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文檔簡介
道路建筑材料
單元一砂石材料課程思政元素:
“工匠精神”價值引領(lǐng):檢測方法容易,操作規(guī)范、數(shù)據(jù)精準客觀卻較難
只有大量試驗、反復(fù)鉆研、精益求精
方能有效提高實踐技能,成為真正的“工匠之才”知識目標?了解砂石材料的定義和分類?熟悉巖石和集料的技術(shù)性質(zhì)?掌握集料技術(shù)性質(zhì)的檢測方法和檢測標準能力目標?能夠依據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》對粗細集料相關(guān)技術(shù)指標進行檢測,并依據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》對所測定定技術(shù)指標進行正確評定和合理選用?能夠規(guī)范填寫實驗原始記錄,并獨立出具相關(guān)試驗報告模塊一
巖石1.1巖石分類01巖漿巖(花崗巖)02變質(zhì)巖(大理石)03沉積巖(石灰?guī)r)1.2巖石的技術(shù)性質(zhì)
巖石是指在各種地質(zhì)作用下,按一定方式結(jié)合而成的礦物集合體,是構(gòu)成地殼及地幔的主要物質(zhì)。性質(zhì):物理性質(zhì)、力學性質(zhì)、化學性質(zhì)和耐久性一、巖石的物理性質(zhì)
1、物理常數(shù)圖1-1巖石組成部分的質(zhì)量與體積關(guān)系示意圖密度:是指在規(guī)定條件下(大多指規(guī)定的溫度),烘干巖石單位體積的質(zhì)量。由于巖石在組成結(jié)構(gòu)上或多或少存在著孔隙,而孔隙又分為與外界連通的開口孔隙和與外界不連通的閉口孔隙。(1)密度①顆粒密度:是指巖石在烘干狀態(tài)下礦質(zhì)實體單位體積(不包括孔隙體積)的質(zhì)量。單位:g/cm3、kg/m3
式中:ρt———巖石的真密度,g/cm3;
ms———巖石礦質(zhì)實體的質(zhì)量,g;
Vs———巖石礦質(zhì)實體的體積,cm3。按《公路工程巖石試驗規(guī)程》(JTG3431-2024)規(guī)定,巖石顆粒密度的測定采用“密度瓶法”。②塊體密度:是指巖石塊狀實體質(zhì)量與其體積(包括閉口孔隙和開口孔隙體積在內(nèi))的質(zhì)量。單位:g/cm3、kg/m3
式中:ρb———巖石的塊體密度,g/cm3;ms———巖石塊狀實體的質(zhì)量,g;
Vs———巖石塊狀實體的體積,cm3;Vn———巖石中閉口孔隙的體積,cm3;
Vi———巖石中開口孔隙的體積,cm3。
按《公路工程巖石試驗規(guī)程》(JTG3431-2024)規(guī)定,巖石塊體密度的測定采用量積法、水中稱量法和蠟封法。量積法用于規(guī)則的各類巖石,方法簡易;水中稱量法用于除遇水崩解、溶解或干縮濕脹外的其他各類巖石;蠟封法適用于不能用量積法和水中稱量法測試的巖石。
孔隙率:孔隙率:是指巖石孔隙體積與巖石總體積(包括開口孔隙和閉口孔隙體積)的比值。
式中:n———巖石的孔隙率,%;ms———巖石塊狀實體的質(zhì)量,g;
V0———巖石的孔隙(含開口孔隙和閉口孔隙)體積,cm3;V———巖石的總體積,cm3;ρs———巖石的顆粒密度,g/cm3;
ρb———巖石的塊體密度,g/cm3。(2)孔隙率思考:①孔隙率和空隙率不同點?
