在現代建筑領域里呀,鋼筋和混凝土那搭配,就好比漢堡和薯條,簡直是絕配!
由鋼筋和混凝土組合成的“鋼筋混凝土結構”,把混凝土的抗壓本事和鋼筋的抗拉能力完美融合到了一塊兒。工程師只要巧妙運用這倆材料,在承受壓力的區域多堆些混凝土,在承受拉力的地方放上鋼筋,就能讓建筑穩如泰山。
鋼筋的主要成分是鐵,不過現代建筑用的鋼筋可不是純鐵,大多是鐵碳合金。這種合金比純鐵抗拉能力更強,而且成本還更低。
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那有個挺有意思的問題來了,要是把鋼筋混凝土里的鋼筋換成抗拉能力更厲害的鈦合金,房子會不會更結實呢?
答案就是,就算不考慮成本,讓鈦合金和混凝土湊一塊兒,房子大概率也不會變得更牢固。
鋼筋混凝土的起源
混凝土建筑的歷史那可老長了,至少能追溯到羅馬時期呢。但把鋼筋加到混凝土里,這可是近現代的發明。
在巴黎郊區查爾斯·米歇爾斯街72號有棟四層住宅,它可是被公認為第一座用鋼筋混凝土結構蓋起來的房子。
這是法國建筑師弗朗索瓦·科涅給自己蓋的房子。1853年到1855年這段時間,科涅設計并建好了這房子。
他為啥要在混凝土建筑里加鋼筋呢?可不是為了把倆材料的優點湊一塊兒,而是為了防止這整體式建筑的墻體倒下來。
最開始,人們用混凝土,就是把它當成能隨便澆筑的人造石頭,科涅的想法其實就是用鋼筋把“混凝土石頭”連起來,讓房子不容易塌。
還有個法國人叫約瑟夫·莫尼埃,他可是第一個真正意識到鋼筋混凝土結構潛力巨大的人。
他可不是建筑工程師,是個園丁。他發現用混凝土做的花盆特別容易碎,就試著在混凝土里加鐵絲網來做花盆。
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這么一弄,他得到了前所未有的結實花盆。
1867年巴黎世博會上,約瑟夫·莫尼埃展出了他的發明,之后還一直琢磨鋼筋混凝土結構的用途。
隨著鋼筋和混凝土搭配著用,人們積累了不少相關知識,最后這結構被用到了房屋建筑里,成了常見做法。
最開始人們用的“鋼筋”其實是帶雜質的鍛鐵,后來才發現鐵碳合金更適合當鋼筋材料。
為啥要用鐵碳合金?
首先,最關鍵的一點就是鐵碳合金和混凝土的熱膨脹系數差不多。
熱膨脹系數是衡量固體材料受熱膨脹程度的指標,對于這種混合結構來說,要是倆材料膨脹程度不一樣,時間一長,就會因為內部應力而裂開,特別是在晝夜溫差大的地方,這可是個大隱患。
美國工程師賽勒斯·海厄特是第一個發現鐵和混凝土熱膨脹系數幾乎一樣的人,這也是人們科學地認識到這倆材料特別搭。
到了20世紀,工業革命讓煉鋼技術成熟起來,工程師們有機會精細挑選合金材料了,鐵碳合金就是在眾多合金里脫穎而出的,它在強度和成本上都是最優選擇。
其次,混凝土里的水泥漿硬化后,和鐵碳合金的粘合力特別強。
你看鋼筋上的螺紋,其實就是為了增加和混凝土的粘合力。
這點也很關鍵,要是粘合力不夠,應力在不同材料之間就沒法有效傳遞,也就沒法同時發揮倆材料的優勢了。
這里說個事兒,有些豆腐渣工程,混凝土里不是鋼筋,是竹子。
其實竹子的抗拉能力挺強的,“竹筋”確實能和混凝土配合,做出牢固的“竹筋混凝土”結構。
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但竹筋有個大缺點,就是和混凝土的粘合力差,這可是致命的,很容易就成豆腐渣工程了——水泥脫落。
第三,鐵和混凝土在化學性質上也很搭。
鋼筋有個致命弱點,就是容易生銹,要是生銹了,就會從里到外破壞結構。
不過,混凝土正好能解決這個問題。
混凝土是強堿性的,在這種環境下,鋼筋表面會形成一層致密的“鈍化膜”,能保護鐵原子不被氧化生銹。
據說,只要混凝土不開裂、不碳化,里面的鋼筋能千年不銹。
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總的來說,雖然人們只是偶然發現鐵能和混凝土組合使用,但這倆材料在物理和化學層面,簡直就是天生一對。
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