二、硬化混凝土的效能
（一）混凝土的強度
強度是硬化混凝土最重要的性質，混凝土的其他效能與強度均有密切關係，混凝土的強度也是配合比設計、施工控制和質量檢驗評定的主要技術指標。混凝土的強度主要有抗壓強度、抗折強度、抗拉強度和抗剪強度等。其中抗壓強度值最大，也是最主要的強度指標。
1．混凝土的立方體抗壓強度和強度等級。根據我國《普通混凝土力學效能試驗方法》（gbj81—85）規定，立方體試件的標準尺寸為150mm×150mm×150mm；標準養護條件為溫度20±3℃，相對濕度90%以上；標準齡期為28天。在上述條件下測得的抗壓強度值稱為混凝土立方體抗壓強度，以表示。
其測試和計算方法詳見試驗部分。
根據 《混凝土結構設計規範》（gb50010－2002），混凝土的強度等級應按立方體抗壓強度標準值確定，混凝土立方體抗壓強度標準值系指標準方法製作養護的邊長為150mm的立方體試件，在28天齡期用標準方法測得的具有95%保證率的抗壓強度。鋼筋混凝土結構用混凝土分為c15、c20、c25、c30、c35、c40、c45、c50、c55、c60、c65、c70、c75、c80共14個等級。根據《混凝土質量控制標準》（gb50164－1992）的規定，強度等級採用符號c和相應的標準值表示，普通混凝土劃分為c7.
5、c10、c15、c20、c25、c30、c35、c40、c45、c50、c55、c60共12個強度等級。如c30表示立方體抗壓強度標準值為30mpa，亦即混凝土立方體抗壓強度≥30mpa的概率要求95%以上。
混凝土強度等級的劃分主要是為了方便設計、施工驗收等。強度等級的選擇主要根據建築物的重要性、結構部位和荷載情況確定。一般可按下列原則初步選擇：
（1）普通建築物的墊層、基礎、地坪及受力不大的結構或非永久性建築選用c7.5～c15。
（2）普通建築物的梁、板、柱、樓梯、屋架等鋼筋混凝土結構選用c20～c30。
（3）高層建築、大跨度結構、預應力混凝土及特種結構宜選用c30以上混凝土。
2．軸心抗壓強度。軸心抗壓強度也稱為稜柱體抗壓強度。由於實際結構物（如梁、柱）多為稜柱體構件，因此採用稜柱體試件強度更有實際意義。
它是採用150mm×150mm×（300～450）mm的稜柱體試件，經標準養護到28天測試而得。同一材料的軸心抗壓強度小於立方體強度，其比值大約為=0.7～0.
8。這是因為抗壓強度試驗時，試件在上下兩塊鋼壓板的摩擦力約束下，側向變形受到限制，即「環箍效應」其影響高度大約為試件邊長的0.866倍，如圖4-8。
因此立方體試件整體受到環箍效應的限制，測得的強度相對較高。而稜柱體試件的中間區域未受到「環箍效應」的影響，屬純壓區，測得的強度相對較低。當鋼壓板與試件之間塗上潤滑劑後，摩擦阻力減小，環箍效應減弱，立方體抗壓強度與稜柱體抗壓強度趨於相等。
圖4-8 鋼壓板對試件的約束作用
3．抗拉強度。混凝土的抗拉強度很小，只有抗壓強度的1/10～1/20，混凝土強度等級越高，其比值越小。為此，在鋼筋混凝土結構設計中，一般不考慮承受拉力，而是通過配置鋼筋，由鋼筋來承擔結構的拉力。
但抗拉強度對混凝土的抗裂性具有重要作用，它是結構設計中裂逢寬度和裂縫間距計算控制的主要指標，也是抵抗由於收縮和溫度變形而導致開裂的主要指標。
用軸向拉伸試驗測定混凝土的抗拉強度，由於荷載不易對準軸線而產生偏拉，且夾具處由於應力集中常發生區域性破壞，因此試驗測試非常困難，測試值的準確度也較低，故國內外普遍採用劈裂法間接測定混凝土的抗拉強度，即劈裂抗拉強度。
劈拉試驗的標準試件尺寸為邊長150mm的立方體，在上下兩相對面的中心線上施加均佈線荷載，使試件內豎向平面上產生均布拉應力，如圖4-9。圖4-9 劈裂抗拉試驗裝置示意圖
此拉應力可通過彈性理論計算得出，計算式如下： （4-8）式中：
——混凝土劈裂抗拉強度（mpa）；
p——破壞荷載（n）；
a——試件劈裂面積（mm2）。
劈拉法不但大大簡化了試驗過程，而且能較準確地反應混凝土的抗拉強度。試驗研究表明，軸拉強度低於劈拉強度，兩者的比值約為0.8～0.
9。在無試驗資料時，劈拉強度也可通過立方體抗壓強度由下式估算： （4-9）
4．抗折強度。道路路面或機場道麵用水泥混凝土通常以抗折強度為主要強度指標，抗壓強度僅作為參考指標。根據我國《公路水泥混凝土路面設計規範》（jtj012—94）規定，不同交通量分級的水泥混凝土計算抗折強度如表4-14。
道路水泥混凝土抗折強度與抗壓強度的換算關係如表4-15。表4-14 路面水泥混凝土計算抗折強度交通量分級特重重中等輕混凝土計算抗折強度（mpa）5.05.
04.54.0 表4-15 道路水泥混凝土抗折強度與抗壓強度的關係抗折強度（mpa）4.
04.55.05.
5抗壓強度（mpa）25.030.035.
