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    砂石材料的技術性質和技術要求及其設計方法

       日期:2023-11-11     瀏覽:1     評論:0    
    核心提示:第一章 砂石材料[重點內容和學習要求]本章重點講述砂石材料的技術性質和技術要求,礦質混合料的級配理論和組成設計方法。通過學
     第一章 砂石材料
    [重點內容和學習要求]
    本章重點講述砂石材料的技術性質和技術要求,礦質混合料的級配理論和組成設計方法。
    通過學習,要求學生必須了解和評價砂石材料技術性質的主要指標,學會檢驗砂石材料技術性質的方法,學會應用級配理論設計礦質混合料配合組成的方法。
    砂石材料是道路與橋梁建筑中用量最大的一種建筑材料,它可以直接(或經加工后)用作道路與橋梁的圬工結構;亦可加工成各種尺寸的集料,作為水泥(或瀝青)混凝土的骨料。用作道路與橋梁建筑的巖石或集料都應具備一定的技術性質,以適應不同工程建筑的技術要求。特別是作為水泥(或瀝青)混凝土用的集料,應按級配理論組成,因此,還必須掌握其組成設計的方法。
    1.1 砂石材料的技術性質
    砂石材料包括:天然巖石、人工軋制的集料以及工業冶金礦渣集料等,本節將對這些 材料的技術性質予以論述。
    1.1.1 巖石的技術性質
    巖石的技術性質,主要從物理性質、力學性質和化學性質三方面來進行評價。
    1.物理性質巖石的物理性質包括:物理常數(如真實密度、毛體積密度和孔隙率等)、吸水性(如吸水率、飽水率等)和耐候性(如耐凍性、堅固性等)。
    (1)物理常數:巖石的物理常數是巖石礦物組成結構狀態的反映,它與巖石的技術性質有著密切的聯系。巖石的內部組成結構主要是由礦物實體和孔隙(包括與外界連通的開口孔隙和不與外界連通的閉口孔隙)所組成,如圖1-1a。各部分的質量與體積的關系如圖1-1b。
    為了反映巖石的組成結構以及它與物理一力學性質間的關系,通常采用一些物理常數來表征它。在路橋工程用塊狀巖石中,最常用的物理常數主要是真實密度、毛體積密度和孔隙率。這些物理常數可以間接預測巖石的有關物理性質和力學性質。
    1)真實密度。巖石的真實密度(簡稱密度)是巖石在規定條件(105℃±5℃烘干至恒重,溫度20℃±2℃)下,烘干巖石礦質單位體積(不包括開口與閉口孔隙體積)的質量。真實密度用ρt表示,由圖1-1b所示,巖石真實密度可表示為
    (1-1a)
    式中   ——巖石的真實密度(g/cm3);
    ——巖石礦質實體的質量(g);
    ——巖石礦質實體的體積(cm3)。
    (1-1b)
    式中  M——巖石的質量(g)。
    巖石真實密度的測定方法,按我國現行《公路工程巖石試驗規程》(JTG E41—2005)采用“密度瓶法”。
    2)毛體積密度。巖石的毛體積密度是在規定條件下,烘干巖石(包括孔隙在內)的單位體積的質量。根據巖石含水狀態,毛體積密度可分為干密度、飽和密度和天然密度。毛體積干密度用表示,由圖1-1b所示體積與質量的關系可表示為
    (1-2a)
    式中  ——巖石的毛體積密度(g/m3);
    ——巖石開口孔隙和閉口孔隙的體積(cm3)。
    由于M=ms,巖石的礦質實體體積和孔隙體積之和即巖石的毛體積,故式(1-2a)可寫為
    (1-2b)
    式中  M——巖石的質量(g);
    V——巖石的毛體積(cm3)。
