混凝土强度及水胶比对其影响

强度是混凝土最重要的力学性质，因为混凝土主要用于承受荷载或抵抗各种作用力。混凝土的强度包括抗压强度、抗拉强度、抗弯强度和抗剪强度以及与钢筋的黏结强度等，其中抗压强度最大，抗拉强度最小，故混凝土主要用来承受压力。

混凝土强度与混凝土的其他性能关系密切。一般来说，混凝土的强度越高，其刚性、不透水性、抵抗风化和某些介质侵蚀的能力也就越高，通常用混凝土强度来评定和控制混凝土的质量。

（一）混凝土的抗压强度

混凝土的抗压强度，是指其标准试件在压力作用下直到破坏时单位面积所能承受的最大应力。混凝土结构物常以抗压强度为主要参数进行设计，而且抗压强度与其他强度及变形有良好的相关性。因此，抗压强度常作为评定混凝土质量的指标，并作为确定强度等级的依据，在实际工程中提到的混凝土强度一般是指抗压强度。

1.混凝土的立方体抗压强度与强度等级

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），制作边长为150mm的立方体试件，在标准养护条件[温度（20±2）℃、相对湿度在95%以上]下，养护至28d龄期，用标准试验方法测得的极限抗压强度，称为混凝土标准立方体抗压强度，以fcu表示。

按《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）的规定，在立方体极限抗压强度总体分布中，具有95%强度保证率的立方体试件抗压强度，称为混凝土立方体抗压强度标准值（以MPa即N/mm2计），以fcu，k表示。立方体抗压强度标准值是按数据统计处理方法达到规定保证率的某一数值，它不同于立方体试件抗压强度。

混凝土强度等级是按混凝土立方体抗压强度标准值来划分的，采用符号C和立方体抗压强度标准值表示（混凝土的标准养护时间为28d，若采用长龄期养护时，须在符号C右下角注明养护时间，如养护时间为90d，强度15MPa，则表示为C9015）。可分为C7.5、C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60等12个等级。例如，强度等级为C25的混凝土，是指25MPa≤fcu，k＜30MPa的混凝土。

测定混凝土立方体试件抗压强度，也可以按粗集料最大粒径的尺寸选用不同的试件尺寸。但在计算其抗压强度时，应乘以换算系数，以得到相当于标准试件的试验结果。选用边长为100mm的立方体试件，换算系数为0.95；选用边长为200mm的立方体试件，换算系数为1.05。

在实际混凝土工程中，为了说明某一工程中混凝土实际达到的强度，常把试块放在与该工程相同的环境下养护（简称同条件养护），按需要的龄期进行测试，作为现场混凝土质量控制的依据。

2.混凝土棱柱体（轴心）抗压强度

确定混凝土强度等级采用立方体试件，但是实际工程中钢筋混凝土构件型式极少是立方体的，大部分是棱柱体或圆柱体。为了使测得的混凝土强度接近于混凝土构件的实际情况，在钢筋混凝土结构计算中，计算轴心受压构件（如柱子、桁架的腹杆等）时，都采用混凝土的轴心抗压强度作为设计依据。

按棱柱体抗压强度的标准试验方法，制成边长为150mm×150mm×300mm的标准试件，在标准养护28d的条件下，测其抗压强度，即为棱柱体抗压强度（fck）。

通过试验分析，有

3.影响混凝土抗压强度的因素

硬化后的混凝土在未受到外力作用前，由于水泥水化造成的化学收缩和物理收缩引起浆体体积的变化，在粗骨料与砂浆界面上产生了分布极不均匀的拉应力，从而导致了界面上形成了许多微细的裂缝。另外，还因为混凝土成型后的泌水作用，某些上升的水分为粗骨料颗粒所阻止，因而聚集于粗骨料的下缘，混凝土硬化后就成为了界面裂缝，而此时当混凝土受力时，这些预存的界面裂缝就会逐渐扩大、延长并会合而连通起来，形成可见的裂缝，致使混凝土丧失连续性而遭到完全破坏。所以，影响混凝土强度的因素主要取决于水泥石的强度及其与骨料的黏结强度，另外还与材料之间的比例关系（水胶比、胶骨比、集料级配）、施工方法（拌和、运输、浇筑、养护）以及试验条件（龄期、试件形状与尺寸、试验方法、温度及湿度）等有关。

（1）水泥强度等级和水胶比。水泥强度的大小直接影响着混凝土强度的高低。在配合比相同的条件下，所用的水泥强度等级越高，配制的混凝土强度也越高。当用同一种水泥（品种及强度等级相同）时，混凝土的强度主要取决于水胶比。水胶比越大，混凝土强度越低，这是因为水泥与其他掺合料水化时所需的化学结合水一般只占水泥质量的23%左右，但在实际拌制混凝土时，为了获得必要的流动性，常需要加入较多的水（占水泥质量的40%～70%）。多余的水分残留在混凝土中形成水泡，蒸发后形成气孔，使混凝土密实度降低，强度下降。水胶比大，则水泥浆稀，硬化后的水泥石与集料黏结力差，混凝土的强度也低。但是，如果水胶比过小，拌和物过于干硬，在一定的捣实成形条件下，无法保证浇筑质量，混凝土中将出现较多的蜂窝、孔洞，强度也将下降。试验证明，混凝土强度，随水胶比的增大而降低，成曲线关系，而混凝土强度和胶水比的关系则成直线关系，如图10-6所示。

