混凝土的強(qiáng)度

材料強(qiáng)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(jì)計(jì)算需要了解混凝土的強(qiáng)度如何取值。如前所述，混凝土的強(qiáng)度除與水膠比和水泥強(qiáng)度等級(jí)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(yàn)方法和加載速率也會(huì)影響到混凝土強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果。因此，各國(guó)對(duì)單向受力下混凝土強(qiáng)度規(guī)定了統(tǒng)一的試驗(yàn)方法，即標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。

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

混凝土抗壓強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)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(jì)算均與抗壓強(qiáng)度有關(guān)。

（1）混凝土立方體抗壓強(qiáng)度

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

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

《規(guī)范》規(guī)定，素混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C15；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C20，采用400MPa、500MPa級(jí)鋼筋時(shí)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)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(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C30；預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C40且不應(yīng)低于C30。

由于骨料強(qiáng)度經(jīng)常大大超過(guò)水泥石和粘結(jié)面的強(qiáng)度，所以混凝土的強(qiáng)度一般主要決定于水泥石強(qiáng)度及其與骨料表面的粘結(jié)強(qiáng)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(qiáng)度較低時(shí)，水泥石本身破壞也是常見的破壞形式，而水泥石強(qiáng)度及其與骨料的粘結(jié)強(qiáng)度又與水泥標(biāo)號(hào)、水膠比及骨料的性質(zhì)有密切關(guān)系。水膠比和水泥強(qiáng)度等級(jí)是決定混凝土強(qiáng)度的主要因素。

水泥是混凝土中的活性組分，其強(qiáng)度的大小直接影響著混凝土強(qiáng)度。在配合比相同的條件下，所用的水泥強(qiáng)度等級(jí)越高，制成的混凝土強(qiáng)度也越高。當(dāng)用同一種水泥時(shí)，混凝土的強(qiáng)度主要決定于水膠比。因?yàn)樗嗨瘯r(shí)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(shí)，為了獲得必要的流動(dòng)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(shí)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(hào)相同的情況下，水膠比越小，水泥石的強(qiáng)度越高，與骨料粘結(jié)力也越大，混凝土的強(qiáng)度就越高。但應(yīng)說(shuō)明，如果加水太少（水膠比太?。?，拌合物過(guò)于干硬，在一定的搗實(shí)成型條件下，無(wú)法保證澆筑質(zhì)量，混凝土中將出現(xiàn)較多的蜂窩、孔洞，強(qiáng)度也將下降。試驗(yàn)證明，混凝土強(qiáng)度隨水膠比的增大而降低，呈曲線關(guān)系，而混凝土強(qiáng)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(hào)和水膠比相同的條件下，碎石混凝土的強(qiáng)度往往高于卵石混凝土的強(qiáng)度。

根據(jù)工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，得出關(guān)于混凝土強(qiáng)度與水膠比、水泥強(qiáng)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(qiáng)度不僅與養(yǎng)護(hù)時(shí)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(yàn)方法也有密切關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明，與標(biāo)準(zhǔn)試件測(cè)得的強(qiáng)度相比，用邊長(zhǎng)200mm的立方體試件測(cè)得的強(qiáng)度偏低，而用邊長(zhǎng)100mm的立方體試件測(cè)得的強(qiáng)度偏高，因此需將非標(biāo)準(zhǔn)試件的實(shí)測(cè)值乘以換算系數(shù)換算成標(biāo)準(zhǔn)試件的立方體抗壓強(qiáng)度。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，混凝土強(qiáng)度等級(jí)小于C60時(shí)，采用邊長(zhǎng)為200mm的立方體試件的換算系數(shù)為1.05，采用邊長(zhǎng)為100mm的立方體試件的換算系數(shù)為0.95；混凝土強(qiáng)度等級(jí)不小于C60時(shí)，宜采用標(biāo)準(zhǔn)試件，使用非標(biāo)準(zhǔn)試件時(shí)，尺寸換算系數(shù)應(yīng)由試驗(yàn)確定。試驗(yàn)時(shí)，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(shí)上下表面與試驗(yàn)機(jī)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(qiáng)度；破壞時(shí)試件中部剝落，形成兩個(gè)對(duì)頂?shù)慕清F形破壞面。如果在試件的上下表面涂一些潤(rùn)滑劑，試驗(yàn)時(shí)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(cè)得的抗壓強(qiáng)度較低，我國(guó)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法是不涂潤(rùn)滑劑。

