第一章石料與集料

★主要內容

砂石材料的技術性能

礦質混合料的級配理論

礦質混合料配合比設計方法

石料與集料在道路工程中的應用砂石材料分類☆按來源分類

①天然砂石材料：卵石、礫石、漂石；砂(海砂、河砂、山砂等)②人工軋制的砂石料：塊料、碎石集料③工業(yè)冶金礦渣集料：鋼渣、高爐渣、煤渣、粉煤灰等☆按尺寸和用途分類①石料②集料：粗集料——粒徑d＞4.75mm（＞2.36mm）細集料——粒徑d≤4.75mm（≤2.36mm）第一節(jié)石料授課目的:

了解砂石材料的類別，巖石種類及其鑒別以及石料的技術性質及其應用。重點難點:

石料的物理性質、力學性質。巖石的分類根據(jù)成巖條件將巖石分成三類巖漿巖—深成巖、噴出巖、火山巖沉積巖---碎屑巖、粘土巖、化學及生物化學巖變質巖---片理狀巖、塊狀巖常見巖石種類

根據(jù)石料組成中二氧化硅成分含量的多少，將巖石分成不同酸堿性石料。親水系數(shù)表明石料對水親和力的大小。親水系數(shù)越大，說明石料與水的結合程度越高，相對應與瀝青的結合力就越弱，所以石料的酸堿性直接影響到石料和瀝青構成的混合料的性質。1、物理常數(shù)

圖1-1石料體積組成示意圖⑴密度：①真實密度（真實體積

vs

—礦物實體體積）②表觀密度（表觀體積vs＋

vn—含閉口孔隙）③毛體積密度(毛體積vs+vn+vi—閉口與開口孔隙)⑵孔隙率：石料體積組成示意圖m0VnMmSViVsVV0開口孔隙閉口孔隙礦物實體2、吸水性：材料吸入水分的能力①吸水率：常溫（20±2℃）、標準大氣壓（101.325kPa)②飽水率：常溫、真空抽氣（2.67kPa）三、石料的力學性質

1、抗壓強度①道路試件:50×50×50mm立方體φ50×H50mm的圓柱體

圖1-2石料抗壓強度試件

②橋梁試件:70×70×70mm立方體圖1-2石料抗壓強度試件影響石料抗壓強度的因素：內因：材料的礦物成分結構和構造外因：試件尺寸加荷速率濕度等2、磨耗率②擱板式（洛杉磯法）:試樣為~5000g有級配的集料，加入鋼球12個φ48mm，~5000g。轉速30～33r/min，轉500轉①雙筒式（狄法爾法）:50塊石料（50～75mm），質量5000g左右，轉速30～33r/min，轉10,000轉（5.5～5.0h）

磨耗率計算公式：

式中：m2——試驗后2mm篩上烘干石料試樣質量；m1——試驗前烘干石料試樣質量。

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物理性質物理常數(shù)：密度（表觀密度、毛體積密度）、空隙率吸水性：吸水率、飽水率抗凍性力學性質抗壓強度：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石料的技術性質

1.分類：按照成巖條件、風化程度等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（變質巖）④礫石巖（天然風化）2.分級指標：飽水抗壓強度和磨耗率

I

最堅強

II

堅強

III

中等堅強

IV

較軟四、石料的技術標準圖1-5碎石集料

不同粒徑、尺寸較小的石料顆粒的集合體2．粗細集料粒徑的界限水泥混凝土4.75mm，瀝青混合料2.36mm3．最大粒徑（1）集料最大粒徑：

指集料100%都要求通過的最小標準篩篩孔尺寸。（2）集料公稱最大粒徑:

指集料可能全部通過或允許有少量不通過(一般容許篩余不超過10%)的最小標準篩篩孔尺寸。通常集料公稱最大粒徑比最大粒徑要小一個粒級。一、集料的物理性質1、物理常數(shù)圖1-6集料的體積組成⑴密度：表觀密度、毛體積密度、裝填密度裝填密度①

