1、道路桥梁工程材料绪论下一页返回第一章 砂石材料 第一节 砂石材料的技术性质 第二节矿质混合料的组成设计上一页 下一页返回第二章 石灰和水泥 第一节 石灰 第二节 硅酸盐水泥与普通硅酸盐水泥 第三节 掺混合材料的硅酸盐水泥 第四节 其他品种水泥上一页 下一页返回第三章 稳定土材料 第一节 稳定土材料基础知识 第二节 稳定类材料组成设计 第三节 水泥稳定土 第四节 石灰稳定土 第五节 石灰粉煤灰稳定土上一页 下一页返回第四章 水泥混凝土和砂浆 第一节 普通水泥混凝土 第二节 其他功能混凝土 第三节 建筑砂浆上一页 下一页返回第五章 沥青材料 第一节 沥青及其分类 第二节 石油沥青 第三节 煤沥青
2、第四节 乳化沥青 第五节 其他沥青上一页 下一页返回第六章 沥青混合料 第一节 沥青混合料概述 第二节 热拌沥青混合料 第三节 其他沥青混合料 第四节 新型沥青混合料上一页 下一页返回第七章 建筑钢材 第一节 钢材的冶炼与分类 第二节 建筑钢材的技术性能 第三节 建筑钢材的标准与选用上一页 下一页返回第八章 工程高分子聚合物材料 第一节 工程高分了聚合物概述 第二节 土工布 第三节 高分子聚合物改性水泥混凝土上一页返回绪论 一、道路与桥梁工程材料课程的具体任务(表0-1)二、道路与桥梁工程材料课程的学习内容、学习任务及学习后应具备的能力 1.本课程的学习内容 (1)砂石材料。砂石材料是经人工开
3、采的岩石或轧制碎石以及地壳表层岩石经天然风化而得到的松散粒料。砂石材料可以直接应用于铺筑道路或砌筑各种桥梁结构物，也可以作为集料来配置水泥混凝土和沥青材料。(2)无机结构料及其制品。在道路与桥梁建筑中，最常用到的无机结构料是石灰和水泥。下一页返回绪论 水泥与集料配制的水泥混凝土是桥梁建筑中钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土结构的主要材料。随着高等级公路的发展，水泥混凝土路面已成为主要的路面类型之一，石灰、粉煤灰、水泥与土(或集料)拌制而成的稳定土广泛应用于路面基层，成为半刚性基层的重要组成材料。此外，水泥砂浆是各种桥梁污工结构物砌筑的重要结合料。(3)有机结合料及其混合料。有机结合料主要指沥青材料，
4、它与不同粒径的集料组成沥青混合料，可以铺筑成各种类型的沥青路面，成为现代公路建筑中一种极为重要的建筑材料。(4)高分子聚合物材料。上一页 下一页返回绪论 近年来，随着我国化学工业的发展，多种高分子聚合物逐渐应用于道路和桥梁工程中，主要用来改善沥青混合料或水泥混凝土的性能，是一种有发展前途的新材料，可用作水泥混凝土路面的填缝料，也可用于配置改性沥青等。(5)建筑钢材。建筑钢材是桥梁钢结构及钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土结构的重要材料。本课程主要讲述材料组成、结构、技术性质及其之间的关系，论述材料的检验方法，利用试验评定其技术性质的方法。通过学习，学生应掌握材料的性能，能够选择和鉴定材料并能够正确地
5、使用材料。2.本课程的学习任务(表0-2)上一页 下一页返回绪论 3.本课程的能力要求(1)能说明道路与桥梁工程常用原材料的类型、来源及用途。(2)能说明道路与桥梁工程常用原材料的技术性质评价指标。(3)会操作道路与桥梁工程常用原材料技术性质检验的仪器。(4)能说明道路与桥梁工程常用混合材料的技术性质评价指标。(5)会操作道路与桥梁工程常用混合材料技术性质检验的仪器。(6)能进行道路与桥梁工程常用混合材料的组成设计。(7)能初步根据试验检测技术规范对常用原材料及混合材料的成品质量进行检查和控制。上一页 下一页返回绪论 三、道路与桥梁工程材料具备的工程性质 道路与桥梁建筑不仅要受到车辆荷载的复杂
6、力系作用，而且会受到各种复杂的恶劣环境的影响，所以用于道路与桥梁建筑的材料，既要具备一定的力学性质，又要保证在各种自然条件下的综合力学性能不会下降。1.力学性质 力学性质是材料抵抗车辆荷载复杂力系综合作用的性能。目前除通过测定各种材料的静态强度(如抗压、拉、弯、剪等强度)来反映材料的力学性质外，还可通过磨耗、磨光、冲击等经验指标来反映。2.物理性质上一页 下一页返回绪论 材料在使用过程中，其力学强度受温度和湿度等物理因素的影响而改变。一般材料的力学强度随温度的升高、湿度的加大而降低。因此材料的温度稳定性、水稳定性是其性能的主要指标之一。通常通过测定材料的物理常数(如密度、实积率、含水量等)来了
7、解材料的内部组成结构，并且根据物理常数与力学性能之间的一定相关性来推断材料的力学性质。3.化学性质 在道路与桥梁建筑中，材料自身的化学成分将影响材料及混合材料的性质，由此也影响结构物的受力或使用性能。化学性质是材料抵抗各种周围环境对其化学作用的性能。上一页 下一页返回绪论 道路与桥梁工程材料在受到周围介质(如桥墩在工业污水中)的侵蚀时，其力学强度会降低;在受到大气因素(如气温的交替变化，日光中的紫外线，空气中的氧、水等)的综合作用时，会“老化”，各种有机材料如沥青材料等的表现尤为显著。4.工艺性质 工艺性质是指材料适合于按一般工艺要求加工的性能。四、道路与桥梁工程材料与路桥工程的关系 1.材料
