基于抗裂性能的水泥沥青复合胶结混合料的材料设计方法

本发明涉及一种水泥沥青复合胶结混合料的材料设计方法，具体涉及一种基于抗裂性能的水泥沥青复合胶结混合料的材料设计方法。

背景技术：

水泥沥青复合胶结混合料是由水泥、乳化沥青和一定级配的集料拌合而成，通过水泥的水化及乳化沥青的破乳胶结作用形成的复合胶结混合料。水泥沥青复合胶结混合料采用水泥与乳化沥青构成复合胶结料与集料拌合，因此可以实现常温施工，不需要加热，具有施工技术优势。同时，水泥沥青复合胶结混合料采用水泥和沥青作为复合胶结材料，使得水泥沥青复合胶结混合料既具有一定的刚性和强度，又具有一定的柔性和变形能力，使得水泥沥青复合胶结混合料具有很好的抗开裂性能。在水泥沥青复合胶结混合料的材料设计上，要确定水泥和乳化沥青的用量比例及复合胶结料的用量，需要考虑的因素较多，材料设计较为复杂。

目前对于水泥沥青复合胶结混合料还没有统一的材料设计方法。常用的设计方法是采用马歇尔试验方法，分别确定水泥和乳化沥青的用量。在确定水泥和乳化沥青的用量时，采用正交试验的方法，试验量较大。并且在具体设计方法方面，更强调水泥沥青复合胶结混合料的强度特性，而对于水泥沥青复合胶结混合料的抗裂性能没有充分考虑，在水泥沥青复合胶结混合料的材料设计上，没有充分考虑材料的抗裂性能要求。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于抗裂性能的水泥沥青复合胶结混合料的材料设计方法，以指导水泥沥青复合胶结混合料的材料设计，确定水泥和乳化沥青的合理掺配比例及复合胶结料的合理用量，充分发挥水泥沥青复合胶结混合料的抗开裂性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于抗裂性能的水泥沥青复合胶结混合料的材料设计方法，包括如下步骤：

步骤一、确定水泥与乳化沥青的合理用量比例

步骤1、水泥乳化沥青复合胶结料试件制备：

选取5个不同的水泥与乳化沥青的质量比分别成型水泥沥青复合胶结料试件，且每个配比成型至少4个试件，具体步骤如下：

（1）将水泥与乳化沥青按照确定的比例拌和，然后倒入试模中；

（2）在试件浇注过程中，在试模顶面中间位置插入薄钢片并卡住试模，待试样硬化后取出薄钢片，在试件顶面形成裂缝；

（3）3d后拆模，拆模后将试件放到养生室内进行养生，养生时间为7d；

步骤2、直接拉伸试验准备：

首先将水泥乳化沥青复合胶结料试件的预制裂缝的顶面修理平整，然后分别将上加载板、下加载板粘接在试件裂缝的两侧；

步骤3、直接拉伸试验：

对水泥乳化沥青复合胶结料试件进行直接拉伸试验，具体步骤如下：将支撑底座固定在加载试验机平台上，加载头与加载试验机的作动器相联，加载头下端卡在试件的下加载板上，上加载板卡在支撑底座上，启动试验机进行加载，直到试件完全断裂为止；

步骤4、试验结果处理：

对每个试验结果，分别绘制上压头处的力-位移曲线，分别得到每个曲线的峰值力及峰值力对应的位移；

对同一个配比的平行试件的峰值力及峰值力对应的位移取平均值，得到该配比的平均峰值力及峰值力对应的平均位移；

步骤5、水泥与乳化沥青合理用量比例的确定：

将平均峰值力及对应的平均位移进行归一化处理，即将5个平均峰值力及平均位移分别除以各自的最大值，得到平均峰值力及平均位移的归一化值，然后以水泥与乳化沥青的质量比为横坐标、以平均峰值力及平均位移的归一化值为纵坐标绘制曲线，通过平均峰值力及平均位移的归一化值两条曲线的交点，插值得到水泥与乳化沥青的合理用量比例；

步骤二、确定复合胶结料的合理用量

步骤6、制作水泥沥青复合胶结混合料试件：

以步骤一确定的水泥与乳化沥青的合理用量比例为基础，取不同的胶结料用量，并与集料拌合成水泥沥青复合胶结混合料，通过击实法制作水泥沥青复合胶结料试件，制作完成后进行养生，其中：每个复合胶结料用量制作至少8个试件，养生时间为7d；

步骤7、强度测试：

对于到达养生期的试件进行强度测试；对同一个复合胶结料用量的试件的强度取平均值，得到每个复合胶结料用量下的试件的平均强度；

步骤8、复合胶结料合理用量的确定：

依据强度测试结果，以复合胶结料用量为横坐标，以强度为纵坐标，绘制复合胶结料用量-强度曲线，通过该曲线，插值得到强度≥3.0mpa时对应的最小胶结料用量，即为复合胶结料的合理用量。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、通过本发明的方法可以确定水泥和乳化沥青合理用量比例及复合胶结料的合理用量，并且试验量较小。

