道路工程材料課件：第一章-砂石材料

第一章石料與集料道路工程材料道路工程材料第一章石料與集料第一章石料與集料1.1石料1.2集料1.3礦質(zhì)混合料的組成設(shè)計(jì)1.4石料與集料的工程應(yīng)用道路工程材料第一章石料與集料1.1石料石料的物理力學(xué)性質(zhì)在很大程度上取決于天然巖石的礦物成分，以及這些礦物在巖石中的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造。石料是天然巖石經(jīng)機(jī)械加工制成的，或者直接開采得到具有一定形狀和尺寸的石料制品。一、石料的巖石學(xué)特性1造巖礦物造巖礦物巖石地質(zhì)作用石英、云母、長石；角閃石、方解石、白云石、黃鐵礦、石膏、菱鎂礦、赤鐵礦燈。道路工程材料第一章石料與集料1.1石料2巖石的分類一、石料的巖石學(xué)特性按成巖條件分巖漿巖沉積巖變質(zhì)巖——片理狀巖、塊狀巖深成巖噴出巖火山巖花崗巖、正長巖、輝長石玄武巖、安山巖、輝綠巖石灰?guī)r、頁巖、砂巖、石膏，散粒狀的粘土、砂、卵石道路工程材料第一章石料與集料1.1石料二、石料的物理性質(zhì)物理常數(shù)吸水性抗凍性道路工程材料第一章石料與集料1.1石料二、石料的物理性質(zhì)物理常數(shù)石料的物理常數(shù)是反映材料礦物組成、結(jié)構(gòu)狀態(tài)和特征的參數(shù)。常用物理常數(shù)是密度和孔隙率。m0VnMmSViVsVV0閉口孔隙礦物實(shí)體開口孔隙圖1-1石料組成部分的質(zhì)量與體積關(guān)系示意圖1道路工程材料第一章石料與集料1.1石料二、石料的物理性質(zhì)物理常數(shù)——1密度規(guī)定條件下，石料礦質(zhì)實(shí)體單位體積的質(zhì)量。真實(shí)密度表觀密度毛體積密度道路工程材料第一章石料與集料1.1石料規(guī)定條件下，烘干石料礦質(zhì)實(shí)體單位真實(shí)體積的質(zhì)量。二、石料的物理性質(zhì)物理常數(shù)1密度——真實(shí)密度m0VnMmSViVsVV0閉口孔隙礦物實(shí)體開口孔隙道路工程材料第一章石料與集料1.1石料二、石料的物理性質(zhì)物理常數(shù)1密度——表觀密度規(guī)定條件下，烘干石料礦質(zhì)實(shí)體單位表觀體積（包括閉口孔隙）的質(zhì)量。m0VnMmSViVsVV0閉口孔隙礦物實(shí)體開口孔隙道路工程材料第一章石料與集料1.1石料二、石料的物理性質(zhì)物理常數(shù)1密度——毛體積密度規(guī)定條件下，烘干石料礦質(zhì)實(shí)體單位毛體積（包括閉口、開口孔隙）的質(zhì)量。道路工程材料第一章石料與集料1.1石料二、石料的物理性質(zhì)物理常數(shù)——1石料孔隙體積占石料總體積（包括開口孔隙和閉口孔隙體積）的百分率。孔隙率道路工程材料第一章石料與集料①吸水率：常溫（20±2℃）、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101.325kPa)

，最大的吸水質(zhì)量占干燥試樣質(zhì)量的百分比。②飽水率：常溫、真空抽氣（2.67kPa），最大吸水質(zhì)量占干燥試樣質(zhì)量的百分比。1.1石料二、石料的物理性質(zhì)吸水性2材料吸入水分的能力。包括吸水率和飽水吸水率。道路工程材料第一章石料與集料1.1石料直接凍融法堅(jiān)固性法二、石料的物理性質(zhì)抗凍性3石料在水飽和狀態(tài)下，能經(jīng)受反復(fù)凍融而不破壞，并不嚴(yán)重降低強(qiáng)度的能力。孔隙構(gòu)造、吸水性道路工程材料第一章石料與集料1.1石料直接凍融法（凍融循環(huán)試驗(yàn)：吸水飽和，-15℃冰凍←→常溫融解）

