混凝土圓柱體試件和立方體試件抗壓強(qiáng)度關(guān)系的分析

混凝土圓柱體試件和立方體試件抗壓強(qiáng)度關(guān)系的分析

辛雁清

(山西省汾河二庫(kù)管理局，山西 太原030012)

【摘要】世界各國(guó)混凝土抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)各不相同，同樣的混凝土，得出的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值不同。在國(guó)際技術(shù)交流中，為保持使用數(shù)據(jù)的一致性，必須研究混凝土圓柱體試件與立方體試件所測(cè)得的抗壓強(qiáng)度值的關(guān)系。本文介紹了混凝土圓柱體試件與立方體試件的強(qiáng)度比的影響因素、轉(zhuǎn)換系數(shù)與轉(zhuǎn)換公式，供同行遇到類(lèi)似問(wèn)題時(shí)參考。

【關(guān)鍵詞】混凝土試件；抗壓強(qiáng)度；試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；關(guān)系

中圖分類(lèi)號(hào)：TV431

Analysis of compressive strength relationship between concrete

cylinder specimen and cube specimen

XIN Yanqing

(ShanxiFenheRiverNo.2ReservoirAdministration,Taiyuan030012,China)

Abstract:Different countries all over the world have different test standards in concrete compressive strength. Different test values of compressive strength are obtained from the same concrete. The relationship of compressive strength value from concrete cylinder specimen and cube specimen must be studied in order to maintain consistency of using data in international technology exchange. In the paper, influence factors, conversion coefficient and conversion formula of strength ratio between concrete cylinder specimen and cube specimen is introduced, thereby providing reference for similar problems of peers.

Key words: concrete specimen; compressive strength; test standards; relationship

混凝土的抗壓強(qiáng)度是檢驗(yàn)混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的一個(gè)重要特征指標(biāo)?；炷量箟簭?qiáng)度的試驗(yàn)，世界各國(guó)都有自己的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)與世界各國(guó)科學(xué)技術(shù)的交流越來(lái)越頻繁，凡涉及到混凝土工程的部分，不論是技術(shù)引進(jìn)還是技術(shù)輸出，都必須要面對(duì)混凝土圓柱體試件與立方體試件測(cè)得的抗壓強(qiáng)度值不同及處理問(wèn)題。本文通過(guò)山西省引黃工程和汾河二庫(kù)碾壓混凝土壩工程施工中對(duì)此類(lèi)問(wèn)題的處理，談幾點(diǎn)體會(huì)，供同行參考。

1混凝土試件區(qū)別

混凝土試件形狀主要有兩種：?圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試件，直徑150mm，高300mm，美國(guó)、加拿大、法國(guó)、澳大利亞和新西蘭等國(guó)家使用；?立方體標(biāo)準(zhǔn)試件，長(zhǎng)、寬、高均為150mm，中國(guó)及英國(guó)、德國(guó)等歐洲大部分國(guó)家使用。

同一批次混凝土用兩種不同試件進(jìn)行試驗(yàn)所獲得的混凝土抗壓強(qiáng)度值明顯不同。根據(jù)美國(guó)研究已取得的成果，圓柱體試件與立方體試件的強(qiáng)度比大致在0.65～0.90之間。

2圓柱體試件與立方體試件強(qiáng)度比的影響因素

影響混凝土圓柱體試件與立方體試件抗壓強(qiáng)度比的因素包含：試件的制作、尺寸，強(qiáng)度等級(jí)，加載方向與機(jī)械特性，骨料級(jí)配等。

2.1試件制作的影響

模具類(lèi)型與壓板及表面平整度是影響試件制作質(zhì)量的兩個(gè)主要因素。

立方體試件是在鋼或鑄鐵模具制成的剛性模具中澆注，圓柱體試件則既可在剛性模具中澆注，也可在非剛性模具中澆注。我國(guó)規(guī)范規(guī)定，圓柱體試件的試模應(yīng)由剛性、金屬制成的圓筒形和底板構(gòu)成，所以，根據(jù)我國(guó)規(guī)范制作的圓柱體試件可以不考慮模具類(lèi)型對(duì)試件制作質(zhì)量的影響。

