混凝土圓柱體試件和立方體試件抗壓強度關系的分析

混凝土圓柱體試件和立方體試件抗壓強度關系的分析

辛雁清

(山西省汾河二庫管理局，山西 太原030012)

【摘要】世界各國混凝土抗壓強度的試驗標準各不相同，同樣的混凝土，得出的抗壓強度試驗值不同。在國際技術交流中，為保持使用數據的一致性，必須研究混凝土圓柱體試件與立方體試件所測得的抗壓強度值的關系。本文介紹了混凝土圓柱體試件與立方體試件的強度比的影響因素、轉換系數與轉換公式，供同行遇到類似問題時參考。

【關鍵詞】混凝土試件；抗壓強度；試驗標準；關系

中圖分類號：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

混凝土的抗壓強度是檢驗混凝土結構強度的一個重要特征指標?；炷量箟簭姸鹊脑囼?，世界各國都有自己的試驗標準。我國與世界各國科學技術的交流越來越頻繁，凡涉及到混凝土工程的部分，不論是技術引進還是技術輸出，都必須要面對混凝土圓柱體試件與立方體試件測得的抗壓強度值不同及處理問題。本文通過山西省引黃工程和汾河二庫碾壓混凝土壩工程施工中對此類問題的處理，談幾點體會，供同行參考。

1混凝土試件區別

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

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

2圓柱體試件與立方體試件強度比的影響因素

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

2.1試件制作的影響

模具類型與壓板及表面平整度是影響試件制作質量的兩個主要因素。

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。我國規范規定，圓柱體試件的試模應由剛性、金屬制成的圓筒形和底板構成，所以，根據我國規范制作的圓柱體試件可以不考慮模具類型對試件制作質量的影響。

實踐證明，立方體試件表面不平整對混凝土強度的影響可高達15%，因此，必須注意試件的制作質量，確保模具和試件的尺寸公差符合規范要求，避免圓柱體試件與立方體試件的強度比產生數據上的誤導。

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)。這些尺寸對抗壓強度的試驗結果影響最重要的因素是(h/d)。

盡管在試驗操作過程中對試件的放置及加載等都有嚴格的要求，以保證試件軸向受壓，但在實踐中，試件的真正單軸受壓是不可能的。因為，試件和試驗機壓板間摩擦力的影響，使試件產生橫向壓力，形成了多軸受壓狀態，這種狀態增加了試件的抗壓強度。橫向壓力對試件受壓狀態的影響范圍為，試件每端深0.866d的錐形或棱錐形體，對于150mm×300mm的圓柱體試件，當h>1.70d時，試件中心區將有一個范圍不受這個多軸壓力的影響。對于立方體試件，多軸壓力將影響全部試件。多軸壓力對圓柱體試件與立方體試件的影響見圖1。

圖1　多軸壓力對圓柱體試件與立方體試件影響示意圖

綜上所述，用立方體試件測試的混凝土抗壓強度應該大于用圓柱體試件測試的抗壓強度。

h/d與強度比之間的一般關系如圖2所示。從圖2看出，h/d<1.50時，強度比隨h/d的變化，比h/d>1.50時更為敏感。對于h/d的微小變化，立方體試件則比圓柱體試件對這種變化的反應更為敏感。

圖2　h/d與強度比關系

d的影響與混凝土任意截面薄弱環節出現的概率有關。一個大的試件的d，有可能含有一個控制試件破壞、強度低的橫截面。內維爾認為，強度P與橫向尺寸d之間的關系是P∝1/d2。對于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候，橫向尺寸不是一個問題。但試件除了標準試件外，還有非標準試件，試件的橫向尺寸是變化的。對于100mm的立方體試件，英國標準協會的《混凝土試驗方法》(BS 1881)，將d作為圓柱體試件與立方體試件的強度比的一個影響因素。內維爾的研究發現，當d增加到600mm以上時，d的影響就變得微不足道。

試件體積v對強度的影響從兩個方面來講，一是大體積試件，試件的壓力分布相對更均勻，所以，立方體試件更容易發生應力集中；二是試件體積更大時，更有可能含有一個降低強度的薄弱環節。試件體積對強度的這兩方面的影響，都與d的影響密切相關。

僅從試件的橫截面形狀分析，研究并不認為其對抗壓強度試驗結果有很重要的影響。立方體試件和圓柱體試件的h/d=1時，試驗獲得了類似的結果。150mm×150mm×300mm的棱柱體試件和150mm×300mm的圓柱體試件比較研究后，兩種類型試件的強度相差無幾，因此，僅僅根據試件橫截面的形狀修正強度是不必要的。

