6.6. Алюминий и его свойства.

Алюминий (Aluminium, от лат. Alumen – квасцы) Аl – элемент III группы 3-го периода периодической системы Д. И. Менделеева, порядковый номер – 13, атомная масса 26,9815, имеет один стабильный изотоп 27Аl. Металлический алюминий был получен в 1827 г. Ф. Велером и в менее чистом виде в 1825 г. Х. Эрстедом. По содержанию в земной коре (8,8%) алюминий занимает третье место. В свободном виде не встречается. Основное сырье для производства алюминия – бокситы.

Алюминий – серебристо-белый металл, легкий, крепкий, пластичный, ковкий, имеет высокую электро- и теплопроводность, высокую химическую активность, легко соединяется с кислородом воздуха, покрываясь плотной, крепкой пленкой окиси А1₂O₃. Это обусловливает высокую коррозийную стойкость алюминия. Алюминий за свои уникальные строительные качества называют конструкционным материалом XXI века.

Алюминий один из легчайших металлов: он в 3,1 раза легче меди и в 2,9 раза более легок железа. В сравнении со сталью алюминий является мягким пластичным материалом. Высокая пластичность алюминия позволяет прокатывать его в фольгу толщиной до 3 микрон, вытягивать в самый тонкий, как паутина, провод: при длине 1000 м он весит всего 27 г и умещается в спичечной коробке. Плотность его составляет ρ = 2700 кг/м3, а модуль упругости Е=71000 Па, что почти втрое меньше, чем плотность и модуль упругости стали. Алюминий очень пластичен удлинение при разрыве достигает 40...50%, но прочность его достаточно низкая (предел прочности составляет приблизительно 60...70 МПа). Алюминий имеет очень высокую, даже в сравнении с другими металлами, теплопроводность и электропроводность и уступает в этом отношении только серебру, золоту и меди. Его коэффициент теплопроводности составляет λ=237 Вт/м°С, что почти в четыре раза превышает коэффициент теплопроводности стали. Чистый алюминий быстро покрывается очень крепкой пленкой оксида, которая препятствует последующему развитию коррозии.

Однако, в результате низкой прочности технически чистый алюминий в строительных конструкциях применяется крайне редко. Зато, алюминиевые многокомпонентные сплавы имеют в 2...5 раз более высокую прочность в сравнении с чистым алюминием, однако их относительное удлинение при этом в 2...3 раза ниже.

Основные физико-химические свойства алюминия таковы:

название (русское, латинское, английское) Алюминий, Aluminium, Aluminum;

порядковый номер 13;

класс, подгруппа класс металлы, подгруппа платины;

атомная масса 6,98154 грамм/моль;

валентности, которые отвечают степени окисления +3 (+2, +1);

точка кипения 2740 К (2467 °С);

точка плавления 933,5 К (660,5 °С);

удельная плотность 2,70 г/см³;

электронная конфигурация [Ne] 3s2, pi;

кислотно-щелочные свойства Амфотерный;

кристаллическая структура Кубическая сингония, 4;

электроотрицательность 1,61;

теплота парообразования 290,8 кДж/моль;

теплота плавления 10,7 кДж/моль;

электропроводность 37,7 106 ом см;

теплопроводность 237 Вт/(м К) (при 300 К);

удельная теплоемкость 0,90 Дж г 1 К 1 (при 300 К);

первый потенциал ионизации 5,986 эВ;

атомный объем 10,0 см³/моль;

атомный радиус 0,143 нм;

ковалентный радиус 0,118 нм.

Основным преимуществом алюминиевых конструкций является их малый вес при высокой несущей способности, иначе говоря, высокая удельная прочность или перекрывающая способность, выражаемая отношением расчётного сопротивления (в т/м²) к объемному весу (в т/м³). Эта величина измеряется в метрах и показывает длину стержня, в котором под растягивающим действием собственного веса возникнут напряжения, равные расчетным сопротивлениям. Сравнение этой величины для конструкций из алюминиевых сплавов и других современных строительных материалов показывает, что по своей удельной прочности конструкции из алюминиевых сплавов значительно превосходят сталь.

Благодаря малому весу несущих конструкций представляется возможным уменьшить вес и размеры поддерживающих конструкций (колонны) или механизмов движения (мостовые краны, разводные мосты, ворота ангаров, передвижные радио- и телемачты и др.). Улучшаются условия компоновки сооружений путем увеличения пролета несущих конструкций (увеличение шага колонн, применение напольных кранов); сокращаются транспортные расходы, и, наконец, можно шире применять новые виды подъемно-транспортных средств (например, вертолеты в качестве воздушных кранов и т. п.).

Весьма ценной особенностью конструкций из алюминиевых сплавов является их высокая стойкость против коррозии, в 10—20 раз превышающая стойкость обычной строительной стали. Это позволяет применять алюминиевые сплавы для широкого перечня ограждающих конструкций, в том числе и для конструкций, сочетающих в себе одновременно ограждающие и несущие свойства, а также назначать минимальные толщины элементов-конструкций в соответствии с требованиями прочности или устойчивости, тогда как минимальную толщину элементов стальных конструкций определяют по требованиям защиты их от коррозии.

Высокая стойкость алюминиевых конструкций против коррозии позволяет применять их в ряде случаев без окраски; при этом сохраняется хороший внешний вид сооружения. В случае необходимости стойкость конструкций против коррозии можно повысить путем окраски или анодирования, что позволяет успешно решать архитектурно-декоративные задачи, так как анодирование с цветным наполнителем обеспечивает стойкое окрашивание поверхности алюминиевых конструкций или деталей в различные цвета – зеленый, голубой, золотистый, малиновый или фиолетовый.

Существенное преимущество алюминиевых конструкций – отсутствие искр при ударе по ним стальными или каменными предметами. Это важное свойство может быть использовано при подземном строительстве. Так, в Венгрии в шахтах, имеющих взрывоопасную атмосферу, применяется сборно-разборная крепь из алюминиевого сплава.

Конструкции из алюминиевых сