未来,这些材料或将替代钢筋

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的确有很多材料可以替代钢筋混凝土里的钢筋,但都停留在理论层面和科研层面上,目前还没有能够在工程层面上大范围替代钢筋的材料。

我能想到的备选材料有这些:

  • 不锈钢(广义也是钢筋的一种)

  • 铝合金

  • 玻璃纤维(GFRP)

  • 碳纤维(CFRP)

  • 聚酰胺纤维(凯夫拉)

  • 纤维高性能混凝土(Ductal等)

  • 其它高性能合金材料(形状记忆合金、液态金属……)

  • 为什么我觉得这些材料暂时不能替代钢筋呢?

    我们可以对比一下钢筋和这些备选材料的优缺点:

    价格

    这些备选材料里,即使是看上去最不昂贵的材料——不锈钢,价格也要远远高于普通钢筋。我们实验室去年对比过普通钢绞线和不锈钢钢绞线的价格,做到同样的设计强度,不锈钢的是普通钢材的7倍以上。不锈钢的主要原材料之一是镍,而镍属于国际期货,价格一直飘忽不定,这对于大型的、长期的工程建设是极为不利的。尽管现在有了镍含量尽可能少的 Duplex 不锈钢,但是价格仍然远高于普通钢材。

    至于碳纤维这些材料,那就更不用说了,虽然不像汽车、航空航天工业那样需要用纤维体积比至少50%以上的材料,但是即使是应用在土木工程里纤维体积比在10%到40%左右的纤维材料,价格依然很昂贵。你去看看那些碳纤维车身的跑车的价格,就知道这是什么样的材料了……

    热胀冷缩

    既然要用到混凝土里,就必须要跟混凝土有类似的热膨胀系数,这样两种材料才能一起热胀冷缩,否则一个热胀的程度很厉害,一个热胀的程度没那么厉害,两者之间就会产生温度裂缝,进而影响力学性能。

    以10的-6次方应变每摄氏度作为单位,混凝土的热膨胀系数为10.8左右,而钢筋为11.7,非常接近,所以我们说钢筋和混凝土是天作地设的一对好基友。

    再看看铝合金,高达23.1,是混凝土的两倍还多;玻璃纤维是2.8,又明显小于混凝土;碳纤维和凯夫拉的甚至是负值,也就是说它们甚至是「热缩冷胀」的。

    耐久性能

    虽然普通钢筋会有各种各样的耐久性问题,比如混凝土碳化、氯离子侵蚀等等,但是总体而言,混凝土配比合理、保护层足够的钢筋混凝土结构,其实是有着相当优秀的耐久性能的。混凝土的强碱性环境会在钢筋表面形成钝化膜,对钢筋起到了很好的保护作用。Again,天作地设的好基友……

    对比其它备选材料:首当其冲的就是玻璃纤维,大多数玻璃纤维会跟强碱性的混凝土发生化学反应,所以不能直接接触混凝土,虽然有专门特制的 AR 玻璃纤维,也就是 alkali resistance 的,但是成本也会上去;碳纤维会跟钢材发生电化学反应,不能直接接触钢材表面,如果混凝土中有钢材预埋件或者其它钢筋,这也是个问题;聚酰胺纤维就更娇贵了,会吸收水分,还怕阳光直晒……

    加工性能

    在我看来,这其实是最突出的问题。施工现场从来都不是「轻拿轻放」的地方,叉车随便叉,东西随便扔。FRP 这些纤维材料就显得太娇贵了,怕冲击荷载、怕摔、怕砸,有的还怕水、怕阳光,工人师傅不小心掉一把锤子,都能把这些材料砸坏。

    虽然这个理由看上去很可笑,但现实就是如此。举个例子,环氧树脂涂层的钢筋,在纸面上看上去性能很好,尤其是耐久性能,但事实上工程实践下来反而更差,因为现场的磕磕碰碰在所难免,树脂涂层在浇筑混凝土之前就已经有了一个个砸破或者蹭破的裂口,导致涂层失去了存在的意义。另外的一个例子就是用碳纤维布加固混凝土结构,看上去很好,但如果有人手贱用刀子或者铁丝之类的东西在上面乱划……你永远都不知道为什么有人会突然抽风来这么一下子……

    对于普通钢筋而言,加工起来非常容易。且不说有很多专业的加工钢筋的机器,即使是在施工现场,截断、弯曲钢筋也是分分钟的事。horizontal band saw、便携电锯、液压钳、气割……都可以很容易的切断钢筋;没有专门的仪器,用台钳夹住,然后套上钢管,徒手就能把不太粗的钢筋掰弯;对于各种特殊的预埋件,现场可以很方便的电焊。

    比如我在实验室就可以用这种锯随时切割钢筋,#7或者#8的粗钢筋,一般二三十秒就能搞定。

    对于不锈钢而言,加工相对就困难了一点,对于FRP材料,那就完全是另一码事了。要切割FRP,你要有通风环境,要戴防尘面具,还要考虑工人师傅的健康问题……

    当然,我不是说这些新材料一无是处。相反,它们是非常非常好的结构材料,在结构维修、加固方面有着得天独厚的优势。但是,在新建工程项目中用这些材料大范围的替代钢筋,除了某些特殊环境下的工程项目,比如海边严苛环境或者核电站等等,对于大多数普通工程,我实在想不出优势何在。

    重点说明FRP筋

    FRP筋,“有钱任性”不止可以部分替代,甚至可以完全替代,目前北美有些桥已经是完全FRP结构了,特别是CFRP(碳纤维)用于桥梁很广泛,GFRP一般多用于加固。

    首先目前广泛运用的FRP材料有CFRP(碳纤维)和GFRP(玻璃纤维)。

    主要优点

    1.抗拉强度

    CFRP 抗拉强度1200 Mpa+ > 钢筋 (400Mpa+)

    GFRP 600 Mpa+> 钢筋 (400Mpa+)

    弹性模量小于钢筋

    2.抗腐蚀性

    FRP材料无需考虑腐蚀问题!

    3.热膨胀系数

    FRP复合材料热膨胀系数与混凝土相近, 当环境温度发生变化时, FRP与混凝土协调工作,两者间不会产生大的温度应力

    4.高强度重量比(high strength-to-weight ratios)

    FRP材料可减轻结构自重,施工方便, 其重量一般为钢材的20%。

    5.结构稳定,开裂少(less cracks)

    FRP添加预应力使结构在正常使用的情况下不产生裂缝或者裂得比较晚。提高了构造本身刚性(stiffness),减少振动和弹性变形这样做可以明显改善受拉模块的弹性强度,使原本的抗性更强。

    还有就是材料受力之后Behavior完全不一样,钢筋在加固混凝土结构存在屈服(yielding),而FRP则是Elastic的线性属性,断裂只在一瞬间,非常sudden,没有yielding的状态,并且FRP材料抗拉强度是钢筋的好几倍,因此设计和施工时的处理方式也是不同的。

    实际例子

    下图为CFRP抗剪箍筋,用于预应力混凝土桥大梁(Bridge girder)

    编者语:考虑早前的竹筋混凝土及环境恶化现状,钢筋也仅是目前阶段较适合用于加强混凝土的材料,相信随着材料科学的发展、新材料的成本下降,未来一定会出现一种或几种更适于混凝土加强的材料。

    猪小宝、Type transient

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