    巖石毛體積密度的測定方法,按我國現行《公路工程巖石試驗規程》(JTGE41—2005)規定,采用量積法、水中稱量法和蠟封法來測定巖石毛體積密度。
    3)孔隙率。巖石的孔隙率是巖石的孔隙體積占巖石總體積(包括孔隙在內)的百分率,由圖1-1可知,巖石孔隙率表示為:
    (1-3)
    式中  n ——巖石的孔隙率(%);
    V0 ——巖石的孔隙(包括開口和閉口孔隙)的體積(cm3);
    V ——巖石的總體積(cm3)。
    孔隙率亦可由真實密度和毛體積密度計算,由式(1-3)整理得,
    (1-4)
    式中  n——巖石的孔隙率 (%);
    ——巖石的真實密度 (g/cm3);
    ——巖石的毛體積密度 (g/cm3);
    巖石的物理常數(真實密度、毛體積密度和孔隙率)不僅反映巖石的內部組成結構狀態,而且能間接地反映巖石的力學性質(例如相同礦物組成的巖石,孔隙率越低,其強度越高)。
    (2)吸水性:巖石吸水性是巖石在規定的條件下吸水的能力。巖石與水作用后,水很快濕潤巖石的表層并填充了巖石的孔隙,因此水對巖石破壞作用的大小,主要取決于巖石的礦物組成及其結構構造(即孔隙分布情況和孔隙率大?。?。為此我國現行《公路工程巖石試驗規程》(JTGE41—2005)規定,采用吸水率和飽和吸水率兩項指標表征巖石的吸水性。
    1)吸水率。巖石在規定條件下,巖石試樣最大的吸水質量與烘干巖石試件質量之比,以百分率表示。我國現行《公路工程巖石試驗規程》(JTGE41—2005)規定采用自由吸水法測定,按下式計算:
    (1-5)
    式中  ——巖石吸水率 (%);
    ——烘至恒量時的試件質量(g);
    ——吸水至恒量時的試件質量 (g)。
    2)飽和吸水率。巖石飽和吸水率是指強制條件下,巖石試件最大的吸水質量占烘干巖石試件質量的之比。以百分率表示。我國現行《公路工程巖石試驗規程》(JTGE41—2005)規定采用煮沸法或真空抽氣法測定,按下式計算:
    (1-6)
    式中  ——巖石飽和吸水率(%);
    ——意義同上(g);
    ——試件經強制飽和后的質量 (g)。
    吸水率、飽和吸水率的大小主要取決于巖石本身礦物成分、組織構造、孔隙特征及其孔隙率的大小,巖石吸水率、飽水率的大小直接影響巖石的耐水性及其抗凍性。
    (3)抗凍性:巖石抗凍性是指巖石在飽和狀態下,抵抗反復凍結和融化的性能。巖石抗凍性對于不同的工程環境氣候有不同的要求,凍融次數規定:在嚴寒地區(最冷月的月平均氣溫低于-15℃)為25次;在寒冷地區(最冷月的月平均氣溫低于-15℃~-5℃)為15次。要求在寒冷地區的重要工程,巖石吸水率大于0.5%時,都需要對巖石進行抗凍性試驗。
    我國現行抗凍性的試驗方法是采用直接凍融法。該方法是在飽水狀態下,在-15℃時凍結4h后,放入20℃±5℃水中融解4h,為凍融循環一次,如此反復凍融至規定次數為止。經歷規定的凍融循環次數(15次、25次等),詳細檢查各試件有無剝落、裂縫、分層及掉角等現象,并記錄檢查情況。將凍融試驗后的試件烘至恒重,稱其質量,然后測定其抗壓強度,并計算巖石的凍融質量損失率和凍融系數。
    質量損失率用下式計算
    (1-7)
    式中   L——凍融后的質量損失率(%);
    ——試驗前烘干試件的質量(g);
    ——試驗后烘干試件的質量(g)。
