混凝土立方體與圓柱體試件抗壓強度關系

混凝土立方體與圓柱體試件抗壓強度關系1引言國際上檢測混凝土抗壓強度通用兩種方法：一種是標準立方體試件（150mm×150mm×150mm）抗壓強度，另一種是標準圓柱體試件（g150mm×300mm）抗壓強度。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度的依據(jù)。因為國際上對混凝土抗壓強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于混凝土強度的理論和測試方法上會有些不同。雖然英國標準中給出了相關標準立方體與標準圓柱體抗壓強度的換算關系，但是由于工程材料的獨一性和差異性，這種換算關系只有通過具體試驗得出的結論才更具有說服力和執(zhí)行度。而津巴布韋卡里巴南岸擴機工程項目就面臨著這樣的問題，本文也正以此為基準，試驗和研究了兩者的關系，在與英國規(guī)范所述關系進行了對比和分析的同時，對中國規(guī)范的相應部分也進行了探討。2工程概況津巴布韋卡里巴南岸擴機工程其電站裝機容量為2X150MW，是津巴布韋在建最大水電項目。主體建筑物包括進水口、引水隧洞、地下廠房、尾水調壓室、尾水隧洞、尾水出口、地面主變和開關站?；炷劣昧砍^10萬m3，技術要求混凝土強度為H30和H20（美國標準），即標準圓柱體抗壓強度分別為30MPa和20MPa。3試驗津巴布韋標準以英國標準為主，我國標準及英國標準均采用立方體試件檢驗混凝土強度，對美國標準檢測及試驗均缺少經(jīng)驗和認知。業(yè)主方與承包方一致同意，通過大量的試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)具體工程材料，來驗證圓柱體與立方體的強度關系，指導該工程施工，規(guī)范混凝土施工，確保施工質量。具體試驗目的、依據(jù)及試驗過程如下。3.1試驗目的及意義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度的影響就比較大，為消除人為的試驗誤差，須嚴格按照ASTM要求的試件成型及試驗方法來做。中國標準為立方體試件，并且已習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行壓力試驗，否則圓柱體試件抗壓強度值與實際值偏差較大，影響實際混凝土強度。整個試驗過程較立方體試件煩瑣，過程控制嚴格。通過查找和翻閱相關規(guī)范和資料，做了大量的標準立方體和圓柱體抗壓強度對比試驗，并進行論證分析，找出標準立方體與圓柱體試件之間的強度關系，進而評定混凝土配比實際強度，并以此數(shù)據(jù)分析得到業(yè)主工程師的認可，對指導混凝土施工具有重要意義。3.2試驗依據(jù)本試驗設計配合比按ACI211.1《普通混凝土配合比設計規(guī)程》進行。圓柱體成型及試件抗壓強度檢測以美國ASTMC39規(guī)定進行；立方體成型則以中國或英國的相關規(guī)定為準。3.3試驗材料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天抗壓強度為50MPa，抗折強度為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)檢測各項指標符合I級粉煤灰標準。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支流GacheGache河砂，經(jīng)水洗篩分后運至施工現(xiàn)場，細度模數(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試驗過程按配合比拌制混凝土。根據(jù)配合比設計結果，以及成型6塊標準圓柱體試塊和6塊標準立方體試塊的量，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，分別進行7天和28天抗壓強度試驗，每組3塊，對比強度平均值，并換算系數(shù)關系。4試驗結果分析一共進行了20組對比試驗并形成試驗記錄，然后繪制28天齡期強度相關系數(shù)散點圖，為對比分析提供依據(jù)，并得出以下結論。（1）從試驗結果可知，無論是H30還是H20的系數(shù)關系，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，說明試驗結果有一定的規(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的相關系數(shù)為0.83，H20的相關系數(shù)為0.81，比較理想（3）有個別數(shù)據(jù)相關系數(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準要求進行端面處理，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，在做抗壓強度試驗時，由于受壓面不平整而造成突發(fā)提前壓裂破壞現(xiàn)象，與真實值相差很大。而立方體不存在此類問題，因為立方體有三對受壓面，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)相關系數(shù)偏低現(xiàn)象，與實際不符，分析中已舍棄。（4）兩種試件抗壓強度相關系數(shù)大概為0.8的原因，是由其本質決定的。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，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，而標準圓柱體的高度為標準立方體試件的2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。（5）通過具體試驗對比分析，得出了相關系數(shù)，一方面驗證了規(guī)范說法的正確性，另一方面可以指導具體混凝土施工。5相關規(guī)范之間的對比分析通過具體試驗，在驗證相關系數(shù)的同時，筆者也查閱了相關規(guī)范資料，發(fā)現(xiàn)了一些大同小異的特點，現(xiàn)歸納如下。（1）關于標準立方體和圓柱體抗壓強度關系，相關規(guī)范有國際標準《關于混凝土試件抗壓強度計算方法》（ISO4012-1978），英國標準《混凝土結構設計》［BSEN1992-1-1：2004（E)]，中國標準《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》（JTGE302005），相關規(guī)范描述見表1和表2。從表1和表2可知：1）ISO國際標準關于立方體與標準圓柱體抗壓強度換算系數(shù)有一定規(guī)律性，C20/25以下均為0.8的系數(shù)關系，C25/30及以上相關系數(shù)逐漸增大，并且隨著混凝土強度等級的提高，兩者的強度比值有趨近于1的可能。2）BSEN標準關于兩者的強度關系主要穩(wěn)定在0.8左右，隨著混凝土強度的提高，二者的強度比值沒有明顯的規(guī)律性，而是呈波動狀態(tài)。3）中國標準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度修正系數(shù)，其方法主要參照ISO4012-1978和美國ASTMC39和C42方法進行修訂的，且對非標準圓柱體的修正系數(shù)與美標完全一致。（2）筆者還注意到，關于中國標準《鉆芯法檢測混凝土強度技術規(guī)程》（JGJ/T384-2016）和協(xié)會標準《鉆芯法檢測混凝土強度技術規(guī)程》（CECS03：2007）在取締相關舊版規(guī)程時，皆去掉了原規(guī)程強度換算公式中高徑比換算系數(shù)的內容，并表明仍以高徑比1：1且直徑為100mm的芯樣為標準芯樣，其芯樣與同條件養(yǎng)護同齡期150mm標準立方體試件的抗壓強度相當，另外還指出高徑比為1：1的直徑為70～75mm的芯樣抗壓強度與標準芯樣的抗壓強度相當。（3）高徑比1：1且直徑為100mm的標準芯樣抗壓強度與直徑為150mm標準立方體抗壓強度相當，而按照美國的修正系數(shù)，100mm直徑且高徑比1：1的圓柱體換算成標準圓柱體強度的系數(shù)為0.87，那么此系數(shù)明顯高于英標BSEN里的強度劃分等級表的系數(shù)，同樣在ISO國際標