影响混凝土强度的因素分析

（1）组成材料的影响

1）水泥

水泥的强度等级直接影响混凝土强度的高低。在配合比（主要是W/C）相同的条件下，所用的水泥强度等级越高，制成的混凝土的强度也越高。

2）骨料

骨料对混凝土强度的影响主要在于它的颗粒形状、表面结构和粒径大小。在低水灰比的情况下，由于破碎的岩石（碎石）与水泥石有较好的机械黏结而能提高混凝土的强度。随着水灰比的增大，骨料的影响减小，当水灰比达0.65时，用碎石和卵石配制的混凝土强度基本上无差异。最大粒径大的骨料在达到一定和易性时，所需的水量少，这对强度有利。但是，有试验表明，粒径过大的骨料对混凝土强度有明显的负面影响，因此，在房屋建筑中，骨料粒径一般不超过40 mm，在这一限值内，尽量选用粒径粗大的骨料。

（2）配合比的影响

在影响混凝土强度的诸多因素中，影响最大的是水灰比。瑞士学者保罗米建立了混凝土强度的水灰比理论，认为水灰比W/C与混凝土强度fcu，28存在下列关系：

式中：fcu，28——混凝土28 d龄期立方体抗压强度，MPa；

fce——水泥实际强度，MPa；可通过试验测定，也可取富余系数Ke=1.13，按计算；

———水泥强度等级，MPa；

C——每立方米混凝土中水泥用量，kg；

W——每立方米混凝土中用水量，kg；

A、B——经验系数，与骨料品种、水泥品种和施工方法有关，当原材料与工艺措施相同时，A、B可视为常数值。碎石：A=0.46，B=0.07；卵石：A=0.48，B=0.33。当材料的品种和质量不同时，应尽可能结合工程实际通过试验求得数据。

人们将水灰比决定混凝土强度的理论称为水灰比定则（或水灰比法则）。混凝土强度主要决定于水灰比，因为水泥水化时所需的结合水只占水泥质量的23%左右，在拌制混凝土时，为了获得必要的流动性，常需用较多的水（水泥质量的40%~70%）。当混凝土硬化后，多余的水分残留在混凝土中形成水泡，水分蒸发后便留下孔隙（称毛细孔），从而降低了水泥石的密实性，实质是降低了混凝土抵抗荷载的有效断面积，而且孔隙处往往产生应力集中，使混凝土在较低应力下发生裂缝扩展以至断裂。由此也可以认为，在水泥强度等级相同的情况下，水灰比越小，水泥石与骨料的黏结力也越强，混凝土的强度也就越高。试验证明：混凝土强度随水灰比的增大而降低并非呈线性关系（图5.11（a）），而混凝土的强度随灰水比（水灰比的倒数）的提高而提高是呈线性关系（图5.11（b））的。

必须指出，在很低的水灰比情况下，混凝土拌合物难以充分密实，水灰比定则不再适用。因为水灰比过于小（对一定水泥用量而言，即加水量过少），使拌合物过于干硬，在一定捣实条件下，无法使混凝土流动密实，成型后的混凝土中将出现蜂窝、孔洞等严重缺陷，导致混凝土强度下降（甚至是大幅度下降）。在这种情况下，水灰比越小，强度反而越低。

图5.11　混凝土强度与水灰比及灰水比的关系

传统混凝土由水泥、砂、石和水这四种基本组分组成，而现代混凝土为了满足工程的需要，还加入了化学外加剂和矿物掺合料，这两种新的组分对混凝土的相关性能均产生了显著的影响，因此，混凝土配合比设计中所涉及的公式和系数也做了相应的调整，其中矿物掺合料与水泥统称为胶凝材料（用B表示），式（5.5）中水灰比W/C由水胶比W/B取代，经验系数A、B分别由回归系数αb和αb取代，详见5.9节。

（3）养护条件的影响

养护就是给混凝土充分的湿度和适当的温度，使成型好的混凝土处于不受有害应力影响的状态下水化、凝结和硬化，以获得最佳强度。混凝土处在相对湿度85%以上的环境中，即使有水分蒸发，也不会引起收缩，从而避免收缩应力的产生。

图5.12　混凝土强度与保持潮湿日期的关系

如果早期的混凝土所处的环境不保持充分的湿度，可能造成混凝土中水分大量蒸发，一方面因干燥失水而影响水泥的继续水化，另一方面因干缩而使混凝土在低强度状态下承受干缩引起的拉应力，致使混凝土表面出现裂缝。可见，对养护期混凝土保持充分的湿度十分重要。浇注完毕混凝土应在12 h内采取表面覆盖或洒水等措施，保证混凝土表面有一定量的水，防止其早期的塑性收缩和干缩。图5.12表明混凝土潮湿养护龄期越长，强度越高。