    此外,抗凍性亦可采用經若干次凍融試驗后的試件飽水抗壓強度與未經凍融試驗的試件飽水抗壓強度的比值(稱為凍融系數)表示。凍融系數按式(1-8)計算
    (1-8)
    式中  ——凍融系數;
    ——經若干次凍融循環試驗后的巖石試件飽水抗壓強度(MPa);
    ——未經凍融循環試驗的巖石試件飽水抗壓強度(MPa)。
    如無條件進行凍融試驗,也可采用堅固性簡易性快速測定法,這種方法通過飽和硫酸鈉溶液進行多次浸泡與烘干循環后來測定。
    巖石的抗凍性主要取決于巖石中大開口孔隙的發育情況、親水性和可溶性礦物的含量及礦物顆粒間的連接力。大開口孔隙越多,親水性和可溶性礦物含量越高時,巖石的抗性越低。反之,越高。
    2.力學性質路橋工程所用巖石除受上述物理性質影響外,還受到外力的作用,還應具備一定的力學性質。除了一般材料力學中所講的抗壓、抗拉、抗剪、抗彎等純粹力學性質外,還有一些為路用性能特殊設計的力學指標,如抗磨光性、抗沖擊、抗磨耗等。在巖石的力學性質中,主要是學習巖石的抗壓強度和磨耗性兩項性質。
    (1)單軸抗壓強度:巖石的單軸抗壓強度,按我國現行《公路工程巖石試驗規程》(JTGE41—2005)規定,是將巖石制備成標準試件(建筑地基用巖石制備成直徑為50mm±2mm,高徑比為2:1圓柱體試件,橋梁工程用巖石制備成邊長和高均為70mm±2 mm的立方體試件路面工程用巖石制備成邊長為50mm±2mm的立方體試件或直徑和高均為50mm±2mm的圓柱體試件),經吸水飽和后,單軸受壓并按規定的加載條件下,達到極限破壞時單位承壓面積的荷載。按下式計算:
    (1-9)
    式中  R——巖石抗壓強度(MPa);
    P——試件破壞時的荷載 (N);
    A——試件的截面積 (mm2)。
    巖石的抗壓強度是巖石力學性質中最重要的一項指標,它是巖石強度分級和巖性描述的主要依據。
    影響巖石單軸抗壓強度的因素,主要有兩個方面,一方面是巖石本身,如礦物組成、結構構造及含水狀態等,另一方面是試驗條件,試件形狀、大小、高徑比及加工精度、加荷速率。
    (2)磨耗性:磨耗性是巖石抵抗摩擦、撞擊的性能。以磨耗率表示。我國現行《公路工程巖石試驗規程》(JTGE41—2005)規定巖石的磨耗試驗方法與粗集料的磨耗試驗方法相同,按《公路工程集料試驗規程》(JTGE42—2005)采用洛杉磯式磨耗試驗。試驗機是由一個直徑為710mm±5 mm、內側長為510mm±5mm的圓鼓和鼓中擱板所組成。試驗用的試樣是按一定規格組成的級配巖石。在試樣加入磨耗鼓的同時,加入直徑為46.8mm的鋼球,以30~33r/min的轉速轉動至要求次數后停止,取出試樣,用1.7mm方孔篩篩去試樣中的細屑,用水洗凈留在篩上的試樣,烘至恒重并稱其質量。巖石磨耗率按下式計算,精確至0.1%。
    (1-10)
    式中  ——洛杉磯磨耗率(%);
    ——試驗前烘干巖石試樣的質量(g);
    ——試驗后洗凈烘干巖石試樣的質量(g)。
    巖石磨耗性是巖石力學性質的另一個重要指標,也是評定巖石等級的依據之一。
    3.化學性質在道路與橋梁的建筑中,各種礦質集料是與結合料(水泥或瀝青)組成混合料而使用于結構物中的。隨著近代物化-力學研究的發展,認為礦質集料在混合料中與結合料起著復雜的物理-化學作用,礦質集料的化學性質很大程度地影響著混合料的物理-力學性質。在瀝青混合料中,由于礦質集料的化學性質變化,對瀝青混合料的物理-力學性質起著極為重要的作用。按SiO2的含量多少將巖石劃分為酸性、堿性及中性。按克羅斯的分類法:巖石化學組成中SiO2質量分數大于65%的巖石稱為酸性,SiO2質量分數為52%~65%的巖石稱為中性,SiO2質量分數小于52%的巖石稱為堿性。為保證瀝青混合料的強度,在選擇巖石時應優先考慮采用堿性巖石,當地缺乏堿性巖石必須采用酸性巖石時,可摻加抗剝劑以提高瀝青與巖石的粘性。
