當(dāng)前,北美的橋梁系統(tǒng)已進(jìn)入臨界狀態(tài)或者說臨近危險期，美國的60.3萬座與加拿大的逾5.6萬座公路橋的大多數(shù)是在上世紀(jì)的50～70年代建設(shè)的，其中多數(shù)已處于或即將進(jìn)入有缺陷的故障期，聯(lián)邦公路管理局最近的數(shù)據(jù)顯示，美國約有5.6萬座橋梁在結(jié)構(gòu)上存在或多或少的毛?。粨?jù)美國土木工程師學(xué)會發(fā)表的報告稱，約需要1230億美元來修復(fù)與加固有破損的橋梁。
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在未來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、道路和其他交通運輸設(shè)施的建設(shè)對發(fā)展城鄉(xiāng)經(jīng)濟無疑會起著巨大的作用。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。
在當(dāng)今鋁橋的用材中，90%以上為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(shè)施則可用6063合金擠壓材制造。6061合金是一種AI-Mg-Si-Cu-Cr 系合金，是1933年美國鋁業(yè)公司（Alcoa）研發(fā)的，并投入商業(yè)化生產(chǎn)，是一個經(jīng)典的、久經(jīng)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(chǎn)量僅次于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個成員，除6061A是歐洲鋁業(yè)協(xié)會（EAA）研發(fā)的外，其他4個皆是美國合金，他們的化學(xué)成分見表1。生產(chǎn)橋梁鋁材時最好只用6061合金，因為它有最佳的綜合性能，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，為515℃～550℃，控制在535℃即可；T6、T6510、T6511擠壓材的人工時效規(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材在試驗室與實際使用中都未發(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂，T4材料在實際使用無應(yīng)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，也可以釬焊。它是一種中等強度的擠壓性能優(yōu)秀的可熱處理強化的經(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，建于1933年，1967年經(jīng)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(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(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，此公路橋長約98m，原為鋼橋，只能通過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，在沒有出現(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
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合金的各項性能,希望對鋁橋與橋梁鋁材感興趣的人們與推廣鋁的應(yīng)用以及對國民經(jīng)濟發(fā)展有所裨益，更希望有關(guān)人士了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，不足為訓(xùn)。
●對鋁橋的認(rèn)識有待加強，投入需加大，發(fā)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(guān)研究不夠、設(shè)計規(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。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(shù)與材料全部從德國引進(jìn)，2007年9月中國有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的行人天橋在上海徐家匯漕溪北路投入運作，用的是6061-T6合金，單跨23米，寬6米，主橋高2.6米，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，2007年至2019年的13年內(nèi)，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，其中公路橋梁未見到公開報道，由此可見，在鋁橋建設(shè)方面，在數(shù)量上比工業(yè)發(fā)達(dá)國家的少，而公路橋則更少，這并不奇怪，因為美國有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(rèn)為，鋁材的初始成本比鋼材的高，單從經(jīng)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(nèi)，則鋁橋比鋼橋合算得多。以制造一條長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45萬美元，鋁橋面的為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4次，每次的費用約為初始建設(shè)費的1/3。如此計算，鋼橋在使用期內(nèi)的總成本為105萬美元，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75萬美元。如此一來，即使純算經(jīng)濟賬，建造鋁橋也是有優(yōu)勢的。
●建立研發(fā)中心，推廣橋梁鋁材應(yīng)用。我國在鋁橋建設(shè)方面之所以未成為領(lǐng)軍者，與尚未建成一個強有力的研發(fā)單位不無關(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強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)的一個新亮點，下“狠”功夫干，下大力氣干，爭取干五六年后，扛著大旗，走在世界鋁橋隊伍最前列。