混凝土立方體與圓柱體試件抗壓強(qiáng)度關(guān)系

混凝土立方體與圓柱體試件抗壓強(qiáng)度關(guān)系1引言國際上檢測混凝土抗壓強(qiáng)度通用兩種方法：一種是標(biāo)準(zhǔn)立方體試件（150mm×150mm×150mm）抗壓強(qiáng)度，另一種是標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件（g150mm×300mm）抗壓強(qiáng)度。許多歐洲國家包括英國和德國采用立方體試件，而美國、日本、加拿大、澳大利亞等采用圓柱體試件。我國則以立方體試件作為測定抗壓強(qiáng)度的依據(jù)。因?yàn)閲H上對混凝土抗壓強(qiáng)度的檢測在試件形狀和尺寸上未完全統(tǒng)一，所以某些國際工程中關(guān)于混凝土強(qiáng)度的理論和測試方法上會有些不同。雖然英國標(biāo)準(zhǔn)中給出了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)立方體與標(biāo)準(zhǔn)圓柱體抗壓強(qiáng)度的換算關(guān)系，但是由于工程材料的獨(dú)一性和差異性，這種換算關(guān)系只有通過具體試驗(yàn)得出的結(jié)論才更具有說服力和執(zhí)行度。而津巴布韋卡里巴南岸擴(kuò)機(jī)工程項(xiàng)目就面臨著這樣的問題，本文也正以此為基準(zhǔn)，試驗(yàn)和研究了兩者的關(guān)系，在與英國規(guī)范所述關(guān)系進(jìn)行了對比和分析的同時，對中國規(guī)范的相應(yīng)部分也進(jìn)行了探討。2工程概況津巴布韋卡里巴南岸擴(kuò)機(jī)工程其電站裝機(jī)容量為2X150MW，是津巴布韋在建最大水電項(xiàng)目。主體建筑物包括進(jìn)水口、引水隧洞、地下廠房、尾水調(diào)壓室、尾水隧洞、尾水出口、地面主變和開關(guān)站?；炷劣昧砍^10萬m3，技術(shù)要求混凝土強(qiáng)度為H30和H20（美國標(biāo)準(zhǔn)），即標(biāo)準(zhǔn)圓柱體抗壓強(qiáng)度分別為30MPa和20MPa。3試驗(yàn)津巴布韋標(biāo)準(zhǔn)以英國標(biāo)準(zhǔn)為主，我國標(biāo)準(zhǔn)及英國標(biāo)準(zhǔn)均采用立方體試件檢驗(yàn)混凝土強(qiáng)度，對美國標(biāo)準(zhǔn)檢測及試驗(yàn)均缺少經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知。業(yè)主方與承包方一致同意，通過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)具體工程材料，來驗(yàn)證圓柱體與立方體的強(qiáng)度關(guān)系，指導(dǎo)該工程施工，規(guī)范混凝土施工，確保施工質(zhì)量。具體試驗(yàn)?zāi)康?、依?jù)及試驗(yàn)過程如下。3.1試驗(yàn)?zāi)康募耙饬x由于圓柱體試件有一個受壓面是由人工抹面形成，那么這個面成型時的好壞對試件強(qiáng)度的影響就比較大，為消除人為的試驗(yàn)誤差，須嚴(yán)格按照ASTM要求的試件成型及試驗(yàn)方法來做。中國標(biāo)準(zhǔn)為立方體試件，并且已習(xí)慣其成型程序及操作辦法。而在成型圓柱體試件過程中，發(fā)現(xiàn)圓柱體試件表面氣泡偏多，人工抹面平整度存在誤差，須找平處理并在抗壓試件兩端頭加橡膠墊進(jìn)行壓力試驗(yàn)，否則圓柱體試件抗壓強(qiáng)度值與實(shí)際值偏差較大，影響實(shí)際混凝土強(qiáng)度。整個試驗(yàn)過程較立方體試件煩瑣，過程控制嚴(yán)格。通過查找和翻閱相關(guān)規(guī)范和資料，做了大量的標(biāo)準(zhǔn)立方體和圓柱體抗壓強(qiáng)度對比試驗(yàn)，并進(jìn)行論證分析，找出標(biāo)準(zhǔn)立方體與圓柱體試件之間的強(qiáng)度關(guān)系，進(jìn)而評定混凝土配比實(shí)際強(qiáng)度，并以此數(shù)據(jù)分析得到業(yè)主工程師的認(rèn)可，對指導(dǎo)混凝土施工具有重要意義。3.2試驗(yàn)依據(jù)本試驗(yàn)設(shè)計(jì)配合比按ACI211.1《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行。