實(shí)踐證明，立方體試件表面不平整對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響可高達(dá)15%，因此，必須注意試件的制作質(zhì)量，確保模具和試件的尺寸公差符合規(guī)范要求，避免圓柱體試件與立方體試件的強(qiáng)度比產(chǎn)生數(shù)據(jù)上的誤導(dǎo)。

2.2試件尺寸的影響

試件的尺寸包括：高度(h)，最大橫向尺寸(d)和試件的體積(v)。這些尺寸對(duì)抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果影響最重要的因素是(h/d)。

盡管在試驗(yàn)操作過(guò)程中對(duì)試件的放置及加載等都有嚴(yán)格的要求，以保證試件軸向受壓，但在實(shí)踐中，試件的真正單軸受壓是不可能的。因?yàn)椋嚰驮囼?yàn)機(jī)壓板間摩擦力的影響，使試件產(chǎn)生橫向壓力，形成了多軸受壓狀態(tài)，這種狀態(tài)增加了試件的抗壓強(qiáng)度。橫向壓力對(duì)試件受壓狀態(tài)的影響范圍為，試件每端深0.866d的錐形或棱錐形體，對(duì)于150mm×300mm的圓柱體試件，當(dāng)h>1.70d時(shí)，試件中心區(qū)將有一個(gè)范圍不受這個(gè)多軸壓力的影響。對(duì)于立方體試件，多軸壓力將影響全部試件。多軸壓力對(duì)圓柱體試件與立方體試件的影響見(jiàn)圖1。

圖1　多軸壓力對(duì)圓柱體試件與立方體試件影響示意圖

綜上所述，用立方體試件測(cè)試的混凝土抗壓強(qiáng)度應(yīng)該大于用圓柱體試件測(cè)試的抗壓強(qiáng)度。

h/d與強(qiáng)度比之間的一般關(guān)系如圖2所示。從圖2看出，h/d<1.50時(shí)，強(qiáng)度比隨h/d的變化，比h/d>1.50時(shí)更為敏感。對(duì)于h/d的微小變化，立方體試件則比圓柱體試件對(duì)這種變化的反應(yīng)更為敏感。

圖2　h/d與強(qiáng)度比關(guān)系

d的影響與混凝土任意截面薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)的概率有關(guān)。一個(gè)大的試件的d，有可能含有一個(gè)控制試件破壞、強(qiáng)度低的橫截面。內(nèi)維爾認(rèn)為，強(qiáng)度P與橫向尺寸d之間的關(guān)系是P∝1/d2。對(duì)于150mm×300mm的圓柱體試件和150mm的立方體試件，d是相同的，因此，在比較這些試件的時(shí)候，橫向尺寸不是一個(gè)問(wèn)題。但試件除了標(biāo)準(zhǔn)試件外，還有非標(biāo)準(zhǔn)試件，試件的橫向尺寸是變化的。對(duì)于100mm的立方體試件，英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)的《混凝土試驗(yàn)方法》(BS 1881)，將d作為圓柱體試件與立方體試件的強(qiáng)度比的一個(gè)影響因素。內(nèi)維爾的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)d增加到600mm以上時(shí)，d的影響就變得微不足道。

試件體積v對(duì)強(qiáng)度的影響從兩個(gè)方面來(lái)講，一是大體積試件，試件的壓力分布相對(duì)更均勻，所以，立方體試件更容易發(fā)生應(yīng)力集中；二是試件體積更大時(shí)，更有可能含有一個(gè)降低強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)。試件體積對(duì)強(qiáng)度的這兩方面的影響，都與d的影響密切相關(guān)。

僅從試件的橫截面形狀分析，研究并不認(rèn)為其對(duì)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果有很重要的影響。立方體試件和圓柱體試件的h/d=1時(shí)，試驗(yàn)獲得了類(lèi)似的結(jié)果。150mm×150mm×300mm的棱柱體試件和150mm×300mm的圓柱體試件比較研究后，兩種類(lèi)型試件的強(qiáng)度相差無(wú)幾，因此，僅僅根據(jù)試件橫截面的形狀修正強(qiáng)度是不必要的。