2、充分考虑了水泥沥青复合胶结混合料的抗开裂性能，可以更好地发挥水泥沥青复合胶结混合料抵抗反射裂缝的能力。

附图说明

图1为直接拉伸试验的夹具组成；

图2为加载板与试件的粘接；

图3为直接拉伸试验的试验模式；

图4为峰值力及对应位移的确定；

图5为水泥与乳化沥青的合理用量比例的确定；

图6为复合胶结料合理用量的确定。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种基于抗裂性能的水泥沥青复合胶结混合料的材料设计方法，该设计方法的技术特点主要体现在两个方面：一是提出了两步设计法；二是在材料设计过程中，提出了一种基于反射裂缝形成机制的评价材料抗裂性能的直接拉伸试验方法，其中：

水泥沥青复合胶结混合料材料设计的两步设计法：第一步先确定水泥和乳化沥青的合理用量比例，第二步在水泥和乳化沥青的合理用量比例确定的基础上，确定水泥乳化沥青复合胶结料的合理用量。

基于反射裂缝形成机制的材料抗裂性能的直接拉伸试验方法：反射裂缝是半刚性基层产生裂缝之后，由于基层的运动产生的拉伸效应导致的裂缝向上的扩展行为。目前对于这种裂缝的扩展行为还没有有效的试验模拟方法，这主要是由于通常的mts材料试验机只能提供压力加载的试验模式，并且由于材料的特殊性，对于具有拉伸加载模式的拉伸试验机，常规夹具也无法满足该材料的拉伸加载要求。本发明基于mts压力加载试验机，开发了反射裂缝扩展模拟的直接拉伸试验夹具，提出了直接拉伸试验方法。通过该方法可以很好的评价水泥沥青复合胶结混合料的抗开裂性能。

具体方法如下：

一、确定水泥与乳化沥青的合理用量比例a

步骤1、水泥乳化沥青复合胶结料试件制备：初步选取5个水泥与乳化沥青的质量比，分别成型试件，每个配比成型4个试件。将水泥与乳化沥青按照确定的比例拌和，然后倒入50mm×60mm×300mm的试模中。在试件浇注过程中，在试模顶面中间位置插入一个高10mm、厚度为1mm、长为50mm的薄钢片并卡住试模，待试样硬化后取出薄钢片，在试件顶面形成一个高度为10mm、宽度为1mm、长为50mm的裂缝。3d后拆模，拆模后将试件放到养生室内进行养生，养生时间为7d。

步骤2、直接拉伸试验准备：直接拉伸试验夹具主要由支撑底座、上加载板、下加载板、加载头组成，直接拉伸试验的夹具组成如图1所示。首先将水泥乳化沥青复合胶结料试件的预制裂缝的顶面修理平整，然后分别将上加载板、下加载板粘接在试件裂缝的两侧，加载板与试件的粘接如图2所示。

步骤3、直接拉伸试验：将支撑底座固定在加载试验机平台上，加载头与mts加载试验机的作动器相联，加载头下端卡在试件的下加载板上，上加载板卡在支撑底座上，直接拉伸试验的试验模式如图3所示。启动试验机进行加载，加载速率控制在1mm/min，直到试件完全断裂为止。对五个配比的水泥乳化沥青复合胶结料试件分别进行直接拉伸试验。

步骤4、试验结果处理：对每个试验结果，分别绘制上压头处的力-位移曲线，分别得到每个曲线的峰值力及峰值力对应的位移。对同一个配比的四个平行试件的峰值力及峰值力对应的位移取平均值，得到该配比的平均峰值力及峰值力对应的平均位移。

步骤5、水泥与乳化沥青合理用量比例的确定：将五个配比的平均峰值力及对应的平均位移归一化处理，即将平均峰值力及平均位移分别除以各自的最大值，得到平均峰值力及平均位移的归一化值，然后在同一坐标系下绘出平均峰值力及平均位移的归一化值的曲线（横坐标为水泥与乳化沥青的质量比，纵坐标为归一化值），通过两个曲线的交点，插值得到水泥与乳化沥青的合理用量比例。

二、确定复合胶结料的合理用量b

步骤6、制作水泥沥青复合胶结混合料试件：以上面确定的水泥与乳化沥青的合理用量比例为基础，取五个不同的胶结料用量，并与一定级配的集料拌合成水泥沥青复合胶结混合料，通过击实法制作水泥沥青复合胶结料试件，每个复合胶结料用量制作8个试件。制作完成后养生时间为7d。

步骤7、强度测试：对于达到养生期的试件进行强度测试。对8个试件的强度取平均值，得到每个复合胶结料用量下的试件的平均强度。

步骤8、复合胶结料合理用量的确定：依据强度测试结果，以复合胶结料用量为横坐标，以强度为纵坐标，绘制复合胶结料用量-强度曲线，通过该曲线，插值得到强度≥3.0mpa时对应的最小胶结料用量，即为复合胶结料的合理用量。

