。3）飽水系數(shù)飽水系數(shù)是指巖石吸水率與飽和吸水率之比。它是評(píng)價(jià)巖石抗凍性的一種指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，石料的飽水系數(shù)為0.5～0.8。飽水系數(shù)越大，說(shuō)明常壓下吸水后留余的空間有限，巖石越容易被凍脹破壞，因而巖石的抗凍性就差。3．抗凍性

抗凍性是指石料在飽水狀態(tài)下,能夠經(jīng)受反復(fù)凍結(jié)和融化而不破壞,并不嚴(yán)重降低強(qiáng)度的能力。抗凍性試驗(yàn)是指試件在浸水條件下，經(jīng)多次凍結(jié)與融化作用后測(cè)定試件的質(zhì)量損失以及單軸飽水抗壓強(qiáng)度的變化。巖石的抗凍性用兩個(gè)直接指標(biāo)表示，一個(gè)為凍融系數(shù)，另一個(gè)為質(zhì)量損失率。凍融系數(shù)：是凍融試驗(yàn)后試件飽水抗壓強(qiáng)度與凍融試驗(yàn)前試件飽水抗壓強(qiáng)度之比

質(zhì)量損失率：凍融試驗(yàn)前后的干試件質(zhì)量差與凍融前干試件質(zhì)量的比值一般認(rèn)為凍融系數(shù)大于75％，質(zhì)量損失率小于2％時(shí)，為抗凍性好的巖石。吸水率小于0.5％，軟化系數(shù)大于0.75以及飽水系數(shù)小于0.8的巖石，具有足夠的抗凍性。對(duì)于一般道路工程，往往根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定是否需要進(jìn)行巖石的抗凍性試驗(yàn)。三、石料的力學(xué)性質(zhì)1．單軸抗壓強(qiáng)度單軸抗壓強(qiáng)度是反映石料力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)。石料的單軸抗壓強(qiáng)度是將石料制備成規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試件，經(jīng)飽水處理后在單軸受壓并按規(guī)定的加載條件下，達(dá)到極限破壞時(shí)單位承壓面積的強(qiáng)度，石料單軸抗壓強(qiáng)度值取決于內(nèi)因和外因兩方面因素。內(nèi)因主要指石料的組成結(jié)構(gòu)，如礦物組成、巖石的結(jié)構(gòu)及孔隙構(gòu)造、裂隙的分布；外因主要指試驗(yàn)條件，如試件幾何尺寸、加載速率、溫度和濕度等。四、石料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)石料所屬巖石類(lèi)型，將石料分成四大類(lèi)：巖漿巖、石灰?guī)r、砂巖或片麻巖以及礫巖；再依據(jù)石料的抗壓強(qiáng)度的高低和磨耗率的大小將每種類(lèi)型巖石劃分成四個(gè)等級(jí)。1．按粒徑大小分類(lèi)粗集料是指粒徑大于2.36mm（瀝青混合料）或4.75mm（水泥混凝土）的集料。細(xì)集料是指粒徑小于2.36mm（瀝青混合料）或4.75mm（水泥混凝土）的集料。礦粉也稱(chēng)填料，是指由石灰?guī)r或巖漿巖等憎水性堿類(lèi)石料經(jīng)磨細(xì)加工得到的以小于0.075mm顆粒為主的礦質(zhì)粉末。第二節(jié)集料的技術(shù)性質(zhì)1．物理常數(shù)1）密度集料是礦質(zhì)顆粒的散狀混合物，不僅包括礦物及礦物間的開(kāi)口孔隙和閉口孔隙，還包括礦質(zhì)顆粒間的空隙。集料的體積和質(zhì)量的關(guān)系如圖所示。一、集料的物理性質(zhì)集料組成質(zhì)量與體積關(guān)系示意圖①表觀密度、毛體積密度

