混凝土强度-ZW第4版

在设计和施工中常用的混凝土强度可分为立方体强度、轴心抗压强度和轴心抗拉强度等。现分别叙述如下。

1）混凝土立方体强度

混凝土的立方体抗压强度（简称立方体强度）是衡量混凝土强度的主要指标。混凝土立方体强度不仅与养护时的温度、湿度和龄期等因素有关，而且与试件的尺寸和试验方法也有密切关系。在一般情况下，试件的上下表面与试验机承压板之间将产生阻止试件向外自由变形的摩阻力，它将像两道套箍一样将试件套住，延缓了裂缝的发展，从而提高了试件的抗压强度。破坏时，试件中部剥落，其破坏形状如图2-1a所示。如果在试件的上下表面涂上润滑剂，试验时摩阻力就大大减小，所测得的抗压强度较低，其破坏形状如图2-1b所示。工程中实际采用的是不加润滑剂的试验方法。试验还表明，立方体的尺寸不同，试验时测得的强度也不同，立方体尺寸愈小，摩阻力的影响愈大，测得的强度也愈高。《规范》规定，混凝土立方体强度，系指按标准方法制作、养护的边长为150mm 的立方体试件，在28d或设计规定龄期，用标准试验方法测得的抗压强度。

图2-1 混凝土立方体受压破坏特征

由于粉煤灰等矿物掺合料在水泥及混凝土中大量应用，以及近年来混凝土工程发展的实际情况，确定混凝土立方体抗压强度标准值的试验龄期不仅限于28d，可由设计根据实际情况适当延长，故《规范》中增补了“或设计规定”的规定。

在生产实际中，有时也采用边长为100mm 或200mm 的立方体试件，则所测得的立方体强度应分别乘以换算系数0.95或1.05。

《规范》规定的混凝土强度等级用符号C 表示，系按立方体抗压强度标准值确定，亦即按上述方法测得的具有95%保证率的抗压强度（详见第三章3.7.2节）。

《规范》规定的混凝土强度等级有14 级，为C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80。

2）混凝土轴心抗压强度（棱柱体强度）

如前所述，混凝土的抗压强度与试件尺寸和形状有关。在实际工程中，一般的受压构件不是立方体而是棱柱体，即构件的高度要比截面的宽度或长度大。因此，有必要测定棱柱体的抗压强度，以更好地反映构件的实际受力情况。试验表明，棱柱体试件的抗压强度较立方体试件的抗压强度低。棱柱体试件高度与截面边长之比愈大，则强度愈低。当高宽比由1增至2时，混凝土强度降低很快。当高宽比由2再增大到4时，其抗压强度变化不大。这是因为在此范围内，既可消除垫板与试件接触之间摩阻力对抗压强度的影响，又可避免试件因纵向弯曲而产生的附加偏心距对抗压强度的影响，测得的棱柱体抗压强度较稳定。因此，国家标准《普通混凝土力学性能试验方法》GBJ 81-85规定，混凝土的轴心抗压强度试验以150mm×150mm×300mm 的试件为标准试件。

棱柱体抗压强度与立方体抗压强度之间的关系很复杂，与很多因素有关。例如试件大小、混凝土组成材料的性质、试验方法等等。根据试验结果可得轴心抗压强度与立方体强度的关系为

式中 αc1——棱柱体强度与立方体强度的比值，对C50及以下，取αc1=0.76；对C80，取αc1=0.82，其间按线性插入；

αc2——混凝土脆性折减系数，对C40及以下，取αc2=1.0；对C80，取αc2=0.87，其间按线性插入。

公式（2-1）中的系数0.88为对试件的混凝土强度修正系数。

3）混凝土轴心抗拉强度

混凝土轴心抗拉强度和轴心抗压强度一样，都是混凝土的重要基本力学指标。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大约在1／18～1／8，其比值随着混凝土强度的增大而减小。

