1、1.砂石材料砂石材料 砂石材料分类砂石材料分类 主要内容主要内容 砂石材料的技术性能砂石材料的技术性能 矿质混合料的级配理论矿质混合料的级配理论 矿质混合料配合比设计方法矿质混合料配合比设计方法 石料与集料在道路工程中的应用石料与集料在道路工程中的应用1砂石材料分类砂石材料分类按来源分类按来源分类 天然砂石材料：卵石、砾石、漂石；砂天然砂石材料：卵石、砾石、漂石；砂(海砂、河砂、山砂等海砂、河砂、山砂等)人工轧制的砂石料：块料、碎石集料人工轧制的砂石料：块料、碎石集料 工业冶金矿渣集料：钢渣、高炉渣、煤渣、粉煤灰等工业冶金矿渣集料：钢渣、高炉渣、煤渣、粉煤灰等按尺寸和用途分类按尺寸和用途分类
2、石料石料 集料：粗集料集料：粗集料粒径粒径d4.75mm（2.36mm）细集料细集料粒径粒径d4.75mm（2.36mm）2 1.2 砂石材料的技术性能砂石材料的技术性能 1.2.1石料的技术性质石料的技术性质1.2.1.1 物理性质物理性质物理常数物理常数吸水性吸水性抗冻性抗冻性31.2.1石料的技术性质石料的技术性质1）物理常数）物理常数 图图1-1 石料体积组成示意图石料体积组成示意图 密度：密度：真实密度真实密度 （真实体积（真实体积 vs 矿物实体体积）矿物实体体积）表观密度表观密度 （表观体积（表观体积 vs vn 含闭口孔隙）含闭口孔隙）毛体积密度毛体积密度 (毛体积毛体积 vs
3、+vn+vi闭口与开口孔隙闭口与开口孔隙)孔隙率：孔隙率：stvmnshvvminshvvvm%100)1(thinvVvvP4石料体积组成示意图石料体积组成示意图m0VnMmSViVsVV0开口孔隙开口孔隙闭口孔隙闭口孔隙矿物实体矿物实体52）吸水性）吸水性：材料吸入水分的能力：材料吸入水分的能力 吸水率吸水率：常温（：常温（202）、标准大气压（）、标准大气压（101.325kPa)饱水率饱水率：常温、真空抽气（：常温、真空抽气（2.67 kPa）干燥试样质量最大吸水质量吸水率（保水率）63）抗冻性）抗冻性：石料在水饱和状态下，能经受反复冻融而不破坏，：石料在水饱和状态下，能经受反复冻融而
4、不破坏，并不严重降低强度的能力并不严重降低强度的能力 直接冻融法直接冻融法（冻融循环试验：（冻融循环试验：-15冰冻冰冻4h常温融解常温融解）循环若干次循环若干次(15、25、50次次)质量损失质量损失 强度损失：强度降低不大于强度损失：强度降低不大于25，耐冻系数，耐冻系数0.75 坚固性法坚固性法（硫酸钠（硫酸钠Na2SO4结晶、体积涨大）结晶、体积涨大）71）抗压强度）抗压强度 道路试件道路试件:505050 mm立方体立方体 50H50mm的圆柱体的圆柱体 图图1-2 石料抗压强度试件石料抗压强度试件 桥梁试件桥梁试件:200200200 mm立方体立方体8图图1-2 石料抗压强度试件
5、石料抗压强度试件影响石料抗压强度的因素：影响石料抗压强度的因素：内因：材料的矿物成分内因：材料的矿物成分 结构和构造结构和构造外因：试件尺寸外因：试件尺寸 加荷速率加荷速率 湿度等湿度等92)磨耗率磨耗率 搁板式（洛杉矶法）搁板式（洛杉矶法）:试样为试样为5000g有级配的集料，加有级配的集料，加入钢球入钢球12个个48mm，5000g。转速。转速3033r/min，转，转500转转 图图1-4 搁板式磨耗仪搁板式磨耗仪%100121abmmmQ 双筒式（狄法尔法）双筒式（狄法尔法）:50块石料（块石料（5075mm），质量），质量5000g左右，转速左右，转速3033r/min，转，转10,
6、000转（转（5.55.0h）图图1-3 双筒式磨耗仪双筒式磨耗仪 磨耗率计算公式磨耗率计算公式：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。10图图1-3 双筒式磨耗仪示意图双筒式磨耗仪示意图 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合），与路用实际情况不符合 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11图图1-4 搁板式磨耗仪示意图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、
7、使石料受到更严峻的冲击、剪切、摩擦作用，石料级差大剪切、摩擦作用，石料级差大 试样级配较符合路用状况试样级配较符合路用状况12物理常数：密度（表观密度、毛体积密度）、空隙率物理常数：密度（表观密度、毛体积密度）、空隙率吸水性：吸水率、饱水率吸水性：吸水率、饱水率抗冻性抗冻性抗压强度：单位面积上所能承受的最大荷载抗压强度：单位面积上所能承受的最大荷载磨耗率：石料抵抗撞击、剪切和摩擦综合作用的能力磨耗率：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石料的技术性质131.分类分类：按照成岩条件、风化程度等：按照成岩条件、风化程度等 岩浆岩类（火成岩）岩浆岩类（火成岩）石灰岩类（沉积岩）石灰岩