堆積（松裝）密度——集料按自由下落方式裝樣

圖1-7細集料堆積密度試驗儀具示意圖②

振實（緊裝）密度——集料振搖方式裝樣③

搗實密度——集料振搖方式裝樣⑵

空隙率VG：集料空隙體積占集料總體積的百分比——不含開口孔隙

——含開口孔隙顆粒之間的空間體積圖1-6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圖1-7細集料堆積密度試驗儀具示意圖（3）粗集料的骨架間隙率VCA粗集料骨架間隙率通常指4.75mm以上粗集料顆粒間的空隙體積的百分含量，由下式計算。粗集料骨架間隙率的大小用于確定混合料中細集料和結合料的數(shù)量，并評價集料的骨架結構。（4）細集料的棱角性細集料的棱角性由在一定條件下測定的空隙率表征，按下式計算。天然砂、人工砂和石屑等細集料的棱角性對瀝青混合料的內摩擦角和抗流動性變形能力及對水泥混凝土的和易性有著顯著的影響。當空隙率較大時，意味著細集料有著較大的內摩阻角。

2、級配：指集料中不同尺寸顆粒的比例反映了粒徑大小不同的礦質顆粒的相互搭配情況。碎石受壓3、集料的顆粒形狀與表面特征⑴顆粒形狀：蛋圓形、棱角形、針狀、片狀針狀：長度大于其平均粒徑2.4倍的顆粒片狀：厚度小于其平均粒徑0.4倍的顆粒⑵表面特征：表面的粗糙程度及孔隙特征等礫石受壓針片狀顆粒的定義：最大長度與厚度之比大于3的顆粒。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（或細集料大于1.18mm），但經水浸洗、手捏后小于2.36mm（細集料小于0.6mm）的顆粒含量。4．含泥量和泥塊含量粗集料的力學性能壓碎值：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)的重復沖擊荷載的能力集料的性能及評價指標物理性質物理常數(shù)：密度、空隙率吸水性：吸水率、飽水率抗凍性1、壓碎值：石料抵抗壓碎的能力①壓碎指標值（適用于水泥混凝土用集料）

圖1-11壓碎值測試儀具尺寸圖②壓碎值（瀝青混合料用集料）

圖1-12壓碎值測試儀

式中：m0—試驗前風干試件的質量m1—試驗后2.36mm篩上集料質量二、粗集料力學性質壓碎指標值測試儀具尺寸圖10～20mm集料分二層夯實，在3～5min加荷至Pmax=200kN，恒壓5s后，脫膜后過2.36mm篩試驗集料壓碎值測試儀將12～16mm碎石分三層夯實，在0～10min加壓至400kN，立即卸載，過2.36mm篩試驗集料容器2、磨光值：石料抵抗磨光的能力，即保持其原有粗糙的能力

圖1-13磨光值3、磨耗值：石料抵抗磨擦、剪切的能力道瑞Dorry（英國）磨耗儀

式中：m1——磨耗前的試件質量（g）

m2——磨耗后的試件質量（g）

't——集料的飽和面干密度4、沖擊值：石料抵抗多次連續(xù)的重復沖擊荷載的能力沖擊值儀

式中：m0——沖擊前試樣質量；

m1——沖擊后粒徑小于2.36mm集料試樣質量磨光機磨光值試件試件→（金剛砂），經6h磨光后，

用擺式儀測摩擦系數(shù)（BPN）→磨光值圖1-15道瑞Dorry（英國）磨耗儀圖1-16沖擊值儀10～15mm集料，1kg分三次夯實。沖擊錘至380±5mm處自由落下，重復15次。將受沖擊后的集料過篩（2.36mm），稱重。密度類型真密度表觀密度毛體積密度表干密度裝填密度定義石料礦質實體單位真實體積的質量石料礦質實體包括閉口孔隙在內的單位表觀體積的質量石料礦質實體包括孔隙（閉口、開口孔隙）體積在內的單位毛體積的質量單位毛體積（包括集料礦質實體體積及全部孔隙體積）的飽和面干質量集料顆粒礦質實體的單位裝填體積（包括集料顆粒間空隙體積、集料礦質實體及全部孔隙體積）的質量計算公式主要用途確定石料、水泥及礦粉的密度，計算石料的孔隙率和混合料的配合比確定粗細集料的密度，用于混合料的配合比和空隙率的計算計算石料的孔隙率和集料的骨架間隙率可用于集料磨耗值計算計算集料的空隙率砂石材料密度概念小結第三節(jié)礦質混合料的組成設計礦質混合料的級配理論