②孔隙率大小與哪些因素有關(guān)?2、吸水性巖石的吸水性是巖石在規(guī)定條件下吸水的能力,采用吸水率、飽和吸水率來表征。(1)吸水率
巖石吸水率是指在大氣壓力和室溫條件下自由吸入水的質(zhì)量與試件烘干質(zhì)量之比,以百分率表示。我國《公路工程巖石試驗規(guī)程》(JTG3431-2024)規(guī)定采用自由吸水法測定吸水率,試驗結(jié)果精確至0.01%。式中:ωa——巖石試樣的吸水率,%;
m——烘至恒重時的試件質(zhì)量,g;
m1——吸水至48h時的試件質(zhì)量,g。
(2)飽和吸水率
飽和吸水率是指在強制條件下,巖石試樣最大的吸水質(zhì)量與烘干巖石試件質(zhì)量之比,以百分率表示。我國《公路工程巖石試驗規(guī)程》(JTG3431-2024)規(guī)定,采用煮沸法或真空抽氣法測定飽和吸水率。式中:ωa——巖石試樣的吸水率,%;
m——烘至恒重時的試樣質(zhì)量,g;
m2——試件經(jīng)強制飽和后的試樣質(zhì)量,g。
思考:吸水率與飽水率有什么不同?巖石的吸水性取決于其親水性,與其孔隙的大小及孔隙結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。封閉或粗大孔隙的巖石的吸水率是較低的。其他條件相同時,材料開口孔隙率越大,含水率越高,抗凍性越差。
吸水率、飽和吸水率能有效地反映巖石微裂隙的發(fā)育程度,可用來判斷巖石的抗凍性和抗風化性能。
(3)飽水系數(shù)
飽水系數(shù)是指巖石的吸水率和飽和吸水率之比,可評價巖石抗凍性。一般來說,巖石飽水系數(shù)為0.5~0.8。飽水系數(shù)越大,巖石的抗凍性就差。
思考:飽水系數(shù)與巖石孔隙率有關(guān)嗎?二、巖石的力學性質(zhì)
1、抗壓強度
(1)抗壓強度巖石的抗壓強度:對規(guī)定形狀的巖石試樣,以標準方式對其進行軸向壓力作用破壞試驗所得結(jié)果。我國《公路工程巖石試驗規(guī)程》(JTG3431-2024)規(guī)定標準試件:巖石試驗用:直徑為50mm±2mm,高徑比為2.0的圓柱體試件砌體工程用:邊長為70mm±2mm的立方體試件;混凝土集料試驗用:邊長或直徑為50mm±2mm的立方體或圓柱體試件;
再將標準試件自由浸水使其吸水飽和后,擦干表面,使試件單軸受壓,并在規(guī)定加載條件下使其達到破壞,此時單位承壓面積的荷載即48h為巖石的單軸抗壓強度,也即是其抗壓強度。單軸抗壓強度(抗壓強度):式中:
R—巖石的抗壓強度,MPa;
P—試件破壞時的極限荷載,N;
A—試件的截面面積,mm2。當單獨測定單軸抗壓強度時,不同狀態(tài)每組試件共6個。試驗結(jié)果取算術(shù)平均值,并取三位有效數(shù)字。有顯著層理的巖石,應(yīng)分別報告垂直與平行層理方向的試件強度的平均值。(2)巖石的軟化系數(shù):式中:
Kp—軟化系數(shù);
Rc—巖石飽水狀態(tài)下的單軸抗壓強度平均值,MPa;
Rd—巖石烘干狀態(tài)下的單軸抗壓強度平均值,MPa。
軟化系數(shù)計算值精確至0.01,每個狀態(tài)的3個試件應(yīng)平行測定,取算術(shù)平均值;3個值中最大值與最小值之差不應(yīng)超過平均值的30%,否則,應(yīng)另取第4個試件,并在4個試件中取最接近的3個值的平均值作為試驗結(jié)果,同時在報告中將4個值全部給出。(3)影響巖石抗壓強度的因素:巖石的礦物組成
巖石的結(jié)構(gòu)
巖石的孔隙構(gòu)造
巖石試件的尺寸
巖石的吸水率
三、巖石的化學性質(zhì)1、巖石的酸堿性
以巖石化學組成中SiO2的含量多少來劃分。按克羅斯的分類法:酸性巖石:SiO2
>65%,如花崗巖、石英巖等;中性巖石:SiO2含量52%~65%,如閃長巖、輝綠巖等;堿性巖石:SiO2含量<52%,如石灰?guī)r、玄武巖等。
為保證瀝青混合料的強度,在選擇巖石時必須優(yōu)先采用堿性巖石。2、巖石的黏附性
巖石的黏附性直接影響瀝青混合料的使用性能,容易造成剝離病害。
黏附性的影響因素:巖石的化學性質(zhì):化學成分影響表面電荷的性質(zhì)和分布;巖石的表面特征:巖石的表面粗糙程度;
堿性巖石的吸附能力優(yōu)于酸性巖石巖石長期在各種自然因素的綜合作用下,力學強度會逐漸降低。導(dǎo)致巖石強度降低的機理主要有兩方面:
