立方體與圓柱體試件抗壓強度關(guān)系分析為了能在同一基礎(chǔ)上去比較、判斷混凝土強度指標,減少因不同試驗方法所造成的混亂,各國對混凝土強度指標的測定都制定了各種嚴格和“標準”試驗方法.對測定混凝土抗壓強度所用試件,德國、英國及許多歐洲國家采用立方體試件,美國、日本、法國、加拿大、澳大利亞以及新西蘭等采用圓柱體試件;我國則以邊長為150的立方體試件作為測定抗壓強度的標準試件;由于各國情況不同,迄今為止,在國際上對抗壓強度試件的形狀、尺寸尚未完全統(tǒng)一.總得來說,測定混凝土抗壓強度所用標準試件主要有立方體與圓柱體二種. 在國際間頻繁的涉外交流,以及我國加入WTO的形式下,普通混凝土立方體試件與圓柱體試件之間的強度關(guān)系,便成為一個值得關(guān)注的問題.我國玩行普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準GB/T50081（以下簡稱力學(xué)性能指標）對立方體與圓柱體試件,僅僅只從各自的制作、養(yǎng)護、受壓等方面作詳細規(guī)定、說明,就二者之間的強度關(guān)系卻沒有涉及,這未嘗不是遺憾與不足. 一.立方體與圓柱體試件強度分析:不同幾何形體的試件受壓過程中的受力并不相同;對立方體與圓柱體試件而言,受摩擦力效應(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,使混凝土強度提高,這種約束作用離試件端部越遠影響越小,標準圓柱體試件(150300)的高度為標準立方體試件(150150150)的二倍,其端部所受摩擦約束作用遠遠小于立方體試件,故其抗壓強度低于立方體試件抗壓強度;另外,圓柱體試件頂面(受壓面)盡管按照標準要求進行端面處理,在某種程度上說還是粗糙的,并非真正的平面;因引,其光滑程度(平整度)有可能產(chǎn)生應(yīng)力集中,導(dǎo)致混凝土抗壓強度降低,這種端面不平整引起的負面效果,也是影響圓柱體抗壓強度的一個不利因素(與側(cè)面受壓的立方體試件相比). 對于標準圓柱體試件抗壓強度fcc,15和標準立方體試件抗壓強度fcc,15之間的關(guān)系,有的資料認為:fcc,15=(0.790.81)fcc,15;也有資料提出圓柱體強度換算成立方體試件強度的參用公式:Fcc=1.25fcc 式中:fcc換算成邊長等于圓柱體直徑的立方體強度(Mpa) fcc高徑比為2的圓柱體強度(Mpa)國際標準ISO/DID7034硬化混凝土芯樣的鉆取、檢查和抗壓試驗針對二者的抗壓強度,作出不同的強度等級劃分: ISO按抗壓強度劃分的混凝土等級表(表1)混凝土強度等級 混凝土強度標準值(Mpa) fcc,15/fcc.15 圓柱體試件150300 立方體試件150150150 C2/2.5 2.0 2.5 0.80C4/5 4.0 5.0 C6/7.5 6.0 4.5 C8/10 8.0 10.0 C10/12.5 10.0 12.5 C12/15 12.0 15.0 C16/20 16.0 20.0 C20/25 20.0 25.0 C25/30 25.0 30.0 0.83C30/35 30.0 35.0 0.86C35/40 35.0 40.0 0.88C40/45 40.0 45.0 0.88C45/50 45.0 50.0 0.90C50/55 50.0 55.0 0.90從ISO混凝土強度等級表中推算的fcc,15/fcc.15可知:在較低等級的混凝土中,圓柱體與立方體試件抗壓強度的比較值較大,有20%左右的差距;隨著混凝土強度等級的提高,二者的強度比值有漸趨于1的可能性.對立方體抗壓強度等級C55以下的普通混凝土,由ISO劃分的抗壓強度等級可知:fcc,15=(0.800.90)fcc.15不管圓柱體與立方體試件之間的強度比值具體是多少,都表明立方體與圓柱體試件抗壓強度之間的不對等性;也表明不同方法測得的力學(xué)性能數(shù)值之間通常沒有單一的相互關(guān)系;立方體及圓柱體測定的抗壓強度,其比值(圓柱體強度/立方體強度)不是常數(shù),而是隨著混凝土強度的不同而改變.