混凝土立方体与圆柱体试件抗压强度关系

混凝土立方体与圆柱体试件抗压强度关系1引言国际上检测混凝土抗压强度通用两种方法：一种是标准立方体试件（150mm×150mm×150mm）抗压强度，另一种是标准圆柱体试件（g150mm×300mm）抗压强度。许多欧洲国家包括英国和德国采用立方体试件，而美国、日本、加拿大、澳大利亚等采用圆柱体试件。我国则以立方体试件作为测定抗压强度的依据。因为国际上对混凝土抗压强度的检测在试件形状和尺寸上未完全统一，所以某些国际工程中关于混凝土强度的理论和测试方法上会有些不同。虽然英国标准中给出了相关标准立方体与标准圆柱体抗压强度的换算关系，但是由于工程材料的独一性和差异性，这种换算关系只有通过具体试验得出的结论才更具有说服力和执行度。而津巴布韦卡里巴南岸扩机工程项目就面临着这样的问题，本文也正以此为基准，试验和研究了两者的关系，在与英国规范所述关系进行了对比和分析的同时，对中国规范的相应部分也进行了探讨。2工程概况津巴布韦卡里巴南岸扩机工程其电站装机容量为2X150MW，是津巴布韦在建最大水电项目。主体建筑物包括进水口、引水隧洞、地下厂房、尾水调压室、尾水隧洞、尾水出口、地面主变和开关站。混凝土用量超过10万m3，技术要求混凝土强度为H30和H20（美国标准），即标准圆柱体抗压强度分别为30MPa和20MPa。3试验津巴布韦标准以英国标准为主，我国标准及英国标准均采用立方体试件检验混凝土强度，对美国标准检测及试验均缺少经验和认知。业主方与承包方一致同意，通过大量的试验数据，根据具体工程材料，来验证圆柱体与立方体的强度关系，指导该工程施工，规范混凝土施工，确保施工质量。具体试验目的、依据及试验过程如下。3.1试验目的及意义由于圆柱体试件有一个受压面是由人工抹面形成，那么这个面成型时的好坏对试件强度的影响就比较大，为消除人为的试验误差，须严格按照ASTM要求的试件成型及试验方法来做。中国标准为立方体试件，并且已习惯其成型程序及操作办法。而在成型圆柱体试件过程中，发现圆柱体试件表面气泡偏多，人工抹面平整度存在误差，须找平处理并在抗压试件两端头加橡胶垫进行压力试验，否则圆柱体试件抗压强度值与实际值偏差较大，影响实际混凝土强度。整个试验过程较立方体试件烦琐，过程控制严格。通过查找和翻阅相关规范和资料，做了大量的标准立方体和圆柱体抗压强度对比试验，并进行论证分析，找出标准立方体与圆柱体试件之间的强度关系，进而评定混凝土配比实际强度，并以此数据分析得到业主工程师的认可，对指导混凝土施工具有重要意义。3.2试验依据本试验设计配合比按ACI211.1《普通混凝土配合比设计规程》进行。圆柱体成型及试件抗压强度检测以美国ASTMC39规定进行；立方体成型则以中国或英国的相关规定为准。3.3试验材料3.3.1水泥生产方为南非PPC厂家生产的OPC42.5I级普通硅酸盐水泥，28天抗压强度为50MPa，抗折强度为7.1MPa。3.3.2粉煤灰生产方为南非AshResources生产的LethaboDuraPozz粉煤灰，经检测各项指标符合I级粉煤灰标准。3.3.3减水剂生产方为南非产Sika-3088型聚羧酸普通高效减水剂，减水率为20%。3.3.4砂子卡里巴湖上游侧支流GacheGache河砂，经水洗筛分后运至施工现场，细度模数为2.6的中砂，级配良好，无碱活性。3.3.5石子距施工现场30km外的开采石料场，自产，骨料级配良好，生产5～20mm、20～40mm两种规格的单粒级集料。3.3.6水卡里巴湖天然洁净的湖水，经第三方检测符合拌和用水要求。3.4试验过程按配合比拌制混凝土。根据配合比设计结果，以及成型6块标准圆柱体试块和6块标准立方体试块的量，需拌制0.06m混凝土。