循環(huán)若干次(15、25、50次)二、石料的物理性質(zhì)抗凍性3凍融系數(shù)4h石料——直徑、高50mm圓柱體試件，50mm正方體試件，在105±5℃烘干。質(zhì)量損失率道路工程材料第一章石料與集料①道路試件:50×50×50±2mm立方體

φ50×H50±2mm的圓柱體②橋梁試件:70×70×70±2mm立方體1.1石料三、石料的力學(xué)性質(zhì)石料的抗壓強(qiáng)度1試件類型圖1-2石料抗壓試件道路工程材料第一章石料與集料1.1石料材料的礦物成分結(jié)構(gòu)和構(gòu)造P——試驗(yàn)時石料試件破壞的極限荷載，NA——石料試件的受力截面積，mm2三、石料的力學(xué)性質(zhì)石料的抗壓強(qiáng)度1影響因素試件尺寸加荷速率濕度等內(nèi)因外因?qū)υ嚰査幚砗笫┘雍奢d直至破壞。道路工程材料第一章石料與集料1.1石料三、石料的力學(xué)性質(zhì)磨耗率2石料抵抗撞擊、摩擦的聯(lián)合作用的能力。洛杉磯磨耗試驗(yàn)狄法爾磨耗試驗(yàn)道路工程材料第一章石料與集料

式中：m2——試驗(yàn)后2mm篩上烘干石料試樣質(zhì)量；

m1——試驗(yàn)前烘干石料試樣質(zhì)量。1.1石料三、石料的力學(xué)性質(zhì)磨耗率——狄法爾法（雙筒式）2

50塊石料（50～75mm），單一粒徑，質(zhì)量5000g左右，轉(zhuǎn)速30～33r/min，轉(zhuǎn)10,000轉(zhuǎn)（5.5～5.0h）磨耗率計(jì)算公式：道路工程材料第一章石料與集料圖1-3雙筒式磨耗儀示意圖①耗時長達(dá)5h以上②試件尺寸單一（50～75mm），與路用實(shí)際情況不符合

③石料間相互作用，不同性質(zhì)石料的磨耗率相差不大狄法爾法（雙筒式）道路工程材料第一章石料與集料試樣為~5000g有一定級配的集料，加入鋼球12個φ48mm，~5000g。轉(zhuǎn)速30～33r/min，轉(zhuǎn)500轉(zhuǎn)。1.1石料三、石料的力學(xué)性質(zhì)磨耗率——洛杉磯法（擱板式）2

式中：m2——試驗(yàn)后2mm篩上烘干石料試樣質(zhì)量；

m1——試驗(yàn)前烘干石料試樣質(zhì)量。道路工程材料第一章石料與集料圖1-4擱板式磨耗儀示意圖①省時：15min左右②使石料受到更嚴(yán)峻的沖擊、剪切、摩擦作用，石料級差大③試樣級配較符合路用狀況洛杉磯法（擱板式）道路工程材料第一章石料與集料1.分類：按照成巖條件、風(fēng)化程度等①巖漿巖類（火成巖）②石灰?guī)r類（沉積巖）③砂巖與片麻巖類（變質(zhì)巖）④礫石巖（天然風(fēng)化）2.分級指標(biāo)：飽水抗壓強(qiáng)度和磨耗率①最堅(jiān)強(qiáng)②堅(jiān)強(qiáng)③中等堅(jiān)強(qiáng)④較弱軟1.1石料四、石料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)道路工程材料第一章石料與集料物理性質(zhì)物理常數(shù)：密度（真實(shí)密度、表觀密度、毛體積密度）、孔隙率吸水性：吸水率、飽水率抗凍性力學(xué)性質(zhì)抗壓強(qiáng)度：單位面積上所能承受的最大荷載磨耗率：石料抵抗撞擊、剪切和摩擦綜合作用的能力1.1石料道路工程材料第一章石料與集料1.2集料

