土木工程材料課件

第3章砂石材料

砂石材料是道路與橋梁建筑中用量最大的一種建筑材料，按照用途不同，砂石材料可以分為石料、集料和礦質(zhì)混合料。

3.1石料3.2集料3.3礦質(zhì)混合料1可編輯課件PPT3.1石料3.1.1石料的技術(shù)性質(zhì)

石料主要指可以加工成一定規(guī)則形狀的，塊石可以直接用于土木工程建筑。石料的技術(shù)性質(zhì)物理性質(zhì)力學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)2可編輯課件PPT1.物理性質(zhì)石料的物理性質(zhì)包括：物理常數(shù)、吸水性，以及耐候性。（1）物理常數(shù)石料的物理常數(shù)是石料礦物組成結(jié)構(gòu)狀態(tài)的反映。礦物實體閉口孔隙開口孔隙三部分組成3可編輯課件PPT1）密度——石料在規(guī)定條件（105土5℃烘干至恒重，溫度20℃）下，單位實體體積（閉口孔隙+礦質(zhì)實體的體積）的質(zhì)量。

公式：式中：

t——石料的真實密度，g/cm3；ms——石料礦質(zhì)實體的質(zhì)量，g；vs——石料礦質(zhì)實體的體積，cm3。在空氣中稱量石料質(zhì)量，m0=0，ms=M4可編輯課件PPT2）毛體積密度——指在規(guī)定條件下，石料單位毛體積（礦質(zhì)實體+孔隙的體積）的質(zhì)量。公式：式中：

h——石料的毛體積密度，g/cm3；ms、vs——意義同前式；vi——石料開口孔隙的體積，cm3；vn——石料閉口孔隙的體積，cm3。V——石料的毛體積，cm3。5可編輯課件PPT3）孔隙率

——石料的孔隙體積占其總體積的百分率。

定義式為：

式中：n——石料的孔隙率，％；V0——石料的孔隙（開口+閉口孔隙）的體積，cm3；V——石料的總體積，cm3。計算式：

6可編輯課件PPT（2）吸水性——石料在規(guī)定的條件下吸水的能力。工程上常采用吸水率和飽水率這兩項指標(biāo)表征。

1）吸水率

吸水率是指在室內(nèi)常溫和大氣壓條件下，石料試件最大的吸水質(zhì)量占烘干（105土5℃干燥至恒重）石料試件質(zhì)量的百分率。式中：W——石料吸水率，％；m1——石料烘干至恒量時的質(zhì)量，g；m2——石料試件吸水至恒量時的質(zhì)量，g。7可編輯課件PPT

2）飽水率

——在內(nèi)常溫（20±2℃）和真空（真空度為2.67kPa）條件下，石料試件的最大吸水質(zhì)量占烘干石料試件質(zhì)量的百分率。

計算方法與吸水率相似，但飽水率＞吸水率。8可編輯課件PPT（3）耐候性

——石料抵抗大氣等自然因素作用的性能稱為耐候性。試驗方法：抗凍性和堅固性。

1）抗凍性——石料在飽水狀態(tài)下，能抵抗多次凍結(jié)和融化作用而不破壞的性能。表征指標(biāo)：

①抗凍損失率（質(zhì)量損失率）

按下式計算：式中：Qfr——抗凍質(zhì)量損失率％；m1——試驗前烘干試件質(zhì)量,g；m2——試驗后烘干試件質(zhì)量,g。

9可編輯課件PPT

②耐凍系數(shù)

計算公式：式中：Kfr——試件的耐凍系數(shù)；fsc——試驗前石料試件飽水抗壓強(qiáng)度，MPa；fsc(fr)——經(jīng)凍融循環(huán)試驗后石料試件飽水抗壓強(qiáng)度，MPa。

公路工程用石料技術(shù)要求：一般要求其耐凍系數(shù)大于0.75；質(zhì)量損失率不大于5%。同時試件應(yīng)無明顯缺損(包括剝落、裂縫和邊角損壞等情況)10可編輯課件PPT2）堅固性

測定方法：采用硫酸鈉堅固性法，將硫酸鈉飽和溶液浸入石料孔隙后，經(jīng)烘干、硫酸鈉結(jié)晶體積膨脹，產(chǎn)生有如水結(jié)凍相似的作用，使石料孔隙周壁受到張應(yīng)力，經(jīng)過多次循，引起石料破壞。

