道路建筑材料全部.ppt
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1、道路建筑材料,古代桥梁集锦,中国现存最早,并且保存良好的是隋代赵州安济桥又称赵州桥。桥为敞间圆弧石拱,净跨37.02m。,古代桥梁集锦,北京宛平卢沟桥在北京广安门外30里,跨永定河。桥全长212.2m,共11孔,净跨不等,自11.4m至13.45,桥宽9.3m,世界十大预应力混凝土梁桥,法国诺曼底大桥,日本多多罗大桥,世界建筑材料的发展趋势,高性能材料。复合化、多功能化。利用地方资源和工业废渣。节能材料。,二、道路工程主要的建筑材料(道路建筑材料的研究内容与任务),道路建筑材料,砂石材料,无机结合料及其制品,有机结合料,石料及石料制品,集料,水泥、石灰,混凝土,有机结合料混合料,高分子聚合物材
2、料,钢材和木材,土工布等,沥青混合料,建筑钢材、木材,沥青材料,三、建筑材料应具备的工程性质1、力学性质 各种强度指标及耐磨、抗变形指标。如,水泥混凝土的抗压、抗折强度;沥青混合料的稳定度、流值;石料的磨耗度等。2、物理性质(1)物质指标:如材料的密度、孔隙率、含水量(2)温度稳定性:如沥青软化点、脆点等。(3)水稳定性等:如沥青混合料的残留稳定度等。3、化学性质 各种材料的化学成分及其变化规律。如,水泥的各种成分与自然界之间的变化;沥青的化学成分及其变化规律。4、工艺性质混凝土的流动性材料四个性质之间是相互制约、相互联系的。,四.建筑材料技术标准,各级标准均有相应的代号,其表示方法由标准名称
3、、标准代号、发布顺序号和发布年号组成。例如:,烧结普通砖GB/T 51011998,标准名称:烧结普通砖,标准代号:GB,推荐标准:T,发布顺序号:5101,发布年号:1998年,各级标准的相应代号,第一章 砂石材料,课题:石材的技术性质和技术要求教具用品 相关试验仪器 教学目的:了解砂石材料的类别,石料的技术性质及其应用重点难点:石料的物理性质、力学性质,11 砂石材料的技术性质概述:砂石材料按形状分类1)、块状石料:简称石料 如块石、片石等;2)、粒状石料:简称集料 集料又按大小分为:粗集料:如碎石、卵石 细集料:如砂、石屑砂石材料按来源分类1)、天然石料2)、人工轧制的集料3)、工业冶金
4、矿渣,1.1.1、岩石的技术性质(一)、物理性质:包括物理常数、吸水性和耐候性等。1物理常数真密度:是石料在规定条件下,烘干石料矿质单位体积的质量,用t 表示。则,空气中称量m0=0,因 固 测定方法:密度瓶法测定,将石料磨细至全部过0.25mm的筛孔,然后将其装入瓶中,利用已知比重的液体置换石料的体积。毛体积密度测定方法:用静水称量法,亦可用蜡封法测定。,孔隙率2.吸水性:指石料在规定条件下吸水的能力。(1)吸水率:202和大气压状态下,吸水质量的百分率。(2)饱水率:202,真空(100kPa),吸水质量的百分率饱水90%时,抗冻性较差。,3.抗冻性:(1)直接冻融法:饱水后,测定经过冻(
5、-15,4h)、融(205,4h)循环,质量损失不超过5%,抗压强度不超过25%的次数。,(2)坚固性实验:浸泡饱和硫酸钠溶液20h后,(105-110,4h);之后浸泡饱和硫酸钠溶液4h后,(105-110,4h)循环。注意:-15,岩石吸水率大于0.5%时候需要抗冻性实验。,(二)力学性质1.单轴抗压强度 试验条件要求:试件形状、尺寸、吸水饱和、加荷速度等。2.磨耗性:指石料抵抗撞击、边缘剪力和磨擦等联合作用的性质。洛杉矶式磨耗试验:5kg石料+12个5kg的钢球 磨500转测定,(三)、化学性质按SiO2含量,将石料划分为酸性岩 SiO265%中性岩 52%SiO265%碱性岩 SiO2