對這一事實,國家相關(guān)標準應(yīng)作出相應(yīng)的說明,以免在涉外工程中產(chǎn)生不必要的麻煩,乃至引起工程糾紛.二.圓柱體試件與芯樣試件高徑比分析:國際標準ISO及我國標準都明確規(guī)定:150300為圓柱體的標準試件, 100200和200400為圓柱體非標準試件,故可認為圓柱體試件標準高徑比為2;然而鉆芯法檢測混凝土強度技術(shù)規(guī)程CECS 03:88(以下簡稱鉆芯法)中對芯樣（芯樣試件也屬于圓柱體試件）高徑比的規(guī)定與此有所不同:“第4.0.4條:芯樣抗壓試件的高度和直徑之比應(yīng)在12的范圍內(nèi).第4.0.1條文說明:.根據(jù)國內(nèi)外的一些試驗證明,高度和直徑均為100的芯樣與邊長為150立方體試塊的強度是比較接近的.因此,宜采用直徑和高度均為100的芯樣試件.6.0.3條:高度和直徑均為100或150芯樣試件的抗壓強度測試值,可直接作為混凝土的強度換算值.”以上條文表明,芯樣試件(圓柱體試件)的高徑比宜取1.鑒于試件高徑比對抗壓強度有較大影響,在同一標準取樣、制作、加工、養(yǎng)護(注:同一取樣、制作試件進行標準養(yǎng)28d)后, 一部分的情況下,了解高徑比在12時的相關(guān)換算系數(shù)(表4).高徑比12時, 以h/d=2為基準,則各個取值與美、英標準及JTJ053-94中的圓柱體強度修正系數(shù)差距較大. (表4)高徑比(h/d) 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 0.81 0.84 0.86 0.89 0.91 0.93 0.94 0.96 0.97 0.98 1.00(注:表4中數(shù)值,以表3中的各個數(shù)值分別除以1.24得出.)有關(guān)資料推薦,非標準高徑比試件進行試驗時強度修正的參用關(guān)系式:f-2= f-x式中f-2-換算成高徑比為2時的混凝土強度(Mpa)f-x -試件測得的強度值(Mpa) x-試件的實際高徑比.另外,在相同制作、養(yǎng)護、尺寸條件下,從芯樣試件與圓柱體試件之間的等同關(guān)系,也引出一些疑問:1.鉆芯試樣不等同于圓柱體試件時:鉆芯法與圓柱體試件受壓法進行混凝土強度檢測時,以何種檢測方法為準?在芯樣試件強度換算公式合理、適用的情況下,該公式對不同直徑、高徑比(12)的芯樣試件都適用;非標準圓柱體與標準圓柱體試件之間也應(yīng)采用類似方法進行強度計算,二者之間的折算系數(shù)1.05及0.95毫無存在根據(jù).2.鉆芯試樣等同于圓柱體試件時:芯樣試件與圓柱體試件的高徑比之間,何種規(guī)定正確?圓柱體計算公式與芯樣試件強度換算公式的選用,該如何進行取舍?在試件尺寸效應(yīng)對檢測混凝土強度有影響的情況下,芯樣尺寸效應(yīng)對強度的影響也應(yīng)進行考慮.根據(jù)圓柱體標準試件與非標準試件的抗村強度關(guān)系fcc.15=0.95fcc.10,高度和直徑均為100或150芯樣試件的抗壓強度測試值之間也應(yīng)該存在有尺寸換算系數(shù)(鉆芯法第6.0.2條文說明也指明了這一點),故二者都不可能直接作為標準立方體試件混凝土的強度換算值.三.立方體與芯樣試件強度對比:鉆芯法檢測混凝土強度的目的,是將鉆芯法測得的芯樣強度,換算成相應(yīng)于測試齡期的、邊長為150的立方體試塊的抗壓強度;因此,芯樣試件的混凝土強度換算值,只代表構(gòu)件混凝土的芯樣試件,在測試齡期的抗壓結(jié)果轉(zhuǎn)換成邊長為150立方體試塊的實際強度值(鉆芯法第6.0.1條及條文說明).在制作、養(yǎng)護條件相同情況下,圓柱體與芯樣試件應(yīng)該彼此等同;受圓柱體與立方體試件之間強度關(guān)系的影響,芯樣試件的換算強度與立方體試件強度之間的強度關(guān)系,將有別于鉆芯法中的說明.在此對有關(guān)疑問進行分析:1.