8、类（沉积岩）砂岩与片麻岩类（变质岩）砂岩与片麻岩类（变质岩）砾石岩（天然风化）砾石岩（天然风化）2.分级指标分级指标：饱水抗压强度和磨耗率：饱水抗压强度和磨耗率 最坚强最坚强 坚强坚强 中等坚强中等坚强 较弱软较弱软1.3.2 石料的技术标准石料的技术标准141.2.2 集料的技术性质集料的技术性质图图1-5 碎石集料碎石集料 1.2.2.1 物理性质物理性质1）物理常数）物理常数图图1-6 集料的体积组成集料的体积组成 密度：表观密度、毛体积密度、装填密度密度：表观密度、毛体积密度、装填密度 装填密度装填密度 堆积（松装）密度堆积（松装）密度集料按自由下落方式装样集料按自由下落方式装样 图图
9、1-7 细集料堆积密度试验仪具示意图细集料堆积密度试验仪具示意图 振实（紧装）密度振实（紧装）密度集料振摇方式装样集料振摇方式装样 捣实密度捣实密度集料振摇方式装样集料振摇方式装样 空隙率空隙率VG：集料空隙体积占集料总体积的百分比：集料空隙体积占集料总体积的百分比 不含开口孔隙不含开口孔隙 含开口孔隙含开口孔隙vinssfvvvvm%100)1(tfGV%100)1(hfGV颗粒之间的颗粒之间的空间空间体积体积15图图1-5 碎石集料碎石集料不同粒径、尺寸较小的石料颗粒的集合体不同粒径、尺寸较小的石料颗粒的集合体16图图1-6 集料的体积组成集料的体积组成孔隙：矿物之间的空间孔隙：矿物之间的
10、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颗粒之间的颗粒之间的空间体积空间体积17图图1-7 细集料堆积密度试验仪具示意图细集料堆积密度试验仪具示意图182）级配：）级配：指集料中不同尺寸颗粒的比例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 级配的几种情况级配的几种情况 筛析试验筛析试验套筛套筛 圆孔筛圆孔筛(直径直径)：40、20、10、5、2.5、1.25、0.63、0.3 方孔筛方孔筛(边长边长)：13.2、9.5、4.75、2.36、1.18、0.6、0.3 筛分试验参数筛分试验参数 分计筛余
11、百分率分计筛余百分率ai：某号筛上的筛余质量占试样总质量的百分率：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：等于或大于某号筛上筛余质量之和占总质量的百分率的百分率 通过百分率通过百分率Pi：通过某号筛的集料质量占试件总质量的百分率：通过某号筛的集料质量占试件总质量的百分率 级配曲线的绘制级配曲线的绘制图图1-10 级配曲线级配曲线 制表制表19图图1-8 级配的几种情况级配的几种情况20筛析试验用套筛筛析试验用套筛21图图1-10 级配曲线示意图级配曲线示意图 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
12、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223）粗度）粗度细度模数细度模数评价砂（评价砂（0.164.75mm）粗细程度）粗细程度细度模数细度模数粗砂：粗砂：Mf 3.73.1中砂：中砂：Mf 3.02.3细砂：细砂：Mf 2.21.675.475.415.03.06.018.136.2i1005)(AAAAAAAU23碎石受压碎石受压4）集料的颗粒形状与表面特征）集料的颗粒形状与表面特征 颗粒形状：蛋圆形、棱角形、针状、片状颗粒形状：蛋圆形、棱角形、针状、片状
13、针状：长度大于其平均粒径针状：长度大于其平均粒径2.4倍的颗粒倍的颗粒片状：厚度小于其平均粒径片状：厚度小于其平均粒径0.4倍的颗粒倍的颗粒 表面特征：表面的粗糙程度及孔隙特征等表面特征：表面的粗糙程度及孔隙特征等砾石受压砾石受压24粗集料的力学性能粗集料的力学性能 压碎值：石料抵抗压碎的能力压碎值：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集
14、料的性能及评价指标 物理常数：密度、空隙率物理常数：密度、空隙率 吸水性：吸水率、饱水率吸水性：吸水率、饱水率 抗冻性抗冻性251）压碎值）压碎值：石料抵抗压碎的能力：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）压碎指标值（适用于水泥混凝土用集料）图图1-11 压碎值测试仪具尺寸图压碎值测试仪具尺寸图 压碎值（沥青混合料用集料）压碎值（沥青混合料用集料）图图1-12 压碎值测试仪压碎值测试仪 式中：式中：m0试验前风干试件的质量试验前风干试件的质量 m1试验后试验后2.36mm筛上集料质量筛上集料质量1.2.2.2 粗集料力学性质粗集料力学性质%100010ammmQ压碎值26压碎
