立方体与圆柱体试件抗压强度关系分析

立方体与圆柱体试件抗压强度关系分析
默认分类 2008-09-26 10:44 阅读67 评论0
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为了能在同一基础上去比较、判断混凝土强度指标,减少因不同试验方法所造成的混乱,各国对混凝土强度指标的测定都制定了各种严格和“标准”试验方法.对测定混凝土抗压强度所用试件,德国、英国及许多欧洲国家采用立方体试件,美国、日本、法国、加拿大、澳大利亚以及新西兰等采用圆柱体试件;我国则以边长为150㎜的立方体试件作为测定抗压强度的标准试件;由于各国情况不同,迄今为止,在国际上对抗压强度试件的形状、尺寸尚未完全统一.总得来说,测定混凝
土抗压强度所用标准试件主要有立方体与圆柱体二种.
在国际间频繁的涉外交流,以及我国加入WTO的形式下,普通混凝土立方体试件与圆柱体试件之间的强度关系,便成为一个值得关注的问题.我国玩行《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081（以下简称《力学性能指标》）对立方体与圆柱体试件,仅仅只从各自的制作、养护、受压等方面作详细规
定、说明,就二者之间的强度关系却没有涉及,这未尝不是遗憾与不足.
一.立方体与圆柱体试件强度分析:
不同几何形体的试件受压过程中的受力并不相同;对立方体与圆柱体试件而言,受摩擦力效应,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,标准圆柱体试件(Φ150㎜×300㎜)的高度为标准立方体试件(150㎜×150㎜×150㎜)的二倍,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抗压强度;另外,圆柱体试件顶面(受压面)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,并非真正的平面;因引,其光滑程度(平整度)有可能产生应力集中,导致混凝土抗压强度降低,这种端面不平整引起的负面效果,也是影响
圆柱体抗压强度的一个不利因素(与侧面受压的立方体试件相比).
对于标准圆柱体试件抗压强度f’cc,15和标准立方体试件抗压强度fcc,15之间的关系,有的资料①认为:f’cc,15=(0.79～0.81)fcc,15;也有资料②提出
圆柱体强度换算成立方体试件强度的参用公式:
Fcc=1.25f’cc
式中:fcc—换算成边长等于圆柱体直径的立方体强度(Mpa) f’cc—高径比为2的圆柱体强度(Mpa)
国际标准ISO/DID7034《硬化混凝土芯样的钻取、检查和抗压试验》针对二者的抗压强度,作出不同的强度等级划分:
ISO按抗压强度划分的混凝土等级表(表1)
混凝土强度等级混凝土强度标准值(Mpa) f’cc,15/fcc.15
圆柱体试件Φ150㎜×300㎜立方体试件150㎜×150㎜×150㎜
C2/2.5 2.0 2.5 0.80
C4/5 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 0.83
C30/35 30.0 35.0 0.86
C35/40 35.0 40.0 0.88
C40/45 40.0 45.0 0.88
C45/50 45.0 50.0 0.90
C50/55 50.0 55.0 0.90
从ISO混凝土强度等级表中推算的f’cc,15/fcc.15可知:在较低等级的混凝土中,圆柱体与立方体试件抗压强度的比较值较大,有20%左右的差距;随着混凝土强度等级的提高,二者的强度比值有渐趋于1的可能性.对立方体抗压强度等级C55以下的普通混凝土,由ISO划分的抗压强度等级可知:f’cc,15=(0.80～0.90)
fcc.15
不管圆柱体与立方体试件之间的强度比值具体是多少,都表明立方体与圆柱体试件抗压强度之间的不对等性;也表明不同方法测得的力学性能数值之间通常没有单一的相互关系;立方体及圆柱体测定的抗压强度,其比值(圆柱体强度/立方体强度)不是常数,而是随着混凝土强度的不同而改变.对这一事实,国家相关
标准应作出相应的说明,以免在涉外工程中产生不必要的麻烦,乃至引起工程纠纷.
二.圆柱体试件与芯样试件高径比分析:
国际标准ISO及我国标准都明确规定:ф150㎜×300㎜为圆柱体的标准试件, ф100㎜×200㎜和ф200㎜×400㎜为圆柱体非标准试件,故可认为圆柱体试件标准高径比为2;然而《钻芯法检测混凝土强度技术规程》CECS 03:88(以下简称《钻芯法》)中对芯样（芯样试件也属于圆柱体试件）高径比的规定与此有
所不同:
“第4.0.4条:芯样抗压试件的高度和直径之比应在1～2的范围内.
