混凝土的力学强度
出处：按学科分类—工业技术 中国建材工业出版社《现代工程材料实用手册》第119页（7936字）
强度是混凝土最重要的力学性质，因为混凝土主要用于承受荷载或抵抗各种作用力，混凝土强度与混凝土的其他性能关系密切。工程试验充分证明，混凝土的强度越高，其刚性、不透水性、抗冻性、抗风化性和抗侵蚀性的能力也越高。因此，在混凝土的施工过程中，通常用混凝土的强度来评定和控制混凝土的质量。
(一)混凝土的强度指标
混凝土的强度指标有立方体抗压强度、轴心抗压强度和抗拉强度等。混凝土的抗压强度最大，而抗拉强度最小，因此在工程中主要利用混凝土来承受压力作用。混凝土的抗压强度是混凝土结构设计的主要参数，也是混凝土工程质量验收的重要指标。在工程中提到的混凝土强度，一般是指混凝土的抗压强度。
1．混凝土立方体抗压强度
根据国家标准《普通混凝土力学性能试验方法》(GB／T50081－2002)的规定，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℃±3℃、相对湿度90%以上)下养护至28d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，以符号fcu表示。
在测定混凝土立方体抗压强度时，也可采用非标准尺寸的试件，但测定的结果再乘以相应的换算系数。当混凝土强度等级小于C60时，对于边长为100mm的立方体试件，应乘以0．95；对于边长为200mm的立方体试件，应乘以1．05。当混凝土强度等级大于或等于C60时，宜采用标准尺寸试件；当使用非标准试件时，尺寸换算系数应由试验确定。
2．立方体抗压强度标准值及强度等级
立方体抗压强度标准值是指按标准方法制作和养护，边长为150mm的立方体试件，在28d龄期时用标准试验方法测得的具有95%保证率的抗压强度，用符号fcu，k表示。
为便于设计选用和控制混凝土质量，将混凝土按强度分成若干等级，则按照混凝土立方体抗压强度标准值fcu，k划分。根据国家标准《混凝土结构设计规范》(GB50010－2002)的规定，将混凝土共划分为14个强度等级，即C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80。其中C代表混凝土，后面的数值表示混凝土立方体抗压强度标准值，如C40表示fcu，k=40MPa。
为了保证工程质量和降低工程造价，在进行混凝土结构设计时，应根据建筑物的不同部位及承受荷载的情况，采用不同强度等级的混凝土。
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，混凝土结构构件的形式极少是立方体的，大部分是棱柱体或圆柱体。为了使测得的混凝土强度接近于混凝土结构的实际情况，在钢筋混凝土结构计算中，常采用混凝土的轴心抗压强度作为设计的依据。
根据国家标准《普通混凝土力学性能试验方法》(GB／T50081－2002)的规定，轴心抗压强度采用150mm×150mm×300mm的棱柱体作为标准试件，在标准条件(温度20±3℃、相对湿度90%以上)下养护至28d龄期，按照标准试验方法测得的抗压强度值，称为混凝土轴心抗压强度，以符号fcp表示。在混凝土立方体抗压强度为10～55MPa范围内，轴心抗压强度约为立方体抗压强度的70%～80%。
4．混凝土的抗拉强度
混凝土的抗拉强度很低，一般只有抗压强度的1／10～1／20，且随着混凝土强度等级的提高，比值有所降低，也就是当混凝土强度等级提高时，抗拉强度的提高不及抗压强度提高得快。因此，在钢筋混凝土结构设计中，一般不考虑混凝土承受拉力，而在混凝土中配置钢筋，由钢筋承受结构中的拉力。但是，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，有时也用它来间接衡量混凝土与钢筋间的粘结强度，或预测由于干湿变化和温度变化而产生的裂缝。
