在現(xiàn)代房屋建筑中，鋼筋和混凝土就像薯?xiàng)l和番茄醬一樣是絕配！

由鋼筋和混凝土組成的“鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)”完美繼承了混凝土的抗壓強(qiáng)度和鋼筋的抗拉強(qiáng)度，工程師只要合理利用二者，在受壓的區(qū)域堆積混凝土，而在受拉區(qū)域安放鋼筋，就能讓建筑變得無比牢固。

鋼筋的主要成分是鐵，但現(xiàn)代建筑使用的鋼筋并不是純鐵，通常是鐵碳合金，這是比純鐵抗拉強(qiáng)度更好，而成本卻更低的材料。

那么有趣的問題是，如果把鋼筋混凝土中的鋼筋換成抗拉強(qiáng)度更優(yōu)秀的鈦合金，那么我們的建筑會(huì)不會(huì)變得更牢固呢？

答案是，即便不考慮成本，讓鈦合金和混凝土結(jié)合，大概率也不會(huì)讓房子變得更加牢固。

鋼筋混凝土的起源

混凝土建筑的歷史非常悠久，至少可以追溯到羅馬時(shí)代，但將鋼筋加入到混凝土中是近現(xiàn)代的技術(shù)。

位于巴黎郊區(qū)查爾斯·米歇爾斯街72號(hào)的四層住宅，它被認(rèn)為是第一座采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建造的房子。

△ 第一座鋼筋混凝土建筑——弗朗索瓦·科涅故居，圖片：MOSSOT

這是法國建筑師弗朗索瓦·科涅（Fran?ois Coignet）為自己建造的房子，1853年至1855年間，科涅設(shè)計(jì)并建造了這套房子。

他之所以要在混凝土建筑中加入鋼筋，并不是為了結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，而是為了防止這套整體式建筑的墻體傾覆。

這是因?yàn)?，最初人們使用混凝土，只是把這種材料當(dāng)作一種可以自由澆筑的人造石頭，科涅的想法其實(shí)只是用鋼筋將“混凝土石頭”拼接起來，以達(dá)到不易倒塌的效果。

法國人約瑟夫·莫尼埃（Joseph Monier），他是第一個(gè)真正意識(shí)到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有巨大潛力的人。

△ 約瑟夫·莫尼埃

他其實(shí)并不是建筑工程師，而是一名園丁，他發(fā)現(xiàn)用混凝土澆筑的花盆特別容易碎，于是嘗試在混凝土中加入鐵絲網(wǎng)來澆筑花盆。

這樣一來他便得到了前所未有牢固的花盆。

在1867年巴黎世博會(huì)上，約瑟夫·莫尼埃展出了他的發(fā)明，并在之后的日子里不斷探索鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)的用途。

隨著鋼筋混凝土的搭配使用，人們不斷積累相關(guān)知識(shí)，最終它被應(yīng)用到房屋建筑中，并成為常態(tài)。

最初人們使用的“鋼筋”其實(shí)是帶有雜質(zhì)的鍛鐵，鐵碳合金是后面才被人發(fā)現(xiàn)它更適合作為鋼筋材料的。

為什么要用鐵碳合金？

首先，最關(guān)鍵的一點(diǎn)就是鐵碳合金和混凝土的熱膨脹系數(shù)幾乎一樣。

熱膨脹系數(shù)是衡量固體材料受熱的膨脹程度，對于混合結(jié)構(gòu)來說，兩者的膨脹情況不一樣的話，時(shí)間久了就會(huì)因?yàn)閮?nèi)部應(yīng)力而裂開，特別是在那些晝夜溫差較大的地方，這是巨大的隱患。

美國工程師賽勒斯·海厄特（Thaddeus Hyatt）是第一個(gè)發(fā)現(xiàn)鐵和混凝土的熱膨脹系數(shù)幾乎完全一樣的人，這也是人們科學(xué)地認(rèn)識(shí)到兩者非常搭配。

