鋼筋混凝土

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施工中的巴塞隆納聖家堂鋼筋屋頂(2009年)

鋼筋混凝土英語Reinforced Concrete, Ferroconcrete, RC),工程上常簡稱為鋼筋砼鋼混,是指通過在混凝土中加入鋼筋、 鋼筋網、鋼板纖維而構成的一種組合材料,兩者共同工作從而改善混凝土抗拉強度不足的力學性質,為混凝土加固的一種最常見形式。

歷史及發展[編輯]

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應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應用於工程實踐。鋼筋混凝土的發明以及19世紀中葉鋼材在建築業中的應用使高層建築與大跨度橋樑的建造成為可能。

鋼筋混凝土結構的發展現狀[編輯]

目前在中國,鋼筋混凝土為應用最多的一種結構形式,佔總數的絕大多數,同時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,佔世界總產量70%左右。[1]

材料特性[編輯]

圖2: 簡支梁應力分布

混凝土是水泥(通常矽酸鹽水泥)與骨料(粗骨料如石塊,細骨料如砂子)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並鎖定骨料成為剛體結構。通常混凝土結構擁有較強的抗壓強度(大約28MPa)。但是混凝土的抗拉強度(例如梁的彎曲)較低,任何可察覺的拉應力都會破壞混凝土微觀剛體晶格,導致混凝土的開裂和分離。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抗拉的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。由於鋼筋與混凝土應力傳遞,與二者的結合長度線性相關。因此在結合長度不足情況下,應該增加鋼筋的嵌齒(cog)、鉤形(hook)、端部板形(plate)等結構。

同普通混凝土一樣,鋼筋混凝土在28天後達到設計強度(摻有較多粉煤灰等摻料的混凝土,強度增長較慢,允許另行確定強度檢測時間)。

鋼筋混凝土的工作原理[編輯]

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熱膨脹係數,相同溫度下,鋼筋和混凝土之間錯動很小。其次,混凝土硬化時,水泥與鋼筋表面有良好的粘結,使得任何應力可以有效地在二者之間傳遞;通常鋼筋的表面也被加工成粗糙的、有間隔的波紋狀肋條(稱為螺紋鋼)來進一步提高混凝土與鋼筋之間的粘結;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。第三,水泥中的鹼性物質如氫氧化鈣氫氧化鉀氫氧化鈉提供了鹼性環境,使得鋼筋表面形成了一層鈍化保護膜,因此比中性與酸性環境的鋼筋更不易腐蝕。一般說來,pH值在11以上的環境才能有效保護鋼筋不被鏽蝕;暴露於空氣之中,由於受到二氧化碳酸化作用,鋼筋混凝土的pH值緩慢降低,當低於10,鋼筋就要受到鏽蝕。因而工程施工中需保證保護層厚度。

選用鋼筋的規格和種類[編輯]

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)。鋼筋的截面為圓型。鋼筋的直徑在美國從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。

混凝土與鋼筋的配比[編輯]

僅在梁的受拉部分加入鋼筋的稱作單筋梁(singly reinforced beam),在梁的受壓部分也加入鋼筋的稱作雙筋梁(doubly reinforced beam)。少筋梁(under-reinforced beam)是指梁的受拉能力小於受壓能力,即梁的受拉部分缺少鋼筋加強。超筋梁(over-reinforced beam)是指梁的受拉能力大於受壓能力,即梁的受拉部分的鋼筋加強過多。適筋梁(balanced-reinforced beam)是指梁的受拉能力匹配受壓能力。

鋼筋混凝土梁在承受彎曲力矩的形變時,如果是欠筋梁,混凝土還沒有達到最終失效條件時受拉鋼筋首先屈服發生塑性伸長,隨後受壓的混凝土也發生延展性屈服,表現為很大的形變與警訊;超筋梁在受拉的鋼筋沒有屈服前,受壓的混凝土就屈服了,表現為突然的脆性失效;適筋梁表現為受壓混凝土與受拉鋼筋同時失效,這也是非常危險的,因為缺乏警訊。因此,受力的鋼筋混凝土構件一般應設計為少筋,以便在構件失效前給用戶足夠的警訊。

常見的鋼筋混凝土失效形式[編輯]

鋼筋鏽蝕與混凝土的凍融循環[編輯]

鋼筋鏽蝕與混凝土的凍融循環會對破壞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(Fe2+)結合沉澱為不可溶的氫氧化鐵(Fe(OH)3).

碳酸化作用[編輯]

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[2],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,未碳酸化的混凝土部分呈鹼性因而顯示粉色,通過觀察變色部分便可得知碳酸化混凝土的深度。酚酞在pH<8.2的環境里為無色的內酯式結構,當pH>10時為粉紅色的醌式結構,是一種常用的酸鹼指示劑。

氯化腐蝕[編輯]

氯化物, 包括氯化鈉,會對混凝土中的鋼筋造成點腐蝕。因此,拌合混凝土時只允許使用清水。同樣使用鹽來為混凝土路面除冰是不合適的。

鹼骨料反應[編輯]

鹼骨料反應鹼矽反應,(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%。[3][4]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[編輯]

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用於預應力鋼筋混凝土。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。[5]

硫酸鹽腐蝕[編輯]

地下水或土壤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。[6]

鋼板混凝土[編輯]

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[編輯]

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。

參考文獻[編輯]

  1. ^ 《中國統計年鑒2011》
  2. ^ Pourbaix Diagram of Iron at 25℃ (英文). 
  3. ^ Concrete Cancer. 2005年5月18日 (英文). 
  4. ^ South West Alkali Incident. 2005年1月4日 (英文). 
  5. ^ http://www.quest-tech.co.uk/hac.htm
  6. ^ http://www.ach.com.au/qcl/pdf_files/Conc_sc.pdf