鋼筋混凝土

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鋼筋混凝土(英文:Reinforced Concrete或Ferroconcrete),工程上常被簡稱為鋼筋(tong)。是指通過在混凝土中加入鋼筋網(wǎng)、鋼板或纖維而構(gòu)成的一種組合材料與之共同工作來改善混凝土力學(xué)性質(zhì)的一種組合材料。為加勁混凝土最常見的一種形式 [1] 
中文名
鋼筋混凝土
外文名
Reinforced Concrete
別    名
鋼筋
分    類
混合物

鋼筋混凝土歷史及發(fā)展

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鋼筋混凝土的發(fā)明出現(xiàn)在近代,通常認(rèn)為法國園丁約瑟夫·莫尼爾(en:Joseph Monier(英文))于1849年發(fā)明鋼筋混凝土并于1867年取得包括鋼筋混凝土花盆以及緊隨其后應(yīng)用于公路護(hù)欄的鋼筋混凝土梁柱的專利。1872年,世界第一座鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑在美國紐約落成,人類建筑史上一個嶄新的紀(jì)元從此開始,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在1900年之后在工程界方得到了大規(guī)模的使用。1928年,一種新型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土出現(xiàn),并于二次世界大戰(zhàn)后亦被廣泛地應(yīng)用于工程實(shí)踐。鋼筋混凝土的發(fā)明以及19世紀(jì)中葉鋼材在建筑業(yè)中的應(yīng)用使高層建筑與大跨度橋梁的建造成為可能。 [1] 
目前在中國,鋼筋混凝土為應(yīng)用最多的一種結(jié)構(gòu)形式,占總數(shù)的絕大多數(shù),同時中國也是世界上使用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)最多的地區(qū)。其主要原材料水泥產(chǎn)量已于2010年達(dá)到18.82億噸,占世界總產(chǎn)量70%左右。 [1] 

鋼筋混凝土工作原理

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鋼筋混凝土之所以可以共同工作是由它自身的材料性質(zhì)決定的。首先鋼筋與混凝土有著近似相同的線膨脹系數(shù),不會由環(huán)境不同產(chǎn)生過大的應(yīng)力。其次鋼筋與混凝土之間有良好的粘結(jié)力,有時鋼筋的表面也被加工成有間隔的肋條(稱為變形鋼筋)來提高混凝土與鋼筋之間的機(jī)械咬合,當(dāng)此仍不足以傳遞鋼筋與混凝土之間的拉力時,通常將鋼筋的端部彎起180 度彎鉤。此外混凝土中的氫氧化鈣提供的堿性環(huán)境,在鋼筋表面形成了一層鈍化保護(hù)膜,使鋼筋相對于中性與酸性環(huán)境下更不易腐蝕。

鋼筋混凝土特性

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混凝土是水泥(通常硅酸鹽水泥)與骨料的混合物。當(dāng)加入一定量水分的時候,水泥水化形成微觀不透明晶格結(jié)構(gòu)從而包裹和結(jié)合骨料成為整體結(jié)構(gòu)。通?;炷两Y(jié)構(gòu)擁有較強(qiáng)的抗壓強(qiáng)度(大約 3,000 磅/平方英寸, 35 MPa)。但是混凝土的抗拉強(qiáng)度較低,通常只有抗壓強(qiáng)度的十分之一左右,任何顯著的拉彎作用都會使其微觀晶格結(jié)構(gòu)開裂和分離從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。而絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部都有受拉應(yīng)力作用的需求,故未加鋼筋的混凝土極少被單獨(dú)使用于工程。
相較混凝土而言,鋼筋抗拉強(qiáng)度非常高,一般在200MPa以上,故通常人們在混凝土中加入鋼筋等加勁材料與之共同工作,由鋼筋承擔(dān)其中的拉力,混凝土承擔(dān)壓應(yīng)力部分。例如在圖2簡支梁受彎構(gòu)件中,當(dāng)施加荷載P時,梁截面上部受壓,下部受拉。此時配置在梁底部的鋼筋承擔(dān)拉力(4),而上部陰影區(qū)所示混凝土(2)承受壓力(3)。在一些小截面構(gòu)件里,除了承受拉力之外,鋼筋同樣可用于承受壓力,這通常發(fā)生在柱子之中。鋼筋混凝土構(gòu)件截面可以根據(jù)工程需要制成不同的形狀和大小。
普通混凝土一樣,鋼筋混凝土在28天后達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)

