关于水泥混凝土强度的几个问题

　　内容摘要：本文就水泥混凝土强度的概念、表示方法、强度测定、强度评定、质量控制等内容进行了说明和探讨。

　　公路工程中，水泥混凝土（以下简称混凝土）是应用十分普遍的建筑材料，而混凝土构件的质量控制中，混凝土强度又是十分关键的指标。近年在工作中，我们发现不少人对混凝土强度的认识比较片面，有必要进行澄清，并对一些问题提出我们的看法，供参考，不妥之处，敬请批评指正。

　　1、 混凝土强度的概念

　　混凝土是由粗、细集料及胶粘材料组成的非匀质脆性材料，由于其抗压性能远高于抗拉性能，常用于承压。

　　公路工程中所关心的混凝土强度，主要是抗压强度和弯拉强度。弯拉强度是混凝土路面主要指标之一，它与抗压强度有一定的相关性，本文不予讨论。

　　1.1  标准立方体混凝土抗压强度

　　标准立方体混凝土抗压强度是由标准立方体混凝土试件的轴心极限抗压能力表征的。《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG E30-2005）T0551、T0553对试件的制作、养生、试压、结果计算、非标准试件的尺寸换算等，均作了具体规定。

　　目前，国标及公路行业均规定15*15*15cm3试件为标准立方体试件。同时根据粗集料的规格，允许使用20*20*20cm3及10*10*10cm3等非标准试件，但其试压强度必须换算为标准立方体强度，换算系数分别为1.05和0.95。

　　1.2 标准圆柱体混凝土抗压强度

　　标准圆柱体混凝土抗压强度是由标准圆柱形混凝土试件的轴心极限抗压能力表征的。JTG E30-2005 T0551、T0554具体规定中，除试件形状、尺寸与标准立方体试件不同外，其他条件基本相同。

　　标准圆柱体试件的尺寸为高30cm、直径为15cm的圆柱体。允许使用高40cm、直径20cm及高20cm、直径10cm的非标准圆柱体试件，其试压强度也必须换算为标准圆柱体抗压强度，换算系数分别为1.05和0.95。

　　1.3 标准立方体与标准圆柱体混凝土抗压强度的关系

　　应注意的是，标准立方体混凝土抗压强度R立一般比标准圆柱体混凝土抗压强度R园要高约1.25倍。JTG E30-2005 T0554条文说明中给出的一般换算关系为：
    R立  =1.25*R园                                 (A)

　　缺乏严格的换算关系时，可以参照（A）式或JTG E30-2005表T0554-3进行换算，但不能作为水泥混凝土强度评定时的转换依据。

　　1.4 混凝土芯样的强度

　　公路工程中，常用高100±10mm、高径比1：1的混凝土芯样的试压强度推定混凝土强度。
　　JTG E30-2005 T0554给出了不同高径比h／d时非标准芯样抗压强度的尺寸修正系数c之间的关系如下:
h／d=2.00   c=1.00     h／d=1.75     c=0.98
h／d=1.50   c=0.96     h／d=1.25     c=0.93
h／d=1.00   c=0.87

　　可以看到，高径比为2：1与高径比为1：1的圆柱体试件的试压强度R2/1与R1/1之间的关系为：
　　R2/1 =0.87*R1/1                                    （B）

　　若用R芯表示直径100±10mm、高径比1：1的芯样试压强度，则芯样代表的标准立方体混凝土强度R立可用下式表示：

　　R立=R芯*0.87(换算为高径比为2：1的非标圆柱体强度)*0.95(换算为直径15cm的标准圆柱体强度)*1.25（换算为标准立方体强度）

　　即  R立=1.033*R芯≌R芯                          （C）

　　即直径100±10mm、高径比1：1的芯样试压强度约等于标准立方体混凝土抗压强度。
中国工程建设标准化委员会的《钻芯法检测混凝土强度技术规程》（CECS03－88）也推荐了（C）式。JTG F80－2004附录D条文说明也认可了CECS的推荐。

