鋁材優(yōu)點(diǎn)凸顯鋁橋優(yōu)勢(shì)
亮麗且富有審美的外觀造型、較高的抗腐蝕性能、在整個(gè)生命周期內(nèi)不需要維護(hù)、可降低合理的造價(jià)成本、維護(hù)成本比鋼橋的低得多，加上生命周期到期后，廢鋁幾乎可全部回收，可獲得95%以上的性能與原鋁相當(dāng)?shù)脑偕X，而鋼橋到期后回收的再生鋼還不到70%……鋁材作為橋梁材料，具有一系列難以替代的優(yōu)越性能，被認(rèn)為是最有活力與生命力的新型材料。
2008年，加拿大進(jìn)行了一項(xiàng)研究完全證明了這一點(diǎn)，1946年～1963年建造的9座鋁橋，仍有6座如新建的那樣；鋁材的密度較低，因此橋的自重比鋼橋混凝土橋的低，有利于制造、運(yùn)輸與安裝，同時(shí)橋的寬度可以加大一些，支撐構(gòu)件也可減小與減輕一些，這一點(diǎn)對(duì)于橋的負(fù)載限制以及修復(fù)有歷史意義的橋梁等尤顯重要。通常，鋁橋面比混凝土橋面及其他大多數(shù)金屬橋面輕70%～80%。
近些年來，鋁工業(yè)在鋁材生產(chǎn)、新合金研發(fā)與性能改善方面、大截面擠壓材生產(chǎn)均取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，使鋁材在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用上了一個(gè)新臺(tái)階。
馬迪集團(tuán)(MAADI，Most Advanced Aluminum Design ＆Inspection)與加拿大鋁業(yè)協(xié)會(huì)（Aluminum Association of Canada）的研究顯示，一座用鍍鋅鋼材造的3.24米寬，28.6 米長(zhǎng)的鋼橋，在50年后的成本比鋁橋的高28%～167%。該研究還顯示，鋁橋在33年內(nèi)的成本比鍍鋅鋼橋的低。這僅對(duì)在一般大氣環(huán)境中兩種材料橋梁成本的比較，鋁材在嚴(yán)峻腐蝕條件下的抗腐蝕性比鋼的更高，此時(shí)鋁橋的優(yōu)勢(shì)會(huì)更加凸顯。
鋁材在建造浮橋與可移動(dòng)橋方面的優(yōu)點(diǎn)更是不言而喻，在建造公路橋方面最近也大顯身手，美國(guó)西馬薩諸塞的薩迪斯菲爾德橋就是用擠壓鋁材建造的。
2017年，加拿大擠壓鋁材的消費(fèi)量同比增長(zhǎng)5%，已連續(xù)9年處于增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，得益于建筑與結(jié)構(gòu)鋁材用量的上升，其中就有橋梁擠壓材用量上升的因素。鋁材在北美橋梁建造中的較大增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)使鋁產(chǎn)業(yè)深受激勵(lì)，特別是車輛(汽車)橋梁(Vehicular bridge)的成功建造增大了結(jié)構(gòu)擠壓鋁材在橋梁中的應(yīng)用。為了滿足這種市場(chǎng)需求，馬迪集團(tuán)推出了一種名為“高性能橋面板R（Guar DeckR)”的系統(tǒng)，是用擠壓鋁材制造的，可承載15噸，一旦橋梁或道路發(fā)生事故，可以將它運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)，在短時(shí)間完成搶修，恢復(fù)通行與通車。
橋梁老化挑戰(zhàn)
當(dāng)前,北美的橋梁系統(tǒng)已進(jìn)入臨界狀態(tài)或者說臨近危險(xiǎn)期，美國(guó)的60.3萬座與加拿大的逾5.6萬座公路橋的大多數(shù)是在上世紀(jì)的50～70年代建設(shè)的，其中多數(shù)已處于或即將進(jìn)入有缺陷的故障期，聯(lián)邦公路管理局最近的數(shù)據(jù)顯示，美國(guó)約有5.6萬座橋梁在結(jié)構(gòu)上存在或多或少的毛??；據(jù)美國(guó)土木工程師學(xué)會(huì)發(fā)表的報(bào)告稱，約需要1230億美元來修復(fù)與加固有破損的橋梁。
在未來20年內(nèi)，修復(fù)這些橋梁將大大提升其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)成本，這些老的橋梁的絕大多數(shù)都是鋼材與混凝土建造的，近期建造的則用的是加固的混凝土。投資橋梁、道路和其他交通運(yùn)輸設(shè)施的建設(shè)對(duì)發(fā)展城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)無疑會(huì)起著巨大的作用。擠壓鋁材將在北美公路橋梁修復(fù)中獲得較為廣泛的應(yīng)用。