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，直接轴心受拉试验时，试件的对中要求很高，因此目前常采用劈裂试验方法间接地确定混凝土的抗拉强度，称为劈裂抗拉强度，以符号fts表示。劈裂试验方法是采用边长为150mm立方体标准试件，按规定的劈裂抗拉强度试验方法测定混凝土的劈裂抗拉强度，其劈裂抗拉强度可用下式计算：
式中 fts——混凝土的劈裂抗拉强度(MPa)；
F——劈裂试验的破坏荷载(N)；
A——试件的劈裂面积(mm2)。
试验证明：在相同条件下，混凝土用轴心抗拉法测得的轴拉强度，比用劈裂法测得的劈裂抗拉强度略小些，二者的比值约为0．90。混凝土的劈裂抗拉强度与混凝土标准立方体抗压强度之间的关系，可用如下经验公式表达：
(二)影响混凝土强度的主要因素
混凝土结构试验证明，混凝土受压破坏可能有三种形式：即骨料与水泥石界面的粘结破坏、水泥石本身破坏和骨料发生破坏。工程实践证明，混凝土的受压破坏形式通常是前两种，这是因为骨料强度一般都超过水泥石强度和粘结强度。因此，混凝土的强度主要取决于水泥石强度和水泥石与骨料表面的粘结强度。而水泥石强度、水泥石与骨料表面的粘结强度，主要与水泥强度等级、水灰比、骨料性质等有密切关系，此外还受施工工艺、养护条件、龄期等多种因素的影响。归纳起来，影响混凝土强度的主要因素有：水泥强度等级与水灰比，养护温度与湿度、混凝土的养护时间，骨料的种类、质量与表面状况，混凝土的试验条件和施工质量的影响等。
1．水泥强度等级与水灰比
水泥强度等级和水灰比是决定混凝土强度最重要的因素，也是决定混凝土质量的关键因素。水泥是混凝土中的活性组分，在水灰比不变时，水泥强度等级越高，则硬化后水泥石的强度越大，对骨料的胶结能力也越强，配制而成的混凝土强度也越高。
在水泥强度等级相同的条件下，混凝土的强度主要取决于水灰比。从理论上讲，水泥水化时所需的结合水，一般只占水泥质量的23%左右，但为便于浇筑和振捣，在拌制混凝土时多加一些水，其水灰比在0．40～0．75之间。当混凝土硬化后，多余的水分或蒸发形成气孔，或残留在混凝土中，不但会减小混凝土抵抗荷载的有效断面，而且使气孔周围产生应力集中。因此，在水泥强度等级相同的情况下，水灰比越小，水泥石的强度越高，与骨料粘结力越大，混凝土强度越高。但是，如果水灰比过小，混凝土拌合物过于干稠，在一定的施工条件下，混凝土不能被振捣密实，混凝土内部有较多的孔洞、蜂窝，反而会使混凝土强度严重下降。水灰比与龄期对混凝土强度的影响，如图5－17所示。
图5－17 水灰比与龄期对混凝土强度的影响
2．养护温度与湿度的影响
混凝土强度的增长过程，是水泥的水化和凝结硬化的过程，必须在一定的温度和湿度条件下进行。混凝土的凝结硬化，关键在于水泥的水化作用。在保证足够湿度的条件下，混凝土环境温度升高，水泥的水化反应速度加快，混凝土的强度也随之发展较快。反之，混凝土环境温度降低，水泥的水化反应速度减缓，混凝土强度增长也较慢。当温度下降至0℃以下时，水泥的水化不但会停止，而且有冰冻破坏的危险。
环境湿度对水泥的水化也有显着影响。湿度适当时，水泥水化反应能顺利进行，使混凝土强度正常发展。在干燥的环境中，混凝土强度的发展，会随水分的逐渐蒸发而停止，甚至会引起干缩裂缝。这不仅严重降低混凝土的强度，而且影响其耐久性。混凝土强度与保湿养护时间的关系，如图5－18所示。
图5－18 混凝土强度与保湿养护时间的关系