圓柱體成型及試件抗壓強(qiáng)度檢測以美國ASTMC39規(guī)定進(jìn)行；立方體成型則以中國或英國的相關(guān)規(guī)定為準(zhǔn)。3.3試驗(yàn)材料3.3.1水泥生產(chǎn)方為南非PPC廠家生產(chǎn)的OPC42.5I級普通硅酸鹽水泥，28天抗壓強(qiáng)度為50MPa，抗折強(qiáng)度為7.1MPa。3.3.2粉煤灰生產(chǎn)方為南非AshResources生產(chǎn)的LethaboDuraPozz粉煤灰，經(jīng)檢測各項(xiàng)指標(biāo)符合I級粉煤灰標(biāo)準(zhǔn)。3.3.3減水劑生產(chǎn)方為南非產(chǎn)Sika-3088型聚羧酸普通高效減水劑，減水率為20%。3.3.4砂子卡里巴湖上游側(cè)支流GacheGache河砂，經(jīng)水洗篩分后運(yùn)至施工現(xiàn)場，細(xì)度模數(shù)為2.6的中砂，級配良好，無堿活性。3.3.5石子距施工現(xiàn)場30km外的開采石料場，自產(chǎn)，骨料級配良好，生產(chǎn)5～20mm、20～40mm兩種規(guī)格的單粒級集料。3.3.6水卡里巴湖天然潔凈的湖水，經(jīng)第三方檢測符合拌和用水要求。3.4試驗(yàn)過程按配合比拌制混凝土。根據(jù)配合比設(shè)計(jì)結(jié)果，以及成型6塊標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試塊和6塊標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊的量，需拌制0.06m混凝土。按規(guī)范要求分別稱量、拌制、成型，并在同種條件下按規(guī)范養(yǎng)護(hù)，分別進(jìn)行7天和28天抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，每組3塊，對比強(qiáng)度平均值，并換算系數(shù)關(guān)系。4試驗(yàn)結(jié)果分析一共進(jìn)行了20組對比試驗(yàn)并形成試驗(yàn)記錄，然后繪制28天齡期強(qiáng)度相關(guān)系數(shù)散點(diǎn)圖，為對比分析提供依據(jù)，并得出以下結(jié)論。（1）從試驗(yàn)結(jié)果可知，無論是H30還是H20的系數(shù)關(guān)系，除個別存在偏小和偏大外，其他都趨于集中，大部分集中在0.75～0.9，說明試驗(yàn)結(jié)果有一定的規(guī)律性。（2）除去偏差較大系數(shù)，對0.75～0.9之間的所有系數(shù)取平均值，發(fā)現(xiàn)H30的相關(guān)系數(shù)為0.83，H20的相關(guān)系數(shù)為0.81，比較理想（3）有個別數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)值偏低，只有0.5或0.6，經(jīng)分析主要是成型過程中造成的。圓柱體只有上下兩個受壓面，試件頂面盡管按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行端面處理，在某種程度上說還是粗糙的，而且加上人為原因，加大了這種端面的不平整度，在做抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時，由于受壓面不平整而造成突發(fā)提前壓裂破壞現(xiàn)象，與真實(shí)值相差很大。而立方體不存在此類問題，因?yàn)榱⒎襟w有三對受壓面，完全可以避開受處理端面而選擇更平整的受壓面，所以對比過程中會出現(xiàn)相關(guān)系數(shù)偏低現(xiàn)象，與實(shí)際不符，分析中已舍棄。（4）兩種試件抗壓強(qiáng)度相關(guān)系數(shù)大概為0.8的原因，是由其本質(zhì)決定的。不同幾何形體的試件受壓過程中的受力并不相同，在受壓過程中，由于摩擦力效應(yīng)，支座與試件接觸面之間的摩擦力將對混凝土試件的橫向膨脹起著約束作用，使混凝土強(qiáng)度提高，這種約束作用離試件端部越遠(yuǎn)影響越小，而標(biāo)準(zhǔn)圓柱體的高度為標(biāo)準(zhǔn)立方體試件的2倍，其端部所受摩擦約束作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于立方體試件，故其抗壓強(qiáng)度低于立方體試件。