混凝土圆柱体试件和立方体试件抗压强度关系的分析.pdf

第7 期 ( 总第1 2 4 期) 中国水能 及电气化 N o 7( T O T A L N o 1 2 4 ) 2 0 1 5 年7 月 C h in a Wa t e r P o we r & E l e c t r i fi c a t i o n 混凝土 圆柱体试件和 立方体 试件抗压 强度关 系的分析 辛雁清 ( 山西省汾河二库管理局，山西 太原0 3 0 0 1 2 ) 【 摘 要】 世界各国混凝土抗压强度的试验标准各不相同，同样的混凝土，得出的抗压强度试验值不同。在 国 际技术交流中，为保持使用数据的一致性，必须研究混凝土圆柱体试件与立方体试件所测得的抗压强度值的关 系。本文介绍 了混凝土圆柱体试件与立方体试件的强度比的影响因素、转换系数与转换公式，供同行遇到类似 问题 时参考 。 【 关键词】 混凝土试件；抗压强度；试验标准；关系 中图分类号 ：T V 4 3 1 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 6 7 3 - 8 2 4 1 ( 2 0 1 5 )0 7 - 0 0 5 9 - 0 4 Ana l y s i s o f c o m pr e s s i v e s t r e ng t h r e l a t i o ns hi p be t we e n c o nc r e t e c y l i n de r s pe c i m e n a n d c u be s p e c i m e n XI N Ya n q i n g ( S h a n x i F e n h e R i v e r N o 2 R e s e r v o i r A d mi n i s t r a t i o n ，T a i y u a n 0 3 0 0 1 2 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：Di f f e r e n t c o u n t r i e s a l l o v e r t h e w o r l d h a v e d i f f e r e n t t e s t s t a n d a r d s i n c o n c r e t e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h Di f f e r e n t t e s t v a l u e s o f c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a r e o b t a i n e d f r o m t h e s a me c o n c r e t e T h e r e l a t i o n s h i p o f c o mp r e s s i v e s t r e n gth v a l u e fro m c o n c r e t e c y l i n d e r s p e c i me n a n d c u b e s p e c i me n mu s t b e s t u d i e d i n o r d e r t o ma i n t a i n c o n s i s t e n c y o f u s i n g d a t a i n i n t e r n a t i o n a l t e c h n o l o g y e x c h a n g e I n t h e p a p e r ，i n f l u e n c e f a c t o r s ，c o n v e r s i o n c o e ffi c i e n t a n d c o n v e r s i o n f o r mu l a o f s t r e n g t h r a t i o b e t wee n c o nc r e t e c y l i n de r s pe c i me n a nd c u b e s pe c i me n i s i nt r o d uc e d，t h e r e by pr o v i di n g r e f e r e n c e f o r s i mi l a r p r o bl e ms o f p e e r s Ke y wo r d s ：c o n c r e t e s p e c i me n；c o mp r e s s i v e s t r e n gth；t e s t s t a n d a r d s ；r e l a t i o n s h i p 混凝土的抗压强度是检验混凝土结构强度的一个 重要特征指标 。