应用举例：

一、确定水泥与乳化沥青的合理用量比例a

步骤1、水泥乳化沥青复合胶结料试件制备：初步选取5个水泥与乳化沥青的质量比（a1=0.5、a2=1.0、a3=1.5、a4=2.0、a5=2.5）分别成型试件，每个配比成型4个试件。将水泥与乳化沥青按照确定的比例拌和，然后倒入50mm×60mm×300mm的试模中。在试件浇注过程中，在试模顶面中间位置插入一个高10mm、厚度为1mm、长为50mm的薄钢片并卡住试模，待试样硬化后取出薄钢片，在试件顶面形成一个高度为10mm、宽度为1mm、长为50mm的裂缝。3d后拆模，拆模后将试件放到养生室内进行养生，养生时间为7d。

步骤2、直接拉伸试验准备：将水泥乳化沥青复合胶结料试件的预制裂缝的顶面修理平整，然后分别将上加载板、下加载板粘接在试件裂缝的两侧。

步骤3、直接拉伸试验：试支撑底座固定在加载试验机平台上，加载头与mts加载试验机的作动器相联，加载头下端卡在试件的下加载板上，上加载板卡在支撑底座上，启动试验机进行加载，加载速率控制在1m/min，直到试件完全断裂为止。对五个配比的水泥乳化沥青复合胶结料试件分别进行直接拉伸试验。

步骤4、试验结果处理：对每个试验结果，绘制力-位移曲线，分别得到每个曲线的峰值力及峰值力对应的位移，例如对于水泥与乳化沥青的质量比a1=0.5的试样，第一个试件的峰值力f1-1及对应的位移s1-1的确定如图4所示。通过该方法确定四个试件的峰值力分别为f1-1、f1-2、f1-3、f1-4；四个试件的峰值力对应的位移分别为s1-1、s1-2、s1-3、s1-4。对四个平行试件的峰值力及峰值力对应的位移取平均值，得到该配比的平均峰值力及峰值力对应的平均位移。例如对于水泥与乳化沥青的质量比a1=0.5的试样，平均峰值力为f1=（f1-1+f1-2+f1-3+f1-4）/4；平均位移为s1=（s1-1+s1-2+s1-3+s1-4）/4。

步骤5、水泥与沥青合理用量比例的确定：将五个配比的平均峰值力（f1、f2、f3、f4、f5）及对应的平均位移（s1、s2、s3、s4、s5）归一化处理，即将平均峰值力及平均位移分别除以各自的最大值，得到平均峰值力及平均位移的归一化值。平均峰值力的最大值为fmax（一般情况下，fmax=f5）、平均位移的最大值为smax（一般情况下，smax=s1）。平均峰值力归一化值分别为α1=f1/fmax、α2=f2/fmax、α3=f3/fmax、α4=f4/fmax、α5=f5/fmax；平均位移归一化值分别为β1=s1/smax、β2=s2/smax、β3=s3/smax、β4=s4/smax、β5=s5/smax，然后在同一坐标系下绘出平均峰值力归一化值α及平均位移归一化值β随水泥与乳化沥青质量比的变化曲线，如图5所示。通过两个曲线的交点，插值得到水泥与乳化沥青的合理用量比例a=1.7。

二、确定复合胶结料的合理用量b

步骤6、制作水泥沥青复合胶结混合料试件：以上面确定的水泥与乳化沥青的合理用量a比例为基础，取五个不同的胶结料用量（b1=3.5%、b2=4.0%、b3=4.5%、b4=5.0%、b5=5.5%）并与一定级配的集料拌合成水泥沥青复合胶结混合料，通过击实法制作水泥沥青复合胶结料试件，每个复合胶结料用量制作8个试件。制作完成后养生时间为7d。

步骤7、强度测试：对于达到养生期的试件进行强度测试。对8个试件的强度取平均值，得到每个复合胶结料用量下的试件的平均强度。例如对于b1=3.5%的水泥沥青复合胶结混合料试件，其强度分别为σ1-1、σ1-2、σ1-3、σ1-4、σ1-5、σ1-6、σ1-7、σ1-8，则试件的强度σ1=（σ1-1+σ1-2+σ1-3+σ1-4+σ1-5+σ1-6+σ1-7+σ1-8）/8。分别得到五个不同的胶结料用量的试件强度分别为σ1、σ2、σ3、σ4、σ5。

步骤8、复合胶结料合理用量的确定：依据强度测试结果，以复合胶结料用量为横坐标，以强度为纵坐标，绘制复合胶结料用量-强度曲线，通过该曲线，插值得到强度≥3.0mpa时对应的最小胶结料用量为4.8%，即复合胶结料的合理用量b=4.8%。如图6所示。