铝将成为桥梁材料明星

原标题：铝将成为桥梁材料明星 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。