混凝土的力学性能及其标准值解析

表征混凝土的力学性能有立方体抗压强度、轴心抗压强度、抗拉强度、静力受压弹性模量等参数。

1.混凝土立方体抗压强度（ fcu,k）

国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB／T 50081—2002）（以下简称《试验方法标准》）规定以每边边长为150 mm 的立方体为标准试件，在（20 ±2 ）℃的温度和相对湿度在95%以上的潮湿空气中养护28 d，依照标准制作方法和试验方法测得的抗压强度值（以MPa 为单位）作为混凝土的立方体抗压强度标准值（ fcu,k）。

混凝土的强度等级，应以混凝土立方体抗压强度标准值划分。行业标准《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）（以下简称《设计规范》）规定：混凝土立方体抗压强度标准值系指按照标准方法制作养护的边长为150 mm 的立方体试件，在28 d龄期用标准试验方法测得的具有95%保证率的抗压强度。立方体抗压强度标准值并冠以C 表示，如C30 表示30 级混凝土，“30”表示该级混凝土立方体抗压强度标准值为30 MPa。

混凝土的抗压强度与试件尺寸有关。在实际工程中也有采用边长为200 m 和边长为100 m的混凝土立方体试件，则所测得的立方体强度应分别乘以换算系数1.05 和0.95 来折算成边长为150 mm 的混凝土立方体抗压强度。

《设计规范》规定：公路桥涵受力构件的混凝土强度等级对于钢筋混凝土构件不应低于C20，当用HRB400、KL400 级钢筋配筋时，不应低于C25；预应力混凝土构件不应低于C40。

2.混凝土轴心抗压强度（棱柱体抗压强度）（ fck）

通常钢筋混凝土构件的长度比它的截面边长要大得多，因此棱柱体试件（高度大于截面边长的试件）的受力状态更接近于实际构件中混凝土的受力情况。按照与立方体试件相同条件下制作和试验方法所得的棱柱体试件的抗压强度值，称为混凝土轴心抗压强度，用符号 fck表示。

《试验方法标准》规定，混凝土的轴心抗压强度试验以150 mm×150 mm×300 mm 的试件为标准试件。试验表明，棱柱体试件的抗压强度较立方体试块的抗压强度低。

混凝土轴心抗压强度是混凝土结构抗压设计强度的取值依据。

3.混凝土抗拉强度（ ftk）

混凝土抗拉强度和抗压强度一样，都是混凝土的基本强度指标。但是混凝土的抗拉强度比抗压强度低得多，它与同龄期混凝土抗压强度的比值为1/18-1/8。

《试验方法标准》规定，混凝土的轴心抗压强度试验以150 mm×150 mm×150 m 的立方体或150 mm×300 mm 的圆柱体试件为标准试件。按照规定的试验方操作，则混凝土劈裂抗拉强度按式（2-1）计算：

式中 ftk—— 混凝土立方体试件抗压强度（MPa）；

F—— 试件破坏荷载（N）；

A—— 试件劈裂面面积（mm2）。

4.复合应力状态下的混凝土强度

在钢筋混凝土结构中，构件通常受到轴力、弯矩、剪力及扭矩等不同组合情况的作用，因此，混凝土更多的是处于双向或三向受力状态。在复合应力状态下，混凝土的强度有明显变化。

（1）双向应力状态。(www.xing528.com)

对于双向正应力状态，如在两个互相垂直的平面上，作用着法向应力1σ 和2σ ，第三个平面上的法向应力为零。双向应力状态下混凝土强度变化特点如下：

①当双向受压时，一向的混凝土强度随着另一向压应力的增加而增加。

②当双向受拉时，双向受拉的混凝土抗拉强度接近于单向抗拉强度。

③当一向受拉、一向受压时，混凝土的强度均低于单向受力（压或拉）的强度。当法向应力（拉或压）和剪应力形成压剪或拉剪复合应力状态时，混凝土的抗压强度由于剪应力的存在而降低；抗剪强度随压应力的増大而先逐渐增大后又逐渐减小。

（2）三向应力状态。

混凝土的三向应力状态下混凝土强度比双向应力时更加复杂，对于三向受压的情况，混凝土的轴心抗压强度随另外两向压应力增加而增加。混凝土圆柱体三向受压的轴心抗压强度fcc与侧压应力σ2之间的关系，可以用下列线性经验公式表达：

式中 fcc—— 三向受压时圆柱体的混凝土轴心抗压强度

—— 混凝土圆柱体强度，计算时可近似以混凝土轴心抗压强度 fck代之；

σ2—— 侧压应力值；

k—— 侧压效应系数，侧向压力较低时得到的值较大。

5.混凝土轴心抗压（拉）强度标准值与设计值

《设计规范》规定：混凝土轴心抗压强度标准值和轴心抗拉强度标准值按表2-4 采用。

表2-4　混凝土强度标准值 MPa

混凝土轴心抗压强度设计值。和轴心抗拉强度设计值，应按表2-5 采用。

表2-5　混凝土强度设计值 MPa

注：计算现浇钢筋混凝土轴心受压和偏心受压构件时，如截面的长边或直径小于300 mm，表中数值应乘以系数0.8；当构件质量（混凝土成型、截面和轴线尺寸等）确有保证时，可不受此限。