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铝将成为桥梁材料明星

2020年05月26日 00:00 来源:中国有色金属报

铝材优点凸显铝桥优势


亮丽且富有审美的外观造型、较高的抗腐蚀性能、在整个生命周期内不需要维护、可降低合理的造价成本、维护成本比钢桥的低得多,加上生命周期到期后,废铝几乎可全部回收,可获得95%以上的性能与原铝相当的再生铝,而钢桥到期后回收的再生钢还不到70%……铝材作为桥梁材料,具有一系列难以替代的优越性能,被认为是最有活力与生命力的新型材料。


2008年,加拿大进行了一项研究完全证明了这一点,1946年~1963年建造的9座铝桥,仍有6座如新建的那样;铝材的密度较低,因此桥的自重比钢桥混凝土桥的低,有利于制造、运输与安装,同时桥的宽度可以加大一些,支撑构件也可减小与减轻一些,这一点对于桥的负载限制以及修复有历史意义的桥梁等尤显重要。通常,铝桥面比混凝土桥面及其他大多数金属桥面轻70%~80%。


近些年来,铝工业在铝材生产、新合金研发与性能改善方面、大截面挤压材生产均取得了长足进展,使铝材在桥梁结构中的应用上了一个新台阶。


马迪集团(MAADI,Most Advanced Aluminum Design &Inspection)与加拿大铝业协会(Aluminum Association of Canada)的研究显示,一座用镀锌钢材造的3.24米宽,28.6 米长的钢桥,在50年后的成本比铝桥的高28%~167%。该研究还显示,铝桥在33年内的成本比镀锌钢桥的低。这仅对在一般大气环境中两种材料桥梁成本的比较,铝材在严峻腐蚀条件下的抗腐蚀性比钢的更高,此时铝桥的优势会更加凸显。


铝材在建造浮桥与可移动桥方面的优点更是不言而喻,在建造公路桥方面最近也大显身手,美国西马萨诸塞的萨迪斯菲尔德桥就是用挤压铝材建造的。


2017年,加拿大挤压铝材的消费量同比增长5%,已连续9年处于增长态势,得益于建筑与结构铝材用量的上升,其中就有桥梁挤压材用量上升的因素。铝材在北美桥梁建造中的较大增长态势使铝产业深受激励,特别是车辆(汽车)桥梁(Vehicular bridge)的成功建造增大了结构挤压铝材在桥梁中的应用。为了满足这种市场需求,马迪集团推出了一种名为“高性能桥面板R(Guar DeckR)”的系统,是用挤压铝材制造的,可承载15吨,一旦桥梁或道路发生事故,可以将它运到现场,在短时间完成抢修,恢复通行与通车。


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。


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。


铝桥面板的研发


铝材虽有不少优点,但是也面临着诸多挑战,例如它的弹性刚度与疲劳强度比钢低得多,焊点及其热影响区强度性能有较大下降,原材料价格也高。面对这些挑战,马迪集团经过多年研发,采用熔焊与精选合金设计与建造了几百种铝合金桥梁结构,并在实践中得到应用,用于建造新桥与修复、加固老化桥。在这些桥梁结构中,最有名的是Make-A-Bridge,在美国与加拿大新建的行人铝桥都采用这种结构,没有采用焊接,而是联锁的;该集团向亚洲市场推出的行人铝桥名为“Caribbean”。目前,马迪集团已制造成功可通行15吨汽车的铝桥。


马迪集团与美国滑铁卢(Waterloo)大学合作研发的“安全铝桥板(Guar Deck)概念”结构已纳入加拿大标准协会(CSA)2011年文件中,后来,他们建造了一座试验桥,长22.9 米,在滑铁卢大学进行了一系列全面评估试验,如极限强度试验、寿命试验、震动试验、疲劳试验等等。


马迪集团室内工程师团队制造了一些原型桥面板,在车间内进行广泛试验,还用178 kN的压力机进行了摩擦试验,以评估摩擦力大小,这些实验是在魁北克铝工业发展中心(CQRDA)的支持下进行的,此中心致力于开发铝的新应用。


Guar Deck铝桥是用挤压铝材制造的,所有零部件都在大型5轴加工中心(CNC)上加工,具有很高的精度,在11.5米长的面板上的偏差还不到0.5毫米。所有铝材是用50MN的正向挤压机生产的,合金为6061-T6,它有更高的强度性能与高的抗腐蚀性,每块桥板的两面上都有榫舌和切槽,以便互相连锁,因为6061合金的热胀系数为23.6×10-6/℃,比钢的大一倍,采用这种连接方式可消除这种热胀差别。铝桥面板可进行种种表面处理:涂上透明漆,耐久性阳极氧化,烘烤漆层,甚至可涂以防滑环氧树脂,以防汽车轮胎在表面上滑动。为了安全起见,可在面板边上装以安全护栏。


马迪集团时刻关心着环保问题,Guar Deck铝桥用的6061合金含有约20%的废铝,如果采购不到这种挤压铝材,则在加工制造铝桥时尽量多使用可再生新能源。另外,铝桥可100%回收再生,可重复使用,仅在熔炼时有约不到2.5%的烧损。


当前最重要的是全面采用快速桥梁结构(ABC,acceleratd bridge construction)技术,ABC技术的实质,是在工厂将铝桥分段、分块预装好,然后运到工地组装,可在不影响交通的预定时间内完成吊装,如果桥的跨度大桥面长,可将桥面板预装成55kg的小块,将小块固定于挤压的Ι字主梁上,紧固件为不锈钢的,并采取了防腐蚀、防破坏、防盗措施。每个紧固件都固定的结结实实,需要134kN的扭力才能松动面板。


由于安装桥板不用焊接工艺与大型设备,可将安装时间压缩很短,即使不熟练的工人安装一块预制桥面板也只要10分钟,一座30米跨度的桥只需约1天即可交工。马迪集团的Guar Deck铝桥从制作到安装到使用完全符合环保法规条例与有关国家与组织的标准,如加拿大国家标准、加拿大标准协会(CSA)、美国土木工程师协会(ASCE)、美国洲际公路与运输管理人员协会(AASHTO)的相关文件。


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。



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。


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,载重约50吨。


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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