（5）通過具體試驗(yàn)對比分析，得出了相關(guān)系數(shù)，一方面驗(yàn)證了規(guī)范說法的正確性，另一方面可以指導(dǎo)具體混凝土施工。5相關(guān)規(guī)范之間的對比分析通過具體試驗(yàn)，在驗(yàn)證相關(guān)系數(shù)的同時，筆者也查閱了相關(guān)規(guī)范資料，發(fā)現(xiàn)了一些大同小異的特點(diǎn)，現(xiàn)歸納如下。（1）關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)立方體和圓柱體抗壓強(qiáng)度關(guān)系，相關(guān)規(guī)范有國際標(biāo)準(zhǔn)《關(guān)于混凝土試件抗壓強(qiáng)度計(jì)算方法》（ISO4012-1978），英國標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》［BSEN1992-1-1：2004（E)]，中國標(biāo)準(zhǔn)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE302005），相關(guān)規(guī)范描述見表1和表2。從表1和表2可知：1）ISO國際標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于立方體與標(biāo)準(zhǔn)圓柱體抗壓強(qiáng)度換算系數(shù)有一定規(guī)律性，C20/25以下均為0.8的系數(shù)關(guān)系，C25/30及以上相關(guān)系數(shù)逐漸增大，并且隨著混凝土強(qiáng)度等級的提高，兩者的強(qiáng)度比值有趨近于1的可能。2）BSEN標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于兩者的強(qiáng)度關(guān)系主要穩(wěn)定在0.8左右，隨著混凝土強(qiáng)度的提高，二者的強(qiáng)度比值沒有明顯的規(guī)律性，而是呈波動狀態(tài)。3）中國標(biāo)準(zhǔn)JTGE30-2005中考慮到在公路工程中，混凝土芯樣常為圓柱體，故給出了圓柱體芯樣的抗壓強(qiáng)度修正系數(shù)，其方法主要參照ISO4012-1978和美國ASTMC39和C42方法進(jìn)行修訂的，且對非標(biāo)準(zhǔn)圓柱體的修正系數(shù)與美標(biāo)完全一致。（2）筆者還注意到，關(guān)于中國標(biāo)準(zhǔn)《鉆芯法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T384-2016）和協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《鉆芯法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》（CECS03：2007）在取締相關(guān)舊版規(guī)程時，皆去掉了原規(guī)程強(qiáng)度換算公式中高徑比換算系數(shù)的內(nèi)容，并表明仍以高徑比1：1且直徑為100mm的芯樣為標(biāo)準(zhǔn)芯樣，其芯樣與同條件養(yǎng)護(hù)同齡期150mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試件的抗壓強(qiáng)度相當(dāng)，另外還指出高徑比為1：1的直徑為70～75mm的芯樣抗壓強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)芯樣的抗壓強(qiáng)度相當(dāng)。（3）高徑比1：1且直徑為100mm的標(biāo)準(zhǔn)芯樣抗壓強(qiáng)度與直徑為150mm標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度相當(dāng)，而按照美國的修正系數(shù)，100mm直徑且高徑比1：1的圓柱體換算成標(biāo)準(zhǔn)圓柱體強(qiáng)度的系數(shù)為0.87，那么此系數(shù)明顯高于英標(biāo)BSEN里的強(qiáng)度劃分等級表的系數(shù)，同樣在ISO國際標(biāo)