混凝土的強度

材料強度是指結(jié)構(gòu)材料所能承受的某種極限應(yīng)力。進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計計算需要了解混凝土的強度如何取值。如前所述，混凝土的強度除與水膠比和水泥強度等級有很大關(guān)系外，還不同程度地受施工質(zhì)量、養(yǎng)護(hù)條件及齡期的影響，試件的大小和形狀、試驗方法和加載速率也會影響到混凝土強度的試驗結(jié)果。因此，各國對單向受力下混凝土強度規(guī)定了統(tǒng)一的試驗方法，即標(biāo)準(zhǔn)試驗方法。

下面主要介紹我國混凝土的抗壓強度、抗拉強度及復(fù)合應(yīng)力作用下的強度的試驗方法及取值情況。

混凝土抗壓強度

抗壓強度（compressivestrengthofconcrete）是混凝土基本力學(xué)性能指標(biāo)之一?；炷翗?gòu)件的受彎、受壓等承載力的計算均與抗壓強度有關(guān)。

（1）混凝土立方體抗壓強度

混凝土立方體抗壓強度（cubicstrengthofconcrete）（簡稱立方體強度）是衡量混凝土強度的基本指標(biāo)，用fcu表示。我國規(guī)范采用立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值fcu，k作為劃分混凝土強度等級的標(biāo)準(zhǔn)?！镀胀ɑ炷亮W(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2002）規(guī)定了具體的試驗方法。

《規(guī)范》規(guī)定的混凝土強度等級（strengthgradeofconcrete）有C15、C20、C25、C30、C35、C40，C45、C50，C55，C60、C65、C70，C75和C80，共14個等級。符號“C”代表混凝土，數(shù)字表示混凝土立方體抗壓強度的標(biāo)準(zhǔn)值（單位為MPa），如C50表示混凝土立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值為50MPa。

《規(guī)范》規(guī)定，素混凝土結(jié)構(gòu)的強度等級不應(yīng)低于C15；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強度等級不應(yīng)低于C20，采用400MPa、500MPa級鋼筋時，混凝土強度等級不宜低于C25；承受重復(fù)荷載的鋼筋混凝：土構(gòu)件，混凝土強度等級不應(yīng)低于C30；預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強度等級不宜低于C40且不應(yīng)低于C30。

由于骨料強度經(jīng)常大大超過水泥石和粘結(jié)面的強度，所以混凝土的強度一般主要決定于水泥石強度及其與骨料表面的粘結(jié)強度。在普通混凝土中，骨料最先破壞的可能性很小。普通混凝土受力破壞一般出現(xiàn)在骨料和水泥石的分界面上，這就是常見的粘結(jié)面破壞的形式。另外，當(dāng)水泥石強度較低時，水泥石本身破壞也是常見的破壞形式，而水泥石強度及其與骨料的粘結(jié)強度又與水泥標(biāo)號、水膠比及骨料的性質(zhì)有密切關(guān)系。水膠比和水泥強度等級是決定混凝土強度的主要因素。

水泥是混凝土中的活性組分，其強度的大小直接影響著混凝土強度。在配合比相同的條件下，所用的水泥強度等級越高，制成的混凝土強度也越高。當(dāng)用同一種水泥時，混凝土的強度主要決定于水膠比。因為水泥水化時所需的結(jié)合水，一般只占水泥質(zhì)量的23%左右，但在拌制混凝土拌合物時，為了獲得必要的流動性，常需用較多的水（占水泥質(zhì)量的40%-70%），也即較大的水膠比。當(dāng)混凝土硬化后，多余的水分就殘留在混凝土內(nèi)部形成水泡或蒸發(fā)后形成氣孔，大大減少了混凝土抵抗荷載的實際有效斷面，而且可能在孔院周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中。因此可以認(rèn)為，在水泥標(biāo)號相同的情況下，水膠比越小，水泥石的強度越高，與骨料粘結(jié)力也越大，混凝土的強度就越高。但應(yīng)說明，如果加水太少（水膠比太小），拌合物過于干硬，在一定的搗實成型條件下，無法保證澆筑質(zhì)量，混凝土中將出現(xiàn)較多的蜂窩、孔洞，強度也將下降。試驗證明，混凝土強度隨水膠比的增大而降低，呈曲線關(guān)系，而混凝土強度和膠水比的關(guān)系則呈直線關(guān)系。