国家标准规定，混凝土浇筑后，应在12h内浇水养护，并覆盖草袋、塑料薄膜等，以防止水分蒸发过快。在自然养护时，对硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥配制的混凝土，浇水保湿养护时间不得少于7d；对粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、掺有缓凝型外加剂或有抗渗要求的混凝土，浇水保湿养护时间不得少于14d；对高强和超高强混凝土，成型后必须立即覆盖或采取保湿措施，使混凝土中的水泥充分水化，以保证混凝土强度的不断发展。
3．混凝土的养护时间
龄期是指混凝土在正常养护条件下所经历的时间。混凝土在正常养护条件下，强度将随龄期的增长而提高，在其初期(3～14d)强度发展较快，以后逐渐缓慢，28d达到设计强度。只要保持适当的温度和湿度，28d后强度可仍继续发展，其增长过程可延续数十年之久。
普通硅酸盐水泥制成的混凝土，在标准条件养护下，混凝土的强度发展大致与其龄期的常用对数成正比例关系(龄期小于3d)，计算式如下：
式中 fcu，n——nd龄期混凝土的立方体抗压强度(MPa)；
fcu，28——28d龄期混凝土的立方体抗压强度(MPa)；
n——养护龄期(n≥3)(d)。
根据式(5－5)，可以由所测混凝土的早期强度，推算出其28d龄期强度，或者可由混凝土的28d设计强度，推算出28d前混凝土达到某一强度所需养护的天数，以便确定混凝土拆模、构件起吊、放松预应力钢筋、混凝土制品养护和出厂日期等。但由于影响混凝土强度的因素很多，按上式计算的结果仅作为参考。
4．骨料种类、质量与表面状况
水泥石与骨料的界面粘结强度，除取决于水泥石的强度外，还与骨料的品种、规格、质量与表面状况有关。
碎石表面比较粗糙，与水泥石的粘结强度较高；而卵石的表面比较光滑，与水泥石的粘结强度较低。所以，在水泥强度等级和水灰比不变的情况下，碎石混凝土的强度要高于卵石混凝土的强度。在工程施工中，配制高强混凝土应优先选用碎石。
当骨料中含有杂质较多，或骨料材质低劣、强度较低时，会降低混凝土的强度。采用级配良好、杂质很少、砂率合理的骨料，可使骨料组成密实的骨架，不仅可降低用水量和水灰比，而且还有利于强度的提高。
对于高强混凝土，较小粒径的粗骨料可明显改善粗骨料与水泥石的界面结构，提高其粘结强度。工程实践证明，配制强度等级为C60级的混凝土，其粗骨料的最大粒径不应大于31．5mm；配制强度等级为C60级以上的混凝土，其粗骨料的最大粒径不应大于25．0mm。
5．试验条件对强度的影响
试验条件是指试件的尺寸、形状、表面状态及加荷速度等。试验条件不同，必然会影响混凝土强度的试验值。
(1)试件的尺寸
强度试验充分证明：相同配合比的混凝土，试件的尺寸越小，测得的强度值越高。试件尺寸影响的主要原因是：当试件的尺寸越大时，其内部孔隙、缺陷等出现的概率也越大，导致有效受力面积的减小及应力集中，从而引起混凝土强度的降低。我国标准《普通混凝土力学性能试验方法》(GB／T50081－2002)的规定，边长为100mm、150mm、200mm立方体抗压强度的换算系数分别为0．95、1．00和1．05，则充分证明这一点。
(2)试件的形状
当试件的受压面积(a×a)相同，而其高度(h)不同时，若高宽比(h／a)越大，混凝土的抗压强度越小。这是由于试件受压时，试件受压面与试件承压板之间的摩擦力，对试件相对于承压板的横向膨胀起着约束作用，该约束有利于强度的提高，如图5－19所示。越接近试件的端面，这种约束作用就越大，在距端面大约0．866a的范围外，约束作用消失。试件破坏后，其上、下部分各呈现一个比较完整的棱柱体，这就是这种约束作用的结果，如图5－20所示，通常称这种约束作用为环箍效应。
图5－19 压力机压板对试件的约束作用
图5－20 试件破坏后残存的棱柱体
(3)表面的状态
