鋼筋混凝土工作原理

鋼筋混凝土之所以可以共同工作是由它自身的材料性質(zhì)決定的。首先鋼筋與混凝土有著近似相同的線膨脹系數(shù)，不會由環(huán)境不同產(chǎn)生過大的應(yīng)力。其次鋼筋與混凝土之間有良好的粘結(jié)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堿性環(huán)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(huán)境下更不易腐蝕。

鋼筋混凝土的發(fā)明出現(xiàn)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(fā)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在1900年之后在工程界方得到了大規(guī)模的使用。1928年，一種新型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土出現(xiàn)，并于二次世界大戰(zhàn)后亦被廣泛地應(yīng)用于工程實踐。鋼筋混凝土的發(fā)明以及19世紀中葉鋼材在建筑業(yè)中的應(yīng)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(yīng)用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，占總數(shù)的絕大多數(shù)，同時中國也是世界上使用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)最多的地區(qū)。其主要原材料水泥產(chǎn)量已于2010年達到18.82億噸，占世界總產(chǎn)量70%左右。

混凝土是水泥（通常硅酸鹽水泥）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(jié)構(gòu)從而包裹和結(jié)合骨料成為整體結(jié)構(gòu)。通?；炷两Y(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)開裂和分離從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。而絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部都有受拉應(yīng)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(dān)其中的拉力，混凝土承擔(dān)壓應(yīng)力部分。例如在圖2簡支梁受彎構(gòu)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(dān)拉力(4)，而上部陰影區(qū)所示混凝土(2)承受壓力(3)。在一些小截面構(gòu)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(fā)生在柱子之中。鋼筋混凝土構(gòu)件截面可以根據(jù)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(shè)計強度。

鋼筋混凝土中的受力筋含量通常很少，從占構(gòu)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(jù)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(huán)境中，電鍍、外涂環(huán)氧樹脂、和不銹鋼材質(zhì)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(jié)構(gòu)則應(yīng)使用環(huán)氧樹脂鋼筋或者其他復(fù)合材料混凝土，環(huán)氧樹脂鋼筋可以通過表面的淺綠色涂料輕松識別。

鋼筋銹蝕與混凝土的凍融循環(huán)

鋼筋銹蝕與混凝土的凍融循環(huán)會對混凝土的結(jié)構(gòu)造成損傷。當鋼筋銹蝕時，銹跡擴展，使混凝土開裂并使鋼筋與混凝土之間的結(jié)合力喪失。當水穿透混凝土表面進入內(nèi)部時，受凍凝結(jié)的水分體積膨脹，經(jīng)過反復(fù)的凍融循環(huán)作用，在微觀上使混凝土產(chǎn)生裂縫并且不斷加深，從而使混凝土壓碎并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、橋梁、停車場等可能使用除冰鹽的建筑結(jié)構(gòu)物，應(yīng)使用環(huán)氧樹脂鋼筋或者熱浸電鍍、不銹鋼鋼筋等材料作為加強筋。環(huán)氧樹脂鋼筋可以通過表面的淺綠色涂料輕松識別。更便宜的辦法是使用磷酸鋅作為鋼筋的防銹涂料，磷酸鋅與鈣離子與氫氧根離子反應(yīng)生成穩(wěn)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?fù)凉げ?。亞硝酸鈣Ca(NO₂)₂作為緩蝕劑，按照相對于水泥重量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(jié)合沉淀為不可溶的氫氧化鐵(Fe(OH)₃).

碳化作用

正確地說應(yīng)該是叫碳酸化作用，習(xí)慣通稱為碳化作用?；炷林械目紫端ǔＪ菈A性的，根據(jù)Pourbaix圖，鋼筋在pH值大于11時是惰性的，不會發(fā)生銹蝕?？諝庵械亩趸寂c水泥中的堿反應(yīng)使孔隙水變得更加酸性，從而使pH值降低。從構(gòu)件制成之時起，二氧化碳便會碳酸化構(gòu)件表面的混凝土，并且不斷加深。如果構(gòu)件發(fā)生開裂，空氣中的二氧化碳將會更容易進入混凝土的內(nèi)部。通常在結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，會根據(jù)建筑規(guī)范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(shù)值，便可能會導(dǎo)致因鋼筋銹蝕造成的結(jié)構(gòu)破壞。

測試構(gòu)件表面的碳化程度的方法是在其表面鉆一個孔，并滴以酚酞，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，會對混凝土中的鋼筋腐蝕。因此，拌合混凝土?xí)r只允許使用清水。同樣使用鹽來為混凝土路面除冰是被禁止的。

堿骨料反應(yīng)

堿骨料反應(yīng)或堿硅反應(yīng)，（Alkali Aggregate Reaction，簡稱AAR，或Alkali Silica Reaction，簡稱ASR）是指當水泥的堿性過強時，骨料中的非結(jié)晶硅成分(SiO₂)溶解并游離在高pH (12.5 - 13.5) 的水中，與水泥中的氫氧根離子發(fā)生反應(yīng)生成硅酸鹽，與水泥中的氫氧化鈣反應(yīng)生成水合硅酸鈣，引起混凝土的不均勻膨脹，導(dǎo)致開裂破壞。它的發(fā)生條件為(1)骨料中含有相關(guān)活性成分——非結(jié)晶的二氧化硅；(2)環(huán)境中有足夠的氫氧根離子；(3混凝土中有足夠的濕度，相對濕度大于75%。這種反應(yīng)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(yīng)。例如，混凝土的大壩。

高鋁水泥的晶體轉(zhuǎn)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(zhàn)后被廣泛使用。但是由于內(nèi)部水化物晶體的轉(zhuǎn)型，其強度會隨時間推移而下降，在濕熱環(huán)境下更為嚴重。在英國，隨著3起使用高鋁預(yù)應(yīng)力混凝土梁的屋頂?shù)牡顾?，這種水泥在當?shù)赜?976年被禁止使用，雖然后來被證明有制造缺陷，但禁令仍然保留。

硫酸鹽腐蝕

地下水中的硫酸鹽會與硅酸鹽水泥反應(yīng)生成具有膨脹性的副產(chǎn)品例如礬石(ettringite)或碳硫硅鈣(thaumasitein)從而導(dǎo)致混凝土的早期失效。

鋼板混凝土

鋼板混凝土施工中，工人現(xiàn)場將鋼板構(gòu)件焊接，節(jié)省了綁扎鋼筋的時間。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(yīng)力是最大的。故而多用于超高層建筑。

纖維混凝土主要用于噴漿施工，但也可用于普通混凝土施工。鋼纖維和玻璃纖維是最常用的纖維，其費用并不比人工綁扎鋼筋混凝土貴多少。

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

鋼筋混凝土橋制造，見混凝土橋制造。

鋼筋混凝土橋制造，見混凝土橋制造。 2100433B

鋼、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是指承重的主要構(gòu)件是用鋼、鋼筋混凝土建造的。

簡介2100433B