    1.1.2 集料的技術性質
    集料是指在混合料中起骨架或填充作用的粒料,包括巖石天然風化而成的礫石(卵石)和砂等以及巖石經人工軋制的各種尺寸的碎石。
    工程上一般將集料分為粗集料和細集料兩種:在水泥混凝土中,粗集料是指粒徑大于4.75mm的碎石、礫石和破碎礫石等,粒徑小于4.75mm(方孔篩)者稱為細集料,在瀝青混合料中,粗集料是指粒徑大于2.36mm的碎石、破碎礫石、篩選礫石和礦渣等。粒徑小于2.36mm(方孔篩)者稱為細集料。
    1.粗集料的技術性質 粗集料包括人工軋制的碎石和天然風化而成的卵石。本節僅對粗集料的一般技術性質進行闡述。
    (1) 物理性質
    1)物理常數。在計算集料的物理常數時,不僅要考慮到集料顆粒中的孔隙(開口孔隙或閉口孔隙),還要考慮顆粒間的空隙集料的體積和質量的關系,見圖1-2所示。
    ①表觀密度。粗集料的表觀密度是在規定條件(105℃±5℃烘干至恒重)下,單位表觀體積(包括集料礦質實體和閉口孔隙的體積)的質量。粗集料表觀密度,由圖1-2體積與質量的關系,可表示為
    (1-11)
    式中  ρa——集料的表觀密度 (g/cm3)
    ms——礦質集料烘干質量 (g);
    ——礦質實體體積 (cm3);
    ——礦質實體中閉口孔隙體積(cm3 )。
    粗集料表觀密度測定方法按《公路工程集料試驗規程》 (JTGE42—2005)規定。具體方法見第2篇第1章的砂石材料試驗。
    ②毛體積密度。粗集料的毛體積密度是在規定的條件下,單位毛體積(包括礦質實體、閉口孔隙和開口孔隙)的質量。
    ③堆積密度。粗集料的堆積密度是單位體積(包括礦質實體閉口孔隙和開口孔隙及顆粒間體積)的質量??砂聪率酱_定:
    (1-12)
    式中  ——粗集料的堆積密度(g/cm3);
    m ——粗集料的質量(g );
    Vf ——堆積體積(cm3)。
    粗集料的堆積密度由于顆粒排列的松緊程度不同,又可分為自然堆積狀態、振實狀態和搗實狀態下的堆積密度。
    ④空隙率。粗集料空隙率是集料試樣在自然堆積(或振實緊密堆積)時的空隙體積占總體積的百分率。粗集料空隙率可按下式計算:
    (1-13)
    式中  n——粗集料的空隙率(%);
    ——粗集料的表觀密度(g/cm3);
    ——粗集料的自然(或緊密)堆積密度(g/cm3)。
    2)級配。粗集料中各組成顆粒的分級和搭配稱為級配。級配是通過篩析試驗確定的。對水泥混凝土用粗集料可采用干篩法篩分試驗,對瀝青混合料及基層用粗集料必須采用水先法篩分試驗。其標準篩孔孔徑為2.36mm、4.75 mm、9.5 mm、13.2 mm、16 mm、19 mm、26.5 mm、31.5 mm、37.5 mm、53mm、63mm、70mm,測定出存留在各個篩上的集料質量,根據集料試樣的質量與存留在各篩孔上的集料質量,就可求得一系列與集料級配有關的參數:①分計篩余百分率。②累計篩余百分率。③通過百分率。粗集料的這些參數計算方法與細集料相同。詳見“細集料的技術性質”內容,通過計算可判斷級配是否符合要求。
