6.2.2混凝土的强度

6.2.2　混凝土的强度

强度是硬化混凝土最重要的性能之一，混凝土的其他性能均与强度有密切关系。混凝土的强度主要有抗压强度、抗折强度、抗拉强度和抗剪强度等。其中抗压强度值最大，抗拉强度值最小，因此在结构工程中混凝土主要用于承受压力。混凝土的抗压强度也是配合比设计、施工控制和工程质量检验评定的主要技术指标。工程中提到的混凝土强度一般指的是混凝土的抗压强度。

6.2.2.1　混凝土的强度及强度等级

（1）立方体抗压强度　按照标准制作方法制成边长为150mm的立方体试件，在标准条件[温度（20±2）℃，相对湿度95％以上]下养护至28天龄期，按照标准试验方法测得的抗压强度值，称为混凝土立方体抗压强度，以f_cu表示。测定混凝土立方体抗压强度时，也可根据粗骨料的最大粒径选用不同的试件尺寸，然后将测定结果换算成相当于标准试件的强度值。边长为100mm的立方体试件，换算系数为0.95；边长为200mm的立方体试件，换算系数为1.05。当混凝土强度等级≥C60时，宜采用标准试件。

（2）立方体抗压强度标准值和强度等级　混凝土强度等级是混凝土工程结构设计、混凝土材料配合比设计、混凝土施工质量检验及验收的重要依据。《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）规定，混凝土的强度等级应按混凝土立方体抗压强度标准值确定。立方体抗压强度标准值（f_cu，k）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具有95％保证率的抗压强度值。划分为C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80共14个强度等级。其中C表示混凝土，C后面的数字表示混凝土立方体抗压强度标准值。如C30表示混凝土立方体抗压强度标准值为30N/mm²。

（3）混凝土轴心抗压强度　混凝土的强度等级是采用立方体试件来确定的，但在实际工程中，混凝土结构构件极少是立方体，大部分是棱柱体或圆柱体。同样的混凝土，试件形状不同，测出的强度值会有较大差别。为能更好地反映混凝土的实际抗压性能，结构设计中采用混凝土的轴心抗压强度作为设计依据。

根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081—2002）规定，混凝土轴心抗压强度是采用150mm×150mm×300mm的棱柱体作为标准试件，在标准条件[温度（20±2）℃，相对湿度95％以上]下养护至28天龄期，按照标准试验方法测得的抗压强度，用f_c表示。混凝土轴心抗压强度f_c约为立方体抗压强度f_cu（f_cu≤40N/mm²时）的70％～80％。

（4）混凝土的抗拉强度　混凝土的抗拉强度很低，只有抗压强度的1/10～1/20，且混凝土强度等级越高，其比值越小。因此，钢筋混凝土结构设计中，一般不考虑混凝土承受拉力。但抗拉强度对混凝土的抗裂性具有重要意义，是结构设计中确定混凝土抗裂度的重要指标。

测定混凝土抗拉强度的试验方法有直接轴心受拉试验和劈裂试验，直接轴心受拉试验比较困难，因此我国目前常采用劈裂试验方法测定。劈裂试验方法是采用边长为150mm的立方体标准试件，在试件的两个相对表面中线上加垫条，施加均匀分布的压力，则在外力作用的竖向平面内产生均匀分布的拉力，如图6.7所示，该应力可以根据弹性理论计算得出。劈裂抗拉强度可按下式计算：

式中　f_ts——混凝土劈裂抗拉强度，MPa；

F——破坏荷载，N；

A——试件劈裂面积，mm²。

图6.7　劈裂试验时垂直于受力面的应力分布

6.2.2.2　影响混凝土强度的主要因素

混凝土受压破坏可能有三种形式：水泥石与粗骨料的结合面发生破坏、水泥石本身的破坏以及骨料的破坏。因为骨料强度一般都大于水泥石强度和黏结面的黏结强度，所以混凝土强度主要取决于水泥石强度和水泥石与骨料表面的黏结强度。而水泥石强度、水泥石与骨料表面的黏结强度又与水泥强度、水胶比、骨料性质等有密切关系。此外，混凝土强度还受施工工艺、养护条件及龄期等多种因素的影响。

（1）水泥强度和水灰比　当混凝土配合比相同时，水泥强度等级越高，所配制的混凝土强度也就越高，当水泥强度等级相同时，混凝土的强度主要取决于水灰比。水泥完全水化的需水量约为水泥质量的23％左右，但实际拌制混凝土时，为了满足拌合物的流动性，水灰比一般在0.40～0.70之间，多余水分蒸发后，在混凝土内部留下孔隙，使有效承压面积减少，且水灰比越大，留下的孔隙越多，混凝土强度也就越低。所以，在水泥强度和其他条件相同的情况下，水灰比越小，混凝土的强度越高。但如果水灰比过小，拌合物过于干硬，造成施工困难（混凝土不易被振捣密实，出现较多蜂窝、空洞），反而导致混凝土强度下降，见图6.8。

图6.8　混凝土强度与水灰比的关系

通过大量试验研究，并应用数理统计方法得出混凝土强度与水泥实际强度及水胶比（W/B）之间的经验公式如下：

式中　f_cu——混凝土28天龄期立方体抗压强度，MPa；

α_a、α_b——回归系数，与粗骨料品种等有关。当采用碎石时，可取α_a=0.53，α_b= 0.20；采用卵石时，取α_a=0.49，α_b=0.13。

f_b——胶凝材料28d胶砂抗压强度，MPa；可实测；当无水泥28d抗压强度实测值时，可根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55—2011）规定按f_b=γ_fγ_sf_ce计算；

