普通混凝土的技术性质（中篇）二、硬化混凝土的性能（一）混凝土的强度强度是硬化混凝土最重要的性质，混凝土的其他性能与强度均有密切关系，混凝土的强度也是配合比设计、施工控制和质量检验评定的主要技术指标。

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，也是最主要的强度指标。

1．混凝土的立方体抗压强度和强度等级。

根据我国《普通混凝土力学性能试验方法》（GBJ81—85）规定，立方体试件的标准尺寸为150mm×150mm×150mm；标准养护条件为温度20±3℃，相对湿度90%以上；标准龄期为28天。

在上述条件下测得的抗压强度值称为混凝土立方体抗压强度，以表示。

其测试和计算方法详见试验部分。

根据　《混凝土结构设计规范》（GB50010－2002），混凝土的强度等级应按立方体抗压强度标准值确定，混凝土立方体抗压强度标准值系指标准方法制作养护的边长为150mm的立方体试件，在28天龄期用标准方法测得的具有95%保证率的抗压强度。

钢筋混凝土结构用混凝土分为C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80共14个等级。

根据《混凝土质量控制标准》（GB50164－1992）的规定，强度等级采用符号C和相应的标准值表示，普通混凝土划分为C7.5、C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60共12个强度等级。

如C30表示立方体抗压强度标准值为30MPa，亦即混凝土立方体抗压强度≥30MPa的概率要求95%以上。

混凝土强度等级的划分主要是为了方便设计、施工验收等。

强度等级的选择主要根据建筑物的重要性、结构部位和荷载情况确定。

一般可按下列原则初步选择：（1）普通建筑物的垫层、基础、地坪及受力不大的结构或非永久性建筑选用C7.5～C15。

（2）普通建筑物的梁、板、柱、楼梯、屋架等钢筋混凝土结构选用C20～C30。

（3）高层建筑、大跨度结构、预应力混凝土及特种结构宜选用C30以上混凝土。

2．轴心抗压强度。

轴心抗压强度也称为棱柱体抗压强度。

由于实际结构物（如梁、柱）多为棱柱体构件，因此采用棱柱体试件强度更有实际意义。

它是采用150mm×150mm×（300～450）mm的棱柱体试件，经标准养护到28天测试而得。

同一材料的轴心抗压强度小于立方体强度，其比值大约为=0.7～0.8。

这是因为抗压强度试验时，试件在上下两块钢压板的摩擦力约束下，侧向变形受到限制，即“环箍效应”其影响高度大约为试件边长的0.866倍，如图4-8。

因此立方体试件整体受到环箍效应的限制，测得的强度相对较高。

而棱柱体试件的中间区域未受到“环箍效应”的影响，属纯压区，测得的强度相对较低。

当钢压板与试件之间涂上润滑剂后，摩擦阻力减小，环箍效应减弱，立方体抗压强度与棱柱体抗压强度趋于相等。

图4-8 钢压板对试件的约束作用3．抗拉强度。

混凝土的抗拉强度很小，只有抗压强度的1/10～1/20，混凝土强度等级越高，其比值越小。

为此，在钢筋混凝土结构设计中，一般不考虑承受拉力，而是通过配置钢筋，由钢筋来承担结构的拉力。

但抗拉强度对混凝土的抗裂性具有重要作用，它是结构设计中裂逢宽度和裂缝间距计算控制的主要指标，也是抵抗由于收缩和温度变形而导致开裂的主要指标。

用轴向拉伸试验测定混凝土的抗拉强度，由于荷载不易对准轴线而产生偏拉，且夹具处由于应力集中常发生局部破坏，因此试验测试非常困难，测试值的准确度也较低，故国内外普遍采用劈裂法间接测定混凝土的抗拉强度，即劈裂抗拉强度。