集料是由不同粒徑礦質(zhì)顆粒組成的混合料。包括各種天然砂、人工砂、卵石、碎石以及各類工業(yè)冶金礦渣。天然砂、人工砂——粒徑<4.75mm卵石、碎石——粒徑>4.75mm粗集料細(xì)集料分界尺寸：4.75mm(水泥混凝土)2.36mm(瀝青混凝土)道路工程材料第一章石料與集料1.2集料一、集料的物理性質(zhì)物理常數(shù)密度空隙率集料的級配集料的顆粒形狀與表面特征含泥量和泥塊含量道路工程材料第一章石料與集料圖1-5集料的體積組成孔隙：礦物之間的空間—Vn+Vi空隙：集料顆粒之間的空間—Vv顆粒之間的空間體積道路工程材料第一章石料與集料(1)密度：表觀密度、毛體積密度、表干密度、裝填密度1.2集料一、集料的物理性質(zhì)1物理常數(shù)密度——表干密度道路工程材料第一章石料與集料①

堆積（松裝）密度——集料按自由下落方式裝樣②振實(shí)（緊裝）密度——集料振搖方式裝樣③搗實(shí)密度——集料振搖方式裝樣1.2集料一、集料的物理性質(zhì)1物理常數(shù)密度——裝填密度道路工程材料第一章石料與集料⑵

空隙率n：集料空隙體積(含開口孔隙)占集料總體積的百分比。

1.2集料一、集料的物理性質(zhì)1物理常數(shù)n_——集料的空隙率，%Vf——集料顆粒的堆積體積，Vs+Vn+Vi+Vv，cm3Vv——集料顆?？紫?，cm3Vi——礦質(zhì)實(shí)體中開口孔隙體積，cm3道路工程材料第一章石料與集料集料中各種粒徑顆粒的搭配比例或分布情況。1.2集料一、集料的物理性質(zhì)2集料的級配道路工程材料第一章石料與集料⑴顆粒形狀：蛋圓形、棱角形、針狀、片狀1.2集料集料的顆粒形狀與表面特征一、集料的物理性質(zhì)3⑵表面特征：表面的粗糙程度及孔隙特征等類型顆粒形狀的特點(diǎn)集料品種蛋圓形具有較光滑的表面，無明顯棱角，顆粒渾圓天然砂及各種礫石、陶粒棱角形具有粗糙的表面及明顯棱邊碎石、石屑、破碎礦渣針狀長度方向尺寸遠(yuǎn)大于其他方向尺寸而呈細(xì)條形礫石、碎石中均存在片狀厚度方向尺寸遠(yuǎn)小于其他方向而呈薄片形礫石、碎石中均存在道路工程材料第一章石料與集料含泥量：集料中粒徑小于0.075mm的顆粒含量。1.2集料一、集料的物理性質(zhì)4含泥量和泥塊含量

泥塊含量：粗集料中原尺寸大于4.75mm，但經(jīng)水浸洗、手捏后小于2.36mm的顆粒含量。存在類型：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。道路工程材料第一章石料與集料1.2集料二、集料的力學(xué)性質(zhì)壓碎值磨光值沖擊值磨耗值道路工程材料第一章石料與集料①壓碎指標(biāo)值（適用于水泥混凝土用集料）②壓碎值（瀝青混合料用集料）