礦質混合料的組成設計礦質混合料的級配理論級配研究意義：探討級配對集料性能——密度和內摩阻力的影響最小空隙率：達到最大密實度最大摩阻力：

*增加集料的穩(wěn)定性和強度；

*互相嵌緊、互不干涉，緊密多級空間網絡骨架結構。1、級配：指集料中不同尺寸顆粒的比例反映了粒徑大小不同的礦質顆粒的相互搭配情況

級配的幾種情況⑴篩析試驗套篩圓孔篩(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…

⑵級配參數(shù)①分計篩余百分率ai：某號篩上的篩余質量占試樣總質量的百分率②累計篩余百分率Ai：等于或大于某號篩上篩余質量之和占總質量的百分率③通過百分率Pi：通過某號篩的集料質量占試件總質量的百分率一、礦質混合料的級配級配的幾種情況骨架-空隙結構懸浮-密實結構密實-骨架結構標準篩（2）粗度→細度模數(shù)→評價砂（0.16～4.75mm）粗細程度細度模數(shù)粗砂：Mf

＝3.7～3.1中砂：Mf

＝3.0～2.3細砂：Mf＝2.2～1.6（3）集料的級配曲線①級配曲線的繪制

圖1-10級配曲線示意圖②級配曲線類型

圖1-17級配類型示意圖

圖1-10級配曲線示意圖①作圖：縱坐標為通過百分率P(％)常數(shù)坐標

橫坐標為篩孔尺寸(mm)②注意：坐標單位注明不同曲線意義③判斷集料級配是否符合要求（1）連續(xù)級配

連續(xù)級配是某一礦料在標準套篩中進行篩分后，礦料的顆粒由大到小連續(xù)分布，每一級都占有適當?shù)谋壤＿@種由大到小逐級粒徑都有，并按比例互相搭配組成的礦質混合料，稱為連續(xù)級配混合料。（2）間斷級配：

在礦料顆粒分布的整個區(qū)間里，從中間剔除一個或連續(xù)幾個粒級，形成一種不連續(xù)的級配，成為所謂的間斷級配。（3）連續(xù)開級配：

整個礦料顆粒分布范圍較窄，從最大粒徑到最小粒徑僅在數(shù)個粒級上以連續(xù)的形式出現(xiàn)，形成所謂的連續(xù)開級配。

圖1-17級配類型示意圖

3、典型的級配理論—連續(xù)級配1）最大密度曲線——富勒理論

p2=kd當d=D時，p=100→1002=k·D→式中：d—欲計算通過百分率的粒徑

D—礦質混合料最大粒徑2）級配范圍曲線——泰波公式（最大密度曲線n冪公式）式中：n——級配指數(shù)級配范圍曲線

n=0.45，密實度最大n=0.3～0.7，密實度尚可n=0.25～0.45，工作性較好Superpave級配要求控制點禁區(qū)禁區(qū)控制點n=0.45二、礦質混合料配合比設計方法目的：確定礦質混合料中各檔集料的比例已知條件：①各檔集料級配P~d②設計級配范圍P~d方法：①數(shù)解法②圖解法

1.數(shù)解法——試算法需要根據(jù)集料的分計篩余進行計算

1）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2）計算過程

已知：集料混合料

⑴準備工作：Pi→Ai→ai;參數(shù)集料A集料B集料C混合料M篩孔i的分計篩余/%aA(i)aB(i)aC(i)aM(i)在混合料中的比例/%XYZ100⑵計算方程：

X＋Y＋Z＝100(1)d=i時：X.aA(i)+Y.aB(i)

+Z.aC(i)

＝aM(i)

(2)ABCM+→+

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

A集料用量X為：

步驟②：計算C集料在礦質混合料中的用量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<0.075mmaZ(<0.075mm)=85.3%忽略A、C集料同一粒徑含量:aA(j)

=0、aB(j)=0

C料用量Z為：步驟③：計算B集料在礦質混合料中的用量Y由公式(2)：Y＝100－(X＋Z）＝100－(42.1＋7.0）＝50.9%⑷校核調整計算合成礦質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)

應在規(guī)定的級配范圍內②調整配合比后還應重新進行校核，直至符合要求為止③經調整后仍不能滿足級配要求時，可摻加單粒級集料或調換集料篩孔尺寸di（mm）集料A集料B集料C碎石分計篩余aA(i)（%）石屑分計篩余aB(i)（%）礦粉分計篩余aC(i)（%）13.20.8——9.543.6——4.754