道路建筑材料教案.docx

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道路建筑材料教案

一、本课程的地位作用、任务

　　道路建筑材料是路桥及其相关专业教学计划中一门重要的专业基础课，是研究道路与桥梁建筑用各种材料的组成、性能和应用的一门课程。

它为学习后面相继而来的其它课程如路面工程结构、桥梁工程结构、工程管理、工程概预算以及施工、监理等奠定了重要的基础。

道路建筑材料讲述了常用筑路材料的化学组成、结构构造、技术性能、性能测试、合理使用及评定验收、运输储存等基本知识、基本理论和基本技能。

二、对课程内容的基本要求

通过对本大纲中课程内容的学习，应到达下列要求：

1、掌握砂石材料的技术性质和技术要求，掌握级配理论和组成设计方法，会用图解法和试算法设计矿质混合料的配合比

2、掌握石灰消化和硬化过程以及质量评定方法；硅酸盐水泥熟料各矿物成分特性、凝结硬化的机理和技术性质检验方法；其它水泥的特性和应用。

3、掌握普通水泥混凝土的主要技术性质及其影响因素，现行配合组成设计方法和质量评定。

同时对其它混凝土的特性也有一定的了解。

4、掌握石油沥青的化学组分、胶体结构、技术性质和评价方法。

同时对其它各类；沥青的组成和性质也有一般的了解。

5、掌握沥青混合料的强度形成原理、技术性质和技术要求；并能按现行方法设计沥青混合料的组成；掌握沥青混合料技术质量的检验方法。

同时对其它各类沥青混合料也有一般的了解。

6、了解工程高聚物材料的一般结构和性能；几种常用高聚物的特性；会应用高聚物材料改善水泥混凝土和沥青混合料性能的基本方法。

7、掌握钢材和木材的主要技术性能和技术标准，并能按设计要求选用相应规格的钢材和木材。

三、 对能力培养的要求

通过对本课程的学习，应使学生具备如下的能力：

掌握各种常用筑路材料的原料、生产、组成、构造、性质、应用、检验、运输、验收和储存等各个方面，为后继课程及将来在设计、施工、质量检验等方面打下坚实的基础。

四、  课程内容

绪论

第一章     石料与集料

     第一节  石料

     第二节  集料

     第三节  矿质混合料的组成设计

     第四节  石料与集料的工程应用

第二章     沥青材料

     第一节  石油沥青

     第二节  石油沥青的技术性质

     第三节  改性沥青

     第四节  乳化沥青

第三章     沥青混合料

     第一节 沥青混合料的技术性质

     第二节 普通热拌沥青混合料的组成设计

     第三节 间断级配－SMA混合料

     第四节 常温沥青混合料

第四章    水泥与石灰

     第一节  硅酸盐水泥

     第二节  掺混合料的硅酸盐水泥

     第三节  其它水泥

     第四节  石灰

第五章    水泥混凝土和砂浆

     第一节 水泥混凝土的技术性质

     第二节 普通水泥混凝土的组成设计

     第三节 混凝土外加剂与掺和料

     第四节 路面水泥混凝土的组成设计

第六章    无机结合料稳定类混合料

     第一节 稳定混合料的技术性质

     第二节 稳定类混合料的组成设计

     第三节 土壤固化剂

第七章    建筑钢材

六、         课程教材及主要参考书

1.教材：

同济大学严家及编著.人民交通出版社。

2.主要参考书：

[1]重庆建工学院、南京工学院编著.混凝土学.中国建筑工业出版社，1981年

[2]张登良.沥青路面.人民交通出版社，1998年12月

[3]（JTJ030—2）公路路面基层施工技术规范[S]

