混凝土的抗压强度、抗拉强度及复合应力作用下强度的试验方法_材料知识_技术学院

混凝土的抗压强度、抗拉强度及复合应力作用下强度的试验方法

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混凝土的强度

材料强度是指结构材料所能承受的某种极限应力。进行混凝土结构设计计算需要了解混凝土的强度如何取值。如前所述，混凝土的强度除与水胶比和水泥强度等级有很大关系外，还不同程度地受施工质量、养护条件及龄期的影响，试件的大小和形状、试验方法和加载速率也会影响到混凝土强度的试验结果。因此，各国对单向受力下混凝土强度规定了统一的试验方法，即标准试验方法。

混凝土强度

下面主要介绍我国混凝土的抗压强度、抗拉强度及复合应力作用下的强度的试验方法及取值情况。

混凝土抗压强度

抗压强度（compressivestrengthofconcrete）是混凝土基本力学性能指标之一。混凝土构件的受弯、受压等承载力的计算均与抗压强度有关。

（1）混凝土立方体抗压强度

混凝土立方体抗压强度（cubicstrengthofconcrete）（简称立方体强度）是衡量混凝土强度的基本指标，用fcu表示。我国规范采用立方体抗压强度标准值fcu，k作为划分混凝土强度等级的标准。《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2002）规定了具体的试验方法。

《规范》规定的混凝土强度等级（strengthgradeofconcrete）有C15、C20、C25、C30、C35、C40，C45、C50，C55，C60、C65、C70，C75和C80，共14个等级。符号“C”代表混凝土，数字表示混凝土立方体抗压强度的标准值（单位为MPa），如C50表示混凝土立方体抗压强度标准值为50MPa。

《规范》规定，素混凝土结构的强度等级不应低于C15；钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C20，采用400MPa、500MPa级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C25；承受重复荷载的钢筋混凝：土构件，混凝土强度等级不应低于C30；预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C40且不应低于C30。

由于骨料强度经常大大超过水泥石和粘结面的强度，所以混凝土的强度一般主要决定于水泥石强度及其与骨料表面的粘结强度。在普通混凝土中，骨料最先破坏的可能性很小。普通混凝土受力破坏一般出现在骨料和水泥石的分界面上，这就是常见的粘结面破坏的形式。另外，当水泥石强度较低时，水泥石本身破坏也是常见的破坏形式，而水泥石强度及其与骨料的粘结强度又与水泥标号、水胶比及骨料的性质有密切关系。水胶比和水泥强度等级是决定混凝土强度的主要因素。

水泥是混凝土中的活性组分，其强度的大小直接影响着混凝土强度。在配合比相同的条件下，所用的水泥强度等级越高，制成的混凝土强度也越高。当用同一种水泥时，混凝土的强度主要决定于水胶比。因为水泥水化时所需的结合水，一般只占水泥质量的23%左右，但在拌制混凝土拌合物时，为了获得必要的流动性，常需用较多的水（占水泥质量的40%-70%），也即较大的水胶比。当混凝土硬化后，多余的水分就残留在混凝土内部形成水泡或蒸发后形成气孔，大大减少了混凝土抵抗荷载的实际有效断面，而且可能在孔院周围产生应力集中。因此可以认为，在水泥标号相同的情况下，水胶比越小，水泥石的强度越高，与骨料粘结力也越大，混凝土的强度就越高。但应说明，如果加水太少（水胶比太小），拌合物过于干硬，在一定的捣实成型条件下，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，呈曲线关系，而混凝土强度和胶水比的关系则呈直线关系。

水泥石与骨料的粘结力还与骨料的表面状况有关，碎石表面粗糙，粘结力比较大，卵石表面光滑，粘结力比较小。因而在水泥标号和水胶比相同的条件下，碎石混凝土的强度往往高于卵石混凝土的强度。

根据工程实践的经验，得出关于混凝土强度与水胶比、水泥强度等因素之间保持近似恒定的关系。

混凝土立方体抗压强度不仅与养护时的温度、湿度和龄期等因素有关，由于环箍效应，而且与立方体试件的尺寸形状和试验方法也有密切关系。试验结果表明，与标准试件测得的强度相比，用边长200mm的立方体试件测得的强度偏低，而用边长100mm的立方体试件测得的强度偏高，因此需将非标准试件的实测值乘以换算系数换算成标准试件的立方体抗压强度。根据试验结果对比，混凝土强度等级小于C60时，采用边长为200mm的立方体试件的换算系数为1.05，采用边长为100mm的立方体试件的换算系数为0.95；混凝土强度等级不小于C60时，宜采用标准试件，使用非标准试件时，尺寸换算系数应由试验确定。试验时，由于钢的弹性模量比混凝土大5~15倍，而泊松比大不到2倍，试件受压时上下表面与试验机承压板之间将产生阻止试件向外横向变形的摩擦阻力，像两道套箍一样将试件上下两端套住，从而延缓裂缝的发展，提高了试件的抗压强度；破坏时试件中部剥落，形成两个对顶的角锥形破坏面。如果在试件的上下表面涂一些润滑剂，试验时摩擦阻力就大大减小，试件将沿着平行于力的作用方向产生几条裂缝而破坏，所测得的抗压强度较低，我国规定的标准试验方法是不涂润滑剂。

混凝土立方体抗压强度随混凝土的龄期逐渐增长，初期增长较快，以后逐渐缓慢；强度增长过程往往要延续几年，在潮湿环境中往往延续更长。我国规范规定的标准养护条件为温度（20±2）℃、相对湿度在95%以上的潮湿空气环境，规定的试验龄期为28d。