堅固性是測定石料耐候性的一種簡易、快速的方法。

有條件者均應(yīng)采用直接凍融法。

11可編輯課件PPT

2.力學(xué)性質(zhì)——主要討論確定石料等級的抗壓強(qiáng)度和磨耗率兩項性質(zhì)。

（1）單軸抗壓強(qiáng)度石料的工程用途不同，抗壓強(qiáng)度的測試方法也不相同。道路工程、建筑工程用石料的單軸抗壓強(qiáng)度按下式計算：式中：fsc——石料的抗壓強(qiáng)度，MPa；Fmax——極限破壞時的荷載，N；

A——試件的截面積，mm2。12可編輯課件PPT（2）磨耗性

——石料抵抗沖擊、邊緣剪切和摩擦等的聯(lián)合作用的性能。也是評定石料等級的依據(jù)之一。測定方法：可采用洛杉礬試驗法或狄法爾試驗法確定。

1）洛杉磯試驗法石料磨耗率計算公式：式中：Q磨——石料的磨耗率,％；m1——裝入磨耗機(jī)的試樣質(zhì)量，g；m2——試驗后洗凈烘干的試樣質(zhì)量，g。13可編輯課件PPT2）狄法爾試驗法石料的磨耗率同樣是以通過2mm圓孔篩或1.6mm方孔篩的質(zhì)量損失百分率來表示。計算公式同上。

14可編輯課件PPT

3.化學(xué)性質(zhì)（1）石料化學(xué)性質(zhì)石料按SiO2的含量劃分為：酸性石料：SiO2>65%性石料：SiO2=52%～65%堿性石料：SiO2<52%（2）石料與瀝青粘附性測定方法

按照我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，可采用水煮法和水浸法。15可編輯課件PPT3.1.2石料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)1.石料的技術(shù)分級根據(jù)公路工程對巖石的不同要求，自然界的巖石可劃分為四個巖類：2.石料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)道路建筑用石料按其技術(shù)性質(zhì)（飽水后的抗壓強(qiáng)度和磨耗率）劃分為四個等級：Ⅰ類——巖漿巖類Ⅱ類——石灰?guī)r類Ⅲ類——砂巖和片巖類Ⅳ類——礫石類1級——最堅硬巖石2級——堅硬巖石3級——中等強(qiáng)度的巖石4級——較軟的巖石16可編輯課件PPT公路工程用石料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)17可編輯課件PPT3.2集料3.2.1集料的分類集料包括巖石天然風(fēng)化而成的礫石（卵石）和砂等、巖石經(jīng)機(jī)械和人工軋制的各種尺寸的碎石，以及工業(yè)冶金礦渣。根據(jù)集料在工程混合料中的不同作用，可以按粒徑將其劃分為粗集料和細(xì)集料兩種。

18可編輯課件PPT集料粗集料：在混合料中起骨架作用（碎石、礫石等）

細(xì)集料：在混合料中起填充作用（天然砂、人工砂和石屑）

在水泥混凝土中，粒徑＞5mm（以圓孔篩計）在瀝青混合料中，粒徑＞2.36mm（以方孔篩計）

在水泥混凝土中，粒徑＜5mm（以圓孔篩計）在瀝青混合料中，粒徑＜2.36mm（以方孔篩計）

19可編輯課件PPT3.2.2集料的技術(shù)性質(zhì)1.粗集料的技術(shù)性質(zhì)

（1）物理性質(zhì)1）物理常數(shù)集料的物理常數(shù)，要考慮到集料顆粒中的孔隙（開口孔隙或閉口孔隙），以及顆粒間的空隙。

①表觀密度（簡稱視密度）

———指在規(guī)定條件（105±5℃烘干至恒重）下，單位表觀體積（包括礦質(zhì)實體和閉口孔隙的體積）的質(zhì)量。20可編輯課件PPT由右圖體積與質(zhì)量的關(guān)系，可表示為：

式中：′t——粗集料的表觀密度，g/cm3；ms——礦質(zhì)實體質(zhì)量，g；Vs——礦質(zhì)實體體積，cm3；Vn——礦質(zhì)實體中閉口孔隙體積，cm3。21可編輯課件PPT②毛體積密度