鋁橋面板的研發(fā)
鋁材雖有不少優(yōu)點(diǎn)，但是也面臨著諸多挑戰(zhàn)，例如它的彈性剛度與疲勞強(qiáng)度比鋼低得多，焊點(diǎn)及其熱影響區(qū)強(qiáng)度性能有較大下降，原材料價(jià)格也高。面對(duì)這些挑戰(zhàn)，馬迪集團(tuán)經(jīng)過多年研發(fā)，采用熔焊與精選合金設(shè)計(jì)與建造了幾百種鋁合金橋梁結(jié)構(gòu)，并在實(shí)踐中得到應(yīng)用，用于建造新橋與修復(fù)、加固老化橋。在這些橋梁結(jié)構(gòu)中，最有名的是Make-A-Bridge，在美國(guó)與加拿大新建的行人鋁橋都采用這種結(jié)構(gòu)，沒有采用焊接，而是聯(lián)鎖的；該集團(tuán)向亞洲市場(chǎng)推出的行人鋁橋名為“Caribbean”。目前，馬迪集團(tuán)已制造成功可通行15噸汽車的鋁橋。
馬迪集團(tuán)與美國(guó)滑鐵盧(Waterloo)大學(xué)合作研發(fā)的“安全鋁橋板(Guar Deck)概念”結(jié)構(gòu)已納入加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（CSA）2011年文件中，后來,他們建造了一座試驗(yàn)橋，長(zhǎng)22.9 米，在滑鐵盧大學(xué)進(jìn)行了一系列全面評(píng)估試驗(yàn)，如極限強(qiáng)度試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)、震動(dòng)試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)等等。
馬迪集團(tuán)室內(nèi)工程師團(tuán)隊(duì)制造了一些原型橋面板，在車間內(nèi)進(jìn)行廣泛試驗(yàn)，還用178 kN的壓力機(jī)進(jìn)行了摩擦試驗(yàn)，以評(píng)估摩擦力大小，這些實(shí)驗(yàn)是在魁北克鋁工業(yè)發(fā)展中心（CQRDA）的支持下進(jìn)行的,此中心致力于開發(fā)鋁的新應(yīng)用。
Guar Deck鋁橋是用擠壓鋁材制造的，所有零部件都在大型5軸加工中心（CNC）上加工，具有很高的精度，在11.5米長(zhǎng)的面板上的偏差還不到0.5毫米。所有鋁材是用50MN的正向擠壓機(jī)生產(chǎn)的，合金為6061-T6，它有更高的強(qiáng)度性能與高的抗腐蝕性，每塊橋板的兩面上都有榫舌和切槽，以便互相連鎖，因?yàn)?061合金的熱脹系數(shù)為23.6×10-6/℃，比鋼的大一倍，采用這種連接方式可消除這種熱脹差別。鋁橋面板可進(jìn)行種種表面處理：涂上透明漆，耐久性陽(yáng)極氧化，烘烤漆層，甚至可涂以防滑環(huán)氧樹脂，以防汽車輪胎在表面上滑動(dòng)。為了安全起見，可在面板邊上裝以安全護(hù)欄。
馬迪集團(tuán)時(shí)刻關(guān)心著環(huán)保問題，Guar Deck鋁橋用的6061合金含有約20%的廢鋁，如果采購(gòu)不到這種擠壓鋁材，則在加工制造鋁橋時(shí)盡量多使用可再生新能源。另外，鋁橋可100%回收再生，可重復(fù)使用，僅在熔煉時(shí)有約不到2.5%的燒損。
當(dāng)前最重要的是全面采用快速橋梁結(jié)構(gòu)（ABC，acceleratd bridge construction）技術(shù)，ABC技術(shù)的實(shí)質(zhì)，是在工廠將鋁橋分段、分塊預(yù)裝好，然后運(yùn)到工地組裝，可在不影響交通的預(yù)定時(shí)間內(nèi)完成吊裝，如果橋的跨度大橋面長(zhǎng)，可將橋面板預(yù)裝成55kg的小塊，將小塊固定于擠壓的Ι字主梁上，緊固件為不銹鋼的，并采取了防腐蝕、防破壞、防盜措施。每個(gè)緊固件都固定的結(jié)結(jié)實(shí)實(shí)，需要134kN的扭力才能松動(dòng)面板。
