1、第12讲 路桥工程材料,目前主要的路桥工程材料路桥工程材料的发展趋势,1) 桥梁结构用材料 2) 隧道结构用材料 3) 道路结构（面层、基层、垫层）用材料 4) 构造物所用材料,目前主要的路桥工程材料,(1) 砂石材料1) 人工开采的岩石或轧制的碎石2) 天然砂砾石3) 各种性能稳定的工业冶金矿渣（如煤渣、高炉渣和钢渣等） (2) 胶结料类1) 水泥（石灰）2) 沥青 (3) 建筑钢材钢材与钢筋,目前常用的路桥工程材料为：,(4) 工程聚合物材料塑料（合成树脂）、橡胶和纤维等 (5) 水泥混凝土水泥+砂石材料 (6) 沥青混合料沥青+砂石材料 (7) 半刚性材料以少量水泥、石灰（粉煤灰）稳定土
2、稳定碎（砾）石混合料,1) 按来源分类 天然砂石材料：卵石、砾石、漂石；砂(海砂、河砂、山砂等) 人工轧制的砂石料：块料、碎石集料 工业冶金矿渣集料：钢渣、高炉渣、煤渣、粉煤灰2) 按尺寸和用途分类 石料 集料：粗集料粒径d4.75mm（ 2.36mm）细集料粒径d4.75mm（2.36mm）,(1) 砂石材料,安山岩,花岗岩,玄武岩,石灰岩,白云岩石粉,(2) 水泥,1) 硅酸盐水泥P I、P II：硅酸盐水泥熟料05%混合材石膏 2) 普通硅酸盐水泥PO：硅酸盐水泥熟料615%混合材石膏 3) 矿渣硅酸盐水泥PS：水泥熟料2070%粒化高炉矿渣石膏 4) 火山灰质硅酸盐水泥PP：水泥熟料2
3、050%火山灰质材料石膏 5) 粉煤灰硅酸盐水泥PF：水泥熟料20%40%粉煤灰石膏 6) 道路硅酸盐水泥：道路硅酸盐水泥熟料010%活性混合材石膏用途：供道路面层和机场道面结构专用主要技术要求：抗折强度高、干缩性小、耐磨性好,(3) 水泥混凝土,水泥、水和集料按适当比例配合拌制成混合料经硬化而成的人造石材1) 分类 按强度分（28天抗压强度R28 ）) 低强度混凝土：R2820MPa) 普通强度混凝土：R28=2060MPa) 高强度混凝土：R2860MPa) 超高强度混凝土：R281050MPa,按表观密度分) 轻混凝土：1900 kg/m3)普通混凝土：=19002500kg/m3(一般
4、2400 kg/m3)重混凝土：2600 kg/m3 按特性分纤维加强混凝土、喷射混凝土、聚合物混凝土等,2) 普通混凝土组成材料 水泥)品种：考虑工程特点、环境及施工条件)强度等级或标号：与混凝土的设计强度等级相匹配 细集料) 级配与细度模数) 有害杂质, 粗集料) 力学性能：强度、压碎值、坚固性、磨耗率等) 级配：连续级配) 最大粒径：与结构尺寸有关) 表面特征：粗糙程度、颗粒形状等) 有害杂质：有机质、泥土、硫酸盐类, 外加剂在混凝土拌和前或拌合时掺入、掺量不大于水泥质量5%（特殊情况下除外），并能按照某些要求改善混凝土性能的物质.按其主要功能分类 ) 减水剂在不影响混凝土工作性的条件下
5、，具有减水及增强作用外加剂，减水剂的品种.,a 普通减水剂（具有5以上减水、增强作用）：木质素磺酸盐类b 缓凝减水剂（兼具缓凝功能）：糖蜜类c 引气减水剂（兼有引气作用）d 高效减水剂（又称超塑化剂或流化剂，具有12以上减水、增强作用）：多环芳香族磺酸盐类、水溶性树脂类e 复合减水剂,) 引气剂经搅拌能在混凝土拌和物中引入大量分布均匀的独立微小气泡，以改善其工作性，并在其硬化后能保留微小气泡以改善其抗冻融耐久性的物质 a 引气剂的主要品种松香热聚物类、烷基苯磺酸盐类、脂肪醇磺酸盐类 B 引气剂的作用原理：发生在水空气界面上,c 作用功能 增加混合料流动性 提高混凝土耐久性 混凝土弹性模量降低