近年来，我国建材行业根据工程应用的具体情况，对某些种类的混凝土（如粉煤灰混凝土等）的试验龄期做了修改，允许根据有关标准的规定对这些种类的混凝土试件的试验龄期进行调整，如粉煤灰混凝土因早期强度增长较慢，其试验龄期可为60d。

（2）混凝土轴心抗压强度

混凝土的抗压强度与试件的形状有关，实际工程中的构件一般不是立方体而是核柱体，因此用棱柱体试件的抗压强度能更好地反映混凝土构件的实际受力情况。用混凝土棱柱试件测得的抗压强度称为混凝土轴心抗压强度（axialcompressivestrengthofconcrete），也称混凝土棱柱体抗压强度（prismaticcompressivestrengthofconcrete），用f表示。

我国《普通混凝土力学性能试验方法标准》（CB/T50081-2002）规定，以150mm×150mm×300mm的棱柱体作为混凝土轴心抗压强度试验的标准试件。棱柱体试件与立方体试件的制作条件相同，加载速度与立方体抗压强度试验相同，试验时试件上下表面不涂润滑剂。

混凝土轴心抗压强度比立方体抗压强度要低，这是因为棱柱体的高度h比宽度b大，试验机压板与试件之间的摩擦力对试件中部横向变形的约束要小。高宽比h/b越大，测得的强度越低，但当高宽比达到一定值后，这种影响就不明显了。试验表明，当高宽比h/b由1增加到2时，抗压强度降低很快；但当高宽比h/b由2增加到4时，其抗压强度变化不大。确定棱柱体试件尺寸时，一方面要考虑到试件应具有足够的高度以消除试件中部的应力所受到的压力板与试件之间摩擦力的影响，另一方面也要考虑避免试件过高，以免试件破坏时产生较大的附加偏心距而降低极限抗压强度。根据资料，一般认为试件的高宽比为2~3时，可以基本消除上述两因素的影响。

混凝土强度等级小于C60时，用非标准试件测得的强度值均应乘以尺寸换算系数，其值对200mm×200mm×400mm试件为1.05；对100mm×100mm×300mm试件为0.95。当混凝土强度等级不小于C60时，宜采用标准试件，使用非标准试件时，尺寸换算系数应由试验确定。

混凝土棱柱体抗压强度同样受到加载速度的影响。随着加载速度的减小，在极端情况下减为零（即在荷载长期作用下），混凝土棱柱体抗压强度将降低为0.8fc；龄期增长对强度（通常设计中按28d龄期强度计算）提高的影响将部分地被荷载长期作用下强度的降低所抵消。

国外（如日本、美国、欧洲混凝土协会等）常采用混凝土圆柱体试件（直径为6英寸即152mm，高度为12英寸即305mm）来确定混凝土轴心抗压强度，计算f'c。对C60以下的混凝土，圆柱体抗压强度标准值f'ck和立方体抗压强度fcu，k的比值为0.79，对C60混凝土，比值取0.833；对C70混凝土，比值取0.857；对C80混凝土，比值取0.875。

混凝土抗拉强度

抗拉强度（tensilestrength）也是混凝土基本力学性能指标之一，它可以用来间接衡量混凝土的冲切强度。混凝土构件的开裂、裂缝宽度变形验算以及受剪受扭、受冲切等承载力的计算均与抗拉强度有关。

测定混凝土抗拉强度的试验方法通常有两种：一种为直接拉伸试验；另一种为间接测试方法，称为劈裂试验。

直接拉伸试验，试件尺寸为100mm×100mm×500mm，两端预埋钢筋，钢筋位于试件的轴线上，对试件施加拉力使其均匀受拉，试件破坏时的平均拉应力即为混凝土的抗拉强度，称为轴心抗拉强度（axialtensilestrength）f，这种试验对试件尺寸及钢筋位置要求很严格。

劈裂试验试件为立方体时，在上、下压板与试件之间垫以圆弧形垫块及垫条各一条；试件为圆柱体时，在上、下压板与试件承压线之间各垫一条垫条。垫块为钢制弧形垫块，垫条由3层胶合板制成，垫条不得重复使用；具体尺寸见《普通混凝土力学性能试验方法标准》（CB/T50081-2002）。宜把垫条及试件安装在定位架上使用。

对圆柱体或立方体试件施加线荷载，在试件中间截面除加力点附近很小的范围以外，有与该面垂直且基本均匀分布的拉应力。当拉应力达到混凝土的抗拉强度时，试件沿中间截面劈裂成两半。

劈裂试验加荷应连续均匀，混凝土强度等级小于C30时，加载速度取0.02~0.05MPa/s，混凝土强度等级不小于C30且小于C60时，加载速度取0.05~0.08MPa/s，混凝土强度等级不小于C60时，取0.08~0.10MPa/s。

劈裂试验中试件的大小和垫条的尺寸、刚度都对试验结果有一定影响。我国的一些试验结果为劈裂抗拉强度略大于轴心抗拉强度，而国外的一些试验结果为劈裂抗拉强度略小于轴心抗拉强度。

混凝土强度等级小于C60时，用100mm×100mm×100mm非标准试件测得的劈裂抗拉强度值，应乘以尺寸换算系数0.85；当混凝土强度等级不小于C60时，宜采用标准试件，使用非标准试件时，尺寸换算系数应由试验确定。

混凝土的抗拉强度比抗压强度低得多，一般为抗压强度的1/20~1/8，且不与抗压强度成正比。混凝土的强度等级越高，抗拉强度与抗压强度的比值越低。

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