[4]李业兰建筑材料北京中国建筑材料出版社1991

[5]薄尊彦建筑材料北京中国环境科学出版社1991

[6]沈旦申现代混凝土设计上海上海科技文献出版社1987

[7]沈金安沥青材料流变学石油沥青1988.1

[8]林高安高分子化学北京科学出版社1982

第一章 石料与集料

　　学习目的与任务：

介绍石料的岩石学特征、阐述石料与集料的主要技术性能及主要评价方法和评价指标；讨论集料的级配概念和级配理论，并以此为基础，学习矿料的配合比设计方法。

通过学习，要求学生了解石料和集料的技术性质和技术标准，掌握级配理论和组成设计方法。

计划课时与上课手段：

本章计划用8个授课课时，同时辅以2~4个试验课时和一定的课后习题作业。

介绍“道路建筑材料”课程在专业学习和路桥工程中起到的积极作用，课程主要涉及的内容及特点，课程重点、内容安排和学习方法。

　　第一章内容介绍和关注的重点。

从石料的岩石学特征入手，了解构成石料的岩石分类、类型和化学组成，引出石料将要讨论的石料性质——物理性质之一：

物理常数。

石　　　　料

一、石料的岩石学特性

　　石料定义：

在建筑结构工程中，所使用的石料通常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石料制品。

1．造岩矿物

　　不同造岩矿物和成岩条件使得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。

　　所谓的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。

由于各种矿物具有确定的化学组成与特有的结构构造，对石料的物理力学特性有着不同的影响。

下表为几种代表性的矿物。

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。

根据成岩条件将岩石分成三类：

岩浆岩、沉积岩、变质岩。

3．常见岩石种类

      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，将岩石分成不同酸碱性石料。

　　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。

二、石料的物理性质

      1．物理常数

      物理常数主要指石料的密度和孔隙率，此类常数能够直接影响到石料的力学性质，也是将石料用于混合料配合比设计的参数之一。

（1）密度

      密度定义为在规定条件下（大多指规定的温度），石料矿质实体单位体积的质量。

由于石料在组成结构上或多或少存在着孔隙，而孔隙又分为与外界连通的开口孔隙和与外界不连通的闭口孔隙，所以石料（包括集料）的密度就有数种不同形式。

图1—1 石料组成部分的质量与体积关系示意图

a）石料结构剖面图；b）石料的体积与质量的关系

   1）真实密度

   　真实密度是指在规定条件下，烘干石料矿质实体单位真实体积（不包括孔隙体积）的质量，按照公式（1-1）计算。

                              （1-1）

式中：

——石料的真实密度，g/cm3；

ms——石料矿质实体的质量，g；

Vs——石料矿质实体的体积，cm3。

2）表观密度

　　表观密度是指在规定条件下，烘干石料矿质实体包括闭口孔隙在内的单位表观体积的质量，由公式（1-2）计算。

           （1-2）

式中：

——石料的表观密度，g/cm3；

——石料矿质实体的质量，g；

——石料矿质实体的体积,cm3；

——石料矿质实体中闭口孔隙的体积，cm3。

      3）毛体积密度

      毛体积密度是指在规定条件下，烘干石料矿质实体包括孔隙（闭口、开口孔隙）体积在内的单位毛体积的质量，由公式（1-3）计算。

        （1-3）

式中：

——石料的毛体积密度，g/cm3；

——石料矿质实体的质量，g；

——石料矿质实体的体积，cm3；

——石料矿质实体中闭口孔隙的体积，cm3；

——石料矿质实体中开口孔隙的体积，cm3。

（2）孔隙率

　　孔隙率是指石料孔隙体积占石料总体积（包括开口孔隙和闭口孔隙体积）的百分率，由公式（1-4）计算。

                         （1-4）

式中：

——石料的孔隙率，%；

——石料矿质实体中闭口孔隙的体积，cm3；

——石料矿质实体中开口孔隙的体积，cm3；

——石料的毛体积（含矿质实体、开口孔隙和闭口孔隙体积）,cm3。

将式（1-1）和式（1-3）代入式（1-4）可得式（1-5），即采用石料的真实密度和毛体积密度计算其孔隙率。

                     （1-5）

式中：

n——石料的孔隙率，%；

——石料的真实密度，g/cm3；

——石料的毛体积密度，g/cm3。

第二课时：

　　复习：

回顾砂石材料的第一种形式——石料的基本概念，从概念上阐述由于石料体积涉及的内容不同使石料具有若干不同形式的密度，引出石料其它技术性质和标准，以及标准划分的依据和标准内容。

2．吸水性

　　吸水性是指石料吸水能力的大小，这一性质用吸水率和饱水率两种形式表示。

前者指常温、常压条件下石料最大吸水质量是干燥试样质量的百分率；而后者是在一定真空条件下石料最大吸水质量是干燥试样质量的百分率。

显然后者往往要大于前者。

两者可采用下试计算：

                           （1-6）

式中：

——石料试样的吸水率或饱水率，%；

m1——烘至恒重时的试样质量，g；

 m2——吸水（或饱水）至恒重时试样质量，g。

3．抗冻性

　　抗冻性是指石料在饱水状态下,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，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。

分别利用低温时结冰产生的冻胀和硫酸钠从液态离子状态转变为固体结晶状态产生的晶胀来考验石料的抗冻性，而后者的考验程度要比前者更为显著一些，两者试验检测结果都可用式（1—7）和（1—8）来计算：

                （1-7）

                        （1-8）

式中：

冻，

——经历冻融循环作用后，石料的质量损失率和耐冻系数，%；

——试验前烘干石料试件的质量，g；

——经历若干次冻融循环作用后，烘干石料试件的质量，g；

——试验前石料试件的饱水抗压强度，MPa；

——经历若干次冻融循环作用后，石料试件的饱水抗压强度，MPa。

      上述物理性质具体表现，在一定程度上都与石料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发达时，使石料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。

