铝将成为桥梁材料明星

来源:本站日期:2021-04-07 浏览:4252
桥梁老化挑战

当前,北美的桥梁系统已进入临界状态或者说临近危险期,美国的60.3万座与加拿大的逾5.6万座公路桥的大多数是在上世纪的50~70年代建设的,其中多数已处于或即将进入有缺陷的故障期,联邦公路管理局最近的数据显示,美国约有5.6万座桥梁在结构上存在或多或少的毛病;据美国土木工程师学会发表的报告称,约需要1230亿美元来修复与加固有破损的桥梁。



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珠海滨江北路铝合金人行天桥


在未来20年内,修复这些桥梁将大大提升其基础结构成本,这些老的桥梁的绝大多数都是钢材与混凝土建造的,近期建造的则用的是加固的混凝土。投资桥梁、道路和其他交通运输设施的建设对发展城乡经济无疑会起着巨大的作用。挤压铝材将在北美公路桥梁修复中获得较为广泛的应用。


6061合金桥梁的脊梁材料

在当今铝桥的用材中,90%以上为6061合金挤压材,特别是公路铝桥则几乎全用6061合金,行人桥的附属设施则可用6063合金挤压材制造。6061合金是一种AI-Mg-Si-Cu-Cr       系合金,是1933年美国铝业公司(Alcoa)研发的,并投入商业化生产,是一个经典的、久经考验的变形铝合金,是四大“金刚”可热处理强化铝合金之一。(四大“金刚”可热处理强化铝合金包括2024型合金、6061型合金、6063型合金、7075型合金)。6061型合金的产量仅次于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个成员,除6061A是欧洲铝业协会(EAA)研发的外,其他4个皆是美国合金,他们的化学成分见表1。生产桥梁铝材时最好只用6061合金,因为它有最佳的综合性能,成分也易控制,配料时可多用一些旧废铝。

6061合金的固熔处理温度很宽,很好控制,为515℃~550℃,控制在535℃即可;T6、T6510、T6511挤压材的人工时效规范:(170~180)℃/8h。6061合金的力学如表2所示,低温及高温力学性能见表3。


表1  6061型铝合金的化学成分(质量%)

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表2  6061合金挤压材的典型室温力学性能

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表3  6061合金挤压材的力学性能与温度的关系

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6061合金的物理性能: 密度2.7g/cm3,液相线温度652℃,固相线温度582℃,20℃~100℃的线胀系数23.6×10-6/℃,20℃时的比热896J/(kg﹒℃),25℃的热导率:O状态的180W/(m﹒℃),T4状态的154W/(m﹒℃),T6状态的167W/(m﹒℃), 20℃时的电导率:O状态的47%IACS、T4状态的40%IACS、T6状态的43%IACS,20℃时电阻率,O状态的37nΩ﹒m、状态的43nΩ﹒m、T6状态的40 nΩ﹒m。

6061的抗腐蚀性能:在2.67 % AlCl3溶液中对SCE(饱和干汞电极)的电位为-876.9mV、孔蚀电位为-704.2 mV;T6材在试验室与实际使用中都未发现应力腐蚀开裂,T4材料在实际使用无应力腐蚀开裂,但在试验室试验时在板厚方向却观察到有此种腐蚀,有剥落腐蚀,但对实际使用无影响。

6061合金有良好的熔焊性能,也可以钎焊。它是一种中等强度的挤压性能优秀的可热处理强化的经典合金,成形加工性能上乘,并有很好的表面处理性能,在通用工业结构与交通运输装备中有着极为广泛的应用。


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珠海滨江北路铝合金人行天桥


从铝合金桥梁用材的发展来看,世界首座铝桥是美国匹兹堡市(Pittsburgh)史密斯菲尔德(Smithfield)街的长约100m的公路桥面用的是2014-T6铝合金厚板,建于1933年,1967年经过翻修,桥面板改用抗腐蚀性更强的5456-H321合金厚面板,可以这样认为,1953年以前,公路铝桥用的合金大都是2014-T6合金,1948年英国亨顿(Hendon)建的一座公路桥除2014-T6合金板外,还用了一些6151-T6合金厚板;1950年英国苏格兰(Scotland)图梅尔(Tummel)河上的一座公路桥用的是6151-T6合金薄板;1962年以前(1953~1962年)德国和英国建的一些公路铝桥用的是6351-T6合金挤压型材波纹薄板。