混凝 土抗压强度 的试验 ，世界各 国都 有 自己的试验标准。我国与世界各 国科学 技术的交 流 越来越频 繁 ，凡涉及 到混凝土工程 的部分 ，不论是技 术引进还是技术输出，都必须要面对混凝土圆柱体试 件与立方体试件测得的抗压强度值不同及处理问题。 本文通过山西省引黄工程和汾河二库碾压混凝土坝工 程施工 中对此类问题 的处理 ，谈几点体会 ，供 同行 参考。 1 混凝土试件 区别 混凝土试件形状主要有两种： 圆柱体标准试 件 ，直径 1 5 0 m m，高 3 0 0 m m，美 国 、加 拿大 、法 国、 59 科学研究及工程设计 S c i e n t i f i c Re s e a r c h& En g i n e e r i n g De s i g n 澳大利亚和新西兰等国家使用；立方体标准试件， 长、宽、高均为 1 5 0 m m，中国及英国、德国等欧洲大 部分国家使用。 同一批 次混凝 土用两种不 同试件进行试 验所获得 的混凝土抗压强度值明显不同。根据美国研究已取得 的成果，圆柱体试件与立方体试件的强度 比大致在 0 6 50 9 0之 间。 2 圆柱体 试 件 与立 方体 试件 强 度 比的影 响 因素 影响混凝土 圆柱体试件与立方体试 件抗压强度 比 的因素包含 ：试件的制作、尺寸，强度等级 ，加载方 向与机械特性，骨料级配等。 2 1 试件制作的影响 模具类型与压板及表面平整度是影响试件制作质 量 的两个 主要 因素 。 立方体试件是在钢或铸铁模具制成 的刚性模 具 中 浇注 ，圆柱体试件则既可在刚性模具中浇注，也可在 非刚性模具中浇注。我国规范规定，圆柱体试件的试 模应 由刚性 、金 属制成 的 圆筒形 和底板 构成 ，所 以 ， 根据我国规范制作的圆柱体试件可以不考虑模具类型 对试件制作质量的影响。 实践证明，立方体试件表面不平整对混凝土强度 的影响可高达 1 5 ，因此 ，必须注意试件 的制作质 量 ，确保模具和试件的尺寸公差符合规范要求，避免 圆柱体试件与立方 体试 件 的强度 比产生数据上 的 误 导。 2 2 试件尺寸的影 响 试件的尺寸包 括：高度( h ) ，最 大横 向尺 寸 ( d ) 和试件 的体 积 ( ) 。这些 尺 寸对抗 压 强度 的试 验结果影响最重要的因素是 ( h d ) 。 尽管在试验操作过程中对试件的放置及加载等都 有严格的要求 ，以保 证试 件轴 向受压 ，但 在 实践 中 ， 试件的真正单轴受压是不可能的。因为，试件和试验 机压板间摩擦力的影响，使试件产生横向压力，形成 了多轴受压状态 ，这种状 态增加 了试件 的抗 压强 度 。 横 向压力对试件受压状态的影 响范围为 ，试 件每端深 0 8 6 6 d的锥形或棱锥形体，对于 1 5 0 m m 3 0 0 m m的 圆柱体试件 ，当 h1 7 0 d时 ，试件 中心 区将有 一个 范围不受这个多轴压力的影响。对于立方体试件 ，多 轴压力将影响全部试件。多轴压力对圆柱体试件与立 方体试件 的影 响见 图 1 。 试件高度范围均受 横 向压 力影响 不受横向压力 影响 的中心区 图1 多轴压力对圆柱体试件与立方体试件影响示意图 综上所述，用立方体试件测试的混凝土抗压强度 应该大于用圆柱体试 件测试 的抗压强度 。 h d与强度 比之 间的一般关 系如 图 2所示 。从 图 2看 出 ，h d1 5 0时更 为敏感 。对 于 h d的微 小 变 化 ，立 方体 试件则 比圆柱体试件对这种 变化 的反应更为敏感 。 2 O 1 8 l I 酲 l 辇1 6 I ， 直 骶 l 蛊 I 1 4 I 1 - 2 慧 1 0 O 8 f 1 、 、 、 一 、 0 1 0 2 O 3 0 4 0 h d 图 2 h d与强度 比关系 d的影响与混凝土任意截面薄弱环节出现的概率 有关 。