第4.0.1条文说明:...根据国内外的一些试验证明,高度和直径均为100㎜的芯样与边长为150㎜立方体试块的强度是比较接近的......因此,宜采用直径和
高度均为100㎜的芯样试件.
6.0.3条:高度和直径均为100㎜或150㎜芯样试件的抗压强度测试值,可直接作为混凝土的强度换算值.”
以上条文表明,芯样试件(圆柱体试件)的高径比宜取1.鉴于试件高径比对抗压强度有较大影响,在同一标准取样、制作、加工、养护(注:同一取样、制作试件进行标准养28d)后, 一部分的情况下,了解高径比在1～2时α的相关换算系数(表4).高径比1～2时, α以h/d=2为基准,则各个取值与美、英标准及JTJ05 3-94中的圆柱体强度修正系数差距较大. (表4)
高径比(h/d) 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0
α 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α数值,以表3中α的各个数值分别除以1.24得出.)
有关资料②推荐,非标准高径比试件进行试验时强度修正的参用关系式:
fλ-2= fλ-x
式中fλ-2--换算成高径比为2时的混凝土强度(Mpa)
fλ-x --试件测得的强度值(Mpa) λx--试件的实际高径比.
另外,在相同制作、养护、尺寸条件下,从芯样试件与圆柱体试件之间的等同关系,也引出一些疑问:
1.钻芯试样不等同于圆柱体试件时:钻芯法与圆柱体试件受压法进行混凝土强度检测时,以何种检测方法为准?在芯样试件强度换算公式合理、适用的情况下,该公式对不同直径、高径比(1～2)的芯样试件都适用;非标准圆柱体与标准圆柱体试件之间也应采用类似方法进行强度计算,二者之间的折算系数1.05及0.
95毫无存在根据.
2.钻芯试样等同于圆柱体试件时:芯样试件与圆柱体试件的高径比之间,何种规定正确?圆柱体计算公式与芯样试件强度换算公式的选用,该如何进行取
舍?
在试件尺寸效应对检测混凝土强度有影响的情况下,芯样尺寸效应对强度的影响也应进行考虑.根据圆柱体标准试件与非标准试件的抗村强度关系f’cc.1 5=0.95f’cc.10,高度和直径均为100㎜或150㎜芯样试件的抗压强度测试值之间也应该存在有尺寸换算系数(《钻芯法》第6.0.2条文说明也指明了这一点),故二
者都不可能直接作为标准立方体试件混凝土的强度换算值.
三.立方体与芯样试件强度对比:
钻芯法检测混凝土强度的目的,是将钻芯法测得的芯样强度,换算成相应于测试龄期的、边长为150㎜的立方体试块的抗压强度;因此,芯样试件的混凝土强度换算值,只代表构件混凝土的芯样试件,在测试龄期的抗压结果转换成边长为150㎜立方体试块的实际强度值(《钻芯法》第6.0.1条及条文说明).在制作、养护条件相同情况下,圆柱体与芯样试件应该彼此等同;受圆柱体与立方体试件之间强度关系的影响,芯样试件的换算强度与立方体试件强度之间的强度关系,将有别
于《钻芯法》中的说明.在此对有关疑问进行分析:
1.标准芯样尺寸分析:
在《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB50204中,是以边长为150㎜立方体试块的强度作为混凝土强度验收与评定标准,因此,芯样强度在转换成立方体试块的强度时,由于尺寸效应的影响,这种转换包括两部分内容(《钻芯法》第6.0.2条文说明):一.非标准尺寸(直径、高径比)芯样强度换算成标准尺寸芯样强
度;二.标准尺寸芯样强度换算成标准尺寸立方体试块强度.
作为圆柱体试件,一部分钻芯抽取芯样试件;本文所论述的与圆柱体试件同条件制作养护的芯样试件及其抗压强度都建立于此种方式的情况下,依据《钻芯法》第6.0.3条规定,对圆柱体与芯样试件之间的强度进行分析推论立方体抗压强度等级在C55及其以下的普通混凝土)
1).非标准圆柱体(Φ100㎜×200㎜)与芯样试件(Φ100㎜×100㎜)之间的强度分析:
由于f’cc,15=(0.79～0.81)fcc,15或f’cc,15=(0.80～0.90)fcc,15 ,f’cc.10=1.05f’cc.15,fccu.10≈fcc,15 ,故f’cc.10=1.05f’cc.15=1.05(0.79～0.81)fcc.15≈1.