6、52%,1.1.2、集料的技术性质(一)粗集料的技术性质1、物理性质1)物理常数(1)表观密度用网篮法测定:,(2)毛体积密度(3)堆积密度(4)空隙率,2)级配分计筛余百分率累计筛余百分率通过百分率3)坚固性 用Na2SO4溶液干湿循环5次后,测定试样质量损失。,碎石标准筛,2、力学性质:(1)压碎值取试样:粒径9.5mm13.2mm;质量 3kg;在400kN的压力下,持续加压5s后,将试样过2.36mm筛,称其筛余质量。,压碎值计算公式如下:式中:压碎值 m0试样总质量 m1试样筛余质量,压碎指标仪,(2)粗集料磨光值测定方法:先将试样磨光,再测定摆值,经换算后得磨光值PSV要求:一级公
7、路、高速公路 PSV42 其它公路 PSV353)粗集料的冲击值AIV测定方法:将9.513.2mm的试样,分三层装入试模,用13.75kg的锤,自380mm处自由落下,连续冲击 15次后,过2.36mm的筛,用下式计算,(4)集料磨耗值AAV测定方法:用集料按一定的方法排列并固定,用磨耗仪磨500圈,用下式计算集料磨耗值:式中:AAV集料的磨耗值;磨耗前试样总质量(g);磨耗后试样总质量(g);集料饱和面干密度(g/cm3)。,(二)细集料的技术性质定义:在沥青混合料中,指粒径小于2.36mm天然砂,人工砂及石屑。在水泥混凝土中,指粒径小于4.75mm的天然砂、人工砂。分类:1、天然砂:由岩
8、石在自然条件下风化形成的。天然砂通常包括以下几种类型:(1)河砂:性质较好,多用。(2)山砂:含泥量及有机杂质多。(3)海砂:混有贝壳和盐分等有害杂质。2、人工砂:由岩石轧碎而成的颗粒,表面有棱角,较洁净,但价格较高,无特殊情况多不采用。,上述几种细集料中,一般工程上多使用河砂。1、物理常数集料的质量与体积的关系见图所示:,2、级配 用筛分法测定砂的级配标准筛:5 2.5 1.25 0.63 0.315 0.16mm(圆孔)4.75 2.36 1.18.0.6.0.3 0.15mm(方孔)筛分后,计算相关参数如下:(1)分计筛余百分率(2)累计筛余百分率(3)通过百分率,振筛机,3、粗度(水泥
9、混凝土用砂)(沥青路面及各种路面的基层、底层用砂)砂的粗度分类 为粗砂 为中砂 为细砂,12 矿质混合料的组成设计,概述矿质混合料颗粒级配应满足的基本要求:1、最小空隙率:即使不同粒径的各级矿质集料按一定的比例搭配后,应有最大密实度。2、最大磨擦力:各级矿质集料在进行比例搭配时,应使各级集料排列紧密,形成一个多级空间骨架结构,且具有最大的摩擦力。矿质混合料组成设计内容:1、级配理论和级配范围的确定2、基本组成的设计方法,1.2.1、矿质混合料的级配理论1.级配类型(1)、连续级配 是采用标准筛对某一混合料进行筛分试验,所得级配曲线平顺圆滑,具有连续性。(2)、间断级配 是在矿质混合料中剔徐其中
10、一个分级或几个分级而形成的不连续的混合料。,2 矿质混合料的级配理论(1).最大密度曲线理论(富勒理论)观点:矿质混合料的颗粒级配曲线愈接近抛物线,则其密度愈大。当矿质混合料的级配曲线为抛物线时,具有最大密实度。,a)b)a)常坐标;b)半对数坐标,理想最大密度级配曲线,最大密度级配曲线公式:可用矿料颗粒粒径(d)与通过量(p)表示。,式中:d 矿质混合料各级颗粒粒径,mm;p 各级颗粒粒径集料的通过量,%;k 常数。,(2).最大密度曲线n幂公式(泰波理论)观点:最大密度曲线是一种理论的级配曲线,实际上,级配 曲线应该有一定的波动范围。公式:,式中:p、d 和 D 意义同前;n 实验指数。实