　　1.5 水泥混凝土设计强度

　　《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）3.1规定：“混凝土强度等级应按边长为150mm立方体试件的抗压标准值确定。抗压强度标准制系指试件用标准方法制作、养护至28d龄期，以标准试验方法测得的具有95%保证率的抗压强度。”同时指出，混凝土强度等级与“85桥规”中的标号之间并非等同关系，标号代表的强度降低2MPa后，相当于强度等级，如30号混凝土相当于C28混凝土。因此应注意：

　　A、 我们常说的“混凝土设计强度”或“混凝土强度”，系指标准立方体混凝土抗压强度。对于非标准试件和圆柱体试件的抗压强度，必须经尺寸、形状修正，换算为标准立方体混凝土抗压强度，才可与设计值进行比较。换算关系一般应通过大量实验确定，实验数据不足时，可参照上述各式进行换算，但应注意，按上述换算所得的数据进行强度评定，可能导致争议。

　　B、 混凝土强度等级比混凝土标号低（低2MPa），因此，04桥规设计的混凝土强度比85桥规设计的混凝土强度要高，即对混凝土质量的要求提高了（约2MPa）。

　　2、 混凝土强度的表示

　　混凝土强度的表示，因单位制和保证率的不同，在我国经历了三种形式。关于混凝土强度最早的表示形式是标号，用“#”作标识，例如250#混凝土，其单位是kg/cm2,保证率为85%；在上世纪80年代我国推行国际单位制后，《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041－89）中混凝土强度仍称为标号，用“M”作标识，例如M25混凝土，其单位是MPa，保证率仍为85%，但这一表示方式未普及使用且延续的时间较短；上世纪90年代，《公路工程质量检验评定标准》（JTJ071-98）中，混凝土强度称为强度等级，用“C”标识，例如C25混凝土，单位仍为MPa，但保证率为95%。由于保证率不同，M与C之间存在如下关系（参见JTJ071－98及JTG F80－2004附录D条文说明）：
　　C＝M－2（MPa）   (D)
　　保证率是对大批量混凝土生产质量统计学意义上的保证性要求。JTG F80-2004附录D规定，试件大于等于10组时，以数理统计方法按下述条件评定：

　　Rn-K1*Sn≥0.9*R； Rmin≥K2*R                      （E）

　　式中：n—同批混凝土试件组数；
　　Rn—同批n组试件强度的平均值；
　　Sn—同批n组试件强度的标准差；
　　R—混凝土设计强度等级；
　　Rmin—n组试件中强度最低一组的值；
　　K1、K2—与组数相关的系数，当n=10-14时，K1=1.70，K2=0.9；当n=15-24时，K1=1.65，K2=0.85；

　　当n≥25时，K1=1.60，K2=0.85。

　　试件少于10组时，用非数理统计方法按下述条件评定：
　　Rn≥1.15*R; Rmin≥0.95*R                      (F)

　　满足（D）或（E）式，则该批混凝土强度合格，否则不合格。

　　（E）和（F）式是保证率为95%时的要求。当保证率为85%时，

　　（F）式中的0.9换为0.8，（F）式中的1.15换为1.00，0.95换为0.85，K1、K2相应变化，其余基本不变。

　　3、 混凝土强度的测定

　　公路行业现行规范要求用标准养生的混凝土试件的强度表征实体混凝土的强度，但工程实际中也常用其它方法测定实体混凝土的强度。公路行业对实体混凝土强度的测定，常用取芯法。对取芯法应注意以下问题：

　　A、 芯样的直径应为混凝土集料公称最大粒径的4倍，一般为100±10、150±10mm。钻芯位置尽可能避免混凝土构件接缝和边缘，且不应带有钢筋。

　　B、 芯样受压面不平整时，宜按JTG E30-2005 T0551的相关规定，用硬石膏或硬石膏与水泥的混合物修平，规范不建议用磨平机磨平，以减少对试件的进一步损伤。