2.3強(qiáng)度等級(jí)的影響

混凝土的名義強(qiáng)度影響圓柱體試件與立方體試件的強(qiáng)度比。伊萬(wàn)斯的研究證明，圓柱體試件與立方體試件的強(qiáng)度比隨混凝土強(qiáng)度的降低而降低。根據(jù)混凝土等級(jí)的不同，圓柱體試件與立方體試件的強(qiáng)度比變化在0.77～0.96之間。

2.4加載特性的影響

對(duì)于圓柱體試件，荷載施加的方向與試件澆注的方向一致，而立方體試件，荷載施加的方向則垂直于試件澆注的方向。圓柱體試件與立方體試件都是分層澆注和搗實(shí)，加載方向就成為影響圓柱體試件與立方體試件強(qiáng)度關(guān)系的一個(gè)重要因素。圓柱體試件加載后，試件的每一個(gè)澆注層都是使用一個(gè)全部橫截面承受來(lái)自試驗(yàn)機(jī)加設(shè)的全部荷載。立方體試件加載后，試件的每一個(gè)澆注層都是從上延伸到下，承受總荷載的一部分。

立方體試件翻轉(zhuǎn)，有兩個(gè)因素影響強(qiáng)度，即骨料的離析和壓板的固定。骨料離析是重要的，因?yàn)樗梢詫?dǎo)致澆注層之間的強(qiáng)度和彈模的變化。當(dāng)立方體翻轉(zhuǎn)后，垂直于加載方向每個(gè)橫截面都會(huì)存在著這些變化；每個(gè)澆注層承受著壓板不同部分施加的荷載。如果使用的混凝土不存在離析問(wèn)題，那么，在同一個(gè)平面上的強(qiáng)度應(yīng)該沒(méi)有顯著的變化。

第二個(gè)影響是壓板固定。塔蘭特的研究說(shuō)明：上壓板不容許旋轉(zhuǎn)時(shí)，最堅(jiān)硬的澆注層承受著大部分荷載，較弱澆注層的屈服變形大于最堅(jiān)硬澆注層的屈服變形，當(dāng)荷載增加到最堅(jiān)硬澆注層的承載能力時(shí)，試件破壞，較弱澆注層被迫承受著殘留的荷載，這種情況下，所觀察到的立方體試件的抗壓強(qiáng)度大于相同立方體試件沿澆筑方向加載時(shí)的抗壓強(qiáng)度。如果上壓板自由旋轉(zhuǎn)，即可調(diào)整各澆注層之間不同的變形，每個(gè)澆筑層承受著相同的荷載，當(dāng)荷載增加到較弱澆注層的承載能力時(shí)，試件破壞，最堅(jiān)硬澆注層的抗壓強(qiáng)度沒(méi)有得到充分發(fā)揮，這種情況下，所觀察到的立方體試件的抗壓強(qiáng)度小于相同立方體試件沿澆注方向加載時(shí)的抗壓強(qiáng)度。

斯格瓦達(dá)森發(fā)現(xiàn)，就圓柱體試件與立方體試件的強(qiáng)度比而言，離析混凝土的強(qiáng)度比是0.71～0.77，非離析混凝土的強(qiáng)度比是0.76～0.84，同時(shí)，立方體試件的抗壓強(qiáng)度對(duì)試件端部的加載方法更為敏感。不同的端面條件(卡子固定，釘固定和固端固定)，立方體試件的強(qiáng)度變化大約為7%，圓柱體試件的強(qiáng)度變化大約為1%。內(nèi)維爾發(fā)現(xiàn)，不離析混凝土立方體試件，不論其加載方向垂直還是平行于試件的澆筑方向，就強(qiáng)度而言，試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)幾乎是無(wú)差異。