15、指标值测试仪具尺寸图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筛筛试验集料试验集料27压碎值测试仪压碎值测试仪将将1216mm碎石分三层夯实，在碎石分三层夯实，在010min加压至加压至400kN，立即卸载，过，立即卸载，过2.36mm筛筛试验集料容器试验集料容器282)磨光值磨光值：石料抵抗磨光的能力，即保持其原有粗糙的能力：石料抵抗磨光的能力，即保持其原有粗糙的能力 图图1-13磨光值磨光值3)磨耗值磨耗值：石料抵抗磨擦、剪切的能力：石料抵抗磨擦、剪切的能力道瑞道瑞
16、 Dorry（英国）（英国）磨耗仪磨耗仪 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）冲击值：石料抵抗多次连续的重复冲击荷载的能力：石料抵抗多次连续的重复冲击荷载的能力冲击值仪冲击值仪 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%10001mmLSV冲击值t213）（磨耗值mmAAV29磨光机磨光机磨光值试件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（BP
17、N）磨光值磨光值30图图1-15道瑞道瑞 Dorry（英国）磨耗仪（英国）磨耗仪31图图1-16 冲击值仪冲击值仪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。321.4 矿质混合料的组成设计矿质混合料的组成设计v 矿质混合料的级配理论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331.4 矿质混合料的组成设计矿质混合料的组成设计1.4.1 矿质混合料的级配理论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
18、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：达到最大密实度最小空隙率：达到最大密实度 最大摩阻力：最大摩阻力：*增加集料的稳定性和强度；增加集料的稳定性和强度；*互相嵌紧、互不干涉，紧密互相嵌紧、互不干涉，紧密多级空间网络骨架结构。多级空间网络骨架结构。341.4.1.1 级配曲线类型级配曲线类型图图1-17 级配类型示意图级配类型示意图 1）连续级配：级配曲线光滑，每一种尺寸的集料都有）连续级配：级配曲线光滑，每一种尺寸的集料都有 2）间断级配：剔除一个或几个分级，曲线形成折线形）间断级配：剔除一个或几个分级，曲线形成折线形 3）单粒径：）单粒径：35 图图
19、1-17 级配类型示意图级配类型示意图 单粒径单粒径361.4.1.2典型的级配理论典型的级配理论连续级配连续级配1）最大密度曲线最大密度曲线富勒理论富勒理论 p2=kd 当当d=D时，时，p=1001002=kD 式中：式中：d 欲计算通过百分率的粒径欲计算通过百分率的粒径 D 矿质混合料最大粒径矿质混合料最大粒径2）级配范围曲线级配范围曲线泰波公式（最大密度曲线泰波公式（最大密度曲线n幂公式）幂公式）式中：式中：n级配指数级配指数Ddp100nDdp)(100 37级配范围曲线级配范围曲线 n=0.450.5，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=0.350.4
20、5，工作性较好（工艺性能），工作性较好（工艺性能）nDdp)(100 38Superpave级配要求级配要求控制点控制点禁区禁区禁区禁区控制点控制点n=0.45391.4.2 矿质混合料的组成设计矿质混合料的组成设计目的目的：确定矿质混合料中各档集料的比例：确定矿质混合料中各档集料的比例已知条件已知条件：各档集料级配各档集料级配 Pd 设计级配范围设计级配范围 Pd方法方法：数解法数解法 图解法图解法401.4.2 矿质混合料的组成设计矿质混合料的组成设计 1.4.2.1 数解法数解法试算法试算法 需要根据集料的分计筛余进行计算需要根据集料的分计筛余进行计算 1）基本假定）基本假定 某一粒径的