劈拉试验的标准试件尺寸为边长150mm的立方体，在上下两相对面的中心线上施加均布线荷载，使试件内竖向平面上产生均布拉应力，如图4-9。

图4-9 劈裂抗拉试验装置示意图此拉应力可通过弹性理论计算得出，计算式如下：（4-8）式中：——混凝土劈裂抗拉强度（MPa）；P——破坏荷载（N）；A——试件劈裂面积（mm2）。

劈拉法不但大大简化了试验过程，而且能较准确地反应混凝土的抗拉强度。

试验研究表明，轴拉强度低于劈拉强度，两者的比值约为0.8～0.9。

在无试验资料时，劈拉强度也可通过立方体抗压强度由下式估算：（4-9）4．抗折强度。

道路路面或机场道面用水泥混凝土通常以抗折强度为主要强度指标，抗压强度仅作为参考指标。

根据我国《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTJ012—94）规定，不同交通量分级的水泥混凝土计算抗折强度如表4-14。

道路水泥混凝土抗折强度与抗压强度的换算关系如表4-15。

表4-14 路面水泥混凝土计算抗折强度交通量分级特重重中等轻混凝土计算抗折强度（MPa）5.05.04.54.0表4-15 道路水泥混凝土抗折强度与抗压强度的关系抗折强度（MPa）4.04.55.05.5抗压强度（MPa）25.030.035.540.0道路水泥混凝土的抗折强度标准试件尺寸为150mm×150mm×550mm的小梁，在标准条件下养护28天，按三分点加荷方式（如图4-10）测定抗折破坏荷载，根据下式计算抗折强度：（4-10）式中：——破坏荷载（N）；L——支座间距（mm）；b、h——试件的宽度和高度（mm）。

如采用跨中单点加荷得到的抗折强度，应乘以折算系数0.85。

图4-10 路面混凝土三分点抗折试验装置示意图5．影响混凝土强度的主要因素。

影响混凝土强度的因素很多，从内因来说主要有水泥强度、水灰比和骨料质量；从外因来说，则主要有施工条件、养护温度、湿度、龄期、试验条件和外加剂等等。

分析影响混凝土强度各因素的目的，在于可根据工程实际情况，采取相应技术措施，提高混凝土的强度。

（1）水泥强度和水灰比：混凝土的强度主要来自水泥石以及与骨料之间的粘结强度。

水泥强度越高，则水泥石自身强度及与骨料的粘结强度就越高，混凝土强度也越高，试验证明，混凝土与水泥强度成正比关系。

水泥完全水化的理论需水量约为水泥重的23%左右，但实际拌制混凝土时，为获得良好的和易性，水灰比大约在0.40～0.65之间，多余水分蒸发后，在混凝土内部留下孔隙，且水灰比越大，留下的孔隙越大，使有效承压面积减少，混凝土强度也就越小。

另一方而，多余水分在混凝土内的迁移过程中遇到粗骨料时，由于受到粗骨料的阻碍，水分往往在其底部积聚，形成水泡，极大地削弱砂浆与骨料的粘结强度，使混凝土强度下降。

因此，在水泥强度和其他条件相同的情况下，水灰比越小，混凝土强度越高，水灰比越大，混凝土强度越低。

但水灰比太小，混凝土过于干稠，使得不能保证振捣均匀密实，强度反而降低。

试验证明，在相同的情况下，混凝土的强度（）与水灰比呈有规律的曲线关系，而与灰水比则成线性关系。

如图4-11所示，通过大量试验资料的数理统计分析，建立了混凝土强度经验公式（又称鲍罗米公式）：4-11 混凝土强度与水灰比及灰水比的关系（4-11 ）式中：——混凝土的立方体抗压强度（MPa）：——混凝土的灰水比；即1m3混凝土中水泥与水用量之比，其倒数即是水灰比；——水泥的实际强度（MPa）；、——与骨料种类有关的经验系数。