②堆積密度堆積密度是指單位體積（含物質(zhì)顆粒固體及其閉口、開(kāi)口孔隙體積及顆粒間空隙體積）物質(zhì)顆粒的質(zhì)量，分為松散堆積密度與振實(shí)堆積密度集料的堆積密度分為自然堆積密度、振實(shí)密度和搗實(shí)密度。1）自然堆積密度是指以自由落入方式裝填集料，所測(cè)的密度又稱(chēng)為松裝密度；2）振實(shí)密度是將集料分三層裝入容器筒中，在容器底部放置一根直徑25mm的圓鋼筋，每裝一層集料后，將容器筒左右交替顛擊地面25次；3）搗實(shí)密度是將集料分三層裝入容器中，每層用搗棒搗實(shí)25次。3）粗集料骨架間隙率骨架間隙率通常指4.75mm以上粗集料在搗實(shí)狀態(tài)下顆粒間空隙體積的百分含量。粗集料骨架間隙率的大小用于確定混合料中細(xì)集料和結(jié)合料的數(shù)量，并評(píng)價(jià)集料的骨架結(jié)構(gòu)。4）細(xì)集料的棱角性細(xì)集料的棱角性對(duì)瀝青混合料和水泥混凝土的施工性能和使用性能有重要的影響，尤其是對(duì)瀝青混合料的抗流動(dòng)變形能力以及水泥混凝土的和易性更為顯著。細(xì)集料的棱角性試驗(yàn)可采用間隙率法和流動(dòng)時(shí)間法測(cè)定。棱角性試驗(yàn)采用細(xì)集料棱角性測(cè)定儀，測(cè)定一定量的細(xì)集料通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)漏斗裝入標(biāo)準(zhǔn)容器中的間隙率來(lái)表征細(xì)集料的棱角性。流動(dòng)時(shí)間法采用細(xì)集料流動(dòng)時(shí)間測(cè)定儀，通過(guò)測(cè)定一定體積的細(xì)集料（機(jī)制砂、石屑、天然砂）全部通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)漏斗所需要的流動(dòng)時(shí)間來(lái)表征細(xì)集料的棱角性。2.集料的級(jí)配級(jí)配是指集料中各種粒徑顆粒的搭配比例或分布情況。級(jí)配對(duì)水泥混凝土及瀝青混合料的強(qiáng)度、穩(wěn)定性及施工和易性有著顯著的影響，級(jí)配設(shè)計(jì)也是水泥混凝土和瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)的重要組成部分3．集料的顆粒形狀與表面特征集料的性質(zhì)除了與形成集料的巖石特征和孔隙結(jié)構(gòu)等有直接關(guān)系之外，還與集料的顆粒形狀和表面特征有一定的關(guān)系。因?yàn)榧系男螤詈捅砻嫣卣鞫紝⒂绊懠项w粒間的內(nèi)摩阻力、集料顆粒與結(jié)合料粘結(jié)性及吸附性等方面。1）理想的集料顆粒形狀是球狀或立方體，而扁平、薄片、細(xì)長(zhǎng)狀的顆粒不僅增加集料的空隙率，還對(duì)施工的和易性和混凝土強(qiáng)度造成不利影響；針片狀顆粒的定義：最大長(zhǎng)度與厚度之比大于3的顆粒。2）集料表面特征指集料的粗糙程度和孔隙特征。表面粗糙的集料顆粒有較顯著的摩阻力，同時(shí)也會(huì)影響集料的施工和易性；粗糙且有吸收水泥漿和瀝青輕組分的孔隙特征的集料與結(jié)合料的粘結(jié)能力較強(qiáng)。4．含泥量和泥塊含量泥是指砂中粒徑小于0.075mm的顆粒，泥塊是指粗集料原尺寸大于4.75mm（或細(xì)集料大于1.18mm），但經(jīng)水浸洗、手捏后小于2.36mm（細(xì)集料小于0.6mm）的顆粒含量。集料中的泥塊主要以三種形式存在：由純泥組成的團(tuán)塊，由砂、石屑與泥組成的團(tuán)塊，包裹在集料顆粒表面的泥土。二、集料的力學(xué)性質(zhì)1．壓碎值集料壓碎值是集料在連續(xù)增加的荷載下抵抗壓碎的能力，是衡量集料強(qiáng)度的一個(gè)相對(duì)指標(biāo)，用以鑒定集料品質(zhì)。集料的壓碎值是對(duì)石料的標(biāo)準(zhǔn)試樣在規(guī)定條件下加荷，測(cè)試石料被壓碎后，2.36mm標(biāo)準(zhǔn)篩上通過(guò)質(zhì)量的百分率。2、磨光值磨光值是反映集料抵抗輪胎磨光作用能力的指標(biāo)。使用高磨光值的集料（如玄武巖、安山巖、砂巖和花崗巖等）鋪筑道路表層路面，可提高路表的抗滑能力，保障車(chē)輛的安全行駛。集料的磨光值是將9.5mm-13.2mm并剔除針片狀顆粒的集料制成試件，加速磨光后測(cè)定磨光后集料的摩擦系數(shù)PSVra3．沖擊值沖擊值反映了集料抵抗多次連續(xù)重復(fù)沖擊荷載作用的能力。對(duì)于路面表層，沖擊值是一項(xiàng)重要的檢測(cè)指標(biāo)。集料的沖擊值試驗(yàn)是按規(guī)定方法稱(chēng)取9.5-13.2mm集料試樣質(zhì)量，并將其裝入鋼筒中搗實(shí)，然后用質(zhì)量為13.75kg的沖擊錘沿導(dǎo)桿自380±5mm處自由下落按規(guī)定連續(xù)錘擊集料，測(cè)試試驗(yàn)后集料2.36mm標(biāo)準(zhǔn)篩上通過(guò)質(zhì)量百分率。4、磨耗值磨耗值反映了集料抵抗車(chē)輪撞擊及磨耗的能力，一般磨耗損失小的集料堅(jiān)硬、耐磨并且耐久性好。瀝青混合料和基層所用集料的磨耗值一般采用洛杉磯試驗(yàn)，瀝青混合料抗滑表層所用集料的磨耗值通常采用道瑞試驗(yàn)。