一是自然條件下,由于溫度升降產(chǎn)生的溫度應(yīng)力作用而引起巖石內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的破壞;
二是由于凍融循環(huán)作用。對大多數(shù)地區(qū)而言,凍融循環(huán)作用占主導(dǎo)。四、巖石的耐久性模塊二
集料最大粒徑的區(qū)別最大粒徑公稱最大粒徑指集料100%都要求通過的最小標準篩篩孔尺寸。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。最大粒徑比公稱最大粒徑大一級2.1集料的技術(shù)性質(zhì)集料分類:粗集料:骨架作用,包括碎石、礫石;細集料:填充作用,包括機制砂、石屑、砂等。碎石機制砂水
泥
混
凝
土瀝青混合料公稱最大粒徑4.75mm粗細集料分界尺寸公稱最大粒徑2.36mm瀝青混合料中,粗集料是指粒徑>2.36mm的碎石、破碎礫石、篩選礫石和礦渣等;水泥混凝土中,粗集料是指粒徑>4.75mm的碎石、礫石和破碎礫石等。技術(shù)性質(zhì):
物理性質(zhì)和力學性質(zhì)
一、粗集料的技術(shù)性質(zhì)粗集料的體積與質(zhì)量關(guān)系示意圖1、物理性質(zhì)顆粒之間的空間體積(1)物理常數(shù)
①表觀密度(ρa)
粗集料的表觀密度(又稱視密度)是在規(guī)定條件(105℃±5℃烘干至恒重)下,單位表觀體積(包括集料礦質(zhì)實體、閉口孔隙和開口中尚未完全被水填充的孔隙體積)的干質(zhì)量。
式中:ρa——粗集料表觀密度,g/cm3;ms——礦質(zhì)實體質(zhì)量,g;Vs——礦質(zhì)實體體積,cm3;Vn——閉口孔隙體積,cm3。《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG3432—2024)規(guī)定,測定方法:網(wǎng)籃法②毛體積密度(ρb)粗集料的毛體積密度是在規(guī)定條件下,單位毛體積(包括礦質(zhì)實體及其閉口孔隙、開口孔隙等顆粒表面輪廓線所包圍的全部毛體積)的質(zhì)量。
式中:ρb——粗集料毛體積密度,g/cm3;
ms——礦質(zhì)實體質(zhì)量,g;Vs——礦質(zhì)實體體積,cm3;
Vn——閉口孔隙體積,cm3;
Vi——開口孔隙體積,cm3。粗集料毛體積密度的測定方法:將已知質(zhì)量的干燥粗集料經(jīng)24h飽水后,用濕毛巾擦干而求得飽和面干質(zhì)量,然后用排水法求得其在水中的體積,即求得粗集料毛體積密度。思考:巖石的表觀密度與毛體積密度跟粗集料的表觀
密度與毛體積密度有什么不同?③堆積密度(ρ)粗集料的堆積密度是在規(guī)定條件下,單位毛體積(包括礦質(zhì)實體、閉口孔隙和開口孔隙及顆粒間空隙體積)的質(zhì)量。
式中:ρ——粗集料堆積密度,g/cm3;
ms——礦質(zhì)實體質(zhì)量,g;Vs——礦質(zhì)實體體積,cm3;
Vn——閉口孔隙體積,cm3;
Vi——開口孔隙體積,cm3;
Vv——顆粒間空隙體積,cm3。粗集料堆積密度分為:自然堆積狀態(tài)、振實狀態(tài)和搗實狀態(tài)下的堆積密度④空隙率(n)空隙率是指粗集料顆粒之間空隙體積占粗集料總體積(含材料的實體礦物成分、閉口孔隙和開口中尚未完全被水填充的孔隙體積)的百分率。
式中:n——粗集料空隙率,%;
ρ——粗集料堆積密度,g/cm3;
ρa——粗集料堆積密度,g/cm3??障堵史从炒旨项w粒之間相互填充的致密程度。試驗結(jié)果證明,松裝和緊裝狀態(tài)下,粗集料的空隙率范圍分別為43%~48%和37%~42%。⑤骨架間隙率(VCADRC)在瀝青混合料中,粗集料骨架間隙率通常指2.36mm(或4.75mm)以上粗集料,在骨架搗實狀態(tài)下的空隙占裝填體積的百分率。
式中:VCADRC——搗實狀態(tài)下粗集料骨架間隙率,%;
ρ——粗集料骨架的毛體積密度,g/cm3;
ρb——粗集料骨架的搗實堆積密度,g/cm3。級配的幾種情況(2)級配①
定義:集料中各組成顆粒的分級和搭配稱為級配。
②
意義:降低混合料的孔隙率,提高混合料的密實度與耐久性。
③