γ_f、γ_s——粉煤灰影响系数和粒化高炉矿渣影响系数，可按表6.16选用；

f_ce——水泥28d胶砂抗压强度，MPa；可实测，也可按f_ce=γ_cf_ce，g计算；

f_ce，g——水泥强度等级值，MPa；

γ_c——为水泥强度等级值的富裕系数，可按实际统计资料确定；当缺乏实际统计资料时，γ_c可取：32.5级水泥1.12，42.5级水泥1.16，52.5级水泥1.10。

表6.16　粉煤灰影响系数（γ_f）和粒化高炉矿渣影响系数（γ_s）

注：1.采用Ⅰ级、Ⅱ级粉煤灰宜取上限值；

2.采用S75级粒化高炉矿渣粉取下限值，采用S95级粒化高炉矿渣粉宜取上限值，采用S105级粒化高炉矿渣粉可取上限值加0.05；

3.当超出表中的掺量时，粉煤灰和粒化高炉矿渣粉影响系数应经试验确定。

矿物掺合料在混凝土中的掺量应通过试验确定。采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥时，钢筋混凝土中矿物掺合料最大掺量宜符合表6.17的规定。对基础大体积混凝土，粉煤灰、粒化高炉矿渣粉和复合掺合料的最大掺量可增加5％。采用掺量大于30％的C类粉煤灰的混凝土，应以实际使用的水泥和粉煤灰掺量进行安定性检验。

（2）养护的温度与湿度　混凝土强度的增长过程，是水泥水化和凝结硬化的过程。为满足水泥水化的需要，浇筑后的混凝土必须保持一定时间的湿润。混凝土如果在干燥环境中养护，混凝土会失水干燥而影响水泥的正常水化，甚至停止水化，这不仅严重降低混凝土的强度，而且会引起干缩裂缝和结构疏松，进而影响混凝土的耐久性。

在保证足够湿度的情况下，养护温度不同，对混凝土强度影响也不同。温度升高，水泥水化速度加快，混凝土强度增长也加快；温度降低，水泥水化作用延缓，混凝土强度增长也减慢。当温度降至0℃以下时，混凝土中的水分大部分结冰，不仅强度停止发展，而且混凝土内部还可能因结冰膨胀而破坏，使混凝土的强度大大降低。

为了保证混凝土的强度持续增长，必须在混凝土成型后一定时间内，维持周围环境一定的温度和湿度。冬季施工，尤其要注意采取保温措施；夏季施工的混凝土，要通过洒水等措施保持混凝土试件潮湿。

表6.17　钢筋混凝土中矿物掺合料最大掺量

（3）养护时间（龄期）　混凝土在正常养护条件下，强度将随龄期的增长而提高。混凝土的强度在最初的3～7d内增长较快，28d后逐渐变慢，只要保持适当的温度和湿度，其强度会一直有所增长，可持续几年，甚至几十年之久，见图6.9。一般以混凝土28d的强度作为设计强度值。

图6.9　普通混凝土强度与龄期的关系

在标准养护条件下，混凝土强度大致与龄期的对数成正比，计算式如下：

式中　f_n——n天，龄期时混凝土的强度，MPa；

f_a——a天龄期时混凝土的强度，MPa；

n——需推测强度的龄期，d；

a——已测强度的龄期，d。

式（6.5）适用于标准养护条件下，所测强度的龄期不小于3d，且为中等强度等级硅酸盐水泥所拌制的混凝土。其他情况，仅可作为参考。

（4）集料的种类、质量、表面状况　当集料中含有杂质较多，或集料强度较低时，将降低混凝土的强度。表面粗糙并富有棱角的集料，与水泥石的黏结力较强，可提高混凝土的强度，所以用碎石拌制的混凝土强度比用卵石拌制的混凝土强度高。

6.2.2.3　提高混凝土强度的主要措施

（1）选料方面

1）采用高强度等级水泥可配制出高强度的混凝土，但成本较高；

2）选用级配良好的集料，提高混凝土的密实度；

3）选用合适的外加剂，如掺入减水剂，可在保证和易性不变的情况下减少用水量，从而提高其强度；掺入早强剂，可提高混凝土的早期强度。

（2）施工工艺方面　采用机械搅拌混凝土不仅比人工搅拌工效高，而且搅拌更均匀，故能提高混凝土的密实度和强度。机械振捣混凝土，可使混凝土拌合物的颗粒产生振动，降低水泥浆的黏度及骨料之间的摩擦力，提高流动性；同时混凝土拌合物被振捣后，其颗粒互相靠近并把空气排出，使混凝土内部孔隙大大减少，从而使混凝土的密实度和强度都得到提高。

（3）养护工艺方面

1）采用常压蒸汽养护。将混凝土置于低于100℃的常压蒸汽中养护16～20h后，可获得在正常养护下28d强度的70％～80％。

2）采用高压蒸汽养护（蒸压养护）。将混凝土置于175℃、0.8MPa蒸压釜中进行养护，能促进水泥的水化，明显提高混凝土强度。蒸压养护特别适用于掺混合材料硅酸盐水泥拌制的混凝土。