11、际研究认为:在沥青混合料中应用,当n=0.45时密度最大;在水泥混凝土中应用,当n=0.250.45时工作性较好。通常使用的矿质混合料的级配范围(包括密级配和开级配)n=0.30.7,1.2.2、级配曲线范围的绘制,必须采用半对数坐标即横坐标用对数坐标方法:1、先确定横坐标长度S2、求出间距系数 K3、计算出各颗粒粒径在横坐标上的位置,1.2.3、矿质混合料的组成设计方法设计依据:各种集料的筛分结果 按规范要求的级配范围即标准级配(一)、试算法,1)按题意作下列两点假设:设A、B、C三种集料在混合料M中的用量比例分别为X、Y、Z,则,又设混合料M中某一级粒径(i)要求的含量为M(i),A、B、
12、C三种集料 中该粒径的含量分别为A(i)、B(i)、C(i)。则:,2)计算步骤 计算A集料在矿质混合料中的用量比例 首先,找出A集料占优势含量的某一粒径,如粒径(i),而忽略B、C 集料在此粒径的含量,即B集料和C集料该粒径的含量aB(i)和aC(i)均等于零。A集料在混合料中的用量:,计算C集料在矿质混合料中的用量比例 原理同前,设C集料的优势粒径为j(mm),则A集料和B集料在该粒径的含量aA(j)和aB(j)均等于零。C集料在混合料中的用量:,计算B集料在矿质混合料中的用量比例 由前式得出B集料在矿质混合料中的用量:,校核调整 按以上计算的配合比计算合成级配,如不在要求的级配范围内,应
13、调整。重新计算和复核配合比,经几次调整,直到符合要求为止。如经计算确不能满足级配要求时,可掺加某些单粒级集料,或调换其它 原始集料。,2.图解法(1)基本原理 通常级配曲线图采用半对数坐标图绘制,所绘出的级配范围中值为一 抛物线。图解法中,为使要求级配中值呈一直线,采用纵坐标的通过量(Pi)为算术坐标,而横坐标的粒径采用筛孔尺寸表示,则绘出的级配曲线中值为直线。如图:,(2)计算步骤 1)绘制级配曲线坐标图,2)确定各种集料用量 两相邻级配曲线重叠,等分;两相邻级配曲线相接,连分;两相邻级配曲线相离,平分。3)校核 按图解所得的各种集料用量,校核计算所得合成级配是否 符合要求。如不能符合要求,
14、即超出级配范围,应调整各集料 的用量。,矿质混合料配合比设计工程实例 试采用图解法设计某高速公路用细粒式沥青混凝土的矿质混合料配合比。1.原始资料(1)现有碎石、石屑、砂和矿粉四种矿质集料,现场取样进行筛分如下表:,(2)确定矿质混合料的工程级配范围如下表:,2.设计步骤(1)绘制级配曲线图,在纵坐标上按算术坐标绘出通过百分率Pi,如下图。(2)连对角线OO作为级配范围通过率中值。在纵坐标上找出各个筛孔通过率中值作水平线,通过与对角线OO的交点作垂线,与横坐标的交点,即为相应的筛孔在横坐标上的位置。(3)将碎石、石屑、砂和矿粉四种集料的级配曲线绘于下图。(4)从碎石、石屑、砂和矿粉四条级配曲线
15、依次分析,均为重叠的位置关系。在其重叠部分分别作垂线AA、BB、CC与对角线OO依次相交于M、N、R;过M、N、R分别引水平线,可以确定 碎石:石屑:砂:矿粉=36%:31%:25%:8%。,1009080706050403020100,Pi(%),di(mm),98,79,57,45,33,24,17,12,6,16.0,13.2,9.5,4.75,2.36,1.18,0.6,0.3,0.15,0.075,碎石,石屑,砂,矿粉,碎石 36%,石屑 31%,砂 25%,矿粉 8%,A,A,B,B,C,C,M,N,R,级配中值线,3.校核(1)计算得合成级配结果,并绘制合成级配曲线;(2)调整配
