鋁橋面板的研發

鋁材雖有不少優點，但是也面臨着諸多挑戰，例如它的彈性剛度與疲勞強度比鋼低得多，焊點及其熱影響區強度性能有較大下降，原材料價格也高。面對這些挑戰，馬迪集團經過多年研發，採用熔焊與精選合金設計與建造了幾百種橋樑結構，並在實踐中得到應用，用於建造新橋與修復、加固老化橋。在這些橋樑結構中，最有名的是Make-A-Bridge，在美國與加拿大新建的行人鋁橋都採用這種結構，沒有采用焊接，而是聯鎖的;該集團向亞洲市場推出的行人鋁橋名爲“Caribbean”。目前，馬迪集團已製造成功可通行15噸汽車的鋁橋。

馬迪集團與美國滑鐵盧(Waterloo)大學合作研發的“安全鋁橋板(Guar Deck)概念”結構已納入加拿大標準協會(CSA)2011年文件中，後來,他們建造了一座試驗橋，長22.9 米，在滑鐵盧大學進行了一系列全面評估試驗，如極限強度試驗、壽命試驗、震動試驗、疲勞試驗等等。

馬迪集團室內工程師團隊製造了一些原型橋面板，在車間內進行廣泛試驗，還用178 kN的壓力機進行了摩擦試驗，以評估摩擦力大小，這些實驗是在魁北克鋁工業發展中心(CQRDA)的支持下進行的,此中心致力於開發鋁的新應用。

Guar Deck鋁橋是用擠壓鋁材製造的，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的正向擠壓機生產的，合金爲6061-T6，它有更高的強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，因爲6061合金的熱脹係數爲23.6×10-6/℃，比鋼的大一倍，採用這種連接方式可消除這種熱脹差別。鋁橋面板可進行種種表面處理：塗上透明漆，耐久性陽極氧化，烘烤漆層，甚至可塗以防滑環氧樹脂，以防汽車輪胎在表面上滑動。爲了安全起見，可在面板邊上裝以安全護欄。

馬迪集團時刻關心着環保問題，Guar Deck鋁橋用的6061合金含有約20%的廢鋁，如果採購不到這種擠壓鋁材，則在加工製造鋁橋時儘量多使用可再生新能源。另外，鋁橋可100%回收再生，可重複使用，僅在熔鍊時有約不到2.5%的燒損。

當前最重要的是全面採用快速橋樑結構(ABC，acceleratd bridge construction)技術，ABC技術的實質，是在工廠將鋁橋分段、分塊預裝好，然後運到工地組裝，可在不影響交通的預定時間內完成吊裝，如果橋的跨度大橋面長，可將橋面板預裝成55kg的小塊，將小塊固定於擠壓的Ι字主樑上，緊固件爲不鏽鋼的，並採取了防腐蝕、防破壞、防盜措施。每個緊固件都固定的結結實實，需要134kN的扭力才能鬆動面板。

由於安裝橋板不用焊接工藝與大型設備，可將安裝時間壓縮很短，即使不熟練的工人安裝一塊預製橋面板也只要10分鐘,一座30米跨度的橋只需約1天即可交工。馬迪集團的Guar Deck鋁橋從製作到安裝到使用完全符合環保法規條例與有關國家與組織的標準，如加拿大國家標準、加拿大標準協會(CSA)、美國土木工程師協會(ASCE)、美國洲際公路與運輸管理人員協會(AASHTO)的相關文件。

6061合金橋樑的脊樑材料

在當今鋁橋的用材中，90%以上爲6061合金擠壓材，特別是公路鋁橋則幾乎全用6061合金，行人橋的附屬設施則可用6063合金擠壓材製造。6061合金是一種AI-Mg-Si-Cu-Cr 系合金，是1933年美國鋁業公司(Alcoa)研發的，並投入商業化生產，是一個經典的、久經考驗的變形鋁合金，是四大“金剛”可熱處理強化鋁合金之一。(四大“金剛”可熱處理強化鋁合金包括2024型合金、6061型合金、6063型合金、7075型合金)。6061型合金的產量僅次於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個成員，除6061A是歐洲鋁業協會(EAA)研發的外，其他4個皆是美國合金，他們的化學成分見表1。生產橋樑鋁材時最好只用6061合金，因爲它有的綜合性能，成分也易控制，配料時可多用一些舊廢鋁。

6061合金的固熔處理溫度很寬，很好控制，爲515℃～550℃，控制在535℃即可;T6、T6510、T6511擠壓材的人工時效規範：(170～180)℃/8h。6061合金的力學如表2所示，低溫及高溫力學性能見表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℃的線脹係數23.6×10-6/℃,20℃時的比熱896J/(kg﹒℃)，25℃的熱導率：O狀態的180W/(m﹒℃)，T4狀態的154W/(m﹒℃),T6狀態的167W/(m﹒℃), 20℃時的電導率:O狀態的47%IACS、T4狀態的40%IACS、T6狀態的43%IACS，20℃時電阻率，O狀態的37nΩ﹒m、狀態的43nΩ﹒m、T6狀態的40 nΩ﹒m。

