鋼筋混凝土

鋼筋混凝土（英文：Reinforced Concrete或Ferroconcrete），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。為加筋混凝土最常見的一種形式。

基本介紹

• 中文名：鋼筋混凝土
• 外文名：Reinforced Concrete
• 別名：鋼筋砼
• 分類：混合物

歷史及發展

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））於1849年發明鋼筋混凝土並於1867年取得包括鋼筋混凝土花盆以及緊隨其後套用於公路護欄的鋼筋混凝土樑柱的專利。1872年，世界第一座鋼筋混凝土結構的建築在美國紐約落成，人類建築史上一個嶄新的紀元從此開始，鋼筋混凝土結構在1900年之後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，並於二次世界大戰後亦被廣泛地套用於工程實踐。鋼筋混凝土的發明以及19世紀中葉鋼材在建築業中的套用使高層建築與大跨度橋樑的建造成為可能。

在中國，鋼筋混凝土為套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於2010年達到18.82億噸，占世界總產量70%左右。

工作原理

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係數，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90度彎鉤。此外混凝土中的氫氧化鈣提供的鹼性環境，在鋼筋表面形成了一層鈍化保護膜，使鋼筋相對於中性與酸性環境下更不易腐蝕。

特性

混凝土是水泥（通常矽酸鹽水泥）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於工程。

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，鋼筋同樣可用於承受壓力，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製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。

結構

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%（多見於梁板）至 6%（多見於柱）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。後者含碳量更高，且強度和剛度較高，但難於彎曲。在腐蝕環境中，電鍍、外塗環氧樹脂、和不鏽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、橋樑、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複合材料混凝土，環氧樹脂鋼筋可以通過表面的淺綠色塗料輕鬆識別。

不利因素

鋼筋鏽蝕與混凝土的凍融循環

鋼筋鏽蝕與混凝土的凍融循環會對混凝土的結構造成損傷。當鋼筋鏽蝕時，銹跡擴展，使混凝土開裂並使鋼筋與混凝土之間的結合力喪失。當水穿透混凝土表面進入內部時，受凍凝結的水分體積膨脹，經過反覆的凍融循環作用，在微觀上使混凝土產生裂縫並且不斷加深，從而使混凝土壓碎並對混凝土造成永久性不可逆的損傷。

在潮濕與寒冷氣候條件下，對鋼筋混凝土路面、橋樑、停車場等可能使用除冰鹽的建築結構物，應使用環氧樹脂鋼筋或者熱浸電鍍、不鏽鋼鋼筋等材料作為加強筋。環氧樹脂鋼筋可以通過表面的淺綠色塗料輕鬆識別。更便宜的辦法是使用磷酸鋅作為鋼筋的防鏽塗料，磷酸鋅與鈣離子與氫氧根離子反應生成穩定的羥磷灰石。防水材料也用來保護鋼筋混凝土，如夾層填入膨潤土的無紡土工布。亞硝酸鈣Ca(NO₂)₂作為緩蝕劑，按照相對於水泥重量1-2%的比例添加，可以防護鋼筋的腐蝕。因為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）結合沉澱為不可溶的氫氧化鐵（Fe(OH)₃）。

碳化作用

正確地說應該是叫碳酸化作用，習慣通稱為碳化作用。混凝土中的孔隙水通常是鹼性的，根據Pourbaix圖，鋼筋在pH值大於11時是惰性的，不會發生鏽蝕。空氣中的二氧化碳與水泥中的鹼反應使孔隙水變得更加酸性，從而使pH值降低。從構件製成之時起，二氧化碳便會碳酸化構件表面的混凝土，並且不斷加深。如果構件發生開裂，空氣中的二氧化碳將會更容易進入混凝土的內部。通常在結構設計的過程中，會根據建築規範確定最小鋼筋保護層厚度，如果混凝土的碳化削弱了這一數值，便可能會導致因鋼筋鏽蝕造成的結構破壞。

測試構件表面的碳化程度的方法是在其表面鑽一個孔，並滴以酚酞，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，會與混凝土中的鋼筋產生腐蝕反應。因此，拌合混凝土時只允許使用清水，因此使用鹽來為混凝土路面除冰是被禁止的。

鹼骨料反應

鹼骨料反應或鹼矽反應，（Alkali Aggregate Reaction，簡稱AAR，或Alkali Silica Reaction，簡稱ASR）是指當水泥的鹼性過強時，骨料中的非結晶矽成分(SiO₂)溶解並游離在高pH (12.5 - 13.5) 的水中，與水泥中的氫氧根離子發生反應生成矽酸鹽，與水泥中的氫氧化鈣反應生成水合矽酸鈣，引起混凝土的不均勻膨脹，導致開裂破壞。它的發生條件為(1)骨料中含有相關活性成分——非結晶的二氧化矽；(2)環境中有足夠的氫氧根離子；(3)混凝土中有足夠的濕度，相對濕度大於75%。這種反應被稱為混凝土之癌，不論是否加強了鋼筋，混凝土中都會有此反應。例如，混凝土的大壩。

高鋁水泥的晶體轉變

高鋁水泥對弱酸特別是硫酸鹽有抗性，同時早期強度增長很快，具有很高強度和耐久性。在第二次世界大戰後被廣泛使用。但是由於內部水化物晶體的轉型，其強度會隨時間推移而下降，在濕熱環境下更為嚴重。在英國，隨著3起使用高鋁預應力混凝土梁的屋頂的倒塌，這種水泥在當地於1976年被禁止使用，雖然後來被證明有製造缺陷，但禁令仍然保留。

硫酸鹽腐蝕

地下水中的硫酸鹽會與矽酸鹽水泥反應生成具有膨脹性的副產品例如礬石（ettringite）或碳硫矽鈣（thaumasitein）從而導致混凝土的早期失效。

變式

鋼板混凝土

鋼板混凝土施工中，工人現場將鋼板構件焊接，節省了綁紮鋼筋的時間。而且鋼板混凝土具有較大的剛度，因為鋼板包裹在混凝土之外，拉應力是最大的。故而多用於超高層建築。

纖維混凝土

纖維混凝土主要用於噴漿施工，但也可用於普通混凝土施工。鋼纖維和玻璃纖維是最常用的纖維，其費用並不比人工綁紮鋼筋混凝土貴多少。

碳纖維亦非常適用於加固混凝土，但價格高昂，故一般用於失效鋼筋混凝土的加固補救措施。