式中：m0—試驗(yàn)前風(fēng)干試件的質(zhì)量，gm1—試驗(yàn)后通過2.36mm篩孔的細(xì)集料質(zhì)量，g1.2集料二、集料的力學(xué)性質(zhì)壓碎值：石料抵抗壓碎的能力。1道路工程材料第一章石料與集料圖1-6壓碎指標(biāo)值測試儀具尺寸圖10～20mm集料分二層夯實(shí)，在3～5min加荷至Pmax=200kN，恒壓5s后，脫膜后過2.36mm篩。試驗(yàn)集料壓碎值的測試道路工程材料第一章石料與集料圖1-7壓碎值測試儀將12～16mm碎石分三層夯實(shí)，在0～10min加壓至400kN，立即卸載，過2.36mm篩。試驗(yàn)集料容器壓碎值的測試道路工程材料第一章石料與集料1.2集料磨光值：石料抵抗輪胎磨光作用能力的，即保持其原有粗糙的能力。

二、集料的力學(xué)性質(zhì)2PSV——石料的磨光值；PSVra——試驗(yàn)試件的摩擦系數(shù)；PSVbra——標(biāo)準(zhǔn)試件的摩擦系數(shù)；道路工程材料第一章石料與集料

式中：m0——沖擊前試樣質(zhì)量，g；

m1——沖擊試驗(yàn)后，通過2.36mm篩的石屑質(zhì)量，g二、集料的力學(xué)性質(zhì)3沖擊值：石料抵抗多次連續(xù)的重復(fù)沖擊荷載的能力。1.2集料道路工程材料第一章石料與集料

式中：m1——磨耗前的試件質(zhì)量（g）

m2——磨耗后的試件質(zhì)量（g）

s——集料的表干密度g/cm3二、集料的力學(xué)性質(zhì)4磨耗值：石料抵抗表面磨損的能力。1.2集料道路工程材料第一章石料與集料粗集料的力學(xué)性能

壓碎值：石料抵抗壓碎的能力磨光值：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、剪切的能力沖擊值：石料抵抗多次連續(xù)的重復(fù)沖擊荷載的能力物理性質(zhì)

物理常數(shù)：密度、空隙率等級配顆粒形狀與表面特征含泥量，泥塊含量1.2集料道路工程材料第一章石料與集料1.3礦質(zhì)混合料的組成設(shè)計(jì)礦質(zhì)混合料：兩種或兩種以上的集料混合而成，簡稱礦料。組成設(shè)計(jì)的目的：根據(jù)目標(biāo)級配范圍要求，確定各種集料在礦質(zhì)混合料中的合理比例。圖1-11級配的幾種情況道路工程材料第一章石料與集料1.3礦質(zhì)混合料的組成設(shè)計(jì)一、礦質(zhì)混合料的級配1集料級配的表示方法⑴篩分試驗(yàn)一定數(shù)量的集料試樣，在標(biāo)準(zhǔn)篩上進(jìn)行篩分試驗(yàn)。。試驗(yàn)后分別稱量集料試樣存留在各篩上的篩余質(zhì)量并計(jì)算相關(guān)的級配參數(shù)。道路工程材料第一章石料與集料圓孔篩(直徑)：…40、20、10、5、2.5、1.25、0.63、0.3…方孔篩(邊長)：…13.2、9.5、4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15、0.075。

1.3礦質(zhì)混合料的組成設(shè)計(jì)一、礦質(zhì)混合料的級配1集料級配的表示方法⑴篩分試驗(yàn)——標(biāo)準(zhǔn)篩圖1-12篩分試驗(yàn)用套篩道路工程材料第一章石料與集料1.3礦質(zhì)混合料的組成設(shè)計(jì)①分計(jì)篩余百分率ai：某號篩上的篩余質(zhì)量占試樣總質(zhì)量的百分率。一、礦質(zhì)混合料的級配1集料級配的表示方法⑴篩析試驗(yàn)——級配參數(shù)③通過百分率pi：通過某號篩的集料質(zhì)量占試件總質(zhì)量的百分率。Pi=100-Ai②累計(jì)篩余百分率Ai：等于或大于某號篩上篩余質(zhì)量之和占總質(zhì)量的百分率。Ai=a1+a2+...+a3道路工程材料第一章石料與集料評價細(xì)集料粗細(xì)程度。粗砂：Mf

