混凝土强度:土木工程材料成果

2023-09-01 理论教育版权反馈

【摘要】：混凝土的抗拉强度，有轴心抗拉强度和劈裂抗拉强度。劈裂抗拉强度目前，我国采用150 mm×150 mm×150 mm 的立方体试件作为混凝土的劈裂抗拉强度试验标准试件。试验证明，混凝土的强度与水泥强度成正比关系。水泥的强度和水灰比是影响混凝土强度的最主要因素。

混凝土的强度包括抗压、抗拉、抗弯、抗剪及握裹钢筋强度等，其中抗压强度最大，故工程上混凝土主要承受压力。混凝土的抗压强度与其他强度间有一定的相关性，可以根据抗压强度的大小来估计其他强度值，因此混凝土的抗压强度是最重要的一项性能指标。

1.混凝土的抗压强度与强度等级

（1）混凝土立方体抗压强度（Cubic Compressive Strength For Concrete）

按照国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2002）规定，将混凝土拌合物制作成边长为150 mm 的立方体试件，在标准养护条件下[温度（20±2）℃，相对湿度是95%以上]，养护到28d龄期，测得的抗压强度值称为混凝土立方体试件抗压强度，以fcu表示（单位N/mm2，即MPa），简称立方体抗压强度。

测定混凝土抗压强度时，也可采用非标准尺寸的试件，然后将测定结果乘以换算系数，换算成相当于标准试件的强度值。对于边长为100 mm 的立方体试件，应乘以强度换算系数0.95；对于边长为200 mm 的立方体试件，应乘以强度换算系数1.05。

（2）混凝土立方体抗压强度标准值与强度等级

按照国家标准《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010），混凝土抗压强度等级（Strength Grade of Concrete）应按立方体抗压强度标准值确定。混凝土立方体抗压强度标准值（Standard Cubic Compressive Strength for Concrete）是按标准试验方法测得的立方体抗压强度总体分布中的一个值，强度低于该值的百分率不超过5%（即具有95%以上的保证率），以fcu，k表示。普通混凝土通常划分为14个等级，即C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80。

（3）混凝土轴心抗压强度（AxialCompressive Strength for Concrete）

在结构设计中，混凝土受压构件的计算常采用混凝土的轴心抗压强度。轴心抗压强度的测定采用150 mm×150 mm×300 mm 棱柱体作为标准试件。试验表明：在立方体抗压强度 fcu=10～50 MPa 的范围内，轴心抗压强度fc与fcu之比为0.70～0.80。

2.混凝土的抗拉强度

混凝土是一种脆性材料，在受拉时有很小的变形就会开裂，故混凝土一般不用来直接承受拉力，但抗拉强度却是结构设计中确定混凝土抗裂度的重要指标，有时也用来衡量混凝土与钢筋的黏结强度。

混凝土的抗拉强度，有轴心抗拉强度和劈裂抗拉强度。

（1）混凝土轴心抗拉强度（AxialTensile Strength for Concrete）

轴心抗拉强度常用“∞”字形试件或棱柱体试件直接测定轴向抗拉强度，试验统计C10～C45的混凝土，其轴心抗拉强度平均值与混凝土立方体抗压强度平均值的关系为

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式中　ft，fcu──轴心抗拉强度和立方体抗压强度的平均值（MPa）。

考虑试验误差和安全系数，乘以0.88，按国家标准《混凝土结构设计规范（2015版）》（GB 50010—2010）规定：

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这种测定方法试验难度较大，试验结果不准确，因而多用劈裂抗拉强度试验法间接地求出混凝土的抗拉强度。

（2）劈裂抗拉强度

目前，我国采用150 mm×150 mm×150 mm 的立方体试件作为混凝土的劈裂抗拉强度试验标准试件。试验装置如图4.11所示。若采用100 mm×100 mm×100 mm 的立方体非标准试件时，所得劈裂抗拉强度试验结果应乘以换算系数0.85。

混凝土劈裂抗拉强度按下式计算：

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图4.11　混凝土劈裂抗拉试验装置图

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式中　fts──混凝土劈裂抗拉强度（MPa）；

F──破坏荷载（N）；

A──试件劈裂面面积（mm2）。

3.混凝土与钢筋的黏结强度

在钢筋混凝土结构中，混凝土用钢筋增强。为使钢筋混凝土这类复合材料能有效工作，混凝土与钢筋之间必须要有适当的黏结强度。这种黏结强度主要来源于混凝土与钢筋之间的摩擦力、钢筋与水泥之间的黏结力以及与钢筋表面的机械咬合力。黏结强度与混凝土质量有关，与混凝土抗压强度成正比。此外，黏结强度还受其他诸多因素影响，如钢筋尺寸及种类，钢筋在混凝土中的位置（水平或垂直），加载类型（受拉或受压）以及环境的干湿变化、温度变化等。