养护温度对混凝土强度的发展也有很大影响。试验表明，当温度低于-10℃时，水泥水化反应不能进行，混凝土强度停止发展。在0℃以下时，由于混凝土中的水分结冰，会导致混凝土冰冻损伤。尤其对早期混凝土，其破坏程度更为严重。一般情况下，养护温度高，强度发展快。但是，温度过高，尤其是升温速度越快时，反而会导致混凝土强度下降，这是因为水泥在较高温度下水化过快，导致水化产物分布不均匀以及过快形成的水化产物阻碍了水与水泥接触，影响了水泥继续水化，使混凝土后期强度发展缓慢，甚至停止发展。同时，因升温过快导致混凝土不均匀受热，产生有害热应力，使混凝土内部出现裂纹，增加结构缺陷，使混凝土强度下降。

养护混凝土常采用的方法有以下几种：

①自然养护。温度随气温变化，而湿度必须充分，一般洒水保湿。

②蒸汽养护。有常压蒸汽养护和高压蒸汽养护两种。常压蒸汽养护的温度不超过100℃，最佳最高温度为65~80℃，由饱和蒸汽提供充分的湿度保证。高压蒸汽养护必须使用蒸压釜，温度一般在160~210℃，与温度相应的蒸汽压力为0.6~2 MPa。蒸汽养护使生产周期大为缩短。

③标准养护。将混凝土置于温度为（20±2）℃、相对湿度大于95%的条件下养护。这种养护方法一般在试验室中采用。(www.xing528.com)

（4）龄期的影响

混凝土在正常养护条件下，其强度随龄期的延长而提高。混凝土在自然养护条件下，在早期强度增长较快，28 d以后增长变慢。混凝土的强度增长可以延续多年，若干年后强度可比28 d强度高一倍以上。

普通水泥制成的混凝土在标准养护条件下，混凝土强度的发展与其龄期有如图5.13（a）所示的曲线关系，与龄期的对数呈图5.13（b）所示的直线关系：

图5.13　混凝土强度增长与龄期的关系

式中：fcu，n——n d龄期混凝土的抗压强度，MPa；

fcu，28——28 d龄期混凝土的抗压强度，MPa；

lg n、lg 28——n（n≮3）和28的常用对数。

上述公式可由已知龄期的混凝土强度估算另一个龄期的强度，但是影响混凝土强度的因素很多，在用上述经验公式估算混凝土强度时，应注意其他条件要尽可能一致。该公式只适于普通水泥拌制的、在标准条件下养护的中等强度的混凝土。在实际工程中，多按《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB 50204—2015）提供的温度、龄期对混凝土强度影响参考曲线，可简便地从一已知龄期推算另一龄期的强度，如图5.14—图5.17所示。

图5.14　用32.5普通硅酸盐水泥拌制的混凝土

图5.15　用32.5矿渣硅酸盐水泥拌制的混凝土

图5.16　用42.5普通硅酸盐水泥拌制的混凝土

图5.17　用42.5矿渣硅酸盐水泥拌制的混凝土

（5）试验条件的影响

对于同一强度的混凝土，因试验测试条件不同，所测得的强度值可能不一样。为了使所测强度值具有可比性，必须统一试验测试条件。对测试结果有影响的试验条件一般包括试件尺寸、形状、试件干湿状态和加载速度等。

1）试件尺寸和形状

一般情况下，若试件形状相同，试件尺寸越小，所测强度值越大。原因是试验机压板与试件接触面之间的摩擦力对试件变形的约束作用阻止试件横向膨胀，使试件在更高的应力下才会破坏，所测强度值偏高，这就是所谓的“支座效应”或“环箍效应”。另一方面，随着试件尺寸的增大，其内部出现缺陷的概率大，导致有效受力面积减小，并引起应力集中，这就是大试件强度偏低的原因。混凝土试件的破坏状态如图5.18所示。

图5.18　混凝土试件的破坏状态

2）试件干湿状态

在持续加载下，混凝土中裂缝的扩展对水的存在反应敏感，干燥的混凝土比潮湿的混凝土测得的强度高，烘干试件比饱水试件强度增加10%~15%，甚至更多，这可能是饱水的混凝土在裂缝扩展时有应力腐蚀作用存在。这种强度变化具有可逆性，将烘干试件重新吸水饱和，强度又会降到原来饱和水状态的水平。因此，混凝土力学性能试验方法标准规定：混凝土试件在饱水状态下养护并在饱水状态下测定强度（试件从养护地点取出后，应尽快进行试验，以免试件内部湿度发生显著变化）。

3）加荷速度

通常情况下，加荷速度越慢，则测得的强度越低，其原因可能是由于缓慢加荷会增加亚临界裂缝的数量及长度，从而降低断裂应力。因此，为了得到可对比的混凝土强度，加荷速度必须控制在规定的范围内。