21、颗粒由一种集料提供，其它集料中不含此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粒径的颗粒 该粒径的颗粒在该集料中是占优势的该粒径的颗粒在该集料中是占优势的412）计算过程）计算过程 已知：集料已知：集料 混合料混合料 准备工作：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：计算方程：XYZ100 (1)d=i时：时：X.aA(i)+Y.aB(i)+Z.aC(i)aM(i)(2)ABCM+42 确定各集料用量确定各集料
22、用量步骤：步骤：计算计算A集料在矿质混合料中的用量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：由表由表 A集料中含量占优势粒径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（，代入式（1）A集料用量集料用量X为：为：%1.42%1009.490.21%100%100A(4.75)M(4.75)A(i)M(i)aaaaX43步骤步骤：计算计算C集料在矿质混合料中的用量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由表 C集
23、料中含量占优势粒径为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)=0、aB(j)=0 C料用量料用量Z为：为：步骤步骤：计算计算B集料在矿质混合料中的用量集料在矿质混合料中的用量Y由公式由公式(2)：Y100(XZ）100(42.17.0）50.9%0.7%1005.830.6%100%1000.075)Z(0.075)M(Z(j)M(j)aaaaZ44 校核调整校核调整 计算合成矿质混合料的通过百分率计算合成矿质混合料的通过百分率PM(i)合成级配合成级配 X.PA(i)+Y.PB(i)+Z.PC(i)
24、PM(i)要求：要求：合成级配合成级配aM(i)或或PM(i)应在规定的级配范围内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45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)（%）13.20.89.543.64.7549.92.364.42.01.181.322.60.623.70.31
25、8.40.1513.04.00.07510.910.70.075 9.5 85.3 46010203040506070809010026.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.08筛孔尺寸（mm)通过百分率（%）AC-20上限AC-20下限级配S2(粗)010203040506070809010026.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075筛孔尺寸（mm)通过百分率（%）上限下限合成级配1471.4.2.2 图解法图解法修正平衡面积法修正平衡面积法 按通过百分率计算并制图按通过百分率计算并制图1）绘制图解法坐标图）绘制图
26、解法坐标图 计算设计级配范围中值计算设计级配范围中值见表见表 绘制图框并作对角线（为设计级配中值）绘制图框并作对角线（为设计级配中值）确定纵坐标：确定纵坐标：通过百分率（）通过百分率（）算术坐标算术坐标 确定横坐标：根据设计级配中值，确定横坐标：根据设计级配中值，Pd，确定筛孔尺寸位置，确定筛孔尺寸位置 将各种集料的级配（通过量）绘在图中将各种集料的级配（通过量）绘在图中见图见图2）确定各集料的用量）确定各集料的用量作图原则作图原则 3）合成级配的校核与调整）合成级配的校核与调整 计算合成级配：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调整：合成级配曲线应尽可能光
27、滑 靠近级配范围中值线靠近级配范围中值线48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)100987957453324171260102030405060708090100020406080100通过百分率通过百分率(%)9879574533241260.0759.513.24.752.360.61.180.30.1549图解法用图图解法用图 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相接重线连分；两相邻级配曲线头尾相离相接重线连分；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）用量）W（D用量）用量）Z（C用量）用量）Y（B用量）用量）50