8、是工程结构物的物质基拙 道路与桥梁工程材料是道路与桥梁等工程结构物的物质基础。上一页 下一页返回绪论 材料质量的好坏、配制是否合理及选用是否适当等，均直接影响结构物的质量。道路与桥梁工程结构物裸露于大自然中，承受瞬时、反复动荷载的作用，材料的性能和质量对结构物的使用性能影响很大。几年来，由于交通量的迅速增长和车辆行驶的渠化，一些高等级路面出现较严重的波浪、车辙等病害现象，这些均与材料的性质有一定的关系。2.材料的使用与工程造价密切相关 在道路与桥梁结构物的修建费用中，道路材料费用通常在道路工程总造价中占60%70%，因此，合理地选择和使用材料，对节约工程投资、降低工程造价有重要意义。上一页 下
9、一页返回绪论 3.材料科学的进步可以促进工程技术发展 工程建筑设计、工艺的更新换代，往往要依赖于新材料的发展;同时，新材料的出现和使用，必然导致工程建筑设计、工艺的新突破。在道路与桥梁工程建设中，材料同样是促进道路与桥梁工程技术发展的重要基础。五、道路与桥梁工程材料的检验方法和技术发展 1.道路与桥梁工程材料的一般检验方法 道路与桥梁工程材料试验是道路与桥梁工程材料课程的重要组成部分。上一页 下一页返回绪论 材料应具有一定的技术性能，而对这些性能的检验，必须通过适当的测试手段来进行。检验测定道路与桥梁结构物中所用材料在实际结构物中的性质，可采用试验室内原材料性能测定、试验室内模拟结构检验测定以
10、及现场修筑试验性结构物检定等方法。而道路与桥梁工程材料课程主要着重于试验室内原材料性能检验测定。室内材料试验包括:物理性质试验、力学性质试验、化学性质试验、工艺性质试验。2.道路与桥梁工程材料性质的标准化和技术标准 道路与桥梁结构物所用材料及其制品必须具有一定的技术性质，以适应结构物不同建筑结构与施工条件的要求。这些要求体现为:国家标准或有关的技术规范规定了一些技术指标。上一页 下一页返回绪论 为了保证建筑材料的质量，我国对各种材料制定了专门的技术标准。我国建筑材料的标准分为国家标准、行业标准、地方标准和企业标准四个等级。需要在全国范围内统一的技术要求，需制定“国家标准”，国家标准由国务院标准
11、化行政主管部门编制计划，组织草拟，统一审批、编号、发布。我国国家标准以符号“GB”，还要注明编号、制定修订年份、标准名称等。对没有国家标准而又需要在全国某行业范围内统一的技术要求，可以制定行业标准。行业标准由国务院有关行政主管部门制定，并报国务院标准化行政主管部门备案。在公布国家标准之后，该项行业标准即废止。推荐性行业标准，在行业标准后加“T”。在标准后加“J”表示“基本建设方面”。我国国家标准和行业标准代号示例见表0-3。上一页返回表0-1道路与桥梁工程材料课程的具体任务返回表0-2本课程的学习任务下一页返回表0-2本课程的学习任务上一页 下一页返回表0-2本课程的学习任务上一页返回表0-3
12、国家标准和行业标准代号返回第一章 砂石材料 第一节 砂石材料的技术性质 第二节矿质混合料的组成设计返回第一节 砂石材料的技术性质 一、岩石学特征及岩石的技术性质 (一)岩石学特征 建筑结构工程中所使用的岩石通常是指由天然岩石经机械加工制成的，或者由直接开采得到的具有一定形状和尺寸的岩石制品。1.造岩矿物 所谓造岩矿物，是具有一定化学成分和结构特性的天然化合物或单质(简称矿物，由一种或两种以上的矿物组成不同的岩石)。不同造岩矿物和成岩条件使各类天然岩石具有不同的结构和构造特征。石料的物理力学性质在很大程度上取决于天然岩石的矿物成分，以及这些矿物在岩石中的结构与构造。表1-1所列为几种代表性的造岩
13、矿物。下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 2.岩石分类 岩石的性质除了与构成岩石的矿物有关之外，还取决于不同的成岩条件。根据成岩条件，岩石可分成三类，见表1-2。3.常用岩石类型 路桥工程中常用岩石类型见表1-3。另外，根据石料组成中二氧化硅成分含量的多少，岩石被分成不同酸碱性石料，见表1-4。表中的亲水系数表明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，相对应的，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。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 (二)岩石的技术性质 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。