05(0.79～0.81)fccu.10=(0.83～0.85)fccu.10)或f’cc.10=1.05f’cc.15=1.05(0.80～0.90)fcc.15≈1.05(0.80～0.90)fccu.10=(0.84～0.95)fccu.10
2).标准圆柱体(Φ150㎜×300㎜)与芯样试件(Φ150㎜×150㎜)之间的强度分析:
由于f’cc,15=(0.79～0.81)fcc,15或f’cc=(0.80～0.90)fcc,15 ,fccu.15≈fcc.15,故f’cc,15=(0.79～0.81)fcc,15=(0.79～0.81) fccu.15 或f’cc.15= (0.80～0.
90) fcc.15=(0.79～0.81)fccu.15
(f’cc,15: Φ150㎜×300㎜标准圆柱体试件抗压强度Mpa;
f’cc,10: Φ100㎜×200㎜非标准圆柱体试件抗压强度Mpa;
fccu.10: Φ100㎜×100㎜芯样试件强度Mpa; fcc.15: 标准立方体试件抗压强度Mpa;
fccu.15: Φ150㎜×150㎜芯样试件强度Mpa)
圆柱体试件的高径比分别为1和2时,由以上强度分析可知:对非标准圆柱体(Φ100㎜×200㎜)与芯样试件(Φ100㎜×100㎜)之间的强度误差系数为(0.
83～0.85)或(0.84～0.95)
;标准圆柱体(Φ150㎜×300㎜)与芯样试件(Φ150㎜×150㎜)之间的强度误差系数为(0.79～0.81)或(0.80～0.90);这都说明高径比对混凝土造成的强度误差,不仅随着受压面积的增大而增大,而且也随着混凝土强度的增长而减小.因此,在强度误差系数如此大的情况下,“高径比为2”（《钻芯法》中α的取值以1为基准）或“标准圆柱体高径比为2”（《力学性能标准》规定）规定的准确性、合理性,尚值的讨论.
圆柱体高径比对抗压强度的影响,美国、英国的国家标准规定了相关强度修正系数(表2),我国《公路工程水泥混凝土试验规程》JTJ053-94第4.23.6.
3条也对此作出相关的修正说明;
(表2)
高径比强度修正系数
美国ASTMC42-68 英国B.S.1881;1970 JTJ053-94(注)
2.00 1.00 1.00 1.00
1.75 0.99 0.98 0.98
1.50 0.97 0.96 0.96
1.25 0.94 0.94 0.93
1.00 0.91 0.92 0.89
(注:当高径比为表列中间值是,修正系数可用插入法求得)
我国《钻芯法》也对芯样试件抗压强度换算系数α作了相应的规定(见表3): (表3)
高径比(h/d) 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0
α 1.00 1.04 1.07 1.10 1.13 1.15 1.17 1.19 1.21 1.22 1.24
美、英标准及JTJ053-94中高径比1～2之间的圆柱体强度修正系数是以h/d=2基准,《钻芯法》中芯样试件强度换算系数α是以h/d=1为基准,因此,
为了便于比较,可假定在α以h/d=2为基准
对于标准芯样的尺寸要求,《钻芯法》中没有明确规定;该标准对芯样尺寸的相关条文规定有:
“第3.0.4条:钻取的芯样直径一般不宜小于骨料最大粒径的3倍,在任何情况下不得小于骨料最大粒径的2倍;
第3.0.4条文说明:美、日、英等国家和国际取芯法标准,都规定取芯的芯样直径为混凝土骨料最大粒径的3倍,在特殊情况下,不小于2倍.这个规定与我
国对立方体试块和骨料最大粒径关系的规定是相吻合的...
第4.0.1条文说明:……高度和直径均为100㎜的芯样与边长150㎜的立方体试块的强度是比较接近....因此宜采用直径和高度均为100㎜的芯样试件;
第6.0.3条:高度和直径均为100㎜或150㎜芯样试件的抗压强度测试值,可直接作为混凝土强度换算值;
第6.0.3条文说明:据国内外的一些试验证明,高度与直径均为100㎜或150㎜的芯样强度值与同条件的边长为150㎜立方体试块的强度值是非常接近的......本规程将高径比为1的芯样试件强度值,直接作边长为150㎜立方体试块的换算强度.”
