混凝土强度与等级-建筑材料

混凝土在结构中主要做承重构件，并且主要承受压力作用，所以抗压强度是衡量混凝土力学性能的重要指标。我国现行标准规定以混凝土的立方体抗压强度标准值作为混凝土强度等级的依据。所谓立方抗压强度标准值系指对按标准方法制作和养护的边长为150mm的立方体试件，在28d龄期用标准试验方法测得的抗压强度总体分布中的一个值。当混凝土确定为某一强度等级时，该混凝土的立方抗压强度标准值应大于等于所对应的强度等级，并且强度保证率达95％以上。

1.立方抗压强度

混凝土的立方抗压强度标准试件尺寸为150mm×150mm×150mm，按照标准规定的方法制作成型、拆模后，将试件在标准养护条件下，即20±2°C，相对湿度大于95％的条件下养护至28d龄期，对试件施加压力，如图5-14所示，测定破坏荷载F，按照式（5-6）计算抗压强度值，每组三个试件，取其抗压强度平均值作为该组试件的强度代表值，叫做混凝土的立方体抗压强度。混凝土立方体试件抗压强度为

式中　fcu——混凝土立方体试件抗压强度，MPa；

F——破坏荷载，N；

A——试件承压面积，mm2。

通过试验测得的混凝土抗压强度是在某种约定条件下测得的，它只是混凝土承受外力、抵抗破坏能力大小的反映，并不是混凝土的真实强度。强度值的大小受试验方法、条件的影响，对于同一混凝土材料，采用不同的试验方法，例如不同的养护温度、湿度，以及不同形状、尺寸的试件等其强度值将有所不同。

图5-14　混凝土立方抗压强度的测定

（1）试件形状、尺寸的影响。混凝土的受压破坏机理是混凝土内部的微裂缝发生、发展、最后连通，导致整体破坏的过程。在压力作用下，裂缝朝横向扩展，所以试件的形状对强度值将产生影响。在加压试验时，试验机上下压板与混凝土试件之间存在着摩擦力，对试件横向扩展起到限制作用，称为“环箍效应”，如图5-15所示。这种环箍作用在一定的范围内起作用，离开承压面越远，环箍效应越减弱。一般认为环箍效应的影响范围为受压面边长的八II倍。所以试件高度越高，试件中心部位的环箍作用越弱，试件可以比较自由地横向扩展，故所测得的强度值也就越小。因此，采用立方体试件，其强度值将高于棱柱体或圆柱体试件的强度值，这种强度的差异，并非来自于混凝土材料本身，而是由于试件的形状不同所造成的。

图5-15　混凝土试件受压力作用时的“环箍效应”

即使同是立方体试件，如果尺寸不同，所测得的强度值也会有所不同。因为混凝土属于非均质材料，内部存在着许多缺陷，例如孔洞、微裂缝等。而这些缺陷并非均匀地存在于混凝土内部。混凝土的强度取决于试件中的薄弱环节，试件尺寸越大，存在缺陷的概率越大，所以强度值越低。国家标准规定以边长150mm的立方体为标准试件。如果采用边长为100mm或200mm立方体的非标准试件，要乘以换算系数换算成标准试件的强度值。尺寸换算系数如表5-16所示。

表5-16　混凝土立方体抗压强度尺寸换算系数

（2）承压面约束条件的影响。试件端面与压板之间的约束条件决定了在受压过程中，试件能否获得环箍效应，从而影响强度值的大小。如果混凝土受压面与压板之间是摩擦接触，则压板对试件的横向扩展产生环箍效应，所测得的强度值高，试件破坏后的形状呈对角锥形；反之，如果承压面光滑接触，压板对试件的横向扩展无任何环箍效应，混凝土在压力作用下，很容易地向横向扩展，裂缝发展速度快，容易破坏，所测得的强度值偏低，破坏后的试件表面有许多平行的、竖向的裂缝。如图5-16所示。

（3）加载速度的影响。混凝土在外力作用下，原生裂缝逐步扩展或在薄弱部位产生裂缝，继而裂缝逐步扩展并连通导致破坏。这个过程伴随着外力逐步向混凝土内部的传递。如果加载速度快，外力还未来得及传递到混凝土内部，即在加载仪器上显示出较大的数值，但混凝土的内部还没有达到如此大的应力。为此这时的荷载不能真实地反映混凝土内部的受力情况，所以要按照规定的加载速度进行试验。(www.xing528.com)

图5-16　承压面约束条件与试件破坏后的形态

2.强度等级

混凝土根据立方体抗压强度标准值，按一定间隔将混凝土的强度划分为不同的档次，称 为混凝土的强度等级。目前混凝土的强度划分为12个等级：即C7.5、C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60，单位为MPa（N/mm2）。试验测得混凝土强度值，在介于两个等级之间，按强度值大于或等于强度等级的原则，取较小的一方作为该混凝土的强度等级。并满足对该混凝土随机抽样测定，其强度保证率达到95％以上的要求。

3.轴心抗压强度

轴心抗压强度也叫棱柱抗压强度。在实际结构物中，混凝土受压构件大多数为棱柱体或圆柱体。所以轴心抗压更接近结构构件的实际受力状态，在钢筋混凝土结构设计中，计算混凝土的轴心受压构件（柱、桁架的腹杆）时，均采用混凝土的轴心抗压强度作为设计依据。

轴心抗压强度的标准试件尺寸为150mmX150mmX300mm。由于抗压强度值受端面接触状态及“环箍效应”的影响，混凝土轴心抗压强度值小于立方抗压强度，通常为立方抗压强度值的0.70.8。随着棱柱体试件高宽比（A/6）增大，轴心抗压强度值降低。％hlb达到一定值后，强度值不再降低。因为这时在试件的中间区段完全没有环箍作用，形成了纯压状态。但试件高度过高，试件容易由于失稳产生较大的附加偏心，降低其抗压强度值。一般棱柱体强度试件采用髙宽比3。

4.劈裂抗拉强度

混凝土属于脆性材料，在直接受拉时，变形很小就开裂破坏，在断裂前没有明显的变形，抗拉强度很低，大约只有抗压强度的1/101/20。且随着强度等级的提高抗拉强度并没有提高，有些反而降低，即抗压强度越高，脆性越大，抗拉强度越低。所以混凝土在工作中，一般不利用其抗拉强度。主要是作受压构件。而在承受拉力的混凝土部位配置钢筋来承担构件所受的拉力。

为了反映混凝土的开裂性能、韧性大小，通常用劈裂法测定混凝土的劈裂抗拉强度。如图5-17所示，采用边长为150mm的立方体试件，在上下两相对表面的素线上施加均匀分布的压力，在其外力作用下的竖向平面内大部分区域内产生均匀分布的拉应力。此方法大大简化了抗拉试件的制作，而且能正确反映试件的抗拉强度。此拉应力可以根据弹性理论计算得出，劈裂抗拉强度的计算公式如（5-7）所示：

式中　fst——劈拉强度，MPa；

P——破坏荷载，N；

A——试件劈裂面积，mm2。

图5-17　混凝土劈拉强度的测定