洛杉磯磨耗試驗(yàn)又稱(chēng)擱板式磨耗試驗(yàn)，是將按規(guī)定級(jí)配組成的集料與一定數(shù)目的鋼球同時(shí)加入洛杉磯磨耗試驗(yàn)機(jī)的磨耗鼓中，磨耗鼓在規(guī)定條件下旋轉(zhuǎn)摩擦500次后取出集料試樣，測(cè)試試驗(yàn)后集料1.17mm標(biāo)準(zhǔn)篩上通過(guò)質(zhì)量百分率。

道瑞磨耗試驗(yàn)是將粒徑為9.5-13.2mm的潔凈干燥集料試樣單層緊排于兩個(gè)試模內(nèi)，然后排砂并用環(huán)氧樹(shù)脂砂漿填充密實(shí)，經(jīng)24h養(yǎng)護(hù)后拆模清砂取出試件并稱(chēng)其質(zhì)量m1，再將試件固定于道瑞磨耗機(jī)上，在規(guī)定條件下旋轉(zhuǎn)摩擦500圈后，取出試件，清砂后稱(chēng)取質(zhì)量m2，可按下式計(jì)算。三、巖石集料的技術(shù)要求1．粗集料的技術(shù)要求

2．細(xì)集料的技術(shù)要求

礦質(zhì)混合料就是能夠滿(mǎn)足級(jí)配要求的各種粒徑材料的集合體，簡(jiǎn)稱(chēng)礦料。在水泥混凝土或?yàn)r青混合料中，所用集料顆粒的粒徑尺寸范圍較大，而天然或人工軋制的一種集料往往僅有幾種粒徑尺寸的顆粒組成，難以滿(mǎn)足工程對(duì)某一混合料的目標(biāo)設(shè)計(jì)級(jí)配范圍的要求，因此需要將兩種或兩種以上的集料配合使用。確定幾種集料混合時(shí)各自比例的過(guò)程就是礦料的組成設(shè)計(jì)，進(jìn)行礦質(zhì)混合料組成設(shè)計(jì)，必須道先明確目標(biāo)級(jí)配范圍，為此首先應(yīng)掌握級(jí)配組成為礦料技術(shù)性能的影響。第三節(jié)集料的級(jí)配與級(jí)配理論一、礦質(zhì)混合料的級(jí)配1．集料級(jí)配的表示方法1）篩分試驗(yàn)：集料中各組成顆粒的分級(jí)和搭配稱(chēng)為級(jí)配，級(jí)配通過(guò)篩分試驗(yàn)確定。篩分試驗(yàn)是將集料通過(guò)一系列規(guī)定篩孔尺寸的標(biāo)準(zhǔn)篩，測(cè)定存留在各個(gè)篩上的集料質(zhì)量，根據(jù)集料試樣的質(zhì)量與存留在各篩孔上的集料質(zhì)量，就可求得一系列與集料級(jí)配有關(guān)的參數(shù)，即分計(jì)篩余百分率、累計(jì)篩余百分率和通過(guò)百分率。（1）分計(jì)篩余百分率：某級(jí)篩孔尺寸上的篩余質(zhì)量占試樣總質(zhì)量的百分率。（2）累計(jì)篩余百分率：某級(jí)篩孔尺寸上的分計(jì)篩余百分率和大于此篩孔尺寸上的各級(jí)篩孔尺寸的分計(jì)篩余百分率之和。（3）通過(guò)百分率：通過(guò)某級(jí)篩孔尺寸的質(zhì)量占試樣總質(zhì)量的百分率，也就是100與累計(jì)篩余百分率之差。2）細(xì)度模數(shù)：細(xì)度模數(shù)是評(píng)價(jià)細(xì)集料粗細(xì)程度的一種指標(biāo)，是各級(jí)篩孔尺寸的累計(jì)篩余百分率之和與100的比值。篩孔直徑分別為：(4.75mm)、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm細(xì)度模數(shù)在數(shù)值上很大程度決定于粗顆粒含量，并且與小于0.15mm的顆粒含量無(wú)關(guān)，所以細(xì)度模數(shù)在一定程度上能反映細(xì)集料的粗細(xì)概念，但由于不同級(jí)配的細(xì)集料可以具有相同的細(xì)度模數(shù)，其并不能全面反映細(xì)集料的粒徑分布情況。