16、合比。配合比调整原则:对高速公路和一级公路,宜在工程设计级配范围内计算 13组粗细不同的配合比,绘制设计级配曲线,分别位于工程设计级配范围的上方、中值及下方。设计合成级配不得有太多 的锯齿形交错,且在0.30.6mm范围内不出现“鸵峰”。当反复调整不能满意时,宜更换材料设计。,(1)计算合成级配结果表,(2)绘制级配曲线,并调整配合比 从图中可以看出,计算的合成级配曲线接近级配范围中值。由于高速公路交通量大、轴载重,为使沥青混合料具有较高的高温稳定性,合成级配曲线应偏向级配曲线范围的下限,因此需要调整。,经调整,各种材料用量为碎石:石屑:砂:矿粉=41%:36%:15%:8%。按此结果重新计算
17、合成级配,计算结果如表3.4(表中括号部分)并绘图,可见调整后的合成级配曲线光滑、平顺,且接近级配曲线的下限。,结 论,概述定义:能够通过自身的物理化学作用,从浆体变成坚硬的固体,并能把散粒或块块材料胶结成为一个整体的材料,称为胶凝材料分类1、按化学成分有机胶凝材料:如沥青类、橡胶类等;无机胶凝材料:如石灰、石膏、水泥等。2、无机胶凝材料按硬化条件气硬性胶凝材料:只能在大气中硬化,并且只能在大气中保持一定的强度。如石灰、石膏。水硬性胶凝材料:既能用在大气中,又能用在水中的胶凝材料。典型的代表是水泥。,2-1 石灰,2.1.1、石灰的生产工艺概述主要原料:石灰石,其主要化学成分CaCO3 MgC
18、O3以及杂质生产过程:CaCO3在1000下加热生成 CaO和CO2生石灰分类1、优质生石灰:洁白或带灰色,密度轻,一般8001000kg/m32、过火石灰:水化速度慢,体积膨化,产生“崩裂”现象,过火石灰表面有裂缝或玻璃状的外壳,体积收缩明显,颜色呈灰黑色,密度大3、欠火石灰:含有未烧透的内核,效率低,粘结力差,颜色呈深灰色。,2.1.2、石灰的消化和硬化1、熟化过程CaO+H2O Ca(OH)2+64.9KJ/mol熟化过程应注意加水量、安全、烧伤、烫伤等。避免“过烧”、“过冷”现象。有关陈伏的概念石料熟化后,必须在隔绝空气的条件下,放置两个星期以上的时间,方可使用。这个过程叫做陈伏。石灰
19、陈伏的目的是为了消除过火石灰的危害。,加水量不同,将会得到不同的熟石灰熟石灰粉:加水适量,消化不结团石灰膏:加水量较多,熟石灰呈半固态。石灰乳:加水量更多一些,熟石灰呈流态。将生石灰磨细成生石灰粉,则可不必预先熟化、陈状,可直接使用,可节约场地,改善施工环境,但成本高,存期不能过长,2、石灰的硬化(1)干燥硬化和结晶硬化石灰中水分不断挥发,形成熟石灰结晶。在该过程中,石灰强度增长不明显(2)、碳化Ca(OH)2+CO2+nH2O Ca CO3+(n+1)H2O该反应必须有水分存在时才能进行,且反应速度缓慢,2.1.3、石灰的技术要求和技术标准(一)技术要求1、有效CaO和MgO的含量2、生石灰
20、产浆量和未消化颗粒含量3、二氧化碳(CO2)含量即未分解的CaCO3的含量4、消石灰粉游离水含量 游离水可使石灰碳化,从而影响质量5、细度 用0.9mm及0.125mm的筛进行筛分试验,测定筛余量6、体积稳定性,(二)石灰的技术标准见教材中表2-1、2-2、2-3、2-42.1.4、石灰的应用及储存(一)石灰的特点1、可塑性好2、强度低 28d的强度只有0.20.5mpa3、耐水性差 因Ca(OH)2易溶于水4、体积收缩大水分挥发,体积收缩,故石灰一般不宜单独使用,必须掺入骨料(如砂)或纤维材料等,起到抗收缩开裂的作用,(二)石灰的应用1、制作石灰乳 作用室内粉刷涂料2、配制砂浆 一般不用消石