由于安裝橋板不用焊接工藝與大型設(shè)備，可將安裝時(shí)間壓縮很短，即使不熟練的工人安裝一塊預(yù)制橋面板也只要10分鐘,一座30米跨度的橋只需約1天即可交工。馬迪集團(tuán)的Guar Deck鋁橋從制作到安裝到使用完全符合環(huán)保法規(guī)條例與有關(guān)國(guó)家與組織的標(biāo)準(zhǔn)，如加拿大國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（CSA）、美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)（ASCE）、美國(guó)洲際公路與運(yùn)輸管理人員協(xié)會(huì)（AASHTO）的相關(guān)文件。
6061合金橋梁的脊梁材料
在當(dāng)今鋁橋的用材中，90%以上為6061合金擠壓材，特別是公路鋁橋則幾乎全用6061合金，行人橋的附屬設(shè)施則可用6063合金擠壓材制造。6061合金是一種AI-Mg-Si-Cu-Cr 系合金，是1933年美國(guó)鋁業(yè)公司（Alcoa）研發(fā)的，并投入商業(yè)化生產(chǎn)，是一個(gè)經(jīng)典的、久經(jīng)考驗(yàn)的變形鋁合金，是四大“金剛”可熱處理強(qiáng)化鋁合金之一。（四大“金剛”可熱處理強(qiáng)化鋁合金包括2024型合金、6061型合金、6063型合金、7075型合金）。6061型合金的產(chǎn)量?jī)H次于6063型合金的，比2024型及7075型合金多的多。
至2019年12月，6061合金家族已有5個(gè)成員，除6061A是歐洲鋁業(yè)協(xié)會(huì)（EAA）研發(fā)的外，其他4個(gè)皆是美國(guó)合金，他們的化學(xué)成分見表1。生產(chǎn)橋梁鋁材時(shí)最好只用6061合金，因?yàn)樗械木C合性能，成分也易控制，配料時(shí)可多用一些舊廢鋁。
6061合金的固熔處理溫度很寬，很好控制，為515℃～550℃，控制在535℃即可；T6、T6510、T6511擠壓材的人工時(shí)效規(guī)范：（170～180）℃/8h。6061合金的力學(xué)如表2所示，低溫及高溫力學(xué)性能見表3。
6061合金的物理性能: 密度2.7g/cm3，液相線溫度652℃，固相線溫度582℃，20℃～100℃的線脹系數(shù)23.6×10-6/℃,20℃時(shí)的比熱896J/（kg﹒℃），25℃的熱導(dǎo)率：O狀態(tài)的180W/(m﹒℃)，T4狀態(tài)的154W/(m﹒℃),T6狀態(tài)的167W/(m﹒℃), 20℃時(shí)的電導(dǎo)率:O狀態(tài)的47%IACS、T4狀態(tài)的40%IACS、T6狀態(tài)的43%IACS，20℃時(shí)電阻率，O狀態(tài)的37nΩ﹒m、狀態(tài)的43nΩ﹒m、T6狀態(tài)的40 nΩ﹒m。
6061的抗腐蝕性能：在2.67 % AlCl3溶液中對(duì)SCE（飽和干汞電極）的電位為-876.9mV、孔蝕電位為-704.2 mV；T6材在試驗(yàn)室與實(shí)際使用中都未發(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂，T4材料在實(shí)際使用無應(yīng)力腐蝕開裂，但在試驗(yàn)室試驗(yàn)時(shí)在板厚方向卻觀察到有此種腐蝕，有剝落腐蝕，但對(duì)實(shí)際使用無影響。
6061合金有良好的熔焊性能，也可以釬焊。它是一種中等強(qiáng)度的擠壓性能的可熱處理強(qiáng)化的經(jīng)典合金，成形加工性能上乘，并有很好的表面處理性能，在通用工業(yè)結(jié)構(gòu)與交通運(yùn)輸裝備中有著極為廣泛的應(yīng)用。
從鋁合金橋梁用材的發(fā)展來看，世界首座鋁橋是美國(guó)匹茲堡市（Pittsburgh）史密斯菲爾德（Smithfield）街的長(zhǎng)約100m的公路橋面用的是2014-T6鋁合金厚板，建于1933年，1967年經(jīng)過翻修，橋面板改用抗腐蝕性更強(qiáng)的5456-H321合金厚面板，可以這樣認(rèn)為，1953年以前，公路鋁橋用的合金大都是2014-T6合金，1948年英國(guó)亨頓（Hendon）建的一座公路橋除2014-T6合金板外，還用了一些6151-T6合金厚板；1950年英國(guó)蘇格蘭（Scotland）圖梅爾（Tummel）河上的一座公路橋用的是6151-T6合金薄板；1962年以前（1953～1962年）德國(guó)和英國(guó)建的一些公路鋁橋用的是6351-T6合金擠壓型材波紋薄板。
