如果把钢筋混凝土中的铁换成钛 建筑会更牢固吗？

在现代房屋建筑中，钢筋和混凝土就像薯条和番茄酱一样是绝配！

由钢筋和混凝土组成的“钢筋混凝土结构”完美继承了混凝土的抗压强度和钢筋的抗拉强度，工程师只要合理利用二者，在受压的区域堆积混凝土，而在受拉区域安放钢筋，就能让建筑变得无比牢固。

钢筋的主要成分是铁，但现代建筑使用的钢筋并不是纯铁，通常是铁碳合金，这是比纯铁抗拉强度更好，而成本却更低的材料。

那么有趣的问题是，如果把钢筋混凝土中的钢筋换成抗拉强度更优秀的钛合金，那么我们的建筑会不会变得更牢固呢？

答案是，即便不考虑成本，让钛合金和混凝土结合，大概率也不会让房子变得更加牢固。

钢筋混凝土的起源

混凝土建筑的历史非常悠久，至少可以追溯到罗马时代，但将钢筋加入到混凝土中是近现代的技术。

位于巴黎郊区查尔斯·米歇尔斯街72号的四层住宅，它被认为是第一座采用钢筋混凝土结构建造的房子。

△ 第一座钢筋混凝土建筑——弗朗索瓦·科涅故居，图片：MOSSOT

这是法国建筑师弗朗索瓦·科涅（Fran?ois Coignet）为自己建造的房子，1853年至1855年间，科涅设计并建造了这套房子。

他之所以要在混凝土建筑中加入钢筋，并不是为了结合两者的优点，而是为了防止这套整体式建筑的墙体倾覆。

这是因为，最初人们使用混凝土，只是把这种材料当作一种可以自由浇筑的人造石头，科涅的想法其实只是用钢筋将“混凝土石头”拼接起来，以达到不易倒塌的效果。

法国人约瑟夫·莫尼埃（Joseph Monier），他是第一个真正意识到钢筋混凝土结构有巨大潜力的人。

△ 约瑟夫·莫尼埃

他其实并不是建筑工程师，而是一名园丁，他发现用混凝土浇筑的花盆特别容易碎，于是尝试在混凝土中加入铁丝网来浇筑花盆。

这样一来他便得到了前所未有牢固的花盆。

在1867年巴黎世博会上，约瑟夫·莫尼埃展出了他的发明，并在之后的日子里不断探索钢筋混凝土的结构的用途。

随着钢筋混凝土的搭配使用，人们不断积累相关知识，最终它被应用到房屋建筑中，并成为常态。

最初人们使用的“钢筋”其实是带有杂质的锻铁，铁碳合金是后面才被人发现它更适合作为钢筋材料的。

为什么要用铁碳合金？

首先，最关键的一点就是铁碳合金和混凝土的热膨胀系数几乎一样。

热膨胀系数是衡量固体材料受热的膨胀程度，对于混合结构来说，两者的膨胀情况不一样的话，时间久了就会因为内部应力而裂开，特别是在那些昼夜温差较大的地方，这是巨大的隐患。

美国工程师赛勒斯·海厄特（Thaddeus Hyatt）是第一个发现铁和混凝土的热膨胀系数几乎完全一样的人，这也是人们科学地认识到两者非常搭配。

进入20世纪之后，工业革命带来了炼钢技术成熟，工程师们有机会可以精细化选择合金材料，而铁碳合金就是在所有合金中脱颖而出的那个，它在强度和成本上都是最优选择。

其次，混凝土中的水泥浆硬化后，它与铁碳合金的粘合力非常强。

△ 钢筋上的螺纹其实就是为了增加混凝土的粘合力

这点也非常关键，如果粘合力不足的话，应力在不同材料之间就会难以有效传递，从而无法发挥同时发挥二者的优势。

这里提一点，我们平时看到的一些豆腐渣工程，混凝土里面不是钢筋，而是竹子。

其实竹子的抗拉强度非常惊人，“竹筋”确实可以和混凝土配合，得到牢固的“竹筋混凝土”结构。

但是竹筋的一个巨大缺点就是，它和混凝土的粘合力较差，这是非常致命的，很容易就变成豆腐渣工程——水泥脱落。

第三，铁和混凝土在化学上也是很搭配。

钢筋也有一个致命缺点，就是容易生锈，如果生锈的话它就会从内到外破坏结构。

但是，混凝土正好可以解决这个问题。

混凝土是呈现强碱性的，在这种强碱性环境下，钢筋表面会形成一层致密的“钝化膜”，保护铁原子不被氧化生锈。

据信，只要混凝土不开裂、不碳化，里面的钢筋可以千年不锈。

总的来说，虽然人们只是偶然发现了铁可以和混凝土组合使用，但是两者在物理和化学层面天生就是“天作之合”。

换成钛合金会咋样？

其实，钛合金的强度并没有传言中的那么高，普通的钛合金和普通的铁合金的抗拉强度是差不多的。

虽然顶级的钛合金抗拉强度确实会比顶级的铁合金强一点，但是铁合金的潜力远高于钛合金，顶尖的特种钢，其抗拉强度是钛合金无法达到的。

另外一方面，钛和混凝土热膨胀系数也存在差异，这意味着“钛合金混凝土”结构会有膨胀开裂的风险。

钛和混凝土的粘合力也没有铁那么好。钛之所以耐腐蚀，是因为它表面有一层极其致密、稳定的二氧化钛保护层，这个保护层也让混凝土难以在其表面“扎根”。

所以，把钢筋换成钛合金并不是更好的选择，普通的钛合金根本不会让房子变得更牢固（因为抗拉强度和普通铁合金差不多），相反它还有较高的混凝土脱落、开裂的风险。

相比于铁合金，钛合金的真正优势除了耐腐蚀之外，还有一点——就是更轻。

在一些建筑中还是很需要更轻且不易生锈的材料的，所以有一些建筑的关键部分可能会换成钛合金。

但是，全部用钛合金的做法，不仅成本不划算，对建筑的实际作用也不大。