14、1.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。物理常数主要指岩石的密度和孔隙率，此类常数能够直接影响到岩石的力学性质，也是将岩石用于混合料配合比设计的参数之一。岩石的内部主要由矿质实体和孔隙(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1-1(a)所示。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 各部分质量与体积的关系如图1-1(b)所示。密度定义为在规定条件下(大多指规定的温度)岩石矿质实体单位体积的质量。真实密度。真实密度是指在规定条件下(1055)下烘至恒重，同时，温度在(202)时
15、烘干岩石矿质实体单位真实体积(不包括开口与闭口孔隙体积)的质量，用t表示，按照式(1-1)计算。岩石真买密度的侧足万法按我国现行标准公路工程岩石试验规程(JTG E 41-2005)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。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 表观密度。表观密度是指在规定条件下，烘干岩石矿质实体，包括闭口孔隙在内的单位表观体积的质量，用s表示，按照式(1-2)计算。毛体积密度。毛体积密度是指在规定条件下，烘干岩石矿质实体包括孔隙(闭口、开口孔隙)体积在内的单位毛体积的质量，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
16、，用0表示，按照式(1-3)计算。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 按我国现行标准公路工程岩石试验规程规定，利用量积法、水中称量法和蜡封法来测定毛体积密度。孔隙率。孔隙率是指岩石孔隙体积(包括开口孔隙和闭口孔隙的体积)占岩石总体积的百分率，由式(1-4)计算。将式(1-1)和式(1-3)代入式(1-4)可得式(1-5)。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质(2)吸水性。吸水性是指岩石在规定条件下吸水能力的大小，这一性质用吸水率和饱水率两种形式表示。前者指常温、常压条件下岩石试样最大吸水质量与烘干岩石试件质量之比，以百分率表示;而后者是在一定真空条件下岩石最大吸水质量与烘干岩
17、石试件质量之比，以百分率表示。显然后者往往要大于前者。我国现行标准公路工程岩石试验规程规定，前者采用自由吸水法测定;后者采用煮沸法或真空抽气法测定。两者可采用式(1-6)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。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质(3)抗冻性。抗冻性是指岩石在饱水状态下，能够经受反复冻结和融化而不破坏，并不严重降低强度的能力。抗冻性这一性质优劣的判定采用直接冻融法和硫酸钠法两种方式。岩石抗冻性试验通常采用前一种方法，即试件在饱水状态下，在-15时冻结4h后，放入(205)水中融解4h，为冻融循环一次，如此反复冻融至
18、规定次数为止。经历规定的冻融循环次数(如10次、15次、25次等)，详细检查各试件有无剥落、裂缝、分层及掉角等现象，并记录检查情况。将冻融试验后的试件烘至恒重，称其质量，然后测定其抗压强度，并计算岩石的冻融质量损失率和耐冻系数。试验检测结果可用式(1-7)和式(1-8)来计算。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 上述物理性质具体表现在一定程度上都与岩石的孔隙率有相应的关系。当孔隙率高，特别是与外界相通且较粗大的开口孔隙较多时，岩石的表观密度和毛体积密度减小，相应的吸水性加大，抗冻性能变差。因此通过对岩石物理指标的了解，可以在一定程度上预测岩石一些工程性质的好坏，认知岩石力学性质的表现
19、。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 2.力学性质 岩石的力学性质是指岩石在道路与桥梁工程应用中所表现出的抗压、抗剪、抗弯拉强度的能力，以及抵抗冲击荷载、剪切和摩擦作用的能力。实践中岩石的这一性质常用单轴抗压强度和磨耗率两项指标来表示。(1)单轴抗压强度。岩石的单轴抗压强度，我国现行标准公路工程岩石试验规程规定:将岩石制备成标准试件建筑地基用岩石制备成直径为(502)mm、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(702)mm的立方体试件;上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 路面工程用岩石制备成边长为(502)mm的立方体试件或直径和高均为(502)mm的圆柱
