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鋼筋混凝土
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鋼筋混凝土(英文:
Ferroconcrete或Reinforced Concrete),工程上常被簡稱為鋼筋
砼(tong)。是指通過在
混凝土中加入
鋼筋網、
鋼板或纖維而構成的一種組合材料與之共同工作來改善混凝土力學性質的一種組合材料。為加勁混凝土最常見的一種
形式。
歷史及發展
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鋼筋混凝土的發明出現在近代,通常認為法國園丁約瑟夫·莫尼爾(en:Joseph Monier(英文))于1849年發明鋼筋混凝土并于1867年取得包括鋼筋混凝土花盆以及緊隨其后應用于公路護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構的建筑在美國紐約落成,人類建筑史上一個嶄新的紀元從此開始,鋼筋混凝土結構在1900年之后在工程界方得到了大規模的使用。1928年,一種新型鋼筋混凝土結構形式
預應力鋼筋混凝土出現,并于
二次世界大戰后亦被廣泛地應用于工程實踐。鋼筋混凝土的發明以及19世紀中葉鋼材在建筑業中的應用使高層建筑與大跨度橋梁的建造成為可能。
目前在中國,鋼筋混凝土為應用最多的一種結構形式,占總數的絕大多數,同時中國也是世界上使用
鋼筋混凝土結構最多的地區。其主要原材料水泥產量已于2010年達到18億噸,占世界總產量70%左右。
鋼筋混凝土之所以可以共同工作是由它自身的材料性質決定的。首先鋼筋與混凝土有著近似相同的線膨脹系數,不會由環境不同產生過大的應力。其次鋼筋與混凝土之間有良好的粘結力,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械咬合,當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境,在鋼筋表面形成了一層鈍化保護膜,使鋼筋相對于中性與酸性環境下更不易腐蝕。
混凝土是水泥與
骨料的混合物。當加入一定量水分的時候,水泥水化形成微觀不透明晶格結構從而包裹和結合骨料成為整體結構。通常混凝土結構擁有較強的抗壓強度(大約 3,000 磅/平方英寸, 35 MPa)。但是混凝土的抗拉強度較低,通常只有抗壓強度的十分之一左右,任何顯著的拉彎作用都會使其微觀晶格結構開裂和分離從而導致結構的破壞。而絕大多數結構構件內部都有受拉應力作用的需求,故未加鋼筋的混凝土極少被單獨使用于工程。
相較混凝土而言,鋼筋抗拉強度非常高,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,由鋼筋承擔其中的拉力,混凝土承擔壓應力部分。例如在圖2簡支梁受彎構件中,當施加荷載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拉力(4),而上部陰影區所示混凝土(2)承受壓力(3)。在一些小截面構件里,除了承受拉力之外,鋼筋同樣可用于承受壓力,這通常發生在柱子之中。鋼筋混凝土構件截面可以根據工程需要制成不同的形狀和大小。
同
普通混凝土一樣,鋼筋混凝土在28天后達到設計強度。
鋼筋混凝土中的受力筋含量通常很少,從占構件截面面積的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,根據鋼筋中含碳量,分成40鋼與60鋼兩種。后者含碳量更高,且強度和剛度較高,但難于彎曲。在腐蝕環境中,電鍍、外涂環氧樹脂、和不銹鋼材質的鋼筋亦有使用。
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構則應使用
環氧樹脂鋼筋或者其他
復合材料混凝土,環氧樹脂鋼筋可以通過表面的淺綠色涂料輕松識別。