水泥石與骨料的粘結(jié)力還與骨料的表面狀況有關(guān)，碎石表面粗糙，粘結(jié)力比較大，卵石表面光滑，粘結(jié)力比較小。因而在水泥標(biāo)號和水膠比相同的條件下，碎石混凝土的強度往往高于卵石混凝土的強度。

根據(jù)工程實踐的經(jīng)驗，得出關(guān)于混凝土強度與水膠比、水泥強度等因素之間保持近似恒定的關(guān)系。

混凝土立方體抗壓強度不僅與養(yǎng)護(hù)時的溫度、濕度和齡期等因素有關(guān)，由于環(huán)箍效應(yīng)，而且與立方體試件的尺寸形狀和試驗方法也有密切關(guān)系。試驗結(jié)果表明，與標(biāo)準(zhǔn)試件測得的強度相比，用邊長200mm的立方體試件測得的強度偏低，而用邊長100mm的立方體試件測得的強度偏高，因此需將非標(biāo)準(zhǔn)試件的實測值乘以換算系數(shù)換算成標(biāo)準(zhǔn)試件的立方體抗壓強度。根據(jù)試驗結(jié)果對比，混凝土強度等級小于C60時，采用邊長為200mm的立方體試件的換算系數(shù)為1.05，采用邊長為100mm的立方體試件的換算系數(shù)為0.95；混凝土強度等級不小于C60時，宜采用標(biāo)準(zhǔn)試件，使用非標(biāo)準(zhǔn)試件時，尺寸換算系數(shù)應(yīng)由試驗確定。試驗時，由于鋼的彈性模量比混凝土大5~15倍，而泊松比大不到2倍，試件受壓時上下表面與試驗機承壓板之間將產(chǎn)生阻止試件向外橫向變形的摩擦阻力，像兩道套箍一樣將試件上下兩端套住，從而延緩裂縫的發(fā)展，提高了試件的抗壓強度；破壞時試件中部剝落，形成兩個對頂?shù)慕清F形破壞面。如果在試件的上下表面涂一些潤滑劑，試驗時摩擦阻力就大大減小，試件將沿著平行于力的作用方向產(chǎn)生幾條裂縫而破壞，所測得的抗壓強度較低，我國規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法是不涂潤滑劑。

混凝土立方體抗壓強度隨混凝土的齡期逐漸增長，初期增長較快，以后逐漸緩慢；強度增長過程往往要延續(xù)幾年，在潮濕環(huán)境中往往延續(xù)更長。我國規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件為溫度（20±2）℃、相對濕度在95%以上的潮濕空氣環(huán)境，規(guī)定的試驗齡期為28d。

近年來，我國建材行業(yè)根據(jù)工程應(yīng)用的具體情況，對某些種類的混凝土（如粉煤灰混凝土等）的試驗齡期做了修改，允許根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定對這些種類的混凝土試件的試驗齡期進(jìn)行調(diào)整，如粉煤灰混凝土因早期強度增長較慢，其試驗齡期可為60d。

（2）混凝土軸心抗壓強度

混凝土的抗壓強度與試件的形狀有關(guān)，實際工程中的構(gòu)件一般不是立方體而是核柱體，因此用棱柱體試件的抗壓強度能更好地反映混凝土構(gòu)件的實際受力情況。用混凝土棱柱試件測得的抗壓強度稱為混凝土軸心抗壓強度（axialcompressivestrengthofconcrete），也稱混凝土棱柱體抗壓強度（prismaticcompressivestrengthofconcrete），用f表示。

我國《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（CB/T50081-2002）規(guī)定，以150mm×150mm×300mm的棱柱體作為混凝土軸心抗壓強度試驗的標(biāo)準(zhǔn)試件。棱柱體試件與立方體試件的制作條件相同，加載速度與立方體抗壓強度試驗相同，試驗時試件上下表面不涂潤滑劑。

混凝土軸心抗壓強度比立方體抗壓強度要低，這是因為棱柱體的高度h比寬度b大，試驗機壓板與試件之間的摩擦力對試件中部橫向變形的約束要小。高寬比h/b越大，測得的強度越低，但當(dāng)高寬比達(dá)到一定值后，這種影響就不明顯了。試驗表明，當(dāng)高寬比h/b由1增加到2時，抗壓強度降低很快；但當(dāng)高寬比h/b由2增加到4時，其抗壓強度變化不大。確定棱柱體試件尺寸時，一方面要考慮到試件應(yīng)具有足夠的高度以消除試件中部的應(yīng)力所受到的壓力板與試件之間摩擦力的影響，另一方面也要考慮避免試件過高，以免試件破壞時產(chǎn)生較大的附加偏心距而降低極限抗壓強度。根據(jù)資料，一般認(rèn)為試件的高寬比為2~3時，可以基本消除上述兩因素的影響。

