在現(xiàn)代房屋建筑中,鋼筋和混凝土就像薯?xiàng)l和番茄醬一樣是絕配!
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由鋼筋和混凝土組成的“鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)”完美繼承了混凝土的抗壓強(qiáng)度和鋼筋的抗拉強(qiáng)度,工程師只要合理利用二者,在受壓的區(qū)域堆積混凝土,而在受拉區(qū)域安放鋼筋,就能讓建筑變得無比牢固。
鋼筋的主要成分是鐵,但現(xiàn)代建筑使用的鋼筋并不是純鐵,通常是鐵碳合金,這是比純鐵抗拉強(qiáng)度更好,而成本卻更低的材料。
那么有趣的問題是,如果把鋼筋混凝土中的鋼筋換成抗拉強(qiáng)度更優(yōu)秀的鈦合金,那么我們的建筑會(huì)不會(huì)變得更牢固呢?
答案是,即便不考慮成本,讓鈦合金和混凝土結(jié)合,大概率也不會(huì)讓房子變得更加牢固。
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鋼筋混凝土的起源
混凝土建筑的歷史非常悠久,至少可以追溯到羅馬時(shí)代,但將鋼筋加入到混凝土中是近現(xiàn)代的技術(shù)。
位于巴黎郊區(qū)查爾斯·米歇爾斯街72號(hào)的四層住宅,它被認(rèn)為是第一座采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建造的房子。
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△ 第一座鋼筋混凝土建筑——弗朗索瓦·科涅故居,圖片:MOSSOT
這是法國建筑師弗朗索瓦·科涅(Fran?ois Coignet)為自己建造的房子,1853年至1855年間,科涅設(shè)計(jì)并建造了這套房子。
他之所以要在混凝土建筑中加入鋼筋,并不是為了結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn),而是為了防止這套整體式建筑的墻體傾覆。
這是因?yàn)椋畛跞藗兪褂没炷粒皇前堰@種材料當(dāng)作一種可以自由澆筑的人造石頭,科涅的想法其實(shí)只是用鋼筋將“混凝土石頭”拼接起來,以達(dá)到不易倒塌的效果。
法國人約瑟夫·莫尼埃(Joseph Monier),他是第一個(gè)真正意識(shí)到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有巨大潛力的人。
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△ 約瑟夫·莫尼埃
他其實(shí)并不是建筑工程師,而是一名園丁,他發(fā)現(xiàn)用混凝土澆筑的花盆特別容易碎,于是嘗試在混凝土中加入鐵絲網(wǎng)來澆筑花盆。
這樣一來他便得到了前所未有牢固的花盆。
在1867年巴黎世博會(huì)上,約瑟夫·莫尼埃展出了他的發(fā)明,并在之后的日子里不斷探索鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)的用途。
隨著鋼筋混凝土的搭配使用,人們不斷積累相關(guān)知識(shí),最終它被應(yīng)用到房屋建筑中,并成為常態(tài)。
最初人們使用的“鋼筋”其實(shí)是帶有雜質(zhì)的鍛鐵,鐵碳合金是后面才被人發(fā)現(xiàn)它更適合作為鋼筋材料的。
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為什么要用鐵碳合金?
