混凝土圆柱体试件和立方体试件抗压强度关系的分析

混凝土圆柱体试件和立方体试件抗压强度关系的分析

辛雁清

(山西省汾河二库管理局，山西 太原030012)

【摘要】世界各国混凝土抗压强度的试验标准各不相同，同样的混凝土，得出的抗压强度试验值不同。在国际技术交流中，为保持使用数据的一致性，必须研究混凝土圆柱体试件与立方体试件所测得的抗压强度值的关系。本文介绍了混凝土圆柱体试件与立方体试件的强度比的影响因素、转换系数与转换公式，供同行遇到类似问题时参考。

【关键词】混凝土试件；抗压强度；试验标准；关系

中图分类号：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

混凝土的抗压强度是检验混凝土结构强度的一个重要特征指标。混凝土抗压强度的试验，世界各国都有自己的试验标准。我国与世界各国科学技术的交流越来越频繁，凡涉及到混凝土工程的部分，不论是技术引进还是技术输出，都必须要面对混凝土圆柱体试件与立方体试件测得的抗压强度值不同及处理问题。本文通过山西省引黄工程和汾河二库碾压混凝土坝工程施工中对此类问题的处理，谈几点体会，供同行参考。

1混凝土试件区别

混凝土试件形状主要有两种：ⓐ圆柱体标准试件，直径150mm，高300mm，美国、加拿大、法国、澳大利亚和新西兰等国家使用；ⓑ立方体标准试件，长、宽、高均为150mm，中国及英国、德国等欧洲大部分国家使用。

同一批次混凝土用两种不同试件进行试验所获得的混凝土抗压强度值明显不同。根据美国研究已取得的成果，圆柱体试件与立方体试件的强度比大致在0.65～0.90之间。

2圆柱体试件与立方体试件强度比的影响因素

影响混凝土圆柱体试件与立方体试件抗压强度比的因素包含：试件的制作、尺寸，强度等级，加载方向与机械特性，骨料级配等。

2.1试件制作的影响

模具类型与压板及表面平整度是影响试件制作质量的两个主要因素。

立方体试件是在钢或铸铁模具制成的刚性模具中浇注，圆柱体试件则既可在刚性模具中浇注，也可在非刚性模具中浇注。我国规范规定，圆柱体试件的试模应由刚性、金属制成的圆筒形和底板构成，所以，根据我国规范制作的圆柱体试件可以不考虑模具类型对试件制作质量的影响。

实践证明，立方体试件表面不平整对混凝土强度的影响可高达15%，因此，必须注意试件的制作质量，确保模具和试件的尺寸公差符合规范要求，避免圆柱体试件与立方体试件的强度比产生数据上的误导。

2.2试件尺寸的影响

试件的尺寸包括：高度(h)，最大横向尺寸(d)和试件的体积(v)。这些尺寸对抗压强度的试验结果影响最重要的因素是(h/d)。

尽管在试验操作过程中对试件的放置及加载等都有严格的要求，以保证试件轴向受压，但在实践中，试件的真正单轴受压是不可能的。因为，试件和试验机压板间摩擦力的影响，使试件产生横向压力，形成了多轴受压状态，这种状态增加了试件的抗压强度。横向压力对试件受压状态的影响范围为，试件每端深0.866d的锥形或棱锥形体，对于150mm×300mm的圆柱体试件，当h>1.70d时，试件中心区将有一个范围不受这个多轴压力的影响。对于立方体试件，多轴压力将影响全部试件。多轴压力对圆柱体试件与立方体试件的影响见图1。

图1　多轴压力对圆柱体试件与立方体试件影响示意图

综上所述，用立方体试件测试的混凝土抗压强度应该大于用圆柱体试件测试的抗压强度。

h/d与强度比之间的一般关系如图2所示。从图2看出，h/d<1.50时，强度比随h/d的变化，比h/d>1.50时更为敏感。对于h/d的微小变化，立方体试件则比圆柱体试件对这种变化的反应更为敏感。

图2　h/d与强度比关系

d的影响与混凝土任意截面薄弱环节出现的概率有关。一个大的试件的d，有可能含有一个控制试件破坏、强度低的横截面。内维尔认为，强度P与横向尺寸d之间的关系是P∝1/d2。对于150mm×300mm的圆柱体试件和150mm的立方体试件，d是相同的，因此，在比较这些试件的时候，横向尺寸不是一个问题。但试件除了标准试件外，还有非标准试件，试件的横向尺寸是变化的。对于100mm的立方体试件，英国标准协会的《混凝土试验方法》(BS 1881)，将d作为圆柱体试件与立方体试件的强度比的一个影响因素。内维尔的研究发现，当d增加到600mm以上时，d的影响就变得微不足道。

试件体积v对强度的影响从两个方面来讲，一是大体积试件，试件的压力分布相对更均匀，所以，立方体试件更容易发生应力集中；二是试件体积更大时，更有可能含有一个降低强度的薄弱环节。试件体积对强度的这两方面的影响，都与d的影响密切相关。

仅从试件的横截面形状分析，研究并不认为其对抗压强度试验结果有很重要的影响。立方体试件和圆柱体试件的h/d=1时，试验获得了类似的结果。150mm×150mm×300mm的棱柱体试件和150mm×300mm的圆柱体试件比较研究后，两种类型试件的强度相差无几，因此，仅仅根据试件横截面的形状修正强度是不必要的。

