1912至1949年间中国历史钢筋的力学行为与粘滑性能的实验研究

为什么老混凝土至今仍然重要

在许多中国城市，20世纪初的混凝土建筑推动了现代生活的到来，将西方工程技术与本地传统相结合。这些建筑如今成了珍贵的文化遗产，但隐藏在它们混凝土中的钢筋与现代钢筋有很大不同。要对这些老旧建筑进行安全的修复或加固，工程师首先需要了解这些历史钢筋在受拉或在混凝土中开始打滑时的实际行为。

地标建筑中隐匿的钢材

在1912至1949年间，中国的建造者在多种重要结构中使用了钢筋混凝土。这些建筑中的钢筋有几种形状：带直肋的方钢筋、螺旋（螺旋状）钢筋和扁平的椭圆形钢筋。与外观较为统一的现代钢筋不同，这些早期钢筋具有截然不同的表面纹理和尺寸。作者直接从该时期的真实建筑中采集了六种具有代表性的历史钢筋类型，并按同期配方制备了混凝土，以捕捉“原始”材料的真实行为，而不是依赖现代替代品。

把百年钢材拿去试验

为探究其强度，研究团队首先进行了拉伸试验，即将金属钢筋拉伸直到屈服并最终断裂。他们测量了每根钢筋能承受的载荷、伸长量以及断裂前截面缩颈的程度。结果表明，螺旋钢筋的抗拉强度通常高于方形钢筋，但延性较差，意味着在断裂前不能像方筋那样拉伸得那么多。尺寸较小的钢筋往往伸长更多并表现出更明显的“缩颈”现象，即断裂前金属局部收缩。与如今常用的HRB400钢筋相比，这些历史钢材总体较弱且拉伸行为截然不同，这对预测老旧梁柱在荷载作用下的响应至关重要。

钢与混凝土如何相互抓牢

单靠强度并不能保证结构安全；钢与混凝土之间的粘结方式同样重要。作者通过拔出试验研究了这种“粘滑”行为：将短段钢筋埋入混凝土块中拉出，同时记录相对位移或滑移。他们改变拉拔速度——慢、中、快——并监测随滑移变化的粘结应力。为比较迥异的肋纹形状，研究者引入了一个名为相对肋面积比的指标，用以表征混凝土可抓握的肋面面积。总体上，有较大有效肋面积的钢筋（如螺旋和扁平型）表现出更高的粘结强度。增大拉拔速率会略微提高最大粘结强度——最多约8%——但也导致更快且有时更突发的破坏，尤其是因为同期混凝土本身强度偏低。

将表面形状与抓牢力联系起来

通过对试验数据拟合平滑曲线，研究者为六种钢筋类型构建了“典型”粘滑曲线。该等曲线描述了粘结应力随滑移增大时如何上升、达到峰值并随后下降，并且与测量值高度一致。团队进而提出了一个简化的解析模型，主要通过机械咬合作用来解释粘结：即混凝土如何嵌入钢筋的肋纹。模型将粘结强度与混凝土的抗压强度及肋面积比联系起来，并用单一的咬合因子从试验中标定。当将模型预测与试验结果比较时，粘结强度的平均差异低于7%，表明这一紧凑的描述能捕捉历史钢—混凝土界面的主要行为。

金属内部结构揭示了什么

研究还在显微镜下观察了钢材的显微组织。所有历史钢筋均未发现明显的有害夹杂物，但在两种主要金相相——软而有延性的铁素体与更硬更强的渗碳体（珠光体）——之间存在差异。螺旋和扁平钢筋，尤其是一种螺旋类型，含有比方形钢筋更多的珠光体。这有助于解释为何这些钢筋更强但更难平滑变形，以及为何它们有时在没有明显屈服平台的情况下破坏。作者认为这些差异更可能源于退火过程中冷却速率等热处理差别，而非完全不同的轧制工艺。

这对保护老建筑意味着什么

对非专业读者而言，核心信息是：中国早期钢筋混凝土建筑内部的钢筋并不等同于现代钢筋。其形状、表面纹理和内部金相结构都会影响其与混凝土的粘结方式以及破坏模式。所获的实验数据和新的简化粘滑模型为文保工程师提供了针对1912–1949年建筑存量的现实数值和设计工具。利用这些数据，他们可以进行更精确的模拟并设计既安全又尊重文物价值的修复方案，帮助历史混凝土地标再续一个世纪的寿命。

引用: Lin, B., Chun, Q. Experimental study on mechanical behavior and bond-slip of historical Chinese rebars during 1912 to 1949. npj Herit. Sci. 14, 23 (2026). https://doi.org/10.1038/s40494-026-02300-5

关键词: 历史钢筋混凝土, 钢筋, 粘滑行为, 文物保护, 结构工程