图10-6　混凝土强度与水胶比及胶水比的关系

应用数理统计方法，水泥的强度、水胶比、混凝土强度之间的线性关系可用以下经验公式表示，即

式中　fcu——混凝土强度（28天），MPa；

　　　fce——水泥28天抗压强度实测值，MPa；(www.xing528.com)

　　　αa、αb——回归系数，与集料品种、水泥品种等因素有关；

　　　B/W——胶水比。

一般水泥厂为了保证水泥的出厂强度等级，其实际抗压强度往往比其强度等级要高些。当无法取得水泥28天抗压强度实测值时，可用式（10-4）计算，即

式中　fce，k——水泥强度等级值，MPa；

　　　rc——水泥强度等级值的富余系数，可按实际统计资料确定，若无实际资料，则取rc=1.13。

　　　fce值也可根据3天强度或快测强度推定28天强度关系式推定得出。

上面的经验公式，一般适用于流动性混凝土和低流动性混凝土，不适用于干硬性混凝土。对流动性混凝土而言，只有在原材料相同、工艺措施相同的条件下αa、αb才可视为常数。因此必须结合工地的具体条件，如施工方法及材料的质量等，进行不同水灰比的混凝土强度试验，求出符合当地实际情况的αa、αb系数，这样既能保证混凝土的质量，又能取得较高的经济效果。若无试验条件，可按《普通混凝土配合比设计技术规程》（JGJ 55—2011）提供的经验数值：采用碎石时，αa=0.46、αb=0.07；采用卵石时，αa=0.48、αb=0.33。

强度公式可解决两个问题：一是混凝土配合比设计时，估算应采用的W/B值；二是混凝土质量控制过程中，估算混凝土28天可以达到的抗压强度。

（2）集料的种类与级配。集料中有害杂质过多且品质低劣时，将降低混凝土的强度。集料表面粗糙，则与水泥石黏结力较大，混凝土强度高。集料级配良好、砂率适当，能组成密实的骨架，混凝土强度也较高。

（3）混凝土外加剂与掺合料。在混凝土中掺入早强剂可提高混凝土早期强度；掺入减水剂可提高混凝土强度；掺入一些掺合料可配制高强度混凝土。详细内容见混凝土外加剂及掺合料部分。

（4）养护温度和湿度。混凝土浇筑成型后，所处的环境温度和湿度对混凝土的强度影响很大。混凝土的硬化，在于水泥的水化作用，周围温度升高，水泥水化速度加快，混凝土强度发展也就加快；反之，温度降低时，水泥水化速度降低，混凝土强度发展将相应迟缓。当温度降至冰点以下时，混凝土的强度停止发展，并且由于孔隙内水分结冰而引起膨胀，使混凝土的内部结构遭受破坏。混凝土早期强度低，更容易冻坏。湿度适当时，水泥水化能顺利进行，混凝土强度得到充分发展。如果湿度不够，会影响水泥水化作用的正常进行，甚至停止水化。这不仅严重降低混凝土的强度，而且水化作用未能完成，使混凝土结构疏松，渗水性增大，或形成干缩裂缝，从而影响其耐久性。

因此，混凝土成形后一定时间内必须保持周围环境有一定的温度和湿度，使水泥充分水化，以保证获得较好质量的混凝土。

（5）硬化龄期。混凝土在正常养护条件下，其强度将随着龄期的增长而增长。最初7～14d内，强度增长较快，28d达到设计强度。以后增长缓慢，但若保持足够的温度和湿度，强度的增长将延续几十年。普通水泥制成的混凝土，在标准条件下，混凝土强度的发展大致与其龄期的对数成正比关系（龄期不小于3d），即

式中　fn——n（n≥3）天龄期混凝土的抗压强度，MPa；

　　　f28——28d龄期混凝土的抗压强度，MPa；

　　　lg n、lg28——n和28的常用对数。

根据上述经验公式可由已知龄期的混凝土强度，估算其他龄期的强度。

（6）施工工艺。混凝土的施工工艺包括配料、拌和、运输、浇筑、养护等工序，每一道工序对其质量都有影响。若配料不准确，误差过大；搅拌不均匀；拌和物运输过程中产生离析；振捣不密实；养护不充分等均会降低混凝土强度。因此，在施工过程中，一定要严格遵守施工规范，确保混凝土的强度。

（二）混凝土的抗拉强度

混凝土在直接受拉时，很小的变形就会开裂，它在断裂前没有残余变形，是一种脆性破坏。混凝土的抗拉强度一般为抗压强度的1/10～1/20。我国采用立方体（国际上多用圆柱体）的劈裂抗拉试验来测定混凝土的抗拉强度，称为劈裂抗拉强度，劈裂抗拉强度与抗压强度之间的关系可近似地表示为

抗拉强度对于开裂现象有重要意义，在结构设计中抗拉强度是确定混凝土抗裂度的重要指标。对于某些工程（如混凝土路面、水槽、拱坝），在对混凝土提出抗压强度要求的同时，还应提出抗拉强度要求。