8.4.1 立方体劈裂抗拉强度试验的特性
修补道面与原道面结合面的抗拉强度可采用劈裂抗拉试验确定。试件采用15cm×15cm×15cm的立方体，结合面位于试件的中间（即7.5cm处），在结合面处施加竖向荷载使结合面产生拉应力（见图8-36a）。底层水泥混凝土按抗弯拉设计强度为5.0MPa进行配合比设计，试件尺寸为15cm×15cm×7.5cm，模拟原道面。待底层水泥混凝土养生14d后，在底层水泥混凝土试件表面用选用的黏结剂进行界面处理，然后浇筑新的水泥混凝土道面，用来模拟修补道面道面。新浇筑的水泥混凝土与底层的水泥混凝土的材料和配比相同。
图8-36 立方体劈裂抗拉强度试验示意图
如果把劈裂中心到加载点按等效单位长度表示，其断裂面上的拉应力并非均匀分布，可划分三个区域：0＜x＜0.6左右时，拉应力缓慢变小；0.6＜x＜0.9左右时，拉应力急剧增大x＜0.9时，形成双向受压应力区，至集中力作用处x和y方向的应力均为无穷大。理想集中力的施加会使力作用处形成压塑性区导致裂纹扩展而破坏。加垫层后，由于垫层的变形，实际荷载是以均匀的面力形式施加的。在分布力作用下，劈裂中心附近的应力较集中力变小（见图8-36），拉应力的分布形式仍然是随x增大而减小，拉应力分布更加均匀，没有急速增大区，压力区也增大。
可定义相应的压条宽度b与立方体试件的边长a的比值为k。根据裂缝的最先起裂位置及发展情况，可将垫条宽度对标准试件的劈裂抗拉影响分为3种。
（1）k＜0.167时，立方体试件前后两个端面上加载部位处最先起裂，裂缝沿x方向发展，同时向内部发展。假设图8-37a所示端面上的裂缝是一条铅直的线段，混凝土起裂时，线段上的应力分布如图8-37b所示（拉应力为正，压应力为负）。从图中看出加载部位混凝土最先起裂，是由于很大的主压应力主导产生的。
（2）0.167≤k≤0.600时，立方体试件前后两个端面上加载部位两侧，如图8-37（b）中点A，B，C，D处，和端面中心部位最先起裂，裂缝沿x方向发展，同时向内部发展.同样取裂缝所在位置上的线段，混凝土起裂时，其上应力分布如图8-37（c）所示，从图中看出，线段中部的主拉应力σ1很大，σ1/σ3值约为0.3，对混凝土多轴受力的破坏机理和形态研究，可知主拉应力较大（σ1/σ3≥0.05～0.10）的三轴拉/压状态下，混凝土的破坏形态为拉断，主拉应力σ1主导了混凝土最先起裂。点A，B，C，D处起裂是由于应力集中造成的压坏。
（3）k＞0.600时，试件受力情况向单轴受压过度，前后两个端面上加载部位两侧和端面中心部位最先起裂，逐渐在端面上出现几条沿x方向平行的裂缝。类似于立方体试件单轴受压时，不受钢压板摩擦阻力约束情况下的裂缝发展。从计算结果看出，当k＜0.167时，加载部位的应力集中造成此处混凝土压碎或屈服进而卸载，应力集中区外的混凝土应力水平迅速达到使混凝土破坏的极限状态，从而使混凝土突然破坏；当0.167≤k≤0.600时，主导端面中心部位混凝土破坏的是主拉应力，但加载部位两侧存在应力集中；k＞0.600时，试件受力状态和破坏形态逐渐向立方体单轴受压过度，此种情况可不做过多考虑。
图8-37 不同垫条宽度的断裂面应力分布
各国规范中的劈裂抗拉强度计算公式是根据圆盘受集中力作用的弹性理论解得出的。受加载垫条的影响，劈裂面上实际水平拉应力低于弹性理论解，并且随着加载宽度的增加，实际应力与计算值差距加大。由于收集的数据中不同试验采用的垫条宽度各不相同，为消除垫条宽度对试验结果的影响，使不同试验者的数据具有可比性，TANG T.提出的考虑加载宽度的计算公式对试验结果进行修正：
式中：α—考虑垫条宽度影响的修正系数；
a—水泥混凝土立方体边长；
d—水泥混凝土圆柱体直径；
l—水泥混凝土圆柱体长度。
对于立方体α为：
对于圆柱体α为：
机场水泥混凝土道面的立方体劈拉试验可按《公路工程水泥水泥混凝土试验规程》（JTG E30-2005）规定的方法进行。具体步骤如下：
1）试验仪器
（1）压力机或万能试验机，应符合JTG E30-2005中的规定。
（2）劈裂钢垫条和三合板垫层（或纤维板垫层）如图8-38所示。钢垫条顶面为半径75mm的弧形，长度不短于试件边长。木质三合板可硬质纤维垫层的宽度为20mm，厚3mm～4mm，长度不小于试件长度，垫层不得重复使用。
（3）钢尺：分度值为1mm。
图8-38 劈裂试验示意图（单位：mm）
2）试验结果计算
水泥混凝土立方体结合面劈裂抗拉强度按下式计算。
式中：fts—水泥混凝土立方体结合面劈裂抗拉强度（MPa）；
P—极限荷载（N）；
a—水泥混凝土立方体边长（mm）；
A—试件劈裂面（结合面）面积（mm2），为试件横截面面积=a2。
劈裂抗拉强度测定值的计算及异常数据的取舍原则为：以3个试件测值的算术平均值为测定值。如3个试件中最大或最小值中如有一个与中间值的差值超过中间值的15%时，则取中间值为测定值；如有两个测值与中间值的差值超过上述规定时，则该组试验结果无效。计算结果精确到0.01MPa。
3）试验结果分析
图8-39为凿毛深度15mm时，水泥净浆作为黏结剂，在不同水灰比时，其结合面劈裂强度的试验结果。随着水灰比的变化，结合面的劈裂强度存在着一个极值（见图8-39），说明过大或过小水灰比都会使劈裂强度下降。
图8-39 水泥净浆作为黏结剂时劈裂强度试验结果
5种不同平均凿毛深度（凿毛深度为0，5，10，15，20mm）的劈裂强度试验结果如图8-40。随着凿毛深度的增加，结合面的劈裂强度也随之增大。当凿毛深度达到15mm时，其劈裂强度基本达到稳定。
图8-40 水泥净浆作为黏结剂时不同凿毛深度的劈裂强度试验结果