因此通过石料物理指标的了解，可以在一定程度上预测石料一些工程性质的好坏，认知石料力学性质的表现。

三、石料的力学性质

      所谓石料的力学性质是指石料在工程应用中，所表现出的抗压、抗剪、抗弯拉强度的能力，以及抵抗荷载冲击、剪切和摩擦作用的能力。

实践中石料的这一性质常用抗压强度和磨耗率两项指标来表示。

      1．石料的抗压强度

      以单轴加荷的方法对规定形状的石料试样以标准方式

进行抗压试验所得出的结果即为石料的抗压强度。

强度结果用式（1—9）来计算

                             （1-9）

式中：

——石料的抗压强度，MPa；

——试验时石料试件破坏时的极限荷载，N；

——石料试件的受力截面积，mm2。

      石料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，以及石料试件的尺寸和吸水率等。

如石料结构疏松及孔隙率较大，其质点间的联系较弱，有效面积较小，故强度值较低；试件尺寸较小时，由于高度小，承压板与试件端面之间的摩军长较大，使得试件内应力分布极不均匀，试验结果的真实性受到影响；当岩石的孔隙裂隙较大、含较多亲水矿物或较多可溶矿物时，饱水时的抗压强度会有明显的降低。

      2．磨耗率

　　砂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。

石料的磨耗率常采用洛杉矶磨耗试验进行测定。

经过规定的搁板式磨耗机试验后，石料的磨耗率采用下式来计算：

                     （1-10）

式中：

——石料的磨耗率，%；

——装入试验机圆筒中的石料试样质量，g;

——试验后洗净洪干的筛上试样质量，g。

实践种还存在另一种磨耗试验——狄法尔磨耗试验，由于该试验耗时较长，且对石料的考验程度不如搁板式磨耗机试验，目前已采用不多。

四、石料的技术标准

　　工程实际中所采用的石料必须满足一定的技术要求，该要求就是石料的技术标准。

　　标准指定思路是：

首先根据石料所属岩石类型，将石料分成四大类——岩浆岩、石灰岩、砂岩或片麻岩以及砾岩；再依据石料的抗压强度的高低和磨耗率的大小将每种类型岩石划分成四个等级。

　　其中：

I级——最坚强的岩石；

       II级——坚强的岩石；

       III级——中等强度岩石；

       IV级——较软的岩石。

　　小结石料的基本性质，指出石料的两大重要性质的意义所在。

进入本章重点——集料的技术性质和技术标准内容的讨论。

强调集料性质关注的重点——集料的体积参数、力学性质。

第二节 集料

概述：

笼统的说集料就是粒状石质材料。

1．集料分类

（1）总分类：

包括天然砂、人工砂、卵石、碎石，另有工业冶金矿渣。

（1）根据集料形成的过程不同，分为卵石（又称砾石）和碎石；

（2）根据粒径大小的不同，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2.36mm。

大于或等于该尺寸的颗粒为粗集料，余为细集料。

3．最大粒径

这是一个较为重要但又容易引起混淆的概念，集料的最大粒径这一概念由两个不同定义构成，即集料最大粒径和集料公称最大粒径。

（1）集料最大粒径：

指集料100%都要求通过的最小标准筛筛孔尺寸。

（2）集料公称最大粒径:

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10%）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。

 　1.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75mm、63mm、53mm、37.5mm、31.5mm、26.5mm、19mm、16mm、13.2mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm、0.075mm；

　2.水泥混凝土用集料标准筛的孔径当大于或等于2.5mm时，以圆孔筛为标准小于2.5mm时以方孔筛为准。

相应标准筛的筛孔尺寸依次为100mm、80mm、63mm、50mm、40mm、31.5mm、25mm、20mm、16mm、10mm、5mm、2.5mm、1.25mm、0.63mm、0.315mm、0.16mm、0.075mm。

　　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。

2003年颁布并实施的新一版《公路水泥混凝土路面施工技术规范》就已开始采用方孔筛标准。

一、集料的物理性质

      1．物理常数

（1）密度

考虑到集料颗粒自身的孔隙和颗粒之间的空隙，集料的密度也有几种不同形式。

1）表观密度、毛体积密度、毛体积密度与石料相应密度在概念上相同，仅在实际的密度测定方法上有所区别。

2）表干密度

集料的表干密度又称作饱和面干毛体积密度，它的计算体积与毛体积密度相同，但计算质量为集料颗粒的表干质量（饱和面干状态，包括了吸入开口孔隙中的水），由式（1-11）计算。