進(jìn)入20世紀(jì)之后，工業(yè)革命帶來了煉鋼技術(shù)成熟，工程師們有機(jī)會(huì)可以精細(xì)化選擇合金材料，而鐵碳合金就是在所有合金中脫穎而出的那個(gè)，它在強(qiáng)度和成本上都是最優(yōu)選擇。

其次，混凝土中的水泥漿硬化后，它與鐵碳合金的粘合力非常強(qiáng)。

△ 鋼筋上的螺紋其實(shí)就是為了增加混凝土的粘合力

這點(diǎn)也非常關(guān)鍵，如果粘合力不足的話，應(yīng)力在不同材料之間就會(huì)難以有效傳遞，從而無法發(fā)揮同時(shí)發(fā)揮二者的優(yōu)勢。

這里提一點(diǎn)，我們平時(shí)看到的一些豆腐渣工程，混凝土里面不是鋼筋，而是竹子。

其實(shí)竹子的抗拉強(qiáng)度非常驚人，“竹筋”確實(shí)可以和混凝土配合，得到牢固的“竹筋混凝土”結(jié)構(gòu)。

但是竹筋的一個(gè)巨大缺點(diǎn)就是，它和混凝土的粘合力較差，這是非常致命的，很容易就變成豆腐渣工程——水泥脫落。

第三，鐵和混凝土在化學(xué)上也是很搭配。

鋼筋也有一個(gè)致命缺點(diǎn)，就是容易生銹，如果生銹的話它就會(huì)從內(nèi)到外破壞結(jié)構(gòu)。

但是，混凝土正好可以解決這個(gè)問題。

混凝土是呈現(xiàn)強(qiáng)堿性的，在這種強(qiáng)堿性環(huán)境下，鋼筋表面會(huì)形成一層致密的“鈍化膜”，保護(hù)鐵原子不被氧化生銹。

據(jù)信，只要混凝土不開裂、不碳化，里面的鋼筋可以千年不銹。

總的來說，雖然人們只是偶然發(fā)現(xiàn)了鐵可以和混凝土組合使用，但是兩者在物理和化學(xué)層面天生就是“天作之合”。

換成鈦合金會(huì)咋樣？

其實(shí)，鈦合金的強(qiáng)度并沒有傳言中的那么高，普通的鈦合金和普通的鐵合金的抗拉強(qiáng)度是差不多的。

雖然頂級的鈦合金抗拉強(qiáng)度確實(shí)會(huì)比頂級的鐵合金強(qiáng)一點(diǎn)，但是鐵合金的潛力遠(yuǎn)高于鈦合金，頂尖的特種鋼，其抗拉強(qiáng)度是鈦合金無法達(dá)到的。

另外一方面，鈦和混凝土熱膨脹系數(shù)也存在差異，這意味著“鈦合金混凝土”結(jié)構(gòu)會(huì)有膨脹開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

鈦和混凝土的粘合力也沒有鐵那么好。鈦之所以耐腐蝕，是因?yàn)樗砻嬗幸粚訕O其致密、穩(wěn)定的二氧化鈦保護(hù)層，這個(gè)保護(hù)層也讓混凝土難以在其表面“扎根”。

所以，把鋼筋換成鈦合金并不是更好的選擇，普通的鈦合金根本不會(huì)讓房子變得更牢固（因?yàn)榭估瓘?qiáng)度和普通鐵合金差不多），相反它還有較高的混凝土脫落、開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

相比于鐵合金，鈦合金的真正優(yōu)勢除了耐腐蝕之外，還有一點(diǎn)——就是更輕。

在一些建筑中還是很需要更輕且不易生銹的材料的，所以有一些建筑的關(guān)鍵部分可能會(huì)換成鈦合金。

但是，全部用鈦合金的做法，不僅成本不劃算，對建筑的實(shí)際作用也不大。