Алюминиевые конструкции

Алюминий-самый  распространненый металл в земной коре. Его содержание оценивают в 7.45 % (больше, чем железа, которого только 4.2 %). Алюминий как элемент открыт недавно-в 1825 г., когда были получены первые небольшие комочки этого металла. Начало его промышленного освоения относится к концу прошлого столетия. Толчком к  этому послужила разработка в 1886 г. способа его получения путем электролиза глинозема, растворенного в криолите. Принцип способа лежит в основе современного промышленного извлечения алюминия из глинозема во всех странах мира.

 По  внешнему виду алюминий представляет собой блестящий серебристый  белый металл. На воздухе он быстро окисляется, покрываясь тонкой белой

матовой пленкой Al O . Эта пленка обладает высокими защитными свойствами, поэтому, будучи покрытым такой пленкой, алюминий является коррозионностойким.

 Алюминий  достаточно легко разрушается растворами едких щелочей, соляной и серной кислот. В концетрированной азотной кислоте и органических кислотах он обладает высокой стойкостью.

 Наиболее  характерными физическими свойствами алюминия является его малая относительная  плотность, равная 2.7, а также сравнительно высокие тепло- и электропроводность. При 0 C удельная электропроводность алюминия, т.е. электропроводность алюминиевой проволоки сечением 1 мм и длиной 1 м равна 37 1 ом.

 Коррозионная  стойкость и особенно электропроводность алюминия тем выше, чем он чище, чем  меньше в нем примесей.

 Температура плавления алюминия невысокая, она  равна приблизительно 660 C. Однако скрытая теплота плавления его очень большая-около 100 кал г, поэтому для расплавления алюминия требуется большой расход тепла, чем для расплавления такого же количества, например, тугоплавкой меди, у  которой температура плавления 1083 C, скрытая теплота плавления 43 кал г.

 Для механических свойств алюминия характерна большая пластичность и малая  прочность. Прокатанный и отожженный алюминий имеет =10 кГ мм, а твердость  НВ25, =80% и =35%.

 Кристаллическая решетка алюминия представляет собой  гранецентрированный куб, имеющий при 20 Cпараметр (размер стороны) 4.04 . Аллотропических превращений алюминий не имеет.

 В природе  аллюминий находится в виде алюминиевых  руд: бокситов, нефелинов, алунитов и каолинов. Важнейшей рудой, на которой базируется большая часть мировой алюминиевой промышленности, являются бокситы.

 Получение алюминия из руд состоит из двух последовательно  проводимых этапов-сначала производят глинозем (Al O ), а затем из него получают алюминий.

 Известные в  настоящее время методы получения  глинозема можно разбить на три группы: щелочные, кислотные и электротермические. Наиболее широкое применение получили щелочные методы.

 В одних разновидностях щелочных методов боксит, обезвоженный при 1000 C, измельчают в шаровых мельницах, смешивают в определенных пропорциях с мелом и содой и спекают для получения растворимого в воде твердого алюмината натрия по реакции

Al O  + Na CO  = Al O Na O + CO  .

 Спекшуюся массу измельчают и выщелачивают водой, алюминат натрия при этом переходит  в раствор.

 В других разновидностях щелочного метода глинозем, содержащийся в боксите, связывают в алюминат натрия путем непосредственной обработки руды щелочами. При этом сразу получается раствор алюмината в воде.

 В обоих случаях  образование водного раствора алюмината  натрия приводит к отделению его от нерастворимых компонентов руды, представляющих собой в основном окиси и гидроокиси кремния, железа и титана. Отделение раствора от нерастворимого осадка, называемого красным шламом, осуществляют в отстойниках.

 В полученный раствор при 125 C и давлении 5 ам добавляют известь, что приводит к обескремниванию-CaSiO уходит в осадок, образуя белый шлам. Очищенный от кремния раствор после отделения его от белого шлама обрабатывают углекислым газом при 60-80 C, в результате чего в осадок выпадает кристаллический гидрат окиси алюминия:

Al O Na O + 3H O + CO  = 2Al(OH)  + Na CO  .

 Его промывают, просушивают и прокаливают. Прокаливание приводит к образованию глинозема:

2Al(OH)  = Al O  + 3H O .

 Описанный способ обеспечивает довольно полное извлечение глинозема из боксита-около 80%.