6、强度有所降低：引气量以68为宜 ) 缓凝剂能延缓混凝土凝结时间，并对其后期强度无不良影响的外加剂a 缓凝剂的主要品种:糖类、木质素磺酸盐类、羟基羧基及其盐类、无机盐类、氯盐类b 缓凝剂缓凝的机理：水泥初期水化速度变慢,) 早强剂能提高混凝土早期强度并对后期强度无影响的外加剂a 早强剂主要品种有：氯盐类、硫酸盐类和有机胺类b 机理分析增加水泥浆体中固相比例，有助于水泥石结构的形成 如：CaCl2Ca(OH)2 氧氯化钙不溶性Na2SO4Ca(OH)2 硫酸钙高分散性 氯盐类早强剂不得用于大部分钢筋混凝土工程,( 4) 沥青在高度缩合的环烷环、芳香环上带有长短不同的烷基侧链的碳氢化合物，及其非金属
7、（O、S、N）衍生物组成的混合物，并含有微量元素.颜色：暗褐色或黑色形态：常温下为固体或半固体,1) 沥青的分类： 地沥青)天然沥青：湖沥青、岩石沥青、海底沥青)石油沥青：用石油经开采、精炼加工而得到的 焦油沥青) 煤沥青) 木沥青,)天然沥青天然沥青是石油在自然条件下，经过千百万年的时间，在温度、压力、气体、无机物催化剂、微生物以及水分等综合作用下氧化聚合而成的沥青类物质。 由于它常年与自然环境共存，故其性质特别稳定。 由沥青、矿物质、水分构成。根据天然沥青生成矿床的不同，可以分为：A 湖沥青B 岩沥青C 海底沥青,A 湖沥青特立尼达湖沥青（Triniada Lake Asphalt）是世界
8、上最为著名的天然沥青之一，它产于南美洲加勒比海岛国风景秀丽的特立尼达和多巴哥境内的沥青湖。该沥青湖又叫彼奇湖，面积44万平方米，深82米，湖中沥青储量达1200万吨，是世界上最大的天然沥青产地。,特立尼达沥青湖,B 岩沥青岩沥青生成于岩石的夹缝中，缝宽很窄，仅数十厘米，深可达几百米。天然岩沥青是一种纯天然的碳氢化合物，熔点在150 以上，我国青海及克拉玛依地区有所开采，但很少用于道路。美国北部犹他州的Uintah盆地的UNTAITE岩沥青是世界上最为著名的岩沥青。,直馏沥青：较好的变形能力，温度敏感性较大 氧化沥青：较好的温度稳定性 溶剂沥青：丙烷脱 液体沥青：在粘稠沥青中掺加煤油、汽油、柴油
9、 调配沥青：调和沥青、混合沥青 乳化沥青：水乳化剂沥青,原油常压渣油减压渣油粘稠沥青,(5) 沥青混合料适当比例的粗集料、细集料及填料组成的符合规定级配的矿料与沥青结合料拌合而成的混合料的总称.,1) 按级配组成和曲线类型分类见图连续级配：密级配、半开级配、开级配间断级配2) 按公称最大粒径分类特粗式、粗粒式、中粒式、细粒式、砂粒式3) 按照制造工艺分类热拌沥青混合料冷拌沥青混合料再生沥青混合料,矿质混合料的3种典型级配曲线,SMA（Stone Matrix Asphalt）混合料,2) 按照集料的公称最大粒径分类 砂粒式：公称最大粒径4.75mm 细粒式：公称最大粒径9.5mm、13.2mm
10、 中粒式：公称最大粒径16mm、19mm 粗粒式：公称最大粒径26.5mm 特粗式：公称最大粒径31.5mm,3) 按照沥青混合料的制造工艺分类, 热拌热铺沥青混合料：粘稠沥青热态施工 冷拌沥青混合料： 液态沥青常温施工) 乳化沥青) 液体沥青) 泡沫沥青 再生沥青混合料：现场再生、场拌再生,4) 三种结构类型混合料的级配组成,沥青混合料的分类与特性, 悬浮密实结构级配特点：连续密级配，细集料多，粗集料较少，悬浮于细集料中，不能形成嵌挤骨架，空隙率较小.使用特点：密实耐久、高温稳定性较差., 骨架空隙结构级配特点：连续开级配，粗集料较多，细集料较少，不足以充分填充粗骨架空隙，空隙率较大使用特点
11、：温度稳定性好、耐久性较差,(6) 无机结合料稳定类混合料在各种粉碎或原来松散的土、或矿质碎（砾）石、或工业废渣中，掺入一定数量的无机结合料（如石灰、水泥）及水，经拌和得到的混合料，经压实及养生后，具有一定的强度和稳定性，在广义上统称为无机结合料稳定类混合料，或无机结合料稳定土。,路面基层材料的类型 粒料类：级配型集料、填隙碎石 结合料稳定类：有机结合料沥青 无机结合料水泥、石灰、工业废渣无机结合料 石灰稳定类 水泥稳定类 水泥石灰稳定类 石灰工业废渣稳定类,面层,基层,半刚性基层材料,(7)建筑钢材在道路桥梁结构工程中的应用,(8) 工 程 聚 合 物聚合物又称高聚物，是由许多小分子物质通过