首先,最關(guān)鍵的一點(diǎn)就是鐵碳合金和混凝土的熱膨脹系數(shù)幾乎一樣。
熱膨脹系數(shù)是衡量固體材料受熱的膨脹程度,對(duì)于混合結(jié)構(gòu)來說,兩者的膨脹情況不一樣的話,時(shí)間久了就會(huì)因?yàn)閮?nèi)部應(yīng)力而裂開,特別是在那些晝夜溫差較大的地方,這是巨大的隱患。
美國工程師賽勒斯·海厄特(Thaddeus Hyatt)是第一個(gè)發(fā)現(xiàn)鐵和混凝土的熱膨脹系數(shù)幾乎完全一樣的人,這也是人們科學(xué)地認(rèn)識(shí)到兩者非常搭配。
進(jìn)入20世紀(jì)之后,工業(yè)革命帶來了煉鋼技術(shù)成熟,工程師們有機(jī)會(huì)可以精細(xì)化選擇合金材料,而鐵碳合金就是在所有合金中脫穎而出的那個(gè),它在強(qiáng)度和成本上都是最優(yōu)選擇。
其次,混凝土中的水泥漿硬化后,它與鐵碳合金的粘合力非常強(qiáng)。
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△ 鋼筋上的螺紋其實(shí)就是為了增加混凝土的粘合力
這點(diǎn)也非常關(guān)鍵,如果粘合力不足的話,應(yīng)力在不同材料之間就會(huì)難以有效傳遞,從而無法發(fā)揮同時(shí)發(fā)揮二者的優(yōu)勢。
這里提一點(diǎn),我們平時(shí)看到的一些豆腐渣工程,混凝土里面不是鋼筋,而是竹子。
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其實(shí)竹子的抗拉強(qiáng)度非常驚人,“竹筋”確實(shí)可以和混凝土配合,得到牢固的“竹筋混凝土”結(jié)構(gòu)。
但是竹筋的一個(gè)巨大缺點(diǎn)就是,它和混凝土的粘合力較差,這是非常致命的,很容易就變成豆腐渣工程——水泥脫落。
第三,鐵和混凝土在化學(xué)上也是很搭配。
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鋼筋也有一個(gè)致命缺點(diǎn),就是容易生銹,如果生銹的話它就會(huì)從內(nèi)到外破壞結(jié)構(gòu)。
但是,混凝土正好可以解決這個(gè)問題。
混凝土是呈現(xiàn)強(qiáng)堿性的,在這種強(qiáng)堿性環(huán)境下,鋼筋表面會(huì)形成一層致密的“鈍化膜”,保護(hù)鐵原子不被氧化生銹。
據(jù)信,只要混凝土不開裂、不碳化,里面的鋼筋可以千年不銹。
總的來說,雖然人們只是偶然發(fā)現(xiàn)了鐵可以和混凝土組合使用,但是兩者在物理和化學(xué)層面天生就是“天作之合”。
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換成鈦合金會(huì)咋樣?
其實(shí),鈦合金的強(qiáng)度并沒有傳言中的那么高,普通的鈦合金和普通的鐵合金的抗拉強(qiáng)度是差不多的。
雖然頂級(jí)的鈦合金抗拉強(qiáng)度確實(shí)會(huì)比頂級(jí)的鐵合金強(qiáng)一點(diǎn),但是鐵合金的潛力遠(yuǎn)高于鈦合金,頂尖的特種鋼,其抗拉強(qiáng)度是鈦合金無法達(dá)到的。
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另外一方面,鈦和混凝土熱膨脹系數(shù)也存在差異,這意味著“鈦合金混凝土”結(jié)構(gòu)會(huì)有膨脹開裂的風(fēng)險(xiǎn)。
鈦和混凝土的粘合力也沒有鐵那么好。鈦之所以耐腐蝕,是因?yàn)樗砻嬗幸粚訕O其致密、穩(wěn)定的二氧化鈦保護(hù)層,這個(gè)保護(hù)層也讓混凝土難以在其表面“扎根”。
所以,把鋼筋換成鈦合金并不是更好的選擇,普通的鈦合金根本不會(huì)讓房子變得更牢固(因?yàn)榭估瓘?qiáng)度和普通鐵合金差不多),相反它還有較高的混凝土脫落、開裂的風(fēng)險(xiǎn)。
相比于鐵合金,鈦合金的真正優(yōu)勢除了耐腐蝕之外,還有一點(diǎn)——就是更輕。
在一些建筑中還是很需要更輕且不易生銹的材料的,所以有一些建筑的關(guān)鍵部分可能會(huì)換成鈦合金。
但是,全部用鈦合金的做法,不僅成本不劃算,對(duì)建筑的實(shí)際作用也不大。
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