按规范要求分别称量、拌制、成型，并在同种条件下按规范养护，分别进行7天和28天抗压强度试验，每组3块，对比强度平均值，并换算系数关系。4试验结果分析一共进行了20组对比试验并形成试验记录，然后绘制28天龄期强度相关系数散点图，为对比分析提供依据，并得出以下结论。（1）从试验结果可知，无论是H30还是H20的系数关系，除个别存在偏小和偏大外，其他都趋于集中，大部分集中在0.75～0.9，说明试验结果有一定的规律性。（2）除去偏差较大系数，对0.75～0.9之间的所有系数取平均值，发现H30的相关系数为0.83，H20的相关系数为0.81，比较理想（3）有个别数据相关系数值偏低，只有0.5或0.6，经分析主要是成型过程中造成的。圆柱体只有上下两个受压面，试件顶面尽管按照标准要求进行端面处理，在某种程度上说还是粗糙的，而且加上人为原因，加大了这种端面的不平整度，在做抗压强度试验时，由于受压面不平整而造成突发提前压裂破坏现象，与真实值相差很大。而立方体不存在此类问题，因为立方体有三对受压面，完全可以避开受处理端面而选择更平整的受压面，所以对比过程中会出现相关系数偏低现象，与实际不符，分析中已舍弃。（4）两种试件抗压强度相关系数大概为0.8的原因，是由其本质决定的。不同几何形体的试件受压过程中的受力并不相同，在受压过程中，由于摩擦力效应，支座与试件接触面之间的摩擦力将对混凝土试件的横向膨胀起着约束作用，使混凝土强度提高，这种约束作用离试件端部越远影响越小，而标准圆柱体的高度为标准立方体试件的2倍，其端部所受摩擦约束作用远远小于立方体试件，故其抗压强度低于立方体试件。（5）通过具体试验对比分析，得出了相关系数，一方面验证了规范说法的正确性，另一方面可以指导具体混凝土施工。5相关规范之间的对比分析通过具体试验，在验证相关系数的同时，笔者也查阅了相关规范资料，发现了一些大同小异的特点，现归纳如下。（1）关于标准立方体和圆柱体抗压强度关系，相关规范有国际标准《关于混凝土试件抗压强度计算方法》（ISO4012-1978），英国标准《混凝土结构设计》［BSEN1992-1-1：2004（E)]，中国标准《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTGE302005），相关规范描述见表1和表2。从表1和表2可知：1）ISO国际标准关于立方体与标准圆柱体抗压强度换算系数有一定规律性，C20/25以下均为0.8的系数关系，C25/30及以上相关系数逐渐增大，并且随着混凝土强度等级的提高，两者的强度比值有趋近于1的可能。2）BSEN标准关于两者的强度关系主要稳定在0.8左右，随着混凝土强度的提高，二者的强度比值没有明显的规律性，而是呈波动状态。3）中国标准JTGE30-2005中考虑到在公路工程中，混凝土芯样常为圆柱体，故给出了圆柱体芯样的抗压强度修正系数，其方法主要参照ISO4012-1978和美国ASTMC39和C42方法进行修订的，且对非标准圆柱体的修正系数与美标完全一致。（2）笔者还注意到，关于中国标准《钻芯法检测混凝土强度技术规程》（JGJ/T384-2016）和协会标准《钻芯法检测混凝土强度技术规程》（CECS03：2007）在取缔相关旧版规程时，皆去掉了原规程强度换算公式中高径比换算系数的内容，并表明仍以高径比1：1且直径为100mm的芯样为标准芯样，其芯样与同条件养护同龄期150mm标准立方体试件的抗压强度相当，另外还指出高径比为1：1的直径为70～75mm的芯样抗压强度与标准芯样的抗压强度相当。（3）高径比1：1且直径为100mm的标准芯样抗压强度与直径为150mm标准立方体抗压强度相当，而按照美国的修正系数，100mm直径且高径比1：1的圆柱体换算成标准圆柱体强度的系数为0.87，那么此系数明显高于英标BSEN里的强度划分等级表的系数，同样在ISO国际标