鋁將成為橋梁材料明星

珠海濱江北路鋁合金人行天橋

在未來(lái)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(wú)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。

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(jiàn)表1。生產(chǎn)橋梁鋁材時(shí)最好只用6061合金，因?yàn)樗凶罴训木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(jiàn)表3。

表1  6061型鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量%）

表2  6061合金擠壓材的典型室溫力學(xué)性能

表3  6061合金擠壓材的力學(xué)性能與溫度的關(guān)系

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(kāi)裂，T4材料在實(shí)際使用無(wú)應(yīng)力腐蝕開(kāi)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(wú)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)度的擠壓性能優(yōu)秀的可熱處理強(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。

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從鋁合金橋梁用材的發(fā)展來(lái)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(guò)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(guò)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(shuō)，在沒(méi)有出現(xiàn)綜合性能更好的鋁合金之前，宜認(rèn)為6061-T6合金擠壓材是首選的鋁橋材料。當(dāng)然如6063、5083、5086、6082等也可以用。

結(jié)束語(yǔ)

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，最大載重約50噸。

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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(guò)街鋁橋，其中公路橋梁未見(jiàn)到公開(kāi)報(bào)道，由此可見(jiàn)，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(guò)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(lái)說(shuō)，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(guò)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(wàn)美元，鋁橋面的為75萬(wàn)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(wàn)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(wàn)美元。如此一來(lái)，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(wú)關(guān)系。為了推廣鋁橋的發(fā)展與研發(fā)性能更加優(yōu)秀的橋梁鋁合金，開(kāi)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。