一个大 的试件 的 d ，有可 能含有一个 控制试件 破坏、强度低的横截面。内维尔认为，强度 P与横向 尺寸 d之间的关 系是 P o c 1 d 。对 于 1 5 0 m m3 0 0 m m 科学研究及工程设计 Sc i e n t i f i c Re s e a r c h En g i n e e r i n g De s i g n 的圆柱体试件和 1 5 0 m m的立方体试件 ，d是相同的， 因此 ，在 比较这些试件的时候 ，横 向尺寸不是一个 问 题 。但试件除 了标准试件外 ，还有 非标准试件 ，试 件 的横 向尺寸 是 变 化 的。对 于 l O O m m 的立 方 体 试件 ， 英国标准协会的 混凝土试验方法 ( B S 1 8 8 1 ) ，将 d作为圆柱体试件与立方体试件的强度比的一个影响 因素 。内维尔 的研 究发 现 ，当 d增 加到 6 0 0 m m 以上 时 ，d的影 响就变得微不足道 。 试件体积 对强度的影响从两个方面来讲 ，一是 大体积试件 ，试件的压力分布相对更均匀 ，所 以 ，立 方体试件更容易发生应力集中；二是试件体积更大 时，更有可能含有一个降低强度的薄弱环节。试件体 积对强度 的这两方 面的影响，都 与 d的影响密 切 相关 。 仅从试件 的横截面形状分 析 ，研究并 不认为其对 抗压强度试验结果有很重要的影响。立方 体试件和 圆 柱体 试 件 的 h d=1时 ，试 验 获 得 了类 似 的结 果 。 1 5 0 m m1 5 0 m m 3 0 0 m m 的棱 柱 体试 件 和 1 5 0 m m 3 0 0 m m的圆柱体试件比较研究后，两种类型试件的强 度相差无几，因此，仅仅根据试件横截面的形状修正 强度是不必要 的。 2 3 强度等级的影响 混凝土的名义强度影响圆柱体试件与立方体试件 的强度比。伊万斯的研究证明，圆柱体试件与立方体 试件的强度比随混凝土强度的降低而降低。根据混凝 土等级 的不 同，圆柱体试件与立方体试 件的强度 比变 化在 0 7 70 9 6之间。 2 4 加载特性的影响 对于 圆柱体试件 ，荷载施 加的方 向与试 件浇注 的 方向一致，而立方体试件，荷载施加的方向则垂直于 试件浇注的方向。圆柱体试件与立方体试件都是分层 浇注和捣实 ，加载方 向就成为影响圆柱体试件与立 方 体试件强度关系的一个重要因素。圆柱体试件加载 后，试件的每一个浇注层都是使用一个全部横截面承 受来 自试验机加 设 的全部荷 载。立方体试 件 加载后 ， 试件的每一个浇注层都是从上延伸到下，承受总荷载 的一部分。 立方体试件翻转 ，有两个因素影响强度，即骨料 的离析 和压板 的固定 。骨料离析是重要 的 ，因为它 可 以导致 浇注层 之间的强度 和弹模 的变化 。当立方体 翻 转后 ，垂直 于加载方 向每个横截面都会存 在着这些变 化；每个浇注层承受着压板不同部分施加的荷载。如 果使用的混凝土不存在离析问题 ，那么，在同一个平 面上的强度应该没有显著 的变化 。 第二个影 响是压板 固定 。塔兰特 的研 究说 明：上 压板不容许旋转时，最坚硬的浇注层承受着大部分荷 载 ，较弱浇注层 的屈服变形大于最坚硬浇 注层的屈服 变形 ，当荷载增加到最坚硬浇注层 的承 载能力时 ，试 件破坏 ，较弱浇注层被迫承受着残 留的荷 载 ，这种情 况下 ，所观察到的立方体试件的抗压强度大于相同立 方体试件沿浇筑方 向加载时 的抗压强度 。如果 上压板 自由旋转 ，即可调整各浇注层之间不同的变形，每个 浇筑层 承受着相 同的荷载 ，当荷载增加到较 弱浇注层 的承载能力时 ，试件破坏 ，最坚硬浇注层 的抗 压强度 没有得 到充分发挥 ，这种情况下 ，所观察 到的立方体 试件的抗压强度小于相同立方体试件沿浇注方向加载 时的抗压强度 。 斯格瓦达森发现，就圆柱体试件与立方体试件的 强度 比而言 ，离析混凝土 的强度 比是 0 7 1 0 7 7 ，非 离析混凝土的强度比是 0 7 6 0 8 4 ，同时，立方体试 件 的抗压强度对试件端部 的加载方法更 为敏感 。不 同 的端 面条件 ( 卡 子 固定 ，钉 固定和 固端 固定 ) ，立方 体试件 的强度变化 大约 为 7 ，圆柱体试 件 的强 度变 化大约为 1 。