6061的抗腐蝕性能：在2.67 % AlCl3溶液中對SCE(飽和幹汞電極)的電位爲-876.9mV、孔蝕電位爲-704.2 mV;T6材在試驗室與實際使用中都未發現應力腐蝕開裂，T4材料在實際使用無應力腐蝕開裂，但在試驗室試驗時在板厚方向卻觀察到有此種腐蝕，有剝落腐蝕，但對實際使用無影響。

6061合金有良好的熔焊性能，也可以釺焊。它是一種中等強度的擠壓性能的可熱處理強化的經典合金，成形加工性能上乘，並有很好的表面處理性能，在通用工業結構與交通運輸裝備中有着極爲廣泛的應用。

從鋁合金橋樑用材的發展來看，世界首座鋁橋是美國匹茲堡市(Pittsburgh)史密斯菲爾德(Smithfield)街的長約100m的公路橋面用的是2014-T6鋁合金厚板，建於1933年，1967年經過翻修，橋面板改用抗腐蝕性更強的5456-H321合金厚面板，可以這樣認爲，1953年以前，公路鋁橋用的合金大都是2014-T6合金，1948年英國亨頓(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)德國和英國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90年代中期起，6061-T6合金擠壓材在鋁橋結構用材中佔據主導地位，其中最有名的賓夕法尼亞州朱尼亞塔(Juniata)河上的吊橋建於1994年，用的是雷諾茲金屬公司(後被美國鋁業公司兼併，現屬奧科寧克公司)提供的6061-T6與6063-T6合金擠壓材，此公路橋長約98m，原爲鋼橋，只能通過7噸的汽車，改爲鋁橋後可通行22噸的汽車。

現在可以這麼說，在沒有出現綜合性能更好的鋁合金之前，宜認爲6061-T6合金擠壓材是的鋁橋材料。當然如6063、5083、5086、6082等也可以用。

結束語

鋁材是繼木材、鋼材、混凝土、石材之後的建造橋樑的材料，本文介紹了鋁橋的歷程與6061-T6合金的各項性能,希望對鋁橋與橋樑鋁材感興趣的人們與推廣鋁的應用以及對國民經濟發展有所裨益，更希望有關人士瞭解馬登集團在鋁橋方面的工作。筆者如下看法純屬一家之言，不足爲訓。

對鋁橋的認識有待加強，投入需加大，發展宜加快。與美國、加拿大相比，中國在鋁橋建造方面聲勢不大，相關研究不夠、設計規範尚不完整配套、鋁產業在這方面做的工作有待加強。中國首座鋁橋是2007年3月建成的杭州慶春路中河行人天橋，技術與材料全部從德國引進，2007年9月中國有完全自主知識產權的行人天橋在上海徐家彙漕溪北路投入運作，用的是6061-T6合金，單跨23米，寬6米，主橋高2.6米，淨高4.6米，自身質量15噸，載重約50噸。

據筆者不完全統計，2007年至2019年的13年內，我國在北京、上海等15個城市共建造了約75座行人過街鋁橋，其中公路橋樑未見到公開報道，由此可見，在鋁橋建設方面，在數量上比工業發達國家的少，而公路橋則更少，這並不奇怪，因爲美國有87年的鋁橋建造史，而中國的建造史只不過13年，其他國家如加拿大、英國、德國、丹麥、挪威、瑞典等國的鋁橋建造史都在80年左右。

有人認爲，鋁材的初始成本比鋼材的高，單從經濟上來說，建造一座50米長的行人橋用的鋼材價格只有鋁材價格的40%左右，但國外有人做過研究，如果將維護成本也計算在內，則鋁橋比鋼橋合算得多。以製造一條長91.4米、寬6.1米的橋面爲例，鋼橋面的製造成本爲833美元/米2，鋁橋面的爲1388美元/米2，則鋼橋面的總成本爲45萬美元，鋁橋面的爲75萬美元，鋁橋面比鋼橋面貴67%。鋼橋面每10年就要維護一次，這是勞動密集型工作，徹底清理鏽跡，露出鋼的原貌，再重新刷塗防腐劑。若橋的生命週期爲50年，則需要大維護4次，每次的費用約爲初始建設費的1/3。如此計算，鋼橋在使用期內的總成本爲105萬美元，而鋁橋在服務50年後，即使再使用25年，仍保亮麗風采，成本維持在75萬美元。如此一來，即使純算經濟賬，建造鋁橋也是有優勢的。

建立研發中心，推廣橋樑鋁材應用。我國在鋁橋建設方面之所以未成爲領軍者，與尚未建成一個強有力的研發單位不無關係。爲了推廣鋁橋的發展與研發性能更加的橋樑鋁合金，開發高效的鋁橋加工工藝與組裝工藝，我們有必要組建一個強大的鋁橋研究所與中心，加大投入，聚集人才，使橋樑鋁材成爲鋁產業的一個新亮點，下“狠”功夫幹，下大力氣幹，爭取幹五六年後，扛着大旗，走在世界鋁橋隊伍最前列。(王祝堂)

（文章來源：中國有色金屬報）

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