根据以上条文规定,参考《力学性能标准》采用Φ150㎜×300㎜圆柱体作为标准圆柱体试件,标准芯样的尺寸存有几种情况(1). Φ100㎜×100㎜;(2). Φ100㎜×100㎜或Φ150㎜×150㎜;(3)高径比为1的、直径大于骨料最大粒径2倍的芯样试件;(4) Φ150㎜×300㎜.
在标准芯样尺寸没有明确确认的情况下,标准尺寸芯样强度并不能换算成标准尺寸立方体试块强度;另外,对标准芯样强度与非标准芯样强度之间的转换关系,《钻芯法》也没有说明(不同高径比芯样试验件混凝土强度换算系数α并不能解决直径、高径比对芯样强度的影响);因此,芯样强度与立方体试件之间的强度
转换即不明确,也不等同《钻芯法》中的有关说明.
2.芯样试件混凝土强度换算公式分析:
《钻芯法》第6.0.2条:芯样试件的混凝土强度换算值,应按下列公式计算:
fccu=α
式中:fccu---芯样试件混凝土强度换算值(Mpa);F---芯样试件抗压试验测得的最大压力(N);d---芯样试件的平均直径(㎜); α---不同高径比的芯样试件混凝
土强度换算系数.
当混凝土强度等级在C10～C55(按立方体试件强度划分)时,在标准养护条件下,对尺寸为Φ150㎜×300㎜的芯样试件,故其芯样试件混凝土强度换算值
公式为:
fccu,15=fcc,15=α ;
在标准养护条件下,由于标准圆柱体试件强度(f’cc,15)与标准立方体试件强度(fcc,15)之间的关系为f’cc,15=(0.80～0.90) fcc,15 或f’cc,15=(0.79～0.81) fcc,15 ;故标准养护下,与芯样试件同一强度等级同一尺寸的标准圆柱体试件抗压强度:
f’cc,15= ≈(0.80～0.90)fcc,15=(0.80～0.90) fccu,15=(0.80～0.90)×α
即: F2=α(0.80～0.90)F1或F2=α(0.79～0.81)F1
在标准养护条件下,同一混凝土强度等级以及同一尺寸的圆柱体试件与芯样试件所受的破坏荷载本应相同或相近(二者误差应在15%以内):
在不考虑高径比基准取值时(芯样试件强度换算系数α以h/d=1为基准,圆柱体试件强度换算系数以h/d=2为基准),α取1.24;以上推论的数据为: F2=α(0. 80～0.90)F1=1.24×(0.80～0.90)F1=(0.99～1.12)F1或F2=α(0.79～0.81)F1=1.24×(0.79～0.81)F1=(0.98～1.00)F1,符合破坏荷载的允许范围(0.85～1.15)F.
在考虑高径比基准取值时,如α以h/d=2为基准时,当h/d=2,则α=1;故以上推论数据将为: F2=(0.80～0.90)F1或F2=(0.79～0.81)F1,其中不符合破坏荷
载允许范围的数值在50%以上.
结合圆柱体与立方体试件强度关系,通过对芯样试件标准尺寸与芯样混凝土强度换算公式的分析,笔者认为:在圆柱体试件(包括芯样试件)的标准高径比不明确的情况下,芯样试件强度与立方体试件强度之间的转换关系,尚需进一步的研究.
四.结语:
综上所述,要确定普通混凝土立方体与圆柱体试件抗压强度的关系,笔者认为应从几方面进行:一.圆柱体与芯样试件高径比的统一;只有在高径比统一的基础上,作为圆柱体的芯样试件才具有可比性与参照性.二.重新确定在1～2范围内的不同高径比的强度换算系数;以此作为芯样试件混凝土强度换算值的依据.三.
确认立方体与圆柱体试件之间的抗压强度差距;只有明确表明二者之间存在有强度差,才能进行研究探索,确立彼此强度关系.
由于试验条件的限制,本文仅仅只对相关情况进行初步分析,二者之间有真正强度关系的确立,还需要有关专家以及国家标准制定者组织人力、物力来进行.二者强度关系的确定,将使我国建筑行业的涉外工程更为便利.另外需要说明的是,无论是采用立方体试件还是圆柱体试件所测的混凝土强度指标都是通过人为规定的强度试验方法确定的,只能为结构设计和研究上的近似处理提供了强度依据,而非真实结构或构件的材料强度指标.
2003.9。