目前，美国材料试验学会（ASTMC234）提出了一种较标准的试验方法准确测定混凝土与钢筋的黏结强度。该试验方法是：混凝土试件边长为150 mm 的立方体，其中埋入ϕ19 mm的标准变形钢筋，试验时以不超过34 MPa/ min 的加荷速度对钢筋施加拉力，直到出现3种情况之一时分别记录荷载值FP：①钢筋发生屈服；②混凝土开裂；③加荷端钢筋滑移超过2.5 mm，并用下式计算混凝土与钢筋的黏结强度：

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式中　fN──黏结强度（MPa）；

d──钢筋直径（mm）；

l──钢筋埋入混凝土中的长度（mm）；

FP──测定的荷载值（N）。

4.影响混凝土强度的因素

影响混凝土抗压强度的因素很多，可从原材料、生产工艺和试验三方面加以讨论。

（1）原材料因素

①水泥强度。

水泥强度的大小直接影响混凝土强度。在配合比相同的条件下，所用的水泥强度等级越高，制成的混凝土强度也越高。试验证明，混凝土的强度与水泥强度成正比关系。

水泥的强度和水灰比是影响混凝土强度的最主要因素。混凝土的强度主要取决于水泥石强度及其与集料间的黏结力，而水泥强度及其与集料间的黏结力又取决于水泥的强度和水灰比的大小。当采用同一水泥（品种和强度等级）时，混凝土强度取决于水灰比，水灰比越小，水泥石的强度越高，黏结强度越高，使混凝土强度也越高。反之，水灰比越大，水泥石中的空隙越多，使得混凝土的强度越低。

②水灰比。

当用同一种水泥（品种及强度等级相同）时，混凝土的强度主要决定于水灰比，因为水泥水化时所需的结合水，一般只占水泥质量的23%左右。但在拌制混凝土拌合物时，为了获得必要的流动性，常加入较多的水（占水泥质量的40%～70%），即较大的水灰比。当混凝土硬化后，多余的水分或残留在混凝土中形成水泡，或蒸发后形成气孔，这些初始缺陷大大地减小了混凝土抵抗荷载的实际有效断面，而且可能在孔隙周围产生应力集中。因此，满足和易性要求的混凝土，在水泥强度等级相同的情况下，水灰比越小，水泥石的强度越高，与集料黏结力也越大，混凝土的强度就越高。如果水灰比太小，拌合物过于干硬，在一定的捣实成型条件下，无法保证浇灌质量，混凝土中将出现较多的蜂窝、孔洞，强度也将下降。

试验证明：在材料相同的情况下，混凝土强度随水灰比的增大而降低的规律呈曲线关系，如图4.12（a）所示；而混凝土强度与灰水比的关系，则呈直线关系，如图4.12（b）所示。

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图4.12　混凝土强度与水灰比及灰水比的关系

瑞士学者保罗米通过大量试验研究，应用数理统计提出混凝土强度关系式

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式中　fcu，0──混凝土28d龄期立方体抗压强度（MPa）；

fce──水泥实际强度（MPa），可通过试验确定，当无法取得水泥实际强度值时，可采用式fce=γcfce，g估计计算；

fce，g──水泥强度等级值（MPa）；

C──每立方米混凝土中水泥用量（kg）；

W──每立方米混凝土中用水量（kg）；

a，b──经验系数，与集料品种、水泥品种和施工方法有关：当原材料与工艺措施相同时，a、b可视为常数，对碎石，取a=0.53，b=0.20；对卵石，取a=0.49，b=0.13。当材料的品种和质量不同时，应尽可能结合工程实际通过试验求得数据。

利用上述经验公式可以初步解决以下两个问题：第一，当所采用的水泥强度等级已定，欲配制某种强度的混凝土时，可以估计采用的水灰比值；第二，当已知所采用的水泥强度等级及水灰比值时，可以估计混凝土28 d可能达到的强度。