20、体试件，经吸水饱和后，单轴受压并在规定的加载条件下，达到极限破坏时单位承压面积的荷载，用式(1-9)来计算。岩石的抗压强度受多种因素的影响，其中包括矿物组成、结构及其孔隙构造，以及岩石试件的尺寸和吸水率等。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。(2)磨耗率。岩石材料磨耗率是指其抵抗撞击、边缘剪力和摩擦等联合作用的能力。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 洛杉矶磨耗试验采用的洛杉矶磨耗试验机，其圆筒内径为(7105)mm，内侧长(5105)mm，两端封闭。试验时将规定质量且有一定级配的试样和一定质量的钢球置于试验机中，以3033 r/mi
21、n的转速转动至要求次数后停止，取出试样，用1.7 mm的方孔筛筛去试样中的细屑，用水洗净留在筛上的试样，烘至恒重并称其质量。岩石的磨耗率采用式(1-10)来计算。实践中还存在另一种磨耗试验一狄法尔磨耗试验，由于该试验耗时较长，且对岩石的考验程度不如洛杉矶磨耗试验，目前已较少采用。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 3.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(各种矿质集料与水泥或沥青组成)中起着物理作用。随着科学的发展，科学家们根据对理化一力学的研究，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混合料的物理一力学性质。根据试验研究结果，依据
22、岩石中SiO2含量的不同，岩石可分为酸性、碱性和中性。所以在选择与沥青结合的岩石时，应考虑岩石的酸碱性对沥青与岩石粘结的影响。二、道路与桥梁建筑用岩石制品 1.道路路面建筑用岩石制品上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 道路路面建筑用岩石制品包括直接铺砌路面面层用的整齐块石、半整齐块石和不整齐块石三类;用作路面基层的锥形块石、片石等。各种岩石制品的技术要求和规格简要分述如下。(1)高级铺砌用整齐块石:由高强、硬质、耐磨的岩石经精凿加工而成，其加工费用高昂。这种块石铺筑的路面需以水泥混凝土为底层，并且用水泥砂浆灌缝找平，所以这种路面造价很高，只有在特殊要求路面，如特重交通以及履带车等行驶
23、的路面使用，尺寸一般可按设计要求确定。大方块石为300 mm X 300 mm X(120150)mm，小方块石为120 mm X 120 mmX250 mm。要求抗压强度不低于100 MPa，洛杉矶磨耗率不大于5%。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 (2)路面铺砌用半整齐块石:经粗凿而成立方体的方块石或长方体的条石。顶面与底面平行，顶面积与底面积之比不小于40%75%。半整齐块石用硬质石料制成，为修琢方便，常采用花岗石。顶面不进行加工，因此顶面平整性较差，一般只在特殊地段(如土基尚未沉实稳定的桥头引道及干道、铁轮履带车经常通过的地段)使用。(3)铺砌用不整齐块石:又称拳石，它是由
24、粗打加工而得到的块石，要求顶面为一平面，底面与顶面基本平行，顶面积与底面积之比大于40%60%。其优点是造价不高，经久耐用;其缺点是不平整，行车振动大，故目前较少应用。(4)锥形块石:又称“大块石”，用于路面底基层，是由片石进一步加工而得的粗打集料。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 要求上小下大，接近截锥形，其底面面积不宜小于100 cm2，以便砌摆稳定;高度一般分为(16020)mm,(20020)mm,(25020)mm等，通常底基层厚度应为石块高的1.11.4倍。2.桥梁建筑用主要岩石制品 桥梁建筑用主要岩石制品有片石、方块石、块石、细料石、粗料石、镶面石等。(1)片石。片石
25、由打眼放炮采得，其形状不受限制，但薄片者不得使用。一般片石最小边长应不小于15 cm，体积不小于0.0 1 m3，每块质量一般在30 kg以上。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 用于污工工程主体的片石，其极限抗压强度应不小于30 MPa;用于附属污工工程的片石，其极限抗压强度不小于20 MPa。(2)方块石。方块石是在块石中选择形状比较整齐者稍加修整而得，使其大致方正，厚度不小于2 0 cm，宽度为厚度的1.52.0倍，长度为厚度的1.5 4倍。砌缝宽度不大于20 mm，岩石抗压强度应符合设计文件的规定。(3)块石。块石是由成层岩中打眼放炮开采获得，或用锲子打入成层岩的明缝或暗缝中
