第二章
钢筋混凝土建筑材料

从19世纪后半叶开始，到整个20世纪，以及21世纪的当下，混凝土一直是世界各地建筑的主要材料，几乎没有其他类型的建筑材料能像混凝土那样塑造了现当代的建筑文化和建筑史。在现代混凝土建筑发展之前，东方的建筑以土木材料为主，其中以中国、日本的木构古建筑为典型代表；欧洲的建筑砌体以矿物建筑材料为主，如砖石结构。砖石结构有大约8000年的历史，在欧洲还保存了大量的石质建筑或遗迹。尽管砖石结构这种施工方法的历史十分悠久，但至今主要用于制造那些只能吸收压缩负载的承重结构构件。天花板、横梁的建筑框架结构元素仅限于经典的拱形结构，建造复杂且价格昂贵。在过去的150年里，现代混凝土和钢筋混凝土建筑的引入与不断发展，意味着复杂的支撑结构可以用另一种无机材料来建造。这种结构可以长期吸收拉伸和弯曲载荷，显著提高了支撑结构的应用潜力，给建筑设计和结构安全提供了重要的材料支撑与无限想象。在建筑施工中有很多构件当然也可以用钢材或木材，例如屋顶结构，但与这些建筑材料相比，钢筋混凝土有一些重要的技术和经济优势，比如耐火性更好，这就是为什么钢筋混凝土已经成为世界各地最主要的建筑材料的原因 ^[9] 。

古罗马人在2000多年前就使用了火山灰、石灰、骨料等构成的水硬性材料，这些材料称为罗马混凝土，其硬化反应基本上就像今天的水泥一样 ^[10] 。这一时期最著名的历史混凝土结构是罗马的万神殿（图2.1）。它的半球形圆顶内径约43米，作为世界上最大的圆顶结构的纪录保持了1000多年，标志着古罗马建筑发展的高潮，在其建筑结构、建筑施工和建筑材料细节等方面都体现了巨大的创造力与丰富的建造经验。使用罗马混凝土作为材料的建筑在古罗马还有很多，甚至在一些建筑废墟中还保留着这些基础的建筑材料。但可惜的是，这种水硬性材料在流行了几个世纪之后，关于它的技术知识就丢失了。直到18世纪晚期水泥被发明出来，现代混凝土建筑才得以发展。钢铁在当时已经被广泛使用，所以将钢的抗拉强度与较轻的混凝土的抗压强度结合起来是完全合乎逻辑的。钢筋混凝土是一种复合建筑材料，由法国人约瑟夫·莫尼埃（1823—1906年）于1849年发明，出于增强结构的目的，他在生产的混凝土中添加了钢丝。后来，人们对混凝土技术和结构工程做了大量的研究，通过不同材料的混合配比，成功地准确控制硬化混凝土的性能，特别是抗压强度，并用数学公式定量表征混凝土结构的支撑特性。随后，大量的钢筋混凝土结构被建造出来，在此过程中，一些关键技术和材料也在不断改进，钢筋混凝土的质量也在不断得到提高。

混凝土通常被定义为一种水硬性材料，当加入水时，可以很快凝固，并保持坚固的技术特性。类似的硬化反应也可以由其他种类的矿物材料，如石膏砂浆和石灰砂浆，与水混合之后而产生。但是，混凝土与这些材料的不同之处在于其耐久性和防潮性能 ^[11] 。混凝土主要由水泥、水和不同粒径的骨料（如砾石、砂）组成。商用水泥由天然泥土（石灰石和黏土），在1400°C左右煅烧而成，然后与其他成分一起磨碎。混凝土中的水泥和水、骨料混合，产生有一定稠度的砂浆，包裹着一些较粗的骨料。在体积方面，普通建筑混凝土由约13%的水泥、7.5%的水和近80%的骨料组成。 LJ0Mm3hhiwMQ5tvQMxffnOwGzVMkJkUJ4/5R7KTQJNWXwj4YfuzJldS7hvbGCNQC