③集料的种类、质量和数量。

集料表面状况会影响水泥石与集料的黏结，从而影响混凝土的强度。碎石表面粗糙，黏结力较大；卵石表面光滑，黏结力较小。因此，在相同水灰比条件下，碎石混凝土的强度比卵石的强度高。特别是在水灰比小于0.4时，差异较明显。集料本身的强度比水泥石高，所以不直接影响混凝土的强度，但若集料经风化等作用强度降低时，则会影响到混凝土的强度。

④外加剂和外掺料。

从公式可看出，在水泥强度和水灰比确定的条件下，水灰比越小，混凝土强度越高，但是水灰比越小，混凝土的流动性越差。掺入外加剂可在较小的水灰比情况下获得较高的流动性。

在混凝土中掺入掺合料，可提高水泥石的密实度，改善水泥石与集料间的黏结能力，提高混凝土强度。因此，掺入外加剂和外掺料是配制高强度混凝土和高性能混凝土必需的技术途径。

（2）生产工艺因素

这里所指的生产工艺因素，包括混凝土生产过程中涉及的施工（搅拌、捣实）、养护条件、养护时间等因素。如果这些因素控制不当，会对混凝土强度产生严重影响。

①施工条件──搅拌与振捣。

在施工过程中，必须将混凝土拌合物搅拌均匀，浇筑后必须捣固密实，才能使混凝土有达到预期强度的可能。

机械搅拌和捣实的力度比人力强，拌合物更均匀、更密实。强力的机械捣实可适用于更低水灰比的混凝土拌合物，获得更高的强度。改进施工工艺可提高混凝土强度，如采用分次投料搅拌工艺、高速搅拌工艺，采用高频或多频振捣器，采用二次振捣工艺等都会有效提高混凝土强度。

②养护条件。

混凝土的养护条件主要指所处的环境温度和湿度，它们通过影响水泥水化进程而影响混凝土强度。

养护环境温度高，水泥水化速度加快，混凝土早期强度高；反之亦然。若温度降到冰点以下，不但水泥水化停止，而且有可能因冰冻导致混凝土结构疏松，强度严重降低，尤其是早期混凝土应特别加强防冻措施。为加快水泥水化速度，可采用湿热养护的方法，即蒸汽养护或蒸压养护。

湿度通常指的是空气相对湿度。相对湿度低，混凝土中的水挥发快，混凝土因缺水而停止水化，强度发展受阻。另外，混凝土在强度较低时失水过快，极易引起干燥收缩，影响硬化混凝土的耐久性。一般在混凝土浇筑完成后11 h 内应开始对其加以覆盖或浇水。对硅酸盐水泥、普通水泥和矿渣水泥制备的混凝土浇水养护不得少于7 d；使用粉煤灰水泥和火山灰水泥，或掺有缓凝剂、膨胀剂，或有防水抗渗要求的混凝土浇水养护不得少于14 d。

③龄期（Age）。

龄期是指混凝土在正常养护条件下所经历的时间。在正常的养护条件下，混凝土强度随着水泥水化而逐渐提高。最初的7～14 d，混凝土强度增长速度较快，28d后强度增长较慢。普通水泥制成的混凝土，在标准条件下养护，龄期不小于3d的混凝土强度发展大致与其龄期的对数成正比关系。因此，在一定条件下养护的混凝土，可按下式根据某一龄期的强度推另一龄期的强度：

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式中　fn──混凝土n d（n≥3）龄期立方体抗压强度；

f28──混凝土28d立方体抗压强度（MPa）；

lg28，lgn──混凝土28d龄期和nd龄期的常用对数。

（3）试验因素

在进行混凝土强度试验时，试件尺寸、形状、表面状态、含水率以及试验加荷速度等都会影响测试结果。

①试件的形状与尺寸。

混凝土的强度是由立方体试件的抗压强度测得的，测定强度的试验方法及试件尺寸大小不同，测得的混凝土强度不同。同样是立方体试件，试件的尺寸越小，试验测得的强度越大。混凝土的强度与试件尺寸有关的现象称为尺寸效应。混凝土试件尺寸越大，内部缺陷出现的概率越大，易引起应力集中，导致强度降低。我国标准规定采用150 mm×150 mm×150 mm 的立方体试件作为标准件。当采用非标准的其他尺寸试件时，测得的立方体抗压强度应乘以换算系数，如表4.18所示。

表4.18　混凝土抗压强度试块允许最小尺寸表

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