26、劈出的岩石。块石形状大致方正，无尖角，有两个较大的平行面，边角可不加工。其厚度应不小于2 0 cm，宽度为厚度的1.52.0倍，长度为厚度的1.53倍。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 砌缝宽度一般不大于2 0 cm，个别边角砌缝宽度可达3035 mm。岩石极限抗压强度应符合设计文件的规定。(4)细料石。形状尺寸和极限抗压强度应符合设计文件规定，其表面凹凸不大于5 mm，砌缝宽度小于15mm。(5)粗料石。形状尺寸和极限抗压强度应符合设计文件规定，其表面凹凸相差不大于10 mm，砌缝宽度小于20mm。(6)镶面石。镶面石受气候因素一晴、雨、冻融的影响，损失较快，一般应选用较好的、较
27、坚硬的岩石。岩石的外露面可沿四周琢成2 cm的边，中间部分仍保持原来的天然石面。岩石上、下和两侧均加工粗琢成剁口，剁口宽度不得小于10 cm，琢面应垂直于外露面。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 三、岩石的技术标准 工程实际中所采用的岩石必须满足一定的技术要求，该要求就是岩石的技术标准。标准制定思路是:首先根据岩石所属类型分类，再依据岩石的抗压强度的高低和磨耗率的大小，将每种岩石划分成四个等级，见表1-5。四、集料 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。上一页 下一页返回第一节 砂石
28、材料的技术性质 1.集料分类 (1)根据形成的过程不同，集料分为卵石(又称砾石)和碎石。(2)根据粒径大小的不同，集料分为粗集料和细集料。2.粗细集料粒径的界限 水泥混凝土用集料的粗细界限尺寸为4.75mm，沥青混合料用集料粗细界限尺寸为2.36 mm。大于或等于粗细界限尺寸的颗粒为粗集料，其余为细集料。最大粒径 最大粒径是一个较为重要但又容易引起混淆的概念，集料最大粒径是指集料都要求通过的最小标准筛筛孔尺寸。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 集料公称最大粒径是指集料可能全部通过或允许有少量不通过（一般容许筛余不超过）的最小标准筛筛孔尺寸。这两个定义涉及的粒径有着明显区别，通常集料
29、公称最大粒径比最大粒径要小一个粒级。但在实际使用过程中，甚至在一些书本资料上也经常不加以严格区别，容易引起混淆。实际上工程中所指的最大粒径往往是指公称最大粒径，这一点在今后的应用中要加以区分。沥青路面及各类基层集料用标准筛均以方孔筛为准，相应的筛孔尺寸依次为、。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 水泥混凝土用集料标准筛的孔径大于或等于 时，以圆孔筛为标准；小于 时，以方孔筛为准。相应标准筛的筛孔尺寸依次为、。不同用途采用不同规格标准套筛，是我国多年以来的一种特有的做法。随着与国际通用方式的接轨，全部采用方孔筛成为一种必然趋势。年颁布并实施的公路水泥混凝土路面施工技术规范（）就已开始采
30、用方孔筛标准。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 4.集料的颗粒形状与表面特征 集料的性质除了与形成集料的岩石特征和孔隙结构等有直接关系之外，还与集料的颗粒形状和表面特征有一定的关系。因为集料的形状和表面特征都将影响集料颗粒间的内摩阻力、集料颗粒与结合料的粘结性及吸附性等方面。(1)理想的集料颗粒形状是球状或立方体，而扁平、薄片、细长状、针片状(针片状颗粒的定义:最大长度与厚度之比大于3的颗粒)的颗粒不仅增加集料的孔隙率，还对施工的和易性与混凝土强度造成不利影响。(2)集料表面特征指集料的粗糙程度和孔隙特征。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 表面粗糙的集料颗粒有较显著的摩
31、擦阻力，同时也会影响集料的施工和易性;粗糙且有吸收水泥浆和沥青组分的孔隙特征的集料与结合料的粘结能力较强。含泥量和泥块含量 存在于集料中或包裹在集料颗粒表面的泥土会降低水泥的水化反应速度，也会妨碍集料与水泥（或沥青）间的粘结能力，显著影响混合料的整体强度与耐久性，应对其含量加以限制。泥是指砂中粒径小于 的颗粒。泥块是指粗集料原尺寸大于（或细集料大于），但经水浸洗、手捏后小于（细集料小于）的颗粒含量。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 五、粗集料的技术性质 物理性质（）物理常数。在计算粗集料的物理常数时，不仅要考虑到粗集料粒料中的孔隙（开口孔隙或闭口孔隙），还要考虑颗粒间的空隙。1)表
32、观密度。粗集料的表观密度简称为视密度，是在规定条件(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。粗集料表观密度用表示，按式(1-11)计算。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 粗集料表观密度的测定方法按我国现行标准公路工程集料试验规程规定，采用网篮法。）毛体积密度。粗集料的毛体积密度是指在规定条件下，烘干岩石矿质实体包括孔隙（闭口、开口孔隙）体积在内的单位毛体积的质量。根据岩石含水状态，毛体积密度可分为干密度、饱和密度及天然密度，用 表示，按式（-）计算。粗集料毛体积密度的测定方法是将已知质量的干燥粗集料经饱水后，用湿毛巾擦干而求得饱和面干质量。然