    粗集料的級配可分為連續級配和間斷級配兩種。連續級配石子粒級呈連續性,即顆粒由小到大,每種粒徑的石子都占有適當比例。用其配制的混凝土和易性良好,不易發生分層、離析現象,是目前最常用的一種級配。采石場按供應方式,也將石子分為連續粒級和單粒級兩種。單粒級由于粒徑差別較小,可避免連續粒級中較大粒徑石子在堆放及裝卸過程中的顆粒離析現象。單粒級宜用組合成所要求級配的連續粒級,也可與連續粒級混合使用,以改善其級配或配成較大粒度的連續粒級,工程中一般不宜采用單一的單粒級配制混凝土,因為它的空隙率較大,耗用水泥多。
    間斷級配是指人為地剔除一級或幾級中間粒徑顆粒級配法。使石子粒徑不連續,造成顆粒級配間斷,這種級配方法可獲得更小的空隙率,密實性更好,從而可節約水泥。但由于間斷級配中石子顆粒粒徑相差較大,容易使混凝土拌和物分層離析,增加施工困難,故在工程中應用較少。
    3)堅固性。對已軋制成的碎石或天然卵石采用規定級配的各粒級集料,按現行《公路工程集料試驗規程》(JTGE42—2005)選取規定數量,分別裝在金屬網籃浸入飽和硫酸鈉溶液中進行干濕循環試驗。經5次循環后,觀察其表面破壞情況,并用質量損失百分率來計算其堅固性。
    (2)路用粗集料的力學性質:粗集料的力學性質主要有壓碎值和磨耗率,其次是抗滑表層用集料的三項試驗,即磨光值、道瑞磨耗值和沖擊值。洛杉機式磨耗試驗已在巖石力學性質中講過,現將壓碎值、磨光值、道瑞磨耗值和沖擊值分述如下。
    1)集料壓碎值。集料壓碎值是集料在連續增加的荷載下,抵抗壓碎的能力。它作為相對衡量巖石強度的一個指標,用以評價其在公路工程中的適用性。
    按現行《公路工程集料試驗規程》 (JTGE42—2005)規定,該方法是將9.5~13.2mm的集料試樣3kg裝入壓碎值測定儀的鋼質圓筒內,放在壓力機上,在10min左右時間內加荷至400kN,穩壓5s然后卸載,測定通過2.36mm(方孔)的篩余質量,按下式計算壓碎值
    (1-14)
    式中  ——集料壓碎值(%)
    mo——試驗前試樣質量(g);
    ml——試驗后通過2.36mm篩孔的細料質量(g)
    2)粗集料磨光值(PSV)?,F代高速交通的行車條件對路面的抗滑性提出了更高的要求。作為路面用的集料,在車輛輪胎的作用下,不僅要求具有較高的抗磨耗性,而且要求具有高的抗磨光性。集料磨光值是利用加速磨光機磨光集料,用擺式摩擦系數測定儀測得的集料經磨光后的摩擦系數值。以PSV來表示。
    粗集料磨光值愈高,表示其抗滑性愈好。
    3)集料沖擊值(LSV)。集料抵抗多次連續重復沖擊荷載作用的性能,稱為抗沖韌性。按照現行試驗規程規定,集料抗沖擊能力采用“集料沖擊值”表示。集料沖擊值的試驗方法是,選取粒徑為9.5~13.2mm(方孔篩)的集料試樣,用金屬量筒分三次搗實的方法確定試驗用集料數量。將集料裝于沖擊值試驗儀的盛樣器中,用搗實桿搗實25次,使其初步壓實。然后用質量13.75kg±0.05kg的沖擊錘,沿導桿自380mm±5mm處自由落下錘擊集料,并連續錘擊15次,每次錘擊間隔時間不少于1s。將試驗后的集料在2.36mm的篩上篩分并稱量。沖擊值按下式計算:
    (1-15)
    式中  LSV——集料的沖擊值(%);
    ——沖擊破碎后通過2.36mm的試樣質量(g);
    ——試樣總質量(g)。