12、聚合反应以链式结构形成的一类物质。聚合物有天然聚合物和人工合成聚合物，工程中所用大多是人工合成的聚合物。构成聚合物基本单元的小分子称为单体；由单体形成的重复单元结构称为链节，一个聚合物链节的数目称为聚合度；当掌握某一聚合物的聚合度时，可依据结构单元的分子量的多少计算出某一聚合物的分子量。如聚氯乙稀聚合度n大约是3002500，则该聚合物分子量为（216）104 .,结构分类 线形结构呈现“一维”链式结构；支链形结构在主链上“结出”侧链的结构；交联形结构呈现“三维”体型结构.,1) 聚合物结构分类, 按材料性质分类分为塑料、橡胶、纤维； 按聚合物分子主链的元素结构分类分为碳链、杂链和元素高分子；
13、 按应用功能分类通用聚合物、特殊聚合物、功能聚合物、仿生聚合物等,PVC,PE, 塑料塑料是以合成树脂为主要原料，加入填充剂、增塑剂、润滑剂和颜料等添加剂经过一定工艺制成的一种聚合物材料。塑料是一种多功能材料，具有较高的比强度和优良的加工性能，并通过调整配合比及工艺条件制得不同性能的材料，具有十分广泛用途.,2) 常用的聚合物, 合成橡胶,合成橡胶是通过聚合反应的方式合成生胶，加入适合的配合剂，经硫化后得到的高分子弹性体。合成橡胶具有极为良好的伸缩性，在外力作用下能产生很大的变形，外力除去后又迅速恢复原状。同时具有储能、耐磨、隔声、绝缘性能，是应用非常广泛的聚合物材料.,合成纤维,合成纤维是有
14、机高分子聚合物为原料，经熔融或溶解核纺制成的纤维，如聚酰胺、聚酯纤维等。合成纤维具有强度高、密度小、弹性好、耐磨、耐酸碱和不霉变、不蛀等优越性能，在日常生活、工农业生产领域有着极为广泛的应用，并且在道路工程中也有了越来越多的应用., 塑料橡胶共聚物随着技术的发展，将橡胶和塑料两种高聚物在结构上得到一定的融合，同时表现出两种聚合物的性质，以适应更加广泛用途的需要。典型的塑料橡胶共聚物是采用嵌段共聚的方式合成的苯乙烯丁二烯苯乙烯聚合物（SBS），它兼具塑料和橡胶的特点，具有弹性好、抗拉强度高、低温变形能力好等优点，是优良的沥青改性剂.,3) 在路桥工程中的应用 由于高聚合物材料优良的综合性能，随技
15、术的发展这类材料在道路工程中得到大量应用。例如采用聚合物对沥青进行改性、制作聚合物混凝土，并可用作胶结材料或嵌缝密封材料，以及用于加强土基和路面基层的聚合物土工格栅材料等., 聚合物混凝土聚合物混凝土是由有机、无机材料复合而成的混凝土按照组成材料和制作工艺可分为聚合物浸渍混凝土、聚合物水泥混凝土和聚合物胶结混凝土。与普通混凝土相比，聚合物混凝土具有显著特点。其抗拉强度、抗压强度、抗弯拉强度都得到较大提高，抗渗性、耐磨性、耐磨性、耐水性、耐腐蚀性都得到较大的改善。聚合物混凝土可用于铺筑路面和桥面、修补路面坑槽、机场跑道等.,聚合物改性沥青由于交通运输的飞速发展，对沥青材料高、低温性能和抗老化能力
16、要求的日益提高，使的基质沥青越来越难以满足当今高等级公路通行需要，对基质进行改性就称为必然。目前沥青改性常用的方式之一就是采用聚合物，通过聚合物优越的综合性能对沥青的高低温性能、耐久性等进行改善。用于沥青改性效果显著的方法是采用SBS聚合物.,胶粘剂胶粘剂具有优良的粘合性能，它可将同质或不同质的材料粘合在一起，在土木工程中有广泛应用。常用的胶粘剂有环氧树脂、醋酸乙烯脂等； 裂缝修补与嵌缝材料裂缝修补与嵌缝材料实际是一种胶粘剂，用于修补水泥路面的裂缝或构建的接缝。常用该类材料环氧树脂、聚氨酯类和橡胶类；,环氧树脂补桩,动载试验, 土工合成材料土工合成材料包括塑料、合成纤维、合成橡胶等。可用于加固土基，防止沥青路面反射裂缝，加固挡墙以及桥墩工程等.,未来路桥材料发展趋势,1) 天然材料进一步向合成材料发展 2) 传统单一用途材料进一步向多功能材料发展 3) 单一材料进一步向复合材料发展 4) 广泛应用固体废物材料,