33、后用排水法求得水中的体积，即求得粗集料毛体积密度。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质）堆积密度。粗集料堆积密度根据堆积方法的不同可分为堆积密度、振实密度和捣实密度。该密度是指烘干集料颗粒矿质实体的单位体积（包括集料颗粒间空隙体积、集料矿质实体及其闭口、开口孔隙体积）的质量，按式（-）计算。）空隙率。空隙率是指粗集料在某种堆积状态下的空隙体积（含开口孔隙）占粗集料总体积的百分率，按式（-）计算。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 将式（-）和式（-）代入式（-），则空隙率可用式（-）计算。）粗集料的骨架间隙率。粗集料的骨架间隙率通常指 以上粗集料颗粒间的空隙体积的百分含量，由
34、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。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质(2)级配。级配是指粗集料中各种粒径颗粒的搭配比例或分布情况。级配对水泥混凝土及沥青混合料的强度、稳定性及施工和易性有着显著的影响，级配设计也是水泥混凝土和沥青混合料配合比设计的重要组成部分。级配是通过筛分试验确定的。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。筛分试验就是将粗集料经过一系列筛孔尺寸的标准筛（标准筛为方孔筛，筛孔尺寸依次为70、63、53、37.5、31.5、26.5、19、16、13.2
35、、9.5、4.75、上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 2.36、1.18、0.6、0.3、0.15、0.075），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。粗集料的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的相同，详见“细集料的技术性质”内容。（）坚固性。对已轧制的碎石或天然卵石，亦可采用规定级配的粒级集料，按我国现行试验规程公路工程集料试验规程选取规定数量，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。经次循环后，观
36、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）。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 力学性质 在结构层或混合料中，粗集料起骨架作用，应具备一定的强度、耐磨、抗磨耗和抗冲击性能等，这些性能用压碎值、磨光值、磨耗值和冲击值等指标表示。（）压碎值。压碎值是指按规定的方法测得石料抵抗压碎的能力，也是集料强度的相对指标，用以鉴定集料品质及评价其在公路工程中的适用性。压碎值是对石料的标准试样在标准条件下进行加荷，测试石料被压碎后，标准筛上筛余质量的百分率。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 按我国现行试验规程公路工程集料试验规程的规定，粗集料压碎值试验是将 集料试样装
37、入压碎值测定仪的金属筒内，放在压力机上，在左右时间内均匀地加荷至，稳压然后卸载，称其通过 筛孔的筛余质量，按式（-）计算：（）磨光值（犘犛犞）。磨光值是反映石料抵抗轮胎磨光作用能力的指标，它是采用加速磨光机磨光石料，并用摆式摩擦系数测定仪测得的磨光后集料的摩擦系数。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 用高磨光值的石料来铺筑道路路面表层，可以提高路表的抗滑能力，保障车辆的安全行驶。试验测出的磨光值以犘犛犞表示，该值越大，表明集料的抗磨光性能越好。（）冲击值（AIV）。冲击值反映石料抵抗多次连续重复冲击荷载作用的能力，可采用冲击试验仪测定。冲击试验方法是选取粒径9.513.2 的集料试样
38、，用金属量筒分三次捣实的方法确定试验用集料数量，将集料装于冲击值试验仪的盛样器中，用捣实杆捣实次使其初步压实，然后用质量为(13.750.05)的冲击锤，沿导杆自(3805)处自由落下锤击集料并连续锤击次，每次锤击间隔时间不少于。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 将试验后的集料用 的筛子筛分并称量，按式（-）计算：（）磨耗值（AAV）。磨耗值用于确定石料抵抗表面磨损的能力。我国现行试验规程公路工程集料试验规程中采用道端磨耗试验机来测定集料磨耗值。其方法是选取粒径为 的洗净集料试样，单层紧排于两个试模内（不少于粒），然后排砂并用环氧树脂砂浆填充密实。经养护，拆模取出试件，准确称出试件