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

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

（2）混凝土軸心抗壓強(qiáng)度

混凝土的抗壓強(qiáng)度與試件的形狀有關(guān)，實(shí)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(qiáng)度能更好地反映混凝土構(gòu)件的實(shí)際受力情況。用混凝土棱柱試件測(cè)得的抗壓強(qiáng)度稱為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度（axialcompressivestrengthofconcrete），也稱混凝土棱柱體抗壓強(qiáng)度（prismaticcompressivestrengthofconcrete），用f表示。

我國(guó)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)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(qiáng)度試驗(yàn)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(qiáng)度試驗(yàn)相同，試驗(yàn)時(shí)試件上下表面不涂潤(rùn)滑劑。

混凝土軸心抗壓強(qiáng)度比立方體抗壓強(qiáng)度要低，這是因?yàn)槔庵w的高度h比寬度b大，試驗(yàn)機(jī)壓板與試件之間的摩擦力對(duì)試件中部橫向變形的約束要小。高寬比h/b越大，測(cè)得的強(qiáng)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(yàn)表明，當(dāng)高寬比h/b由1增加到2時(shí)，抗壓強(qiáng)度降低很快；但當(dāng)高寬比h/b由2增加到4時(shí)，其抗壓強(qiáng)度變化不大。確定棱柱體試件尺寸時(shí)，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(guò)高，以免試件破壞時(shí)產(chǎn)生較大的附加偏心距而降低極限抗壓強(qiáng)度。根據(jù)資料，一般認(rèn)為試件的高寬比為2~3時(shí)，可以基本消除上述兩因素的影響。

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

混凝土棱柱體抗壓強(qiáng)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(zhǎng)期作用下），混凝土棱柱體抗壓強(qiáng)度將降低為0.8fc；齡期增長(zhǎng)對(duì)強(qiáng)度（通常設(shè)計(jì)中按28d齡期強(qiáng)度計(jì)算）提高的影響將部分地被荷載長(zhǎng)期作用下強(qiáng)度的降低所抵消。

國(guó)外（如日本、美國(guó)、歐洲混凝土協(xié)會(huì)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(lái)確定混凝土軸心抗壓強(qiáng)度，計(jì)算f'c。對(duì)C60以下的混凝土，圓柱體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值f'ck和立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu，k的比值為0.79，對(duì)C60混凝土，比值取0.833；對(duì)C70混凝土，比值取0.857；對(duì)C80混凝土，比值取0.875。

混凝土抗拉強(qiáng)度

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

測(cè)定混凝土抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)方法通常有兩種：一種為直接拉伸試驗(yàn)；另一種為間接測(cè)試方法，稱為劈裂試驗(yàn)。

直接拉伸試驗(yàn)，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(duì)試件施加拉力使其均勻受拉，試件破壞時(shí)的平均拉應(yīng)力即為混凝土的抗拉強(qiáng)度，稱為軸心抗拉強(qiáng)度（axialtensilestrength）f，這種試驗(yàn)對(duì)試件尺寸及鋼筋位置要求很嚴(yán)格。

劈裂試驗(yàn)試件為立方體時(shí)，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(shí)，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(yàn)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(duì)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(diǎn)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(qiáng)度時(shí)，試件沿中間截面劈裂成兩半。

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

劈裂試驗(yàn)中試件的大小和墊條的尺寸、剛度都對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有一定影響。我國(guó)的一些試驗(yàn)結(jié)果為劈裂抗拉強(qiáng)度略大于軸心抗拉強(qiáng)度，而國(guó)外的一些試驗(yàn)結(jié)果為劈裂抗拉強(qiáng)度略小于軸心抗拉強(qiáng)度。

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

混凝土的抗拉強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度低得多，一般為抗壓強(qiáng)度的1/20~1/8，且不與抗壓強(qiáng)度成正比?；炷恋膹?qiáng)度等級(jí)越高，抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值越低。