    4)集料磨耗值(道瑞試驗)。集料磨耗值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。按現行試驗規程《公路工程集料試驗規程》(JTGE42—2005)規定,采用道瑞磨耗試驗機來測定集料磨耗值。其方法是選取粒徑為9.5~13.2mm(方孔篩)的洗凈集料集料試樣,單層緊排于兩個試模內(不少于24粒),然后排砂并用環氧樹脂砂漿填充密實。經24h養護后,拆模取出試件,刷清殘砂,準確稱出試樣質量,然后將試件安裝在試驗機附的托盤上。為保證試件受磨時的壓力固定,應使試件、托盤和配重的總質量為2000g±10g。將試件安裝于道瑞磨耗機上,道瑞磨耗機的磨盤以28~30r/min的轉速旋轉,磨500r后,取出試件,刷凈殘砂,準確稱出試件質量。集料磨耗值按下式計算:
    (1-16)
    式中  AAV——集料的道瑞磨耗值;
    m1——磨耗前試件的質量(g);
    m2——磨耗后試件的質量(g);
    ——集料表干密度(g/cm3)。
    集料磨耗值越高,表明集料的耐磨性越差。
    2.細集料的技術性質 細集料的技術性質主要包括物理性質、顆粒級配和粗度。
    (1)物理性質:細集料的物理常數主要有表觀密度、堆積密度和空隙率等,其含義與粗集料完全相同,具體數值可通過試驗測定。計算方法與粗集料相同,詳見粗集料技術性質。
    (2)顆粒級配與粗度:顆粒級配是集料各級粒徑顆粒的分配情況。砂的級配可通過砂的篩分試驗確定。砂的篩分試驗,是取試樣500g,在一整套標準篩上進行篩分,分別求出試樣存留在各篩上質量。然后按下述方法計算其級配有關參數。
    1)分計篩余百分率。在各號篩上的篩余質量占試樣總質量的百分率,準確至0.1%,可按下式求得
    (1-17)
    式中  ——各號篩的分計篩余百分率(%);
    ——存留在某號篩上的質量(g);
    M ——試樣的總質量(g)。

    2)累計篩余百分率。該號篩的分計篩余百分率和大于該號篩的各號篩的分計篩余百分率之總和,精確至0.1%,按下式求得
    (1-18)
    式中 ——各號篩的累計篩余百分率 (%);
    ——從4.75mm,2.36mm,…至計算的某號篩的分計篩余(方孔篩)(%)。
    3)通過百分率。各號篩的質量通過百分率等于100減去該號篩的累計篩余百分率,準確至0.1%,按下式求得
    (1-19)
    式中  p——各號篩的通過百分率(%);
    ——各號篩的累計篩余百分率(%)。
    4)粗度。粗度是評價砂粗細程度的一種指標。通常用細度模數表示。細度模數按下式計算,精確至0.01。
    (1-20)
    式中?——砂的細度模數;
    ——分別為0.15mm、0.3mm、4.75mm各號篩上的累計篩余百分率 (%);
    細度模數越大,表示細集料越粗。我國現行標準《建筑用砂》(GB/T14684--2001)規定,砂的粗度按細度模數分為下列三級:
    =3.7~3.1為粗砂;=3.0~2.3為中砂; =2.2~1.6為細砂。
    砂的細度模數只能用劃分砂的粗細程度,并不能反映砂的級配優劣,細度模數相同的砂,其級配不一定相同。
    用累計篩余百分率繪制級配曲線表示砂顆粒級配情況,根據《建筑用砂》(GB/T14684--2001),是以0.6 mm孔徑篩的累計篩余率劃分為三個級配區。級配范圍見表1-1,砂的級配應符合表中任何一個級配區所規定的級配范圍。
    表1-1 砂的分區及級配范圍 級配區
     
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