粗集料的毛體積密度指在規(guī)定的條件下，單位毛體積（包括礦質(zhì)實體、閉口孔隙和開口孔隙）的質(zhì)量。可由下式求得：

式中：

h——粗集料的毛體積密度，g/cm3；ms——礦質(zhì)實體質(zhì)量，g；vs、vi、vn——分別為粗集料礦質(zhì)實體、閉口孔隙和開口孔隙體積，cm3。22可編輯課件PPT③堆積密度————將集料裝填于容器中包括集料空隙（顆粒之間的）和孔隙（顆粒內(nèi)部的）在內(nèi)的單位體積的質(zhì)量。

計算公式：式中：

f——粗集料的堆積密度，g/cm3；ms——礦質(zhì)實體質(zhì)量，g；vs、vp、vv——分別為粗集料礦質(zhì)實體、孔隙和空隙的體積,cm3。按堆積的松緊程度不同分類：自然堆積密度與振實堆積密度。23可編輯課件PPT④空隙率————指集料在自然堆積（或緊密堆積）時空隙體積占總體積的百分率。計算公式：

式中：n

——粗集料的空隙率,％；

′t——粗集料的表觀密度，g/cm3

；

′f——粗集料的自然（或緊密）堆積密度，g/cm3。24可編輯課件PPT

2）級配————指粗集料中各組成顆粒的分級和搭配?？赏ㄟ^篩析試驗來確定。

級配的三參數(shù)：①分計篩余百分率；②累計篩余百分率；③通過百分率。3）堅固性可參照石料的抗凍性和堅固性試驗。對已碎石或卵石，可采用規(guī)定級配的各粒級集料試驗。25可編輯課件PPT（2）路用粗集料的力學(xué)性質(zhì)————主要是壓碎值和磨耗度；其次磨光值、道瑞磨耗值和沖擊值。

1）集料壓碎值————指集料在連續(xù)增加的荷載下，抵抗壓碎的能力。

計算公式：

式中：m0——試驗前試樣質(zhì)量，g；m1——試驗后通過2.36mm篩孔細(xì)料質(zhì)量，g。26可編輯課件PPT2）集料磨光值高速公路要求的力學(xué)性質(zhì)：集料的抗磨光性。按我國現(xiàn)行試驗規(guī)程，是采用石料磨光值（PolishedStoneValue簡稱PSV）來表示。

意義：石料磨光值愈高，表示其抗滑性愈好。抗滑面層應(yīng)選用磨光值高的集料，如玄武巖、安山巖、砂巖和花崗巖等。27可編輯課件PPT3）集料沖擊值集料抵抗多次連續(xù)重復(fù)沖擊荷載作用的性能，稱為抗沖擊韌性。指標(biāo)：沖擊值。計算公式：式中：LSV——集料的沖擊值，%m1——試驗后通過2.36mm的試樣質(zhì)量，g；m——原試樣質(zhì)量，g。28可編輯課件PPT4）集料磨耗值（道瑞試驗）————用于評定抗滑表層所用粗集料抵抗車輪撞擊及磨耗的能力。磨耗值的計算公式：

式中：

AAV——集料磨耗值；m1——磨耗前試件的質(zhì)量，g；m2——磨耗后試件的質(zhì)量，g；

s——集料表干密度,g/cm3。

29可編輯課件PPT

意義：磨耗值愈高，表示集料耐磨性愈差。

要求：不同道路等級對抗滑表層集料的磨光值、道瑞磨耗值和沖擊值的技術(shù)要求見下表。

抗滑表層用集料技術(shù)要求指標(biāo)高速公路、一級公路其他公路石料磨光值不小于4235道瑞磨耗值不大于1416集料沖擊值不大于/%283030可編輯課件PPT2.細(xì)集料的技術(shù)性質(zhì)（1）物理常數(shù)————包括表觀密度、堆積密度和空隙率等物理常數(shù)，其含義與粗集料完全相同，但是由于它的粒徑較小，測定與計算的方法稍有不同。（2）級配————各級粒徑顆粒的分配情況，可通過砂的篩分試驗確定。篩分試驗：將500g試樣，置于一套標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分，分別稱出試樣存留在各篩上質(zhì)量，并計算其級配有關(guān)參數(shù)：31可編輯課件PPT1）分計篩余百分率————某號篩上的篩余質(zhì)量占試樣總質(zhì)量的百分率。

計算公式：式中：ai——某號篩的分計篩余，％；mi——存留在某號篩上的質(zhì)量，g；M——試樣總質(zhì)量，g。32可編輯課件PPT2）累計篩余百分率————某號篩的分計篩余百分率和大于某號篩的各篩分計篩余百分率之總和。