21、灰粉3、配制灰土或三合土:是良好的建筑物基础和道路热层(三)石灰的储存1、防潮,不同易燃物品混存、混运2、如需要较长时间贮存生石灰,则应将其消化后存放,并使表面隔绝空气,以防碳化。,课题:水泥 教具用品:相关试验仪器 教学目的:了解水泥的常见品种、水泥生产制造过程及主要矿物成分重点难点:水泥的主要矿物成分特征及其对水泥技术性质的影响,22 水泥,2.2.1水泥概述水泥历史不长,只100多年的历史,但发展惊人1、水泥品种1)按化学成分为:硅酸盐类水泥 有六大类:硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥。铝酸盐类水泥无熟料(少熟料)类水泥,2)
22、按用途分为:普通水泥特殊水泥目前,在道路工程中,仍以硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥为主,故本节着重介绍这两个品种的水泥。此外,由于道路路面对水泥的特殊要求,近年来已生产了道路水泥。特殊水泥是为了满足一些特殊工程所生产的水泥,如:快硬水泥、早强水泥、膨胀水泥等。,2、硅酸盐水泥定义:凡由硅酸盐水泥熟料、05%的石灰石或粒化高炉矿渣,适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料,称为硅酸盐水泥。即国外的波特兰水泥 Portland cement 分为不掺混合材料PI和掺不超过5%混合材料PII,3.硅酸盐水泥生产工艺概述1)、生产原料石灰质原料 提供CaO粘土质原料 提供SiO2 Al2O3 Fe2O3等校正材料
23、 一般为铁矿,用来补充原材料中铁质的不足。2)、生产工艺按比例配生料并磨细将以上三种原材料按一定的比例配好,并并磨细制成生产水泥的生料。,熟料煅烧:窑中煅烧至1450C,形成熟料。在高温煅烧过程中,原材料之间发生化学反应,生成各种有用物质,尤其是1450C时最关键,它是水泥中最重要的成分硅酸三钙生成的温度。水泥粉磨:加入石膏磨细制成水泥。即“两磨一烧”。,2.2.2硅酸盐水泥的矿物组成及特性,1硅酸盐水泥的化学成分与矿物组成原料 矿物组成石灰质 CaO 3 CaOSiO2 C3S粘土质 SiO2 2 CaO SiO2 C2S Al2O3 3 CaO Al2O3 C3A Fe2O3 4 CaO
24、Al2O3Fe2O3 C4AF,2、水泥熟料主要矿物组成的性质C3S是主要成分,含量50%左右,水化速度快,水化热高,且早期强度高,水化物对水泥早期强度和后期强度起主要作用。C2S含量1040%,水化速度慢,水化热低,早期强度低,后期强度高,耐化学侵蚀性和干缩性较好。,C3A含量在15%以下,水化速度最快,水化热最高,耐化学侵蚀性差,干缩性大。C4AF含量515%,水化速度较快,水化热较高,强度 低,但对于抗折强度起重要作用,耐化学侵蚀性好,干缩性小。,3、水泥熟料主要成分特性比较(由高至低排列)1)反应速度 C3A C3S C4AF C2S2)释热量 C3A C3S C4AF C2S3)强度
25、 C3S C2S C3A不高 C4AF对抗强度有利4)耐侵蚀性 C4AF C2S C3S C3A,5)干缩性 C3A最大 C3S居中 C4AF C2S最小 4、矿物组成对水泥性能的影响不同的矿物成分,表现出不同的特性。水泥是由多种矿物成分组成的,改变各种矿物成分的含量比例以及它们之间的匹配,则可以生产出性能各异的水泥。如:大坝水泥:降低C3A C3S的含量,提高C2S的含量。道路水泥:提高C3S和C4AF的含量。高强水泥:提高C3S的含量。,2.2.3硅酸盐水泥的凝结硬化理论概念凝结:水泥加水后成为可塑的水泥浆体,由于水泥的水化作用,水泥逐渐变稠失去流动性和可塑性和未具强度 的过程,称为水泥的
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