2.3强度等级的影响

混凝土的名义强度影响圆柱体试件与立方体试件的强度比。伊万斯的研究证明，圆柱体试件与立方体试件的强度比随混凝土强度的降低而降低。根据混凝土等级的不同，圆柱体试件与立方体试件的强度比变化在0.77～0.96之间。

2.4加载特性的影响

对于圆柱体试件，荷载施加的方向与试件浇注的方向一致，而立方体试件，荷载施加的方向则垂直于试件浇注的方向。圆柱体试件与立方体试件都是分层浇注和捣实，加载方向就成为影响圆柱体试件与立方体试件强度关系的一个重要因素。圆柱体试件加载后，试件的每一个浇注层都是使用一个全部横截面承受来自试验机加设的全部荷载。立方体试件加载后，试件的每一个浇注层都是从上延伸到下，承受总荷载的一部分。

立方体试件翻转，有两个因素影响强度，即骨料的离析和压板的固定。骨料离析是重要的，因为它可以导致浇注层之间的强度和弹模的变化。当立方体翻转后，垂直于加载方向每个横截面都会存在着这些变化；每个浇注层承受着压板不同部分施加的荷载。如果使用的混凝土不存在离析问题，那么，在同一个平面上的强度应该没有显著的变化。

第二个影响是压板固定。塔兰特的研究说明：上压板不容许旋转时，最坚硬的浇注层承受着大部分荷载，较弱浇注层的屈服变形大于最坚硬浇注层的屈服变形，当荷载增加到最坚硬浇注层的承载能力时，试件破坏，较弱浇注层被迫承受着残留的荷载，这种情况下，所观察到的立方体试件的抗压强度大于相同立方体试件沿浇筑方向加载时的抗压强度。如果上压板自由旋转，即可调整各浇注层之间不同的变形，每个浇筑层承受着相同的荷载，当荷载增加到较弱浇注层的承载能力时，试件破坏，最坚硬浇注层的抗压强度没有得到充分发挥，这种情况下，所观察到的立方体试件的抗压强度小于相同立方体试件沿浇注方向加载时的抗压强度。

斯格瓦达森发现，就圆柱体试件与立方体试件的强度比而言，离析混凝土的强度比是0.71～0.77，非离析混凝土的强度比是0.76～0.84，同时，立方体试件的抗压强度对试件端部的加载方法更为敏感。不同的端面条件(卡子固定，钉固定和固端固定)，立方体试件的强度变化大约为7%，圆柱体试件的强度变化大约为1%。内维尔发现，不离析混凝土立方体试件，不论其加载方向垂直还是平行于试件的浇筑方向，就强度而言，试验统计几乎是无差异。

2.5骨料级配的影响

众所周知，骨料级配是影响混凝土抗压强度的关键因素。对抗压强度试验的试件，其影响是根据骨料颗粒尺寸和试件尺寸的关系推算的。大多数标准都对d与骨料的最大名义尺寸之比设定了下限，通常情况下，这个比率的容许值大致是3或4。

骨料级配通过“壁面效应”影响试件的强度。在混凝土试件中，骨料与模具壁面间的空间大于试件内骨料颗粒间的空间。附着于壁面的砂浆增加了试件的抗压强度，这是一种表面效应，对于有较大的表面积与体积比的试件，抗压强度的增加会更大。

对标准圆柱体试件和立方体试件的表面积与体积的比率比较说明，骨料级配可影响圆柱体试件与立方体试件的强度比。150mm×300mm的圆柱体试件的表面积与体积的比率为0.033/mm，150mm的立方体试件的表面积与体积的比率为0.040/mm，这表明立方体试件对骨料级配的变化比圆柱体试件更为敏感。事实上，Gyengo的研究表明：骨料级配的变化对圆柱体试件强度的影响较小，圆柱体试件与立方体试件的强度的比率随骨料级配粗度的增加而减小。

3圆柱体试件与立方体试件强度转换系数和公式

3.1转换系数

对于圆柱体试件，当h/d<1.8时，其试验所得的抗压强度应乘以转换系数，转换为标准试件(h/d=2)的抗压强度。表1为美国材料协会ASTM C 39中推荐的转换系数。

表1　美国材料协会推荐的转换系数

联合国教科文组织的《钢筋混凝土手册》(UNESCO)，推荐了不同形状、不同尺寸试件的转换系数，见表2。

3.2转换公式——内维尔公式

1966年，内维尔在大量资料研究的基础上，建立了不同形状、不同尺寸的试件之间的关系。这个关系式是，欲求试件强度与150mm(6-in.)的立方体试件强度之间的关系。

式中P——抗压强度；

P6——150mm的立方体试件的抗压强度；

v——试件的体积；

h——试件的高度；

d——试件的最大横向尺寸。

待求试件可为不同形状、不同尺寸的试件，在计算其与150mm的立方体试件的强度比(P/P6)时，可从待求试件中选择v、h和d。内维尔公式在研发时，使用的资料是英制单位，所以，在计算强度比(P/P6)时，全部尺寸必须指定使用英寸。根据内维尔公式计算，150mm×300mm的圆柱体试件与150mm的立方体试件的强度比为0.81。

4结语

混凝土圆柱体试件和立方体试件强度间的关系是复杂的。保证试验试件的制作质量，是保证两种试件间正确强度关系的物质基础。研究表明，标准圆柱体试件与标准立方体试件的强度比基本为0.8。

我国使用立方体试件进行混凝土强度试验，我们在使用从国外引进的一些标准时，不但要注意不同试验试件间的关系，还一定要注意该国采用该试件延伸的相关项目的对应处理问题。