＝3.7～3.1中砂：Mf

＝3.0～2.3細(xì)砂：Mf＝2.2～1.6一、礦質(zhì)混合料的級配1集料級配的表示方法（2）細(xì)集料的細(xì)度模數(shù)1.3礦質(zhì)混合料的組成設(shè)計(jì)道路工程材料第一章石料與集料1.3礦質(zhì)混合料的組成設(shè)計(jì)一、礦質(zhì)混合料的級配1集料級配的表示方法（3）集料的級配曲線①作圖：縱坐標(biāo)為通過百分率P(％)常數(shù)坐標(biāo)；橫坐標(biāo)為篩孔尺寸(mm)②注意：坐標(biāo)單位；注明不同曲線意義③判斷集料級配是否符合要求圖1-13級配曲線道路工程材料第一章石料與集料1.3礦質(zhì)混合料的組成設(shè)計(jì)一、礦質(zhì)混合料的級配1集料級配的表示方法（3）集料的級配曲線連續(xù)級配：級配曲線光滑，每一種尺寸的集料都有間斷級配：剔除一個或幾個分級，曲線形成折線形單粒徑：道路工程材料第一章石料與集料

圖1-17級配類型示意圖

單粒徑圖1-14連續(xù)級配與間斷級配曲線示意圖道路工程材料第一章石料與集料1.3礦質(zhì)混合料的組成設(shè)計(jì)一、礦質(zhì)混合料的級配2級配組成對礦料性能的影響礦質(zhì)混合料的級配組成與其密度及顆粒間內(nèi)摩阻力有關(guān)，從而對水泥混凝土或?yàn)r青混凝土的強(qiáng)度、耐久性及施工和易性有顯著影響。最小空隙率：達(dá)到最大密實(shí)度最大摩阻力：增加集料的穩(wěn)定性和強(qiáng)度；互相嵌緊、互不干涉，緊密多級空間網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)。道路工程材料第一章石料與集料

p2=kd

當(dāng)d=D時，p=100→1002=k·D→

式中：d—集料中顆粒的篩孔尺寸，mm

D—礦質(zhì)混合料最大粒徑，mm1.3礦質(zhì)混合料的組成設(shè)計(jì)一、礦質(zhì)混合料的級配3連續(xù)級配的計(jì)算(1)最大密度級配計(jì)算——富勒理論集料在某篩孔上的通過百分率和篩孔尺寸的關(guān)系越接近拋物線，該集料的密度越大，空隙率越小。道路工程材料第一章石料與集料式中：n——級配指數(shù)1.3礦質(zhì)混合料的組成設(shè)計(jì)一、礦質(zhì)混合料的級配3連續(xù)級配的計(jì)算(2)級配曲線范圍公式——泰波公式道路工程材料第一章石料與集料圖1-15級配指數(shù)與級配曲線的關(guān)系圖

n=0.45～0.5，密實(shí)度最大n=0.3～0.7，密實(shí)度尚可n=0.35～0.45，工作性較好（工藝性能）

道路工程材料第一章石料與集料目的：確定礦質(zhì)混合料中各檔集料的比例已知條件：①各檔集料級配P~d②設(shè)計(jì)級配范圍P~d方法：①數(shù)解法②圖解法1.3礦質(zhì)混合料的組成設(shè)計(jì)二、礦質(zhì)混合料的配合比設(shè)計(jì)方法道路工程材料第一章石料與集料

需要根據(jù)集料的分計(jì)篩余率進(jìn)行計(jì)算1.3礦質(zhì)混合料的組成設(shè)計(jì)二、礦質(zhì)混合料的配合比設(shè)計(jì)方法1數(shù)解法——試算法基本假定