立方体抗压强度试验证明：混凝土试件承压面的状态，也是影响混凝土强度的重要因素。当试件受压面上有油脂类润滑剂时，试件在受压时的环箍效应大大减小，试件将出现直裂破坏，如图5－21所示，所测得的强度值也比较低。
图5－21 不受压板约束时试件的破坏情况
(4)加荷的速度
混凝土抗压强度试验证明：加荷的速度越快，测得的混凝土强度值也越大，当加荷速度超过1．0MPa／s时，这种趋势更加显着。因此，我国现行标准规定抗压强度的加荷速度为0．3～0．8MPa／s，且应连续、均匀地进行加荷。
(三)提高混凝土强度的措施
提高混凝土的强度是施工中的关键，是提高混凝土耐久性的重要措施。工程实践证明：在混凝土施工过程中，可以采取如下技术措施提高混凝土强度。
1．采用高强水泥或早强水泥
提高混凝土的情况有两种：一种是提高混凝土的最终强度或设计强度，另一种是提高混凝土的早期强度。在混凝土配合比相同的情况下，水泥的强度等级越高，混凝土的强度越高。如果采用早强型水泥，可以提高混凝土的早期强度，有利于加快施工进度。
2．采用低水灰比干硬混凝土
水灰比是影响混凝土强度的重要指标，低水灰比的干硬性混凝土拌合物中的游离水分少，硬化后混凝土内留下的孔隙少，混凝土的密实度高，其强度可显着提高。因此，尽量降低混凝土水灰比是提高混凝土强度的最有效途径。
但是，如果水灰比过小，将影响混凝土拌合物的流动性，造成施工困难，也会影响施工质量，一般可采用掺加减水剂的方法，使混凝土在低水灰比的情况下，仍具有良好的流动性。
3．采用湿热方法养护混凝土
混凝土的湿热处理可分为蒸汽养护及蒸压养护两类，这也是提高混凝土强度的有效措施，在建筑工程预制混凝土构件中应用比较广泛。
蒸汽养护是将混凝土放在温度低于100℃的常压蒸汽中进行养护。一般混凝土经过16～20h的蒸汽养护，其强度可达正常条件下养护28d强度的70%～80%。蒸汽养护最适于矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥。蒸汽养护可加速活性混合材料中的活性SiO2及活性Al2O3与水泥析出的Ca(OH)2进行反应，使混凝土不仅早期强度提高，而且后期强度也有所提高，一般可提高10%～20%。
蒸压养护是将混凝土构件放在温度175℃及8个大气压的蒸压釜中进行养护。在高温下水泥水化析出的Ca(OH)2与SiO2反应，生成结晶较好的水化硅酸钙，可以有效提高混凝土的强度，并加速水泥的水化与硬化。这种方法对于掺有活性混合材料的混凝土更有效。
4．采用机械搅拌振捣混凝土
机械搅拌比人工拌合能使混凝土的拌合物更加均匀，特别是在拌合低流动性混凝土拌合物时效果更显着。采用机械振捣，由于振捣力比较大，可使混凝土拌合物的颗粒产生振动，暂时破坏水泥的凝聚结构，从而降低了水泥浆的黏度和骨料间的摩阻力，提高了混凝土拌合物的流动性，使混凝土拌合物能很好地充满模板，混凝土内部孔隙率大大减小，从而使混凝土的密实度和强度大大提高。
采用二次搅拌工艺(即造壳混凝土)，可改善混凝土中骨料与水泥砂浆之间的界面缺陷，有效提高混凝土的强度。采用先进的高频振动、变频振动及多向振动设备，可获得最佳的振动效果和密实度。从图5－22中可以看出：机械捣实的混凝土强度高于人工捣实的混凝土强度，尤其是水灰比较小的情况下更为明显。
图5－22 捣实方法对混凝土强度的影响
5．掺混凝土外加剂和掺合料
在配制混凝土时掺加适宜的外加剂，已成为配制混凝土不可缺少的组分，可以获得良好的增强效果。如在混凝土中掺入早强剂，可提高混凝土的早期强度；在混凝土中掺入减水剂，可减少用水量，降低水灰比，提高混凝土的强度。
如果在混凝土中掺入高效减水剂的同时，再掺入磨细的矿物掺合料(如硅灰、优质粉煤灰、超细矿渣等)，可显着提高混凝土的强度，配制出强度等级为C60～C100的高强混凝土。