計算公式：式中：Ai——累計篩余，％；a1、a2、…ai——從5mm、2.5mm、……至計算的某號篩的分計篩余（圓孔篩），％。33可編輯課件PPT3）通過百分率————通過某篩的質(zhì)量占試樣總質(zhì)量的百分率，即100與累計篩余百分率之差。

計算公式：

式中：Pi——通過百分率，％；Ai——累計篩余，％。34可編輯課件PPT（3）粗度

粗度是評價砂粗細(xì)程度的一種指標(biāo)。

指標(biāo)：細(xì)度模數(shù)（或細(xì)度模量），是各號篩的累計篩余百分率之和除以100之商?？砂聪率接嬎悖寒?dāng)砂中含有大于5mm的顆粒時，則按下式計算：35可編輯課件PPT按細(xì)度模數(shù)可將砂分為下列三級：式中：Mx——細(xì)度模數(shù)；A5、A2.5、A1.25、A0.63、A0.316、A0.16——5mm、2.5mm、……、0.16mm各篩累計篩余，％。Mx=3.7～3.1為粗砂Mx=3.0～2.3為中砂Mx=2.2～1.6為細(xì)砂結(jié)論：細(xì)度模數(shù)越大，表示細(xì)集料越粗。36可編輯課件PPT3.3礦質(zhì)混合料3.3.1礦質(zhì)混合料的級配類型砂石集料在土木工程中，主要以礦質(zhì)混合料的形式與結(jié)合料組配使用。

組配要求：多種集料按照一定的比例搭配起來，以達(dá)到

較高的密實度

和較大的摩擦力?？刹捎玫募壟漕愋停河羞B續(xù)級配和間斷級配兩種。如圖所示：37可編輯課件PPT3.3.2礦質(zhì)混合料的級配理論

1.最大密度曲線理論（富勒理論）

觀點(diǎn)：礦質(zhì)混合料的顆粒級配曲線愈接近拋物線，則其密度愈大。當(dāng)?shù)V質(zhì)混合料的級配曲線為拋物線時，具有最大密實度。a）b）a）常坐標(biāo)；b）半對數(shù)坐標(biāo)理想最大密度級配曲線38可編輯課件PPT最大密度級配曲線公式：可用礦料顆粒粒徑（d）與通過量（p）表示。式中：d——礦質(zhì)混合料各級顆粒粒徑，mm；

p——各級顆粒粒徑集料的通過量，%；

k——常數(shù)。39可編輯課件PPT2.最大密度曲線n冪公式（泰波理論）

觀點(diǎn)：最大密度曲線是一種理論的級配曲線，實際上，級配曲線應(yīng)該有一定的波動范圍。

公式：

式中：

p、d和D——意義同前；n——實驗指數(shù)。

實際研究認(rèn)為：在瀝青混合料中應(yīng)用，當(dāng)n=0.45時密度最大；在水泥混凝土中應(yīng)用，當(dāng)n=0.25～0.45時工作性較好。通常使用的礦質(zhì)混合料的級配范圍（包括密級配和開級配）n=0.3～0.7

40可編輯課件PPT3.粒子干涉理論

式中：t——前粒級的間隙距離，即等于次粒級的粒徑；

D——前粒級的粒徑；

0——次粒級的理論實積率（即堆積密度與表觀密度之比）；

s——次粒級的實用實積率。公式：41可編輯課件PPT3.3.3礦質(zhì)混合料的組成設(shè)計方法目前礦質(zhì)混合料的組成設(shè)計方法主要有數(shù)解法與圖解法兩大類。1.數(shù)解法用數(shù)解法解礦質(zhì)混合料組成的方法很多，最常用的方法有試算法和正規(guī)方程法。試算法適用于3～4種礦料組配，正規(guī)方程法可用于多種礦料組成，所得結(jié)果準(zhǔn)確，但計算較為繁雜，不如圖解法簡便。下面主要介紹試算法。42可編輯課件PPT