                             （1-11）

式中：

——集料的表干密度,g/cm3；

——集料颗粒的表干质量（矿质实体质量与吸入开口孔隙水的质量之和），g；

——集料颗粒矿质实体的体积，cm3；

、

——分别为集料颗粒矿质实体中闭口孔隙和开口孔隙的体积，cm3。

3）装填密度

装填密度根据装样方法的不同可为堆积密度、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装填体积（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（1-12）计算。

                         （1-12）

式中：

——矿质集料的装填密度,g/cm3；

——集料颗粒矿质实体的质量，g；

——集料颗粒矿质实体的体积，cm3；

、

——分别为集料颗粒矿质实体中闭口孔隙和开口孔隙的体积，cm3；

——集料颗粒间的空隙体积，cm3；

（2）空隙率

空隙率是指集料在某种装填状态下的空隙体积（含开口孔隙）占装填体积的百分率，按式（1-13）计算。

                         （1-13）

式中：

——集料的空隙率，%；

——集料颗粒的装填体积，

，cm3；

、

——分别为集料颗粒间空隙与矿质实体中开口孔隙的体积，cm3。

将式（1-2）和式（1-12）代入式（1-13），则空隙率可用式（1-14）计算：

                        （1-14）

式中：

——集料的装填密度，g/cm3；

——集料的表观密度,g/cm3。

小结：

石料和集料涉及多种密度，现将这些密度归纳在下表中。

　（3）粗集料的骨架间隙率

粗集料骨架间隙率通常指4.75mm以上粗集料颗粒间的空隙体积的百分含量，由式（1-15）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。

                     （1-15）

式中：

——粗集料骨架间隙率，%；

——粗集料的装填密度，在水泥混凝土中用粗集料的振实密度；在沥青混合料中用粗集料的捣实密度，g/cm3；

——粗集料的表观密度或毛体积密度，g/cm3。

　（4）细集料的棱角性

细集料的棱角性由在一定条件下测定的空隙率表征，按式（1-16）计算。

天然砂、人工砂和石屑等细集料的棱角性对沥青混合料的内摩擦角和抗流动性变形能力及对水泥混凝土的和易性有着显著的影响。

当空隙率较大时，意味着细集料有着较大的内摩阻角。

                     （1-16）

式中：

——细集料的空隙率，即棱角性，%；

——细集料的堆积密度，g/cm3；

——细集料的毛体积密度，g/cm3。

      2．集料的级配

级配是指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。

（关于集料的级配分析、级配理论和级配设计方法的有关内容。

见本章第三节）

      3．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、细长状的颗粒不仅增加集料的空隙率，还对施工的和易性和混凝土强度造成不利影响；

针片状颗粒的定义：

最大长度与厚度之比大于3的颗粒。

（2）集料表面特征指集料的粗糙程度和孔隙特征。

表面粗糙的集料颗粒有较显著的摩阻力，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轻组分的孔隙特征的集料与结合料的粘结能力较强。

      4．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0.075mm的颗粒，泥块是指粗集料原尺寸大于4.75mm（或细集料大于1.18mm），但经水浸洗、手捏后小于2.36mm（细集料小于0.6mm）的颗粒含量。

二、集料的力学性质

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。

1．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。

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。

2．磨光值

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，并用摆式磨擦系数测定仪浊得的磨光后集料的磨擦系数。

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

表示，该值越大，表明集料的抗磨光性能越好。

3．冲击值

冲击值反映石料抵抗冲击荷载的能力。

由于路表集料直接承受车轮荷载的冲击作用，这一指标对道路表层用集料非常重要。

试验测出的冲击值以

表示，该值越小，表明集料的抗冲击性能越好。

4．磨耗值

磨耗值用于确定石料抵抗表面磨损的能力，适用于对路面抗滑表层所用集料抵抗车轮磨耗值。

试验测出的磨耗值以

表示，该值越小，表明集料的抗磨耗能力越好。

三、 岩石集料的技术要求

     同样，只有满足了一定技术要求的集料才能确保相关混合料的各项性能，以粗细两种类型的集料分别提出各自的技术要求。

1．粗集料的技术要求

 2．细集料的技术要求

　　总结有关石料和集料需要重视的内容，分析石料和集料二者之间的异同点；重点讨论第三节相关内容——筛分、级配概念、矿料配合比设计方法等。

第三节 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。

在水泥混凝土或沥青混合料中，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有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矿料的组成设计，进行矿质混合料组成设计，必须道先明确目标级配范围，为此首先应掌握级配组成为矿料技术性能的影响。

一、矿料的级配

1．集料级配的表示方法

（1）筛分试验

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就是所谓筛分试验。

通过筛分试验，求得集料试样的级配参数。

以细集料的筛分为例：

在筛分试验中，分别称量500g砂样充分过筛，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

、累计筛余百分率

、通过百分率

。

分计筛余百分率

是指某号筛上的筛余质量占试样总质量百分率，按式（1-27）计算：

                       （1-27）

式中：

—