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鋼筋混凝土中的受力筋含量通常很少,從占構(gòu)件截面面積的1%(多見于梁板)至 6%(多見于柱)不等。鋼筋的截面為圓型。在美國從0.25至1英尺,每級1/8英尺遞增;在歐洲從8至30毫米,每級2毫米遞增;在中國大陸從3至40毫米,共分為19等。在美國,根據(jù)鋼筋中含碳量,分成40鋼與60鋼兩種。后者含碳量更高,且強(qiáng)度和剛度較高,但難于彎曲。在腐蝕環(huán)境中,電鍍、外涂環(huán)氧樹脂、和不銹鋼材質(zhì)的鋼筋亦有使用。
在潮濕與寒冷氣候條件下,鋼筋混凝土路面、橋梁、停車場等可能使用除冰鹽的結(jié)構(gòu)則應(yīng)使用環(huán)氧樹脂鋼筋或者其他復(fù)合材料混凝土,環(huán)氧樹脂鋼筋可以通過表面的淺綠色涂料輕松識別。

鋼筋混凝土不利因素

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鋼筋銹蝕與混凝土的凍融循環(huán)
鋼筋銹蝕與混凝土的凍融循環(huán)會對混凝土的結(jié)構(gòu)造成損傷。當(dāng)鋼筋銹蝕時,銹跡擴(kuò)展,使混凝土開裂并使鋼筋與混凝土之間的結(jié)合力喪失。當(dāng)水穿透混凝土表面進(jìn)入內(nèi)部時,受凍凝結(jié)的水分體積膨脹,經(jīng)過反復(fù)的凍融循環(huán)作用,在微觀上使混凝土產(chǎn)生裂縫并且不斷加深,從而使混凝土壓碎并對混凝土造成永久性不可逆的損傷。 [1] 
在潮濕與寒冷氣候條件下,對鋼筋混凝土路面、橋梁、停車場等可能使用除冰鹽的建筑結(jié)構(gòu)物,應(yīng)使用環(huán)氧樹脂鋼筋或者熱浸電鍍、不銹鋼鋼筋等材料作為加強(qiáng)筋。環(huán)氧樹脂鋼筋可以通過表面的淺綠色涂料輕松識別。更便宜的辦法是使用磷酸鋅作為鋼筋的防銹涂料,磷酸鋅與鈣離子與氫氧根離子反應(yīng)生成穩(wěn)定的羥磷灰石。防水材料也用來保護(hù)鋼筋混凝土,如夾層填入膨潤土的無紡?fù)凉げ肌?a target=_blank href="/item/%E4%BA%9A%E7%A1%9D%E9%85%B8%E9%92%99">亞硝酸鈣Ca(NO2)2作為緩蝕劑,按照相對于水泥重量1-2%的比例添加,可以防護(hù)鋼筋的腐蝕。因?yàn)?a target=_blank href="/item/%E4%BA%9A%E7%A1%9D%E9%85%B8%E6%A0%B9%E7%A6%BB%E5%AD%90">亞硝酸根離子是一種溫和的氧化劑,與鋼筋表面的亞鐵離子(Fe)結(jié)合沉淀為不可溶的氫氧化鐵(Fe(OH)3). [1] 
碳化作用
正確地說應(yīng)該是叫碳酸化作用,習(xí)慣通稱為碳化作用?;炷林械目紫端ǔJ菈A性的,根據(jù)Pourbaix圖,鋼筋在pH值大于11時是惰性的,不會發(fā)生銹蝕??諝庵械亩趸寂c水泥中的堿反應(yīng)使孔隙水變得更加酸性,從而使pH值降低。從構(gòu)件制成之時起,二氧化碳便會碳酸化構(gòu)件表面的混凝土,并且不斷加深。如果構(gòu)件發(fā)生開裂,空氣中的二氧化碳將會更容易進(jìn)入混凝土的內(nèi)部。通常在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中,會根據(jù)建筑規(guī)范確定最小鋼筋保護(hù)層厚度,如果混凝土的碳化削弱了這一數(shù)值,便可能會導(dǎo)致因鋼筋銹蝕造成的結(jié)構(gòu)破壞。 [1] 