（1）試算法1）按題意作下列兩點(diǎn)假設(shè)：

①設(shè)A、B、C三種集料在混合料M中的用量比例分別為X、Y、Z，則

②又設(shè)混合料M中某一級粒徑（i）要求的含量為M（i），A、B、C三種集料中該粒徑的含量分別為

A(i)、

B(i)、

C(i)。則：2）計算步驟

①計算A集料在礦質(zhì)混合料中的用量比例首先，找出A集料占優(yōu)勢含量的某一粒徑，如粒徑（i），而忽略B、C集料在此粒徑的含量，即B集料和C集料該粒徑的含量aB(i)和aC(i)均等于零。A集料在混合料中的用量：43可編輯課件PPT②計算C集料在礦質(zhì)混合料中的用量比例原理同前，設(shè)C集料的優(yōu)勢粒徑為j（mm），則A集料和B集料在該粒徑的含量aA(j)和aB(j)均等于零。C集料在混合料中的用量：

③計算B集料在礦質(zhì)混合料中的用量比例由前式得出B集料在礦質(zhì)混合料中的用量：

④校核調(diào)整按以上計算的配合比計算合成級配，如不在要求的級配范圍內(nèi)，應(yīng)調(diào)整。重新計算和復(fù)核配合比，經(jīng)幾次調(diào)整，直到符合要求為止。如經(jīng)計算確不能滿足級配要求時，可摻加某些單粒級集料，或調(diào)換其它原始集料。44可編輯課件PPT（2）正規(guī)方程法

基本原理：根據(jù)各種集料的篩分?jǐn)?shù)據(jù)和規(guī)范要求的級配中值列出正規(guī)方程，然后用數(shù)學(xué)回歸的方法或電算的方法求解。

方法：①設(shè)有k種集料,各集料在n級篩分的通過百分率為Pi（j）,欲配制為符合級配范圍中值要求的礦質(zhì)混合料。

②設(shè)礦質(zhì)混合料任何一級篩孔的通過率為P（j）,它等于由各種組成集料在該級的通過百分率Pi乘各種集料在混合料中的用量（xi）之和，即式中:i——集料種類,=1，2，…k；j——篩孔數(shù),=1，2，…n。45可編輯課件PPT③按下式列出方程組方程組可用數(shù)學(xué)回歸法或電算法求解………………46可編輯課件PPT2.圖解法

（1）基本原理

通常級配曲線圖采用半對數(shù)坐標(biāo)圖繪制，所繪出的級配范圍中值為一拋物線。圖解法中，為使要求級配中值呈一直線，采用縱坐標(biāo)的通過量（Pi）為算術(shù)坐標(biāo)，而橫坐標(biāo)的粒徑采用(d/D)n表示，則繪出的級配曲線中值為直線。如圖：a）b）圖解法級配曲線坐標(biāo)圖47可編輯課件PPT（2）計算步驟1）繪制級配曲線坐標(biāo)圖2）確定各種集料用量①兩相鄰級配曲線重疊，等分；②兩相鄰級配曲線相接，連分；③兩相鄰級配曲線相離，平分。3）校核按圖解所得的各種集料用量，校核計算所得合成級配是否符合要求。如不能符合要求，即超出級配范圍，應(yīng)調(diào)整各集料的用量。48可編輯課件PPT礦質(zhì)混合料配合比設(shè)計工程實例試采用圖解法設(shè)計某高速公路用細(xì)粒式瀝青混凝土的礦質(zhì)混合料配合比。

1.原始資料（1）現(xiàn)有碎石、石屑、砂和礦粉四種礦質(zhì)集料，現(xiàn)場取樣進(jìn)行篩分如下表：材料名稱篩孔尺寸（方篩孔）/mm16.O13.29.54.752.361.180.60.30.150.075通過百分率/%碎石1009426OOOOOOO石屑100100100804017OOOO砂1001001001009490763817O礦粉1001001001001001001001001008349可編輯課件PPT（2）確定礦質(zhì)混合料的工程級配范圍如下表：級配類型篩孔尺寸(方孔篩)/mm16.O13.29.54.752.361.180.60.30.150.075細(xì)粒式瀝青混凝土（AC-13）10095～10070～8848～6836～5324～4118～3012～228～164～8

級配中值10098795745

3324

17

12

650可編輯課件PPT

2.設(shè)計步驟（1）繪制級配曲線圖，在縱坐標(biāo)上按算術(shù)坐標(biāo)繪出通過百分率Pi，如下圖。（2）連對角線OO′作為級配范圍通過率中值。在縱坐標(biāo)上找出各個篩孔通過率中值作水平線，通過與對角線OO′的交點(diǎn)作垂線，與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)，即為相應(yīng)的篩孔在橫坐標(biāo)上的位置。（3）將碎石、石屑、砂和礦粉四種集料的