39、质量，试件、托盘和配重总质量为（）。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 将试件安装在道端磨耗试验机的托盘上，道端磨耗试验机的磨盘以的转速旋转，磨转后，取出试件，刷净残砂，准确称出试件质量。其磨耗值按式（-）计算：六、细集料的技术性质 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，它是由自然风化、水流冲刷、堆积形成的粒径小于 的岩石颗粒，按存在环境分河砂、山砂和海砂。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 河砂颗粒表面圆滑，比较洁净，质地较好，产源广；山砂颗粒表面粗糙有棱角，含泥量和含有机杂质多；海砂虽然具有河砂的特点，但因在海中，所以常混有贝壳、碎片和盐分等有害
40、杂质。一般工程中多使用河砂，在缺乏河砂的地区，也可采用山砂或海砂，但在使用时必须按规定做技术检验。另一类为人工砂，它是经人为加工处理得到的符合规格要求的细集料，通常指岩石加工过程中采取真空抽吸等方法除去大部分土和细粉或将石屑水洗得到的洁净的细集料（机制砂、矿渣砂和煅烧砂都属于人工砂）。其表面多棱角，较洁净，但造价较高，如无特殊情况，多不采用这种砂。细集料技术性质主要包括物理常数、颗粒级配和粗度。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 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，各常数的含义与粗集料的完全相同，具体数值可通过试验测定。颗粒级配 在水泥混凝土或沥青混合料中，
41、所用集料颗粒的粒径尺寸范围较大，而天然或人工轧制的一种集料往往仅由几种粒径尺寸的颗粒组成，难以满足工程对某一混合料的目标设计级配范围的要求，因此需要将两种或两种以上的集料配合使用。确定几种集料混合时各自比例的过程就是混合料的组成设计，进行混合料组成设计，必须首先明确目标级配范围，为此应先掌握级配组成对矿料技术性能的影响。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 级配是集料各级粒径颗粒的分配情况，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。采用标准套筛对集料进行过筛分析，以确定集料粗细颗粒的分布即级配，
42、也即所谓的筛分试验。筛分试验是将预先通过 筛（水泥混凝土用天然砂）或 筛（沥青路面及基层用的天然砂、石屑、机制砂等）的试样，称取（m1）置于一套孔径为4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15、0.075 的方孔筛上，分别求出试样存留在各筛上的质量，即筛余量，然后按下述方式计算其有关级配参数。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 在筛分试验中，根据砂样存留在各筛上的筛余质量，分别计算出分计筛余百分率ai、累计筛余百分率Ai、通过百分率Pi。）分计筛余百分率ai是指某号筛上的筛余质量占试样总质量的百分率，精确至，按式（-）计算。）累计筛余百分率Ai是指某号筛的分计筛余百分率和
43、大于该号筛的各筛分计筛余百分率之总和，可按式（-）求得。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质）通过百分率Pi是指通过某号筛的试样质量占试样总质量的百分率，即与某号筛累计筛余百分率之差，按式（-）求得。粗度 粗度是评价细集料粗细程度的一种指标，通常用细度模数表示。细度模数是细集料筛分试验中各号筛上的累计筛余百分率之和，按式（-）计算（以水泥混凝土用细集料为例）。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 七、冶金矿渣集料 冶金矿渣是在冶金生产过程中由矿石、燃料及助熔剂中易熔硅酸岩化合而成的副产品。冶金矿渣分为黑色金属冶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