2.3強度等級的影響

混凝土的名義強度影響圓柱體試件與立方體試件的強度比。伊萬斯的研究證明，圓柱體試件與立方體試件的強度比隨混凝土強度的降低而降低。根據混凝土等級的不同，圓柱體試件與立方體試件的強度比變化在0.77～0.96之間。

2.4加載特性的影響

對于圓柱體試件，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，加載方向就成為影響圓柱體試件與立方體試件強度關系的一個重要因素。圓柱體試件加載后，試件的每一個澆注層都是使用一個全部橫截面承受來自試驗機加設的全部荷載。立方體試件加載后，試件的每一個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，有兩個因素影響強度，即骨料的離析和壓板的固定。骨料離析是重要的，因為它可以導致澆注層之間的強度和彈模的變化。當立方體翻轉后，垂直于加載方向每個橫截面都會存在著這些變化；每個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題，那么，在同一個平面上的強度應該沒有顯著的變化。

第二個影響是壓板固定。塔蘭特的研究說明：上壓板不容許旋轉時，最堅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硬澆注層的屈服變形，當荷載增加到最堅硬澆注層的承載能力時，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度大于相同立方體試件沿澆筑方向加載時的抗壓強度。如果上壓板自由旋轉，即可調整各澆注層之間不同的變形，每個澆筑層承受著相同的荷載，當荷載增加到較弱澆注層的承載能力時，試件破壞，最堅硬澆注層的抗壓強度沒有得到充分發揮，這種情況下，所觀察到的立方體試件的抗壓強度小于相同立方體試件沿澆注方向加載時的抗壓強度。

斯格瓦達森發現，就圓柱體試件與立方體試件的強度比而言，離析混凝土的強度比是0.71～0.77，非離析混凝土的強度比是0.76～0.84，同時，立方體試件的抗壓強度對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)，立方體試件的強度變化大約為7%，圓柱體試件的強度變化大約為1%。內維爾發現，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，就強度而言，試驗統計幾乎是無差異。

2.5骨料級配的影響

眾所周知，骨料級配是影響混凝土抗壓強度的關鍵因素。對抗壓強度試驗的試件，其影響是根據骨料顆粒尺寸和試件尺寸的關系推算的。大多數標準都對d與骨料的最大名義尺寸之比設定了下限，通常情況下，這個比率的容許值大致是3或4。

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

對標準圓柱體試件和立方體試件的表面積與體積的比率比較說明，骨料級配可影響圓柱體試件與立方體試件的強度比。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骨料級配的變化比圓柱體試件更為敏感。事實上，Gyengo的研究表明：骨料級配的變化對圓柱體試件強度的影響較小，圓柱體試件與立方體試件的強度的比率隨骨料級配粗度的增加而減小。

3圓柱體試件與立方體試件強度轉換系數和公式

3.1轉換系數

對于圓柱體試件，當h/d<1.8時，其試驗所得的抗壓強度應乘以轉換系數，轉換為標準試件(h/d=2)的抗壓強度。表1為美國材料協會ASTM C 39中推薦的轉換系數。

表1　美國材料協會推薦的轉換系數

聯合國教科文組織的《鋼筋混凝土手冊》(UNESCO)，推薦了不同形狀、不同尺寸試件的轉換系數，見表2。

3.2轉換公式——內維爾公式

1966年，內維爾在大量資料研究的基礎上，建立了不同形狀、不同尺寸的試件之間的關系。這個關系式是，欲求試件強度與150mm(6-in.)的立方體試件強度之間的關系。

式中P——抗壓強度；

P6——150mm的立方體試件的抗壓強度；

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，在計算其與150mm的立方體試件的強度比(P/P6)時，可從待求試件中選擇v、h和d。內維爾公式在研發時，使用的資料是英制單位，所以，在計算強度比(P/P6)時，全部尺寸必須指定使用英寸。根據內維爾公式計算，150mm×300mm的圓柱體試件與150mm的立方體試件的強度比為0.81。

4結語

混凝土圓柱體試件和立方體試件強度間的關系是復雜的。保證試驗試件的制作質量，是保證兩種試件間正確強度關系的物質基礎。研究表明，標準圓柱體試件與標準立方體試件的強度比基本為0.8。

我國使用立方體試件進行混凝土強度試驗，我們在使用從國外引進的一些標準時，不但要注意不同試驗試件間的關系，還一定要注意該國采用該試件延伸的相關項目的對應處理問題。