某一粒徑的顆粒由一種集料提供，其它集料中不含此粒徑的顆粒該粒徑的顆粒在該集料中是占優(yōu)勢的道路工程材料第一章石料與集料計(jì)算過程

已知：集料混合料

(1)

準(zhǔn)備工作：Pi→Ai→ai參數(shù)集料A集料B集料C混合料M篩孔i的分計(jì)篩余/%aA(i)aB(i)aC(i)aM(i)在混合料中的比例/%XYZ100(2)計(jì)算方程：

X＋Y＋Z＝100(1)d=i時：X.aA(i)+Y.aB(i)

+Z.aC(i)

＝aM(i)

(2)ABCM+→+礦質(zhì)混合料的配合比設(shè)計(jì)方法——試算法道路工程材料第一章石料與集料

⑶確定各集料用量步驟①：計(jì)算A集料在礦質(zhì)混合料中的用量X確定A集料中占優(yōu)勢含量的粒徑：

A集料中含量占優(yōu)勢粒徑i=4.75mm:aA(4.75)=49.9%忽略其它集料在此粒徑含量

aB(i)

=0、aC(i)=0，代入式（2）

A集料用量X為：礦質(zhì)混合料的配合比設(shè)計(jì)方法——試算法道路工程材料第一章石料與集料步驟②：計(jì)算C集料在礦質(zhì)混合料中的用量Z確定C料中占優(yōu)勢的粒徑由表

C集料中含量占優(yōu)勢粒徑為:j<0.075mm

aZ(<0.075mm)=85.3%忽略A、B集料同一粒徑含量:

aA(j)

=0、aB(j)=0

C料用量Z為：礦質(zhì)混合料的配合比設(shè)計(jì)方法——試算法道路工程材料第一章石料與集料步驟③：計(jì)算B集料在礦質(zhì)混合料中的用量Y由公式(1)：Y＝100－(X＋Z）＝100－(42.1＋7.0）＝50.9%礦質(zhì)混合料的配合比設(shè)計(jì)方法——試算法道路工程材料第一章石料與集料⑷校核調(diào)整計(jì)算合成礦質(zhì)混合料的通過百分率PM(i)——合成級配

X.PA(i)+Y.PB(i)+Z.PC(i)＝PM(i)要求：①合成級配aM(i)或PM(i)

應(yīng)在規(guī)定的級配范圍內(nèi)②調(diào)整配合比后還應(yīng)重新進(jìn)行校核，直至符合要求為止③經(jīng)調(diào)整后仍不能滿足級配要求時，可摻加單粒級集料或調(diào)換集料礦質(zhì)混合料的配合比設(shè)計(jì)方法——試算法道路工程材料第一章石料與集料篩孔尺寸di

（mm）集料A集料B集料C碎石分計(jì)篩余aA(i)

（%）石屑分計(jì)篩余aB(i)

（%）礦粉分計(jì)篩余

aC(i)

（%）13.20.8——9.543.6——4.7549.9——2.364.42.0—1.181.322.6—0.6—23.7—0.3—18.4—0.15—13.04.00.075—10.910.7<0.075—9.585.3

所選擇的粒徑應(yīng)在該集料中占有較大的優(yōu)勢道路工程材料第一章石料與集料道路工程材料第一章石料與集料圖解法——修正平衡面積法

按通過百分率計(jì)算并制圖(1)繪制圖解法坐標(biāo)圖①計(jì)算設(shè)計(jì)級配范圍中值②繪制圖框并作對角線（為設(shè)計(jì)級配中值）③確定縱坐標(biāo)：通過百分率（％）——算術(shù)坐標(biāo)④確定橫坐標(biāo)：根據(jù)設(shè)計(jì)級配中值，P→d，確定篩孔尺寸位置⑤將各種集料的級配（通過量）繪在圖中21.3礦質(zhì)混合料的組成設(shè)計(jì)道路工程材料