2.5骨料級(jí)配的影響

眾所周知，骨料級(jí)配是影響混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。對(duì)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的試件，其影響是根據(jù)骨料顆粒尺寸和試件尺寸的關(guān)系推算的。大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)d與骨料的最大名義尺寸之比設(shè)定了下限，通常情況下，這個(gè)比率的容許值大致是3或4。

骨料級(jí)配通過(guò)“壁面效應(yīng)”影響試件的強(qiáng)度。在混凝土試件中，骨料與模具壁面間的空間大于試件內(nèi)骨料顆粒間的空間。附著于壁面的砂漿增加了試件的抗壓強(qiáng)度，這是一種表面效應(yīng)，對(duì)于有較大的表面積與體積比的試件，抗壓強(qiáng)度的增加會(huì)更大。

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件和立方體試件的表面積與體積的比率比較說(shuō)明，骨料級(jí)配可影響圓柱體試件與立方體試件的強(qiáng)度比。150mm×300mm的圓柱體試件的表面積與體積的比率為0.033/mm，150mm的立方體試件的表面積與體積的比率為0.040/mm，這表明立方體試件對(duì)骨料級(jí)配的變化比圓柱體試件更為敏感。事實(shí)上，Gyengo的研究表明：骨料級(jí)配的變化對(duì)圓柱體試件強(qiáng)度的影響較小，圓柱體試件與立方體試件的強(qiáng)度的比率隨骨料級(jí)配粗度的增加而減小。

3圓柱體試件與立方體試件強(qiáng)度轉(zhuǎn)換系數(shù)和公式

3.1轉(zhuǎn)換系數(shù)

對(duì)于圓柱體試件，當(dāng)h/d<1.8時(shí)，其試驗(yàn)所得的抗壓強(qiáng)度應(yīng)乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)試件(h/d=2)的抗壓強(qiáng)度。表1為美國(guó)材料協(xié)會(huì)ASTM C 39中推薦的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

表1　美國(guó)材料協(xié)會(huì)推薦的轉(zhuǎn)換系數(shù)

聯(lián)合國(guó)教科文組織的《鋼筋混凝土手冊(cè)》(UNESCO)，推薦了不同形狀、不同尺寸試件的轉(zhuǎn)換系數(shù)，見(jiàn)表2。

3.2轉(zhuǎn)換公式——內(nèi)維爾公式

1966年，內(nèi)維爾在大量資料研究的基礎(chǔ)上，建立了不同形狀、不同尺寸的試件之間的關(guān)系。這個(gè)關(guān)系式是，欲求試件強(qiáng)度與150mm(6-in.)的立方體試件強(qiáng)度之間的關(guān)系。

式中P——抗壓強(qiáng)度；

P6——150mm的立方體試件的抗壓強(qiáng)度；

v——試件的體積；

h——試件的高度；

d——試件的最大橫向尺寸。

待求試件可為不同形狀、不同尺寸的試件，在計(jì)算其與150mm的立方體試件的強(qiáng)度比(P/P6)時(shí)，可從待求試件中選擇v、h和d。內(nèi)維爾公式在研發(fā)時(shí)，使用的資料是英制單位，所以，在計(jì)算強(qiáng)度比(P/P6)時(shí)，全部尺寸必須指定使用英寸。根據(jù)內(nèi)維爾公式計(jì)算，150mm×300mm的圓柱體試件與150mm的立方體試件的強(qiáng)度比為0.81。

4結(jié)語(yǔ)

混凝土圓柱體試件和立方體試件強(qiáng)度間的關(guān)系是復(fù)雜的。保證試驗(yàn)試件的制作質(zhì)量，是保證兩種試件間正確強(qiáng)度關(guān)系的物質(zhì)基礎(chǔ)。研究表明，標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件與標(biāo)準(zhǔn)立方體試件的強(qiáng)度比基本為0.8。

我國(guó)使用立方體試件進(jìn)行混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)，我們?cè)谑褂脧膰?guó)外引進(jìn)的一些標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，不但要注意不同試驗(yàn)試件間的關(guān)系，還一定要注意該國(guó)采用該試件延伸的相關(guān)項(xiàng)目的對(duì)應(yīng)處理問(wèn)題。