混凝土強度等級小于C60時，用非標(biāo)準(zhǔn)試件測得的強度值均應(yīng)乘以尺寸換算系數(shù)，其值對200mm×200mm×400mm試件為1.05；對100mm×100mm×300mm試件為0.95。當(dāng)混凝土強度等級不小于C60時，宜采用標(biāo)準(zhǔn)試件，使用非標(biāo)準(zhǔn)試件時，尺寸換算系數(shù)應(yīng)由試驗確定。

混凝土棱柱體抗壓強度同樣受到加載速度的影響。隨著加載速度的減小，在極端情況下減為零（即在荷載長期作用下），混凝土棱柱體抗壓強度將降低為0.8fc；齡期增長對強度（通常設(shè)計中按28d齡期強度計算）提高的影響將部分地被荷載長期作用下強度的降低所抵消。

國外（如日本、美國、歐洲混凝土協(xié)會等）常采用混凝土圓柱體試件（直徑為6英寸即152mm，高度為12英寸即305mm）來確定混凝土軸心抗壓強度，計算f'c。對C60以下的混凝土，圓柱體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值f'ck和立方體抗壓強度fcu，k的比值為0.79，對C60混凝土，比值取0.833；對C70混凝土，比值取0.857；對C80混凝土，比值取0.875。

混凝土抗拉強度

抗拉強度（tensilestrength）也是混凝土基本力學(xué)性能指標(biāo)之一，它可以用來間接衡量混凝土的沖切強度?；炷翗?gòu)件的開裂、裂縫寬度變形驗算以及受剪受扭、受沖切等承載力的計算均與抗拉強度有關(guān)。

測定混凝土抗拉強度的試驗方法通常有兩種：一種為直接拉伸試驗；另一種為間接測試方法，稱為劈裂試驗。

直接拉伸試驗，試件尺寸為100mm×100mm×500mm，兩端預(yù)埋鋼筋，鋼筋位于試件的軸線上，對試件施加拉力使其均勻受拉，試件破壞時的平均拉應(yīng)力即為混凝土的抗拉強度，稱為軸心抗拉強度（axialtensilestrength）f，這種試驗對試件尺寸及鋼筋位置要求很嚴(yán)格。

劈裂試驗試件為立方體時，在上、下壓板與試件之間墊以圓弧形墊塊及墊條各一條；試件為圓柱體時，在上、下壓板與試件承壓線之間各墊一條墊條。墊塊為鋼制弧形墊塊，墊條由3層膠合板制成，墊條不得重復(fù)使用；具體尺寸見《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（CB/T50081-2002）。宜把墊條及試件安裝在定位架上使用。

對圓柱體或立方體試件施加線荷載，在試件中間截面除加力點附近很小的范圍以外，有與該面垂直且基本均勻分布的拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到混凝土的抗拉強度時，試件沿中間截面劈裂成兩半。

劈裂試驗加荷應(yīng)連續(xù)均勻，混凝土強度等級小于C30時，加載速度取0.02~0.05MPa/s，混凝土強度等級不小于C30且小于C60時，加載速度取0.05~0.08MPa/s，混凝土強度等級不小于C60時，取0.08~0.10MPa/s。

劈裂試驗中試件的大小和墊條的尺寸、剛度都對試驗結(jié)果有一定影響。我國的一些試驗結(jié)果為劈裂抗拉強度略大于軸心抗拉強度，而國外的一些試驗結(jié)果為劈裂抗拉強度略小于軸心抗拉強度。

混凝土強度等級小于C60時，用100mm×100mm×100mm非標(biāo)準(zhǔn)試件測得的劈裂抗拉強度值，應(yīng)乘以尺寸換算系數(shù)0.85；當(dāng)混凝土強度等級不小于C60時，宜采用標(biāo)準(zhǔn)試件，使用非標(biāo)準(zhǔn)試件時，尺寸換算系數(shù)應(yīng)由試驗確定。

混凝土的抗拉強度比抗壓強度低得多，一般為抗壓強度的1/20~1/8，且不與抗壓強度成正比。混凝土的強度等級越高，抗拉強度與抗壓強度的比值越低。