未来这些材料或将替代钢筋

未来，这些材料或将替代钢筋作者语我是一个坚定的钢筋混凝土信徒……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）铝合金玻璃纤维碳纤维聚酰胺纤维（凯夫拉）纤维高性能混凝土）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？优缺点：价格的材料——不锈钢，价格也要远远高于普通锈钢钢绞线的价格，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 alkaliresistance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horizontalbandsaw、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，在除了某些特殊环境下的工程项目，比如海边严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1CFRP抗拉强度1200Mpa＋>钢筋(400Mpa+)GFRP600Mpa+>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（highstrength－to－weightratios）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（lesscracks）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），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