試驗方法:篩分試驗水泥混凝土用集料:干篩法(需要可用水洗法)瀝青混合料及路面基層用集料:水洗(篩)法(3)堅固性(也稱安定性)對已軋制成的碎石或天然卵石亦可采用規(guī)定級配的各粒級集料,按《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG3432—2024)選取規(guī)定數(shù)量粒料,分別裝在金屬網(wǎng)籃后浸入飽和硫酸鈉溶液中進行粗集料在飽和Na2SO4溶液中進行干濕循環(huán)試驗。經(jīng)5次循環(huán)后,觀察其表面破壞情況,并用質(zhì)量損失百分率來計算。根據(jù)《建設(shè)用卵石、碎石》(GB/T14685—2022)的規(guī)定,碎石、卵石按技術(shù)要求分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三類。根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T3650—2020)當混凝土結(jié)構(gòu)物處于不同環(huán)境條件下時,粗集料堅固性的試驗結(jié)果除應(yīng)符合表1-1的規(guī)定外,還應(yīng)符合表1-2的相關(guān)要求。2、力學性質(zhì)(1)壓碎值(ACV)①定義:集料在逐漸增加的荷載下抵抗壓碎的能力。②意義:是檢驗混合料用粗集料強度的相對指標,主要用于水泥砼粗集料力學性質(zhì)評判。③試驗方法:粗集料壓碎值試驗JTG3432—2024《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG3432T0316-2024粗集壓碎值試驗)(2)磨光值(PSV)
表示集料抵抗車輪磨光作用的能力,是保證路面(特別是高速公路、一級公路)具有足夠抗滑性能的重要力學性質(zhì),可采用加速磨光機和擺式摩擦系數(shù)測定儀測定。用高磨光值的巖石來鋪筑道路路面表層,可以提高路表的抗滑能力,保障車輛的行駛安全。根據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG3432—2024)測出的磨光值以PSV表示,該值越大,表明集料的抗磨光性能越好。磨光值試件磨光機(3)沖擊值(AIV)
沖擊值是反映集料抵抗多次連續(xù)重復(fù)沖擊荷載作用的性能,可采用沖擊試驗儀測定。根據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG3432—2024)測出的沖擊值以AIV表示,該值越小,表明集料的抗沖擊性能越好。試驗后2.36mm篩上的試樣質(zhì)量(g)
試驗后2.36mm篩下的試樣質(zhì)量(g)
集料沖擊值(%)
9.5~13.2mm集料,分三次夯實。
13.75±0.05kg沖擊錘至380±5mm處自由落下,重復(fù)15次,每次間隔時間不少于1s。將受沖擊后的集料過篩(2.36mm),稱重。沖擊儀(4)道瑞磨耗值(AAV)
集料表干密度(g/cm3)
磨耗前試件的質(zhì)量(g)
磨耗后試件的質(zhì)量(g)
磨耗值用于確定巖石抵抗表面磨損的能力,適用于對路面抗滑表層所用集料抵抗車輪磨耗值的測量。試驗測出的磨耗值以AAV表示,該值越小,表明集料的抗磨耗能力越好。道瑞Dorry(英國)磨耗儀二、細集料的技術(shù)性質(zhì)1、細集料的表觀密度(1)定義:單位表觀體積(礦質(zhì)實體體積+閉口孔隙體積)上的質(zhì)量。(2)試驗方法:細集料密度試驗(容量瓶法)(二)細集料物理性質(zhì)2、細集料堆積及緊裝密度(1)定義:單位堆積體積礦質(zhì)實體的質(zhì)量(2)狀態(tài):堆積、緊裝兩種狀態(tài)(3)試驗方法:細集料堆積及緊裝密度試驗3、細集料的級配(1)定義:各級砂分級的搭配情況(2)意義:降低混合料的孔隙率,提高混合料的密實度與耐久性。(3)確定細集料的級配的試驗方法:篩分試驗(干篩法和水洗法)。(4)計算級配三參數(shù)。①干篩分計篩余百分率ai干篩后各號篩上的分計篩余百分率按式計算,精確至0.1%。②干篩累計篩余百分率Ai
各號篩的累計篩余百分率為該號篩以上各號篩的分計篩余百分率之和,精確至0.1%。③通過百分率Pi
干篩各號篩的質(zhì)量通過百分率各號篩的質(zhì)量通過百分率Pi等于100減去該號篩累計篩余百分率,精確至0.1%。4、粗度
(1)粗度的定義和計算:
粗度用于評價砂的粗細程度,通常用細度模數(shù)(細度模量)表示。
天然砂細度模數(shù)計算公式如下:
式中:MX——砂的細度模數(shù);
A0.15、A0.03、……A4.75——分別為0.15mm、0.3mm、……、4.75
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