44、渣两类。这些冶金矿渣从熔炉排出后，在空气中自然冷却，形成坚硬材料，是一种很好的路用材料。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用的集料。矿渣的化学成分和矿物组成 矿渣化学成分随矿物成分、燃料、助熔剂及熔化金属的化学成分的不同而变化。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 其主要化学成分为、及少量、等，根据化学成分采用碱度（或酸度）作为矿渣分类基础。碱性氧化物：、。酸性氧化物：、。中性成分：、。两面性氧化物：，此氧化物遇碱时起弱酸作用，而遇酸则起弱碱作用。矿渣的酸性和碱性可用下列模数表示：上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 碱性矿渣 酸性矿渣 中性矿渣 矿渣的物
45、理力学性质 矿渣的密度与矿物成分有关，一般为。矿渣的堆积密度在以上，空隙率大多在以下，耐冻性（或坚固性）一般均能符合路用要求。上一页 下一页返回第一节 砂石材料的技术性质 矿渣力学强度一般均较高，其强度与空隙率有关。通常极限抗压强度在以上，高者可达，相当于石灰岩至花岗石的强度。其他性能如压碎值、冲击值、磨光值等均能符合路用石料的要求。上一页返回第二节矿质混合料的组成设计 所谓的矿质混合料，就是能够满足级配要求的各种粒径材料的集合体，简称矿料。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）组成混合料使用。要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
46、的技术性质应符合技术要求外，矿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。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（最小空隙率）的矿质混合料。最大摩擦力下一页返回第二节矿质混合料的组成设计 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，其内容包括：（）级配理论和级配范围的确定。（）基本组成的设计方法。一、矿质混合料的级配理论 级配类型 粗细不同的粒径按照一定的比例组合搭配在一起，以达到较高的密实程度，根据搭配组成的结果，可得到以下几种不同级配形式。上一页
47、 下一页返回第二节矿质混合料的组成设计（）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。（）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几个粒级，形成一种不连续的级配，称为间断级配。图-为连续级配和间断级配的比较图。（）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在数个粒级上以连续的形式出现，形成所谓的连续开级配。级配理论上一页 下一页返回第二节矿质混合料的组成设计（）富勒（）理论。富勒根据试验提出一种理想级配，如图-所示，他认
48、为，级配曲线越接近抛物线时，则其密度越大。因此，当级配曲线为抛物线时，为最大密度曲线，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，将 P2=kd代入，则对任意一级粒径d的通过率P可求得：（）泰波（）理论。泰波认为：富勒曲线是一种理想曲线，实际矿料的级配应允许有一定的波动范围，故将富勒最大密度曲线改为n次幂的通式，即：上一页 下一页返回第二节矿质混合料的组成设计 根据试验，n时，矿质混合料具有较好的密实度，泰波级配曲线范围如图-所示。泰波理论可用来解决连续级配的级配范围问题，故具有很大的实用意义。（）魏矛斯（）粒子干涉理论。魏矛斯提出的粒子干涉理论认为，颗粒之间
49、的空隙，应由次一级颗粒所填充；其所余空隙又为再次一级颗粒所填充，但填隙的颗粒不得大于其间隙的距离，否则大小颗粒粒子之间势必发生干涉现象，如图-所示。为避免干涉，大小粒子之间应按一定比例分配。从临界干涉的情况下可推导出前分级粒度的间隙距离的计算公式（-）。上一页 下一页返回第二节矿质混合料的组成设计 目前用于计算连续级配的理论有富勒理论、泰波理论；计算间断级配的理论只有魏矛斯理论。二、级配曲线范围的绘制 为了直观形象地表示矿料各粒径的颗粒分布状况，常常采用级配曲线的方式来描述矿料级配。做法是以通过量的百分率为纵坐标，筛孔尺寸（也表示矿料不同颗粒的粒径）为横坐标，将各筛上的通过量绘制在坐标图中，然
50、后用曲线将各点连接起来，成为所谓的级配曲线。上一页 下一页返回第二节矿质混合料的组成设计 由于标准套筛的筛孔分布是按递减的方式设置，在描绘横坐标的筛孔位置时，造成前疏后密的问题，以致到小孔径时无法清楚地确定其位置。所以在绘制级配曲线的横坐标时采用对数坐标（而相应纵坐标上的通过量仍采用常坐标），以方便级配曲线图的绘制。我国沿用半对数坐标系统绘制级配范围曲线的方法，首先要按对数计算出各种颗粒粒径（筛孔尺寸）在横坐标轴上的位置，而表示通过百分率的纵坐标则按普通算术坐标绘制。绘制好横、纵坐标后，将计算所得的各颗粒粒径（di）的通过百分率（Pi）绘制在坐标图上，再将确定的各点连接为光滑的曲线。以n1、n