 Получение металлического алюминия из глинозема заключается  в его электролитическом разложении на составные части-на алюминий и  кислород. Электролитом в этом процессе является раствор глинозема в криолите (AlF  3NaF). Криолит, обладая способностью растворять глинозем, одновременно снижает его температуру плавления. Глинозем плавится при температуре около 2000 C, а температура плавления раствора, состоящего, например, из 85 % криолита и 15 % глинозема, равна 935 C.

 Схема ээлектролиза глинозема достаточно проста, но технологически этот процесс сложный и требует больших затрат электроэнергии.

 В поду ванны  с хорошей теплоизоляцией  и  угольной набивкой  заложены катодные шины , соединенные с отрицательным полюсом источника электрического тока. К анодной шине  присоединены электроды . Перед началом электролиза на дно ванны насыпают тонкий слой кокса, электроды опускают до соприкосновения с ним и включают ток. Когда угольная набивка накалится, постепенно вводят криолит. При толщине слоя расплавленного криолита, равной 200-300 мм, загружают глинозем из расчета 15% к количеству криолита. Процесс происходит при 950-1000 C.

 Под действием  электрического тока глинозем разлагается  алюминий и кислород. Жидкий алюминий 6 скапливается на угольной подине (дно угольной ванны), являющейся катодом, а кислород соединяется с углеродом анодов, постепенно сжигая их. Криолит расходуется незначительно. Глинозем периодически добавляют, электроды для компенсации сгоревшей части постепенно опускают вниз, а накопившийся жидкий алюминий через определенные промежутки времени выпускают в ковш 8.

При электролизе  на 1 т алюминия расходуется около 2 т глинозема,

0.6 т угольных  электродов, служащих анодами, 0.1 т  криолита и от

17000 до 18000 квт  ч электроэнергии.

 Полученный  при электролизе глинозема алюминий-сырец  содержит металлические примеси (железо, кремний, титан и натрий), растворенные газы, главным из которых является водород, и неметаллические включения, представляющие собой частицы глинозема, угля и криолита. В таком состоянии он непригоден для применения, так как имеет низкие свойства, поэтому его обязательно подвергают рафинированию. Неметаллические и газообразные примеси удаляют путем переплавки и продувки металла хлором. Металлические примеси можно удалить только сложными электролитическими способами.

После рафинирования  получают торговые сорта алюминия.

 Чистота алюминия является решающим показателем, влияющим на все его свойства, поэтому химический состав положен в основу классификации  алюминия.

 Неизбежными примесями, получающимися при производстве алюминия, являются железо и кремний. Обе они в алюминии вредны. Железо не растворяется в алюминии, а образует с ним хрупкие химические соединения FeAl  и Fe Al . С кремнием алюминий образует эвтектическую механическую смесь при 11.7% Si. Поскольку растворимость кремния при комнатной температуре очень мала (0.05%), то даже при его незначительном количестве он образует эвтетику Fe+Si и включения очень твердых (НВ 800) хрупких кристалликов кремния, которые снижают пластичность алюминия. При совместном присутствии кремния и железа образуется тройное химическое соединение и тройная эвтектика, тоже понижающие пластичность. 
 

Началом

истории применения алюминия в строительстве 

Началом истории  применения алюминия в строительстве можно считать установку алюминиевого карниза в 1896году на здании life Building и алюминиевой кровли на двух культовых храмах в Риме в 1897 и 1903гг. По данным на 1964-1969гг. кровля зданий находилась в хорошем состоянии.

Одним из первых интересных опытов применения силовых алюминиевых конструкций является опыт двух реконструкций(в 1933 и 1967гг.)проезжей части городского моста в Питтсбурге(США). Балки из швеллеров и лист проезжей части после реконструкции в 1933г. Эксплуатировались 34 г8ода. В 1967г. Они были заменены ортотропными плитами. Замена была предпринята в связи коррозией алюминия под воздействием противообледенительных солевых составов,особенно разрушивших его в местах опирания швеллеров проезжей части на стальные балки. Перила, выполненные в 1933г.,в 1967г. Находились в отличном состоянии и не заменялись.