从上世纪90年代中期起,6061-T6合金挤压材在铝桥结构用材中占据主导地位,其中最有名的宾夕法尼亚州朱尼亚塔(Juniata)河上的吊桥建于1994年,用的是雷诺兹金属公司(后被美国铝业公司兼并,现属奥科宁克公司)提供的6061-T6与6063-T6合金挤压材,此公路桥长约98m,原为钢桥,只能通过7吨的汽车,改为铝桥后可通行22吨的汽车。

现在可以这么说,在没有出现综合性能更好的铝合金之前,宜认为6061-T6合金挤压材是首选的铝桥材料。当然如6063、5083、5086、6082等也可以用。


结束语

铝材是继木材、钢材、混凝土、石材之后的建造桥梁的材料,本文介绍了铝桥的历程与6061-T6合金的各项性能,希望对铝桥与桥梁铝材感兴趣的人们与推广铝的应用以及对国民经济发展有所裨益,更希望有关人士了解马登集团在铝桥方面的工作。笔者如下看法纯属一家之言,不足为训。


●对铝桥的认识有待加强,投入需加大,发展宜加快。与美国、加拿大相比,中国在铝桥建造方面声势不大,相关研究不够、设计规范尚不完整配套、铝产业在这方面做的工作有待加强。中国首座铝桥是2007年3月建成的杭州庆春路中河行人天桥,技术与材料全部从德国引进,2007年9月中国有完全自主知识产权的行人天桥在上海徐家汇漕溪北路投入运作,用的是6061-T6合金,单跨23米,宽6米,主桥高2.6米,净高4.6米,自身质量15吨,最大载重约50吨。

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珠海滨江北路铝合金人行天桥


据笔者不完全统计,2007年至2019年的13年内,我国在北京、上海等15个城市共建造了约75座行人过街铝桥,其中公路桥梁未见到公开报道,由此可见,在铝桥建设方面,在数量上比工业发达国家的少,而公路桥则更少,这并不奇怪,因为美国有87年的铝桥建造史,而中国的建造史只不过13年,其他国家如加拿大、英国、德国、丹麦、挪威、瑞典等国的铝桥建造史都在80年左右。


●有人认为,铝材的初始成本比钢材的高,单从经济上来说,建造一座50米长的行人桥用的钢材价格只有铝材价格的40%左右,但国外有人做过研究,如果将维护成本也计算在内,则铝桥比钢桥合算得多。以制造一条长91.4米、宽6.1米的桥面为例,钢桥面的制造成本为833美元/米2,铝桥面的为1388美元/米2,则钢桥面的总成本为45万美元,铝桥面的为75万美元,铝桥面比钢桥面贵67%。钢桥面每10年就要维护一次,这是劳动密集型工作,彻底清理锈迹,露出钢的原貌,再重新刷涂防腐剂。若桥的生命周期为50年,则需要大维护4次,每次的费用约为初始建设费的1/3。如此计算,钢桥在使用期内的总成本为105万美元,而铝桥在服务50年后,即使再使用25年,仍保亮丽风采,成本维持在75万美元。如此一来,即使纯算经济账,建造铝桥也是有优势的。


●建立研发中心,推广桥梁铝材应用。我国在铝桥建设方面之所以未成为领军者,与尚未建成一个强有力的研发单位不无关系。为了推广铝桥的发展与研发性能更加优秀的桥梁铝合金,开发高效的铝桥加工工艺与组装工艺,我们有必要组建一个强大的铝桥研究所与中心,加大投入,聚集人才,使桥梁铝材成为铝产业的一个新亮点,下“狠”功夫干,下大力气干,争取干五六年后,扛着大旗,走在世界铝桥队伍最前列。



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