標準芯樣尺寸分析:在混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范GB50204中,是以邊長為150立方體試塊的強度作為混凝土強度驗收與評定標準,因此,芯樣強度在轉(zhuǎn)換成立方體試塊的強度時,由于尺寸效應(yīng)的影響,這種轉(zhuǎn)換包括兩部分內(nèi)容(鉆芯法第6.0.2條文說明):一.非標準尺寸(直徑、高徑比)芯樣強度換算成標準尺寸芯樣強度;二.標準尺寸芯樣強度換算成標準尺寸立方體試塊強度.作為圓柱體試件,一部分鉆芯抽取芯樣試件;本文所論述的與圓柱體試件同條件制作養(yǎng)護的芯樣試件及其抗壓強度都建立于此種方式的情況下,依據(jù)鉆芯法第6.0.3條規(guī)定,對圓柱體與芯樣試件之間的強度進行分析推論立方體抗壓強度等級在C55及其以下的普通混凝土)1).非標準圓柱體(100200)與芯樣試件(100100)之間的強度分析:由于fcc,15=(0.790.81)fcc,15或fcc,15=(0.800.90)fcc,15 ,fcc.10=1.05fcc.15,fccu.10fcc,15 ,故fcc.10=1.05fcc.15=1.05(0.790.81)fcc.151.05(0.790.81)fccu.10=(0.830.85)fccu.10)或fcc.10=1.05fcc.15=1.05(0.800.90)fcc.151.05(0.800.90)fccu.10=(0.840.95)fccu.102).標準圓柱體(150300)與芯樣試件(150150)之間的強度分析:由于fcc,15=(0.790.81)fcc,15或fcc=(0.800.90)fcc,15 ,fccu.15fcc.15,故fcc,15=(0.790.81)fcc,15=(0.790.81) fccu.15 或fcc.15= (0.800.90) fcc.15=(0.790.81)fccu.15(fcc,15: 150300標準圓柱體試件抗壓強度Mpa;fcc,10: 100200非標準圓柱體試件抗壓強度Mpa;fccu.10: 100100芯樣試件強度Mpa; fcc.15: 標準立方體試件抗壓強度Mpa;fccu.15: 150150芯樣試件強度Mpa) 圓柱體試件的高徑比分別為1和2時,由以上強度分析可知:對非標準圓柱體(100200)與芯樣試件(100100)之間的強度誤差系數(shù)為(0.830.85)或(0.840.95);標準圓柱體(150300)與芯樣試件(150150)之間的強度誤差系數(shù)為(0.790.81)或(0.800.90);這都說明高徑比對混凝土造成的強度誤差,不僅隨著受壓面積的增大而增大,而且也隨著混凝土強度的增長而減小.因此,在強度誤差系數(shù)如此大的情況下,“高徑比為2”（鉆芯法中的取值以1為基準）或“標準圓柱體高徑比為2”（力學(xué)性能標準規(guī)定）規(guī)定的準確性、合理性,尚值的討論. 圓柱體高徑比對抗壓強度的影響,美國、英國的國家標準規(guī)定了相關(guān)強度修正系數(shù)(表2),我國公路工程水泥混凝土試驗規(guī)程JTJ053-94第4.23.6.3條也對此作出相關(guān)的修正說明; (表2)高徑比 強度修正系數(shù) 美國ASTMC42-68 英國B.S.1881;1970 JTJ053-94(注)2.00 1.00 1.00 1.001.75 0.99 0.98 0.981.50 0.97 0.96 0.961.25 0.94 0.94 0.931.00 0.91 0.92 0.89(注:當(dāng)高徑比為表列中間值是,修正系數(shù)可用插入法求得)我國鉆芯法也對芯樣試件抗壓強度換算系數(shù)作了相應(yīng)的規(guī)定(見表3): (表3)高徑比(h/d) 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 1.00 1.04 1.07 1.10 1.13 1.15 