　　C、 不同高径比的试件，按JTG E30-2004表T0554-2进行修正，然后经尺寸、形状修正后换算为标准强度。也可用（C）式换算，但应注意条件。

　　D、 一方面，在钻芯、制件过程中，对芯样混凝土强度不可避免地产生有害影响；另一方面，芯样强度换算为标准强度时，关系不够明确；第三，因为尺寸效应及受力条件的差异，芯样混凝土强度与芯样混凝土在原位时的强度相比，明显下降，因此，用芯样强度进行混凝土强度评定时，尺度宜适当放宽，以免造成较大争议。

　　4、 混凝土质量评定中应注意的几个问题

　　4.1 标号与强度等级的区别

　　A、 标准试件尺寸不同。

　　标准抗压试件尺寸如下：
    试件       强度等级               标号
    标准立方体   150＊150＊150（mm）  200*200*200(mm)
    标准圆柱体   φ150＊300（mm）  φ200*400(mm)
    其它标准、非标准试件尺寸见JTG E30－2005 表T0551－1。

　　B、 保证率不同。

　　标号的保证率为85%，强度等级为95%。强度等级对混凝土质量的要求更高一些。

　　进行混凝土配合比设计时，试配强度应高于设计强度的120%以上，方可保证实体混凝土强度按非数理统计方法评定时合格，因为评定标准要求，此时的强度平均值，不得小于设计值的115%。

　　C、 养生条件不同。

　　1998及2004年《公路工程质量检验评定标准》均规定，评定水泥混凝土的抗压强度，应以标准养护28d龄期的试件为准。《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041－2000）要求对混凝土试件进行同条件养生，即把试件放置在与构件同等的环境中，与构件混凝土采用同等养生方式。

　　D、 强度确定方法不同。

　　原水泥混凝土试验规程要求，一组三个试件的试压值，如果有一个值超出三个试件试压值的平均值的15%，舍弃该值后，取其余二个的平均值作为混凝土强度；新的试验规程规定，一组三个试件的试压值，如果有一个值超出三个试件试压值中的中间值的15%，取中间值作为混凝土强度。其它情况下的规定基本相同。

　　4.2 同批混凝土的界定

　　JTG F80附录D条文说明中指出，同批混凝土是指用相同的材料、配比、和生产工艺条件，在比较短的时间内完成的同强度实体混凝土。
同批梁可以每二、三孔作为一批；中小跨径桥的桩、墩柱、盖梁等，可以数孔为一批；

　　同批的时间范围不宜超过一季，且日平均气温差不宜大于15℃。如果材料、配比、工艺条件或生产环境有较大变化，则不可视为同批混凝土。

　　JTG F80附录D条文说明同时指出，应尽可能采用更加科学合理的数理统计评定方法。

　　4.3 质量控制与质量评定的区别

　　施工质量控制的目的，是针对当前施工中存在的问题，采取一定的措施，避免以后的施工中出现同样的问题。而质量评定的目的，是对已经完成的工程的质量进行评价，确定工程质量的优劣。
公路工程施工过程中，项目业主、监理、施工单位应进行严格的质量控制。基于质量控制的目的，对每一混凝土构件的强度都应严格控制，甚    至可用单点强度是否合格作为标尺衡量施工质量，可以要求对不合格的工程返工重做。

　　对已完工程进行质量评定时，应采用数理统计方法，除非有影响结构安全性、使用性的重要缺陷，一般缺陷可不返工，以免造成不必要的浪费。

　　质量监督机构的质量评定工作，宜用数理统计方法进，以确定工程是否可以交付使用。但对重要缺陷，应责令修复。应说明的是，这与《公路工程竣（交）工验收办法》（交通部令［2004］第3号）的相关规定并不矛盾。