細(xì)度模數(shù)越大，表示細(xì)集料越粗。粗砂μf=3.1-3.7；中砂μf=2.3-3.0；細(xì)砂μf=1.6-2.2。篩孔尺寸9.54.752.361.180.60.30.150.075篩底總計(jì)篩余質(zhì)量，g015639910511575226500分計(jì)篩余百分率，%0312.619.82123154.41.2100累計(jì)篩余百分率，%0315.635.456.479.494.498.8100-通過(guò)百分率，%1009784.464.643.620.65.61.20-例：分析某細(xì)集料的級(jí)配組成并計(jì)算其細(xì)度模數(shù)故屬于中砂3）集料的級(jí)配曲線(xiàn)（1）級(jí)配曲線(xiàn)的繪制為了直觀形象地表示礦料各粒徑的顆粒分布狀況，常常采用級(jí)配曲線(xiàn)的方式來(lái)描述礦料級(jí)配。做法是以通過(guò)量的百分率為縱坐標(biāo)，篩孔尺寸為橫坐標(biāo)，將各篩上的通過(guò)量繪制在坐標(biāo)圖中，然后用曲線(xiàn)將各點(diǎn)連接起來(lái)，成為所謂的級(jí)配曲線(xiàn)。由于標(biāo)準(zhǔn)套篩的篩孔分布是按1/2遞減的方式設(shè)置，在描繪橫坐標(biāo)篩孔位置時(shí)，造成前疏后密的問(wèn)題，以至到小孔徑時(shí)無(wú)法清楚將其位置確定。所以在繪制級(jí)配曲線(xiàn)的橫坐標(biāo)時(shí)采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)（而相應(yīng)縱坐標(biāo)上的通過(guò)量仍采用常坐標(biāo)），以方便級(jí)配曲線(xiàn)圖的繪制。圖1-3

集料級(jí)配曲線(xiàn)示意圖a）常數(shù)坐標(biāo)；b）半對(duì)數(shù)坐標(biāo)（2）級(jí)配曲線(xiàn)類(lèi)型粗細(xì)不同的粒徑按照一定的比例組合搭配在一起，以達(dá)到較高的密實(shí)程度，根據(jù)搭配組成的結(jié)果，可得到以下幾種不同級(jí)配形式。

①連續(xù)級(jí)配：連續(xù)級(jí)配是某一礦料在標(biāo)準(zhǔn)套篩中進(jìn)行篩分后，礦料的顆粒由大到小連續(xù)分布，每一級(jí)都占有適當(dāng)?shù)谋壤＿@種由大到小逐級(jí)粒徑都有，并按比例互相搭配組成的礦質(zhì)混合料，稱(chēng)為連續(xù)級(jí)配混合料。

2．級(jí)配組成對(duì)礦料性能的影響

礦料的級(jí)配組成直接決定礦料的兩大特點(diǎn)：礦料密實(shí)度和礦料顆粒間內(nèi)摩阻力。從而影響到水泥混凝土或?yàn)r青混合料的強(qiáng)度、耐久性和施工和易性。②間斷級(jí)配：在礦料顆粒分布的整個(gè)區(qū)間里，從中間剔除一個(gè)或連續(xù)幾個(gè)粒級(jí)，形成一種不連續(xù)的級(jí)配，成為所謂的間斷級(jí)配。不同級(jí)配類(lèi)型的級(jí)配曲線(xiàn)

在混合料中是以結(jié)合料（水泥或?yàn)r青）來(lái)填充集料的空隙并包裹集料。所以，集料空隙越大，填充集料顆?？障端璧慕Y(jié)合料越多；集料的總表面積越大，包裹集料