1.17 1.19 1.21 1.22 1.24美、英標準及JTJ053-94中高徑比12之間的圓柱體強度修正系數(shù)是以h/d=2基準,鉆芯法中芯樣試件強度換算系數(shù)是以h/d=1為基準,因此,為了便于比較,可假定在以h/d=2為基準對于標準芯樣的尺寸要求,鉆芯法中沒有明確規(guī)定;該標準對芯樣尺寸的相關(guān)條文規(guī)定有:“第3.0.4條:鉆取的芯樣直徑一般不宜小于骨料最大粒徑的3倍,在任何情況下不得小于骨料最大粒徑的2倍;第3.0.4條文說明:美、日、英等國家和國際取芯法標準,都規(guī)定取芯的芯樣直徑為混凝土骨料最大粒徑的3倍,在特殊情況下,不小于2倍.這個規(guī)定與我國對立方體試塊和骨料最大粒徑關(guān)系的規(guī)定是相吻合的.第4.0.1條文說明:高度和直徑均為100的芯樣與邊長150的立方體試塊的強度是比較接近.因此宜采用直徑和高度均為100的芯樣試件;第6.0.3條:高度和直徑均為100或150芯樣試件的抗壓強度測試值,可直接作為混凝土強度換算值;第6.0.3條文說明:據(jù)國內(nèi)外的一些試驗證明,高度與直徑均為100或150的芯樣強度值與同條件的邊長為150立方體試塊的強度值是非常接近的.本規(guī)程將高徑比為1的芯樣試件強度值,直接作邊長為150立方體試塊的換算強度.”根據(jù)以上條文規(guī)定,參考力學(xué)性能標準采用150300圓柱體作為標準圓柱體試件,標準芯樣的尺寸存有幾種情況(1). 100100;(2). 100100或150150;(3)高徑比為1的、直徑大于骨料最大粒徑2倍的芯樣試件;(4) 150300.在標準芯樣尺寸沒有明確確認的情況下,標準尺寸芯樣強度并不能換算成標準尺寸立方體試塊強度;另外,對標準芯樣強度與非標準芯樣強度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,鉆芯法也沒有說明(不同高徑比芯樣試驗件混凝土強度換算系數(shù)并不能解決直徑、高徑比對芯樣強度的影響);因此,芯樣強度與立方體試件之間的強度轉(zhuǎn)換即不明確,也不等同鉆芯法中的有關(guān)說明.2.芯樣試件混凝土強度換算公式分析:鉆芯法第6.0.2條:芯樣試件的混凝土強度換算值,應(yīng)按下列公式計算: fccu=式中:fccu-芯樣試件混凝土強度換算值(Mpa);F-芯樣試件抗壓試驗測得的最大壓力(N);d-芯樣試件的平均直徑(); -不同高徑比的芯樣試件混凝土強度換算系數(shù).當(dāng)混凝土強度等級在C10C55(按立方體試件強度劃分)時,在標準養(yǎng)護條件下,對尺寸為150300的芯樣試件,故其芯樣試件混凝土強度換算值公式為:fccu,15=fcc,15= ;在標準養(yǎng)護條件下,由于標準圓柱體試件強度(fcc,15)與標準立方體試件強度(fcc,15)之間的關(guān)系為fcc,15=(0.800.90) fcc,15 或fcc,15=(0.790.81) fcc,15 ;故標準養(yǎng)護下,與芯樣試件同一強度等級同一尺寸的標準圓柱體試件抗壓強度:fcc,15= (0.800.90)fcc,15=(0.800.90) fccu,15=(0.800.90) 即: F2=(0.800.90)F1或F2=(0.790.81)F1在標準養(yǎng)護條件下,同一混凝土強度等級以及同一尺寸的圓柱體試件與芯樣試件所受的破壞荷載本應(yīng)相同或相近(二者誤差應(yīng)在15%以內(nèi)):在不考慮高徑比基準取值時(芯樣試件強度換算系數(shù)以h/d=1為基準,圓柱體試件強度換算系數(shù)以h/d=2為基準),取1.24;以上推論的數(shù)據(jù)為: F2=(0.800.90)F1=1.24(0.800.90)F1=(0.991.12)F1或F2=(0.790.81)F1=1.24(0.790.81)F1=(0.981.00)F1,符合破壞荷載的允許范圍(0.851.15)F.在考慮高徑比基準