測試構(gòu)件表面的碳化程度的方法是在其表面鉆一個孔,并滴以酚酞,沒有碳化部分便會變成粉色,通過測定沒有變色的砼的深度,便可得知碳化層的深度。
氯化腐蝕
氯化物, 包括氯化鈉,會對混凝土中的鋼筋腐蝕。因此,拌合混凝土?xí)r只允許使用清水。同樣使用鹽來為混凝土路面除冰是被禁止的。
堿骨料反應(yīng)
堿骨料反應(yīng)堿硅反應(yīng),(Alkali Aggregate Reaction,簡稱AAR,或Alkali Silica Reaction,簡稱ASR)是指當(dāng)水泥的堿性過強(qiáng)時,骨料中的非結(jié)晶硅成分(SiO2)溶解并游離在高pH (12.5 - 13.5) 的水中,與水泥中的氫氧根離子發(fā)生反應(yīng)生成硅酸鹽,與水泥中的氫氧化鈣反應(yīng)生成水合硅酸鈣,引起混凝土的不均勻膨脹,導(dǎo)致開裂破壞。它的發(fā)生條件為(1)骨料中含有相關(guān)活性成分——非結(jié)晶的二氧化硅;(2)環(huán)境中有足夠的氫氧根離子;(3混凝土中有足夠的濕度,相對濕度大于75%。這種反應(yīng)被稱為混凝土之癌,不論是否加強(qiáng)了鋼筋,混凝土中都會有此反應(yīng)。例如,混凝土的大壩。 [1] 
高鋁水泥的晶體轉(zhuǎn)變
高鋁水泥對弱酸特別是硫酸鹽有抗性,同時早期強(qiáng)度增長很快,具有很高強(qiáng)度和耐久性。在第二次世界大戰(zhàn)后被廣泛使用。但是由于內(nèi)部水化物晶體的轉(zhuǎn)型,其強(qiáng)度會隨時間推移而下降,在濕熱環(huán)境下更為嚴(yán)重。在英國,隨著3起使用高鋁預(yù)應(yīng)力混凝土梁的屋頂?shù)牡顾?,這種水泥在當(dāng)?shù)赜?976年被禁止使用,雖然后來被證明有制造缺陷,但禁令仍然保留。 [1] 
硫酸鹽腐蝕
地下水中的硫酸鹽會與硅酸鹽水泥反應(yīng)生成具有膨脹性的副產(chǎn)品例如礬石(ettringite)或碳硫硅鈣(thaumasitein)從而導(dǎo)致混凝土的早期失效。 [1] 

鋼筋混凝土變式

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鋼板混凝土
鋼板混凝土施工中,工人現(xiàn)場將鋼板構(gòu)件焊接,節(jié)省了綁扎鋼筋的時間。而且鋼板混凝土具有較大的剛度,因?yàn)殇摪灏诨炷林?,拉?yīng)力是最大的。故而多用于超高層建筑。 [1] 

鋼筋混凝土纖維混凝土

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纖維混凝土主要用于噴漿施工,但也可用于普通混凝土施工。鋼纖維玻璃纖維是最常用的纖維,其費(fèi)用并不比人工綁扎鋼筋混凝土貴多少。
  碳纖維亦非常適用于加固混凝土,但價格高昂,故一般用于失效鋼筋混凝土的加固補(bǔ)救措施。 [1] 
參考資料
詞條標(biāo)簽:
文化術(shù)語 , 文化 , 建筑