混凝土抗拉强度的试验方法主要有三种：直接轴向拉伸试验、弯折试验和劈裂试验。

采用直接轴向拉伸试验时，由于安装试件时很难避免较小的歪斜和偏心，或者由于混凝土的不均匀性，其几何中心往往与物理中心不重合，所有这些因素都会对实测的混凝土轴心抗拉强度有较大的影响，试验结果的离散程度是较大的。采用弯折试验时，由于混凝土的塑性性能，不能测得混凝土的真实抗拉强度。因此，目前国内外常采用立方体或圆柱体的劈裂试验来测定混凝土轴心抗拉强度。

图2-2 混凝土的劈裂试验

如图2-2所示，在卧置的立方体（或圆柱体）与加载板之间放置一压条，使上下形成对应条形加载。这样，在竖直面上就产生了拉应力，它的方向与加载方向垂直，并且基本上是均匀的（如图2-2b所示），从而形成劈裂破坏。对于立方体和圆柱体，其抗拉强度可采用下列公式计算：

式中 ——混凝土轴心抗拉强度（实测值）；(www.xing528.com)

N——劈裂荷载；

d——立方体边长或圆柱体直径；

l——立方体边长或圆柱体长度。

必须指出，加载压条、垫层和试件尺寸对劈裂试验的结果都有一定影响，垫层尺寸愈大，抗拉强度试验值愈大。由于混凝土是非匀质脆性材料，随着受拉断面尺寸的增大，内部薄弱环节增多，抗拉强度相应降低。

根据试验结果可得混凝土轴心抗拉强度与立方体抗压强度的关系为

则

4）复合应力状态下的混凝土强度

在钢筋混凝土结构中，混凝土一般都处于复合应力状态。例如，钢筋混凝土梁剪弯段的剪压区，框架中梁与柱的节点区，后张法预应力混凝土锚固区等等。在复合应力状态下，混凝土的强度和变形性能有明显的变化。

双向应力状态（在两个互相垂直的平面上，作用着法向应力σ1 和σ2，第三个平面上应力为零）下混凝土强度的变化曲线如图2-3所示，其强度变化规律的特点如下：

（1）当双向受压时（图2-3中第三象限），一向的强度随另一向压应力的增加而增加，当横向应力与轴向应力之比为0.5 时，其强度比单向抗压强度增加25%左右。而在两向压应力相等的情况下，其强度仅增加16%左右。

（2）当双向受拉时（图2-3中第一象限），一向的抗拉强度基本上与另一向拉应力大小无关，即其抗拉强度几乎和单向抗拉强度一样。

图2-3 混凝土在双向应力状态下的强度

（3）当一向受拉、一向受压时（图2-3中第二、四象限），混凝土的抗压强度几乎随另一向拉应力的增加而线性降低。

如果在单元体上，除作用着剪应力τ外，并在一个面上同时作用着法向应力σ，就形成压剪或拉剪复合应力状态。这时，其强度变化曲线如图2-4所示。图2-4 中的曲线表明，混凝土的抗压强度由于剪应力的存在而降低。当时，抗剪强度随着压应力的增大而增大；当σ／时，抗剪强度随着压应力的增大而减小。

图2-4 混凝土在法向应力和剪应力组合下的强度

混凝土三向受压时，混凝土一向抗压强度随另二向压应力的增加而增加，并且混凝土的极限应变也大大增加。

混凝土圆柱体三向受压的轴向抗压强度与侧压力σr 之间的关系可用下列经验公式表示：

式中k为侧压效应系数，侧向压力较低时，其值较大。为简化起见，可取为常数。一般可取k=4.0。

在工程实践中，为了进一步提高混凝土的抗压强度，常常用横向钢筋来约束混凝土。例如，螺旋箍筋柱和装配式柱的接头等，它们都是用密排螺旋钢筋或矩形箍筋来约束混凝土以限制其横向变形，使其处于三向受压应力状态，从而大大提高混凝土的抗压强度和延性。