В 50-е годы двадцатого столетия начали применять в строительстве сварку алюминия. Наибольшее распространение сварка получила при изготовлении листовых конструкций, резервуаров и цистерн для хранения сернистой нефти и других жидкостей и газов. Большой вклад в развитие сварных алюминиевых конструкций сделан Институтом электросварки им. Акад. Е. О. Патона АН УССР, в котором в 1953г. Разработана сварка алюминия и его сплавов по слою флюса полупогруженной дугой. Развита и усовершенствована предложенная в конце прошлого века русским ученым Н. Н. Бенардосом сварка в струе инертных газов и другие способы. В 1959г. Построены первые сварные резервуары на Волго-Донском комбинате синтетических жирозаменителей.

Первые цельноалюминиевые  конструкции,построенные в 40-е годы,как  правило, проектировались в виде плоских ферм, рам, балок и т.п. систем,аналогичных стальным конструкциям,что  приводило к снижению массы алюминиевого сооружения в 1,7 – 2 раза по сравнению с массой стального варианта.

Из-за низкого  модуля упругости такие плоские  системы проектировались с большой  высотой конструкций и большими размерами сечений элементов  для обеспечения жесткости и  устойчивости. При этом наблюдалось  неполное использование высокой прочности алюминиевых сплавов, так как сечения элементов часто подбирались по гибкости, а не по усилиям, действующим в стержнях.Требовалась частая развязка сжатых элементов связями.

Наличие больших  запасов алюминия в странах Европы и Амер ки,оставшихся не использованными на военные нужды второй мировой войны,послужило бурному строительству сооружений с алюминиевыми конструкциями и применению архитектурно- строительных деталей в послевоенные годы,развитию этой новой области в последующие десятилетия. Этому также способствовали коррозионная стойкость алюминия, возможность применения неокрашиваемых металлических конструкций, имеющих светлый тон со своеобразным блеском,создающим соответствующий эстетический эффект,простота и легкость монтажа благодаря малой массе конструкций.

В связи со сравнительно высокой стоимостью алюминия при  проектировании алюминиевых конструкций  вначале стремились получить алюминиевые  конструкции легче стальных во столько  раз, во сколько плотность стали  больше плотности алюминия, т.е. примерно в 2,8 раза. В дальнейшем выявление больших технологических возможностей пластического формообразования алюминиевых нестандарных профилей и листовых фигурных деталей при небольших трудозатратах и на относительно несложных установках показало необходимость поиска новых, более эффективных в экономическом отношении конструктивных форм, соответствующих свойствам легкого металла.

Показательным сооружением в этом отношении  был выставочный павильон,построенный  в 1951г. В лондоне. Здание павильона покрыто пологим алюминиевым куполом диаметром 109 м. Пространственный каркас купола создан системой трехпоясных арочных ферм, расположенных в плане по трем направлениям так,что они образовали сетку с треугольными ячейками. В этом сооружении появилась характерная тенденция проектирования конструкций из алюминия: в основу пространственной регулярной системы была заложена элементарная ячейка – треугольник, являющийся первичной неизменяемой системой. В связи с этим в трехпоясных арочных фермах для поясов лондонского купола были применены неортогогальные корытные профили. Для двух верхних поясов они имели несемметричное сечение,а для нижнего – моносимметричное. Распределение материала по полкам, стенкам, ребрам, бульбам профилей было задано так,что обеспечивалось бескосычное соединение раскосов с поясами на заклепках. Таким образом, с помощью прессованных профилей была достигнута простота сопряжения стержней в узлах трехпоясных пространственных ферм. Однако в конфигурации самих профилей отсутствовала оптимальность формы центрально сжатого стержня,которым, в идеале, должен бы быть каждый стержень этих ферм.

Первое сооружение, в котором покрытие было выполнено  в виде пространственной листовой конструкции,запроектировано  и построено в Советском Союзе  в 1951 – 1954гг. Оно представляет собой три прямоугольных в плане,отдельно стоящих параллельно друг другу здания пролетом 9,3 и 7,6 м. Каждое из них покрыто цилиндрическим складчатым сводом. Между собою здания соединены коридорами, которые также покрыты свокодами. Складчатая алюминиевая поверхность покрытия утеплена пенопластом,покрыта гидроизоляцией и окрашена. Алюминиевые своды изготавливались из листовых,вальцованных по радиусу профилей, которые соединялись междк собой заклепками, поставленными в холодном состоянии. Применением такой листовой рельефной конструкции достигалась чрезвычайная легкость.