内维尔发现 ，不离析混凝土立方体试 件 ，不论其 加载 方 向垂 直 还是 平行 于 试件 的浇 筑方 向 ，就强度而 言 ，试验统计几乎是无差异 。 2 5 骨料级 配的影 响 众所周知 ，骨料级配是影 响混凝土抗 压强度 的关 键因素。对抗压强度试验的试件，其影响是根据骨料 颗粒尺寸和试件尺寸的关系推算的。大多数标准都对 d与骨料 的最大名义尺寸 之 比设定 了下 限，通 常情况 下 ，这个 比率 的容许值大致是 3或 4 。 骨料级 配 通 过 “ 壁 面 效 应 ” 影 响试 件 的强 度 。 67 科学研究及工程设计 S c i e nt i f i c Re s e a r c h & En g i n e e r i n g De s i g n 在混凝土试件 中，骨料与模具壁 面间的空间大 于试件 内骨料颗粒 间的空 间。附着于壁面的砂 浆增加 了试 件 的抗压强度 ，这是一种表面效应 ，对于有较大 的表面 积 与体积 比的试件 ，抗压强度 的增加会更大 。 对标准圆柱体试件和立方体试件的表面积与体积 的比率比较说明，骨料级配可影响圆柱体试件与立方 体试件的强度比。1 5 0 m m 3 0 0 m m的圆柱体试件的表 面积与体积的比率为 0 0 3 3 m m，1 5 0 m m的立方体试 件的表面积与体 积 的 比率 为 0 0 4 0 ra m，这 表 明立方 体试件对骨料级配的变化 比圆柱体试 件更为敏感 。事 实上，G y e n g o 的研究表明：骨料级配的变化对圆柱体 试件强度的影响较小，圆柱体试件与立方体试件的强 度的比率随骨料级配粗度的增加而减小。 3 圆柱体试件与立方体试件强度转换 系数 和公式 3 1 转换 系数 对 于圆柱 体试件 ，当 h d1 8时 ，其试 验所 得 的抗 压 强 度 应 乘 以 转 换 系 数 ，转 换 为 标 准 试 件 ( h d= 2 ) 的抗压强度 。表 1 为美 国材料 协会 A S T M C 3 9中推荐 的转换 系数 。 表 1 美 国 材 料 协 会 推 荐 的 转 换 系 数 h d 1 7 5 1 5 0 1 2 5 1 c H 0 转换 系数 0 9 8 O 9 6 O 9 3 0 8 7 联 合 国教 科 文 组 织 的 钢 筋 混 凝 土 手 册 ( U N E S C O) ，推荐了不同形状 、不同尺寸试件的转换 系数 ，见表 2 。 表 2 U N ES C O 转 换 系 数 试件形状 试件尺寸 转换 系数 1 5 0mm 3 0 0mm 1 o 0 圆柱体试 件 1 0 o m l n2 0 0 m m 0 9 7 2 5 0mm 5 0 0mm 1 O 5 l o o mm O 8 0 l 5 0 mm O 8 0 立方体试件 2 o omm O 8 3 3 o 0mm 0 9 O 3 2 转换公式 内维尔公式 1 9 6 6 年 ，内维尔 在 大量 资 料研 究 的基 础上 ，建 立了不同形状 、不 同尺 寸的试件之 间的关 系。这个关 系式是 ，欲求试件 强度 与 1 5 0 m m ( 6 - i n ) 的立方 体 试件强度之间的关系。 P = 。 5 6 + 0 6 9 7 6 hd 。d 式 中P 抗压强度 ； P 1 5 0 m m 的立方体试 件的抗压强度 ； 试件 的体积 ； 试件的高度 ； d 试件 的最大横 向尺寸 。 待求试件可为不 同形状 、不 同尺寸 的试件 ，在计 算其与 1 5 0 m m的立方体试件 的强度 比 ( P P )时， 可从待求试件中选择 V h和 d 。内维尔公式在研发 时，使用的资料是英制单位，所 以，在计算强度 比 ( P P )时，全部尺寸必须指定使用英寸。根据 内维 尔公式计算 ，1 5 0 m m 3 0 0 m m的圆柱体试件与 1 5 0 m m 的立方体试件的强度比为0 8 1 。 4 结语 混凝土圆柱体试件和立方体试件强度间的关系是 复杂 的。保证试验 试件 的制作质量 ，是保证 两种试件 间正确强度关系的物质基础 。研 究表明 ，标准 圆柱体 试件与标准立方体试件的强度比基本为0 8 。 我国使用立方体试件进行混凝土强度试验 ，我们 在使用从 国外引进 的一些标准时 ，不但 要注意不 同试 验试件间的关系，还一定要注意该国采用该试件延伸 的相关项 目的对应处理 问题 。Q