540.0
道路水泥混凝土的抗折強度標準試件尺寸為150mm×150mm×550mm的小梁，在標準條件下養護28天，按三分點加荷方式（如圖4-10）測定抗折破壞荷載，根據下式計算抗折強度： （4-10）式中：
——破壞荷載（n）；
l——支座間距（mm）；
b、h——試件的寬度和高度（mm）。
如採用跨中單點加荷得到的抗折強度，應乘以折算係數0.85。圖4-10 路面混凝土三分點抗折試驗裝置示意圖
5．影響混凝土強度的主要因素。影響混凝土強度的因素很多，從內因來說主要有水泥強度、水灰比和骨料質量；從外因來說，則主要有施工條件、養護溫度、濕度、齡期、試驗條件和外加劑等等。分析影響混凝土強度各因素的目的，在於可根據工程實際情況，採取相應技術措施，提高混凝土的強度。
（1）水泥強度和水灰比：混凝土的強度主要來自水泥石以及與骨料之間的粘結強度。水泥強度越高，則水泥石自身強度及與骨料的粘結強度就越高，混凝土強度也越高，試驗證明，混凝土與水泥強度成正比關係。
水泥完全水化的理論需水量約為水泥重的23%左右，但實際拌製混凝土時，為獲得良好的和易性，水灰比大約在0.40～0.65之間，多餘水分蒸發後，在混凝土內部留下孔隙，且水灰比越大，留下的孔隙越大，使有效承壓面積減少，混凝土強度也就越小。
另一方而，多餘水分在混凝土內的遷移過程中遇到粗骨料時，由於受到粗骨料的阻礙，水分往往在其底部積聚，形成水泡，極大地削弱砂漿與骨料的粘結強度，使混凝土強度下降。因此，在水泥強度和其他條件相同的情況下，水灰比越小，混凝土強度越高，水灰比越大，混凝土強度越低。但水灰比太小，混凝土過於幹稠，使得不能保證振搗均勻密實，強度反而降低。
試驗證明，在相同的情況下，混凝土的強度（）與水灰比呈有規律的曲線關係，而與灰水比則成線性關係。如圖4-11所示，通過大量試驗資料的數理統計分析，建立了混凝土強度經驗公式（又稱鮑羅公尺公式）：
圖4-11 混凝土強度與水灰比及灰水比的關係 （4-11）式中：
——混凝土的立方體抗壓強度（mpa）：
——混凝土的灰水比；即1m3混凝土中水泥與水用量之比，其倒數即是水灰比；
——水泥的實際強度（mpa）；
、——與骨料種類有關的經驗係數。
水泥的實際強度根據水泥膠砂強度試驗方法測定。在進行混凝土配合比設計和實際施工中，需要事先確定水泥強度。當無條件時，可根據我國水泥生產標準及各地區實際情況，水泥實際強度以水泥強度等級乘以富餘係數確定：
（4-12）式中：
——水泥強度等級富餘係數，一般取1.05～1.15。如水泥已存放一定時間，則取1.0；如存放時間超過3個月，或水泥已有結塊現象， 可能小於1.0，必須通過試驗實測。
——水泥強度等級。如42.5級， 取42.5mpa。
經驗係數、可通過試驗或本地區經驗確定。根據所用骨料品種，jgj55-2000《普通混凝土配合比設計規程》提供的引數為：
碎石：=0.46，=0.07
卵石：=0.48，=0.33
混凝土強度經驗公式為配合比設計和質量控制帶來極大便利。例如，當選定水泥強度等級（或強度）、水灰比和骨料種類時，可以推算混凝土28天強度值。又例如，根據設計要求的混凝土強度值，在原材料選定後，可以估算應採用的水灰比值。
[例4-2] 已知某混凝土用水泥強度為45.6mpa，水灰比0.50，碎石。試估算該混凝土28天強度值。
[解] 因為：w/c＝0.50 所以c/w＝1/0.5＝2
碎石：＝0.46，＝0.07
代入混凝土強度公式有：＝0.46×45.6（2－0.07）＝40.5（mpa）
答：估計該混凝土28天強度值為40.5mpa。
[例4-3] 已知某工程用混凝土採用強度等級為42.5的普通水泥（強度富餘係數kc為1.10），卵石，要求配製強度為36.8mpa的混凝土。估算應採用的水灰比。
[解]＝1.10×42.5＝46.8（mpa）
卵石：＝0.48，＝0.33
代入混凝土強度公式有：36.8＝0.48×46.8×（c/w－0.33）
解得：c/w＝1.97， 所以：w/c＝0.51
答：配製該混凝土應採用的水灰比為0.51。
（2）骨料的品質：骨料中的有害物質含量高，則混凝土強度低，骨料自身強度不足，也可能降低混凝土強度。在配製高強混凝土時尤為突出。
骨料的顆粒形狀和表面粗糙度對強度影響較為顯著，如碎石表面較粗糙，多稜角，與水泥砂漿的機械嚙合力（即粘結強度）提高，混凝土強度較高。相反，卵石表面光潔，強度也較低，這一點在混凝土強度公式中的骨料係數已有所反映。但若保持流動性相等，水泥用量相等時，由於卵石混凝土可比碎石混凝土適當少用部分水，即水灰比略小，此時，兩者強度相差不大。
砂的作用效果與粗骨料類似。
當粗骨料中針片狀含量較高時，將降低混凝土強度，對抗折強度的影響更顯著。所以在骨料選擇時要盡量選用接近球狀體的顆粒。
（3）施工條件：施工條件主要指攪拌和振搗成型。一般來說機械攪拌比人工攪拌均勻，因此強度也相對較高（如圖4-12所示）；攪拌時間越長，混凝土強度越高，如圖4-13。
但考慮到能耗、施工進度等，一般要求控制在2～3min之間；投料方式對強度也有一定影響，如先投入粗骨料、水泥和適量水攪拌一定時間，再加入砂和其餘水，能比一次全部投料攪拌提高強度10%左右。
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