從上世紀(jì)90年代中期起，6061-T6合金擠壓材在鋁橋結(jié)構(gòu)用材中占據(jù)主導(dǎo)地位，其中最有名的賓夕法尼亞州朱尼亞塔（Juniata）河上的吊橋建于1994年，用的是雷諾茲金屬公司（后被美國(guó)鋁業(yè)公司兼并，現(xiàn)屬奧科寧克公司）提供的6061-T6與6063-T6合金擠壓材，此公路橋長(zhǎng)約98m，原為鋼橋，只能通過7噸的汽車，改為鋁橋后可通行22噸的汽車。
現(xiàn)在可以這么說，在沒有出現(xiàn)綜合性能更好的鋁合金之前，宜認(rèn)為6061-T6合金擠壓材是的鋁橋材料。當(dāng)然如6063、5083、5086、6082等也可以用。
結(jié)束語
鋁材是繼木材、鋼材、混凝土、石材之后的建造橋梁的材料，本文介紹了鋁橋的歷程與6061-T6合金的各項(xiàng)性能,希望對(duì)鋁橋與橋梁鋁材感興趣的人們與推廣鋁的應(yīng)用以及對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展有所裨益，更希望有關(guān)人士了解馬登集團(tuán)在鋁橋方面的工作。筆者如下看法純屬一家之言，不足為訓(xùn)。
對(duì)鋁橋的認(rèn)識(shí)有待加強(qiáng)，投入需加大，發(fā)展宜加快。與美國(guó)、加拿大相比，中國(guó)在鋁橋建造方面聲勢(shì)不大，相關(guān)研究不夠、設(shè)計(jì)規(guī)范尚不完整配套、鋁產(chǎn)業(yè)在這方面做的工作有待加強(qiáng)。中國(guó)首座鋁橋是2007年3月建成的杭州慶春路中河行人天橋，技術(shù)與材料全部從德國(guó)引進(jìn)，2007年9月中國(guó)有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的行人天橋在上海徐家匯漕溪北路投入運(yùn)作，用的是6061-T6合金，單跨23米，寬6米，主橋高2.6米，凈高4.6米，自身質(zhì)量15噸，載重約50噸。
據(jù)筆者不完全統(tǒng)計(jì)，2007年至2019年的13年內(nèi)，我國(guó)在北京、上海等15個(gè)城市共建造了約75座行人過街鋁橋，其中公路橋梁未見到公開報(bào)道，由此可見，在鋁橋建設(shè)方面，在數(shù)量上比工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的少，而公路橋則更少，這并不奇怪，因?yàn)槊绹?guó)有87年的鋁橋建造史，而中國(guó)的建造史只不過13年，其他國(guó)家如加拿大、英國(guó)、德國(guó)、丹麥、挪威、瑞典等國(guó)的鋁橋建造史都在80年左右。
有人認(rèn)為，鋁材的初始成本比鋼材的高，單從經(jīng)濟(jì)上來說，建造一座50米長(zhǎng)的行人橋用的鋼材價(jià)格只有鋁材價(jià)格的40%左右，但國(guó)外有人做過研究，如果將維護(hù)成本也計(jì)算在內(nèi)，則鋁橋比鋼橋合算得多。以制造一條長(zhǎng)91.4米、寬6.1米的橋面為例，鋼橋面的制造成本為833美元/米2，鋁橋面的為1388美元/米2，則鋼橋面的總成本為45萬美元，鋁橋面的為75萬美元，鋁橋面比鋼橋面貴67%。鋼橋面每10年就要維護(hù)一次，這是勞動(dòng)密集型工作，徹底清理銹跡，露出鋼的原貌，再重新刷涂防腐劑。若橋的生命周期為50年，則需要大維護(hù)4次，每次的費(fèi)用約為初始建設(shè)費(fèi)的1/3。如此計(jì)算，鋼橋在使用期內(nèi)的總成本為105萬美元，而鋁橋在服務(wù)50年后，即使再使用25年，仍保亮麗風(fēng)采，成本維持在75萬美元。如此一來，即使純算經(jīng)濟(jì)賬，建造鋁橋也是有優(yōu)勢(shì)的。
建立研發(fā)中心，推廣橋梁鋁材應(yīng)用。我國(guó)在鋁橋建設(shè)方面之所以未成為領(lǐng)軍者，與尚未建成一個(gè)強(qiáng)有力的研發(fā)單位不無關(guān)系。為了推廣鋁橋的發(fā)展與研發(fā)性能更加的橋梁鋁合金，開發(fā)高效的鋁橋加工工藝與組裝工藝，我們有必要組建一個(gè)強(qiáng)大的鋁橋研究所與中心，加大投入，聚集人才，使橋梁鋁材成為鋁產(chǎn)業(yè)的一個(gè)新亮點(diǎn)，下“狠”功夫干，下大力氣干，爭(zhēng)取干五六年后，扛著大旗，走在世界鋁橋隊(duì)伍最前列。
來源：中國(guó)有色金屬報(bào)
經(jīng)營(yíng)性網(wǎng)站備案信息