　　4.4 构件的局部强度与整体强度

　　公路工程中混凝土构件一般尺寸较大，如40米梁、数十米的桩基等等。JTG F80附录D对预留试件的组数给出了明确规定。如果一个构件预留的几组试件强度有合格也有不合格，或对构件不同部位用回弹或取芯方法进行强度检测后，有合格也有不合格，如何评价构件的强度？各地、各项目、各单位的做法不尽相同。

　　第一种做法是，以最低的一组试件强度或最低的局部强度（回弹的某测区、芯样的一个试件强度）为整个构件的强度，与设计值进行比较，据此评判构件混凝土强度是否合格。采用此种做法的单位较多，但此种做法明显有失偏颇。例如，某桩基设计强度为C25，通过三组芯样试验，2组强度合格，一组强度略低于设计值（不小于极值），但该桩被判为III类或IV类，不合格；也有因三组9个试件中一个试件的试压结果低于设计值（其余均远高于设计值），被判为不合格。

　　第二种做法类似第一种，但与数理统计或非数理统计中要求的最低强度进行比较。这种做法有可取之处，特别是在构件上对混凝土强度要求最严的部位（主要的弯压区），要求强度不得低于强度最低要求是合理的。但应注意上述讨论中的各种因素，给出合理的结果判定。强度测定单位应严格操作，避免测定结果失真。

　　第三种做法是将所有检测结果取平均值与设计值比较、评定。这种做法是没有依据的。

　　正确的做法应是将同一构件按同批混凝土对待，按数理统计或非数理统计方法与设计值进行比较、评定。JTG F80附录D给出了严格而明确的规定。

　　5、 影响混凝土强度的重要因素

　　影响混凝土强度的主要因素，主要包括材料质量、施工工艺条件、施工环境、质量控制等，施工技术规范对此都有明确规定。这里着重强调如下两点。

　　5.1 外加剂

　　外加剂是近年来在混凝土工程中使用越来越普遍的一种表面活性材料，已经成为水泥混凝土主要（甚至必不可少）的组分。如果使用得当，它可以极大地改善混凝土的物理力学性能，达到预期的目的，如果使用不当，则会对混凝土质量造成极大地损伤。

　　目前，外加剂的品种越来越多，市场状况也鱼龙混杂、良莠不齐，致使外加剂质量参差不齐，甚至品名与实际性能不符。另一方面，对外加剂基本上放任自流，任由施工单位自行采购和使用，对其质量监管不到位。我们在工作中，遇到不少因外加剂使用不当造成的问题，如预制梁混凝土十几个小时不凝结，误把速凝剂用于水下桩基灌注导致断桩等等。

　　外加剂的试验分为性能试验和匀质性试验两个方面。性能试验主要检验掺入外加剂后，混凝土或其拌合物能否达到预期的效果，类似于混凝土配合比试验；匀质性试验主要检验外加剂自身的性能是否满足相关规定，类似于水泥三大指标检验。我们已经习惯了混凝土配比设计及进场水泥质量的抽检，但对外加剂，一般只在配合比设计时作性能试验，对进场的外加剂没有要求进行匀质性试验，且对外加剂的使用剂量也未加严格控制，这给混凝土质量造成了极大地隐患。

　　因此我们建议，向对待水泥质量控制一样，施工现场应严格控制外加剂的质量及使用剂量。

　　5.2 首件认可

　　路基路面施工中，我们已经习惯了首先进行试验段施工，经过严格检测、审批后，才可大面积施工。但这一对质量控制行之有效的做法，却未在混凝土工程施工中全面推广。

　　我们建议，当首个（或首批）混凝土构件施工完毕后，应从材料、配比、工艺、外观质量、内在质量等方面进行全面检测、评价，据此对影响其质量的各个环节（类似于沥青路面的材料、配比、拌合时间、摊铺及碾压温度、机械组合等等）进行严格确认和审批，并以批准的工艺条件控制其后的施工，从而保障施工质量。