水泥的实际强度根据水泥胶砂强度试验方法测定。

在进行混凝土配合比设计和实际施工中，需要事先确定水泥强度。

当无条件时，可根据我国水泥生产标准及各地区实际情况，水泥实际强度以水泥强度等级乘以富余系数确定：（4-12）式中：——水泥强度等级富余系数，一般取1.05～1.15。

如水泥已存放一定时间，则取1.0；如存放时间超过3个月，或水泥已有结块现象，可能小于1.0，必须通过试验实测。

——水泥强度等级。

如42.5级，取42.5MPa。

经验系数、可通过试验或本地区经验确定。

根据所用骨料品种，JGJ55-2000《普通混凝土配合比设计规程》提供的参数为：碎石：=0.46，=0.07卵石：=0.48，=0.33混凝土强度经验公式为配合比设计和质量控制带来极大便利。

例如，当选定水泥强度等级（或强度）、水灰比和骨料种类时，可以推算混凝土28天强度值。

又例如，根据设计要求的混凝土强度值，在原材料选定后，可以估算应采用的水灰比值。

[例4-2] 已知某混凝土用水泥强度为45.6MPa，水灰比0.50，碎石。

试估算该混凝土28天强度值。

[解] 因为：W/C＝0.50 所以C/W＝1/0.5＝2碎石：＝0.46，＝0.07代入混凝土强度公式有：＝0.46×45.6（2－0.07）＝40.5（MPa）答：估计该混凝土28天强度值为40.5MPa。

[例4-3]已知某工程用混凝土采用强度等级为42.5的普通水泥（强度富余系数KC为1.10），卵石，要求配制强度为36.8MPa的混凝土。

估算应采用的水灰比。

[解] ＝1.10×42.5＝46.8（MPa）卵石：＝0.48，＝0.33代入混凝土强度公式有：36.8＝0.48×46.8×（C/W－0.33）解得：C/W＝1.97，所以：W/C＝0.51答：配制该混凝土应采用的水灰比为0.51。

（2）骨料的品质：骨料中的有害物质含量高，则混凝土强度低，骨料自身强度不足，也可能降低混凝土强度。

在配制高强混凝土时尤为突出。

骨料的颗粒形状和表面粗糙度对强度影响较为显著，如碎石表面较粗糙，多棱角，与水泥砂浆的机械啮合力（即粘结强度）提高，混凝土强度较高。

相反，卵石表面光洁，强度也较低，这一点在混凝土强度公式中的骨料系数已有所反映。

但若保持流动性相等，水泥用量相等时，由于卵石混凝土可比碎石混凝土适当少用部分水，即水灰比略小，此时，两者强度相差不大。

砂的作用效果与粗骨料类似。

当粗骨料中针片状含量较高时，将降低混凝土强度，对抗折强度的影响更显著。

所以在骨料选择时要尽量选用接近球状体的颗粒。

（3）施工条件：施工条件主要指搅拌和振捣成型。

一般来说机械搅拌比人工搅拌均匀，因此强度也相对较高（如图4-12所示）；搅拌时间越长，混凝土强度越高，如图4-13。

但考虑到能耗、施工进度等，一般要求控制在2～3min之间；投料方式对强度也有一定影响，如先投入粗骨料、水泥和适量水搅拌一定时间，再加入砂和其余水，能比一次全部投料搅拌提高强度10%左右。

一般情况下，采用机械振捣比人工振捣均匀密实，强度也略高。

而且机械振捣允许采用更小的水灰比，获得更高的强度。

此外，高频振捣，多频振捣和二次振捣工艺等，均有利于提高强度。

图4-12 机械振动和手工捣实对混凝土强度的影响图4-13 搅拌时间对混凝土强度的影响（4）养护条件：混凝土浇筑成型后的养护温度、湿度是决定强度发展的主要外部因素。

养护环境温度高，水泥水化速度加快，混凝土强度发展也快，早期强度高；反之亦然。

但是，当养护温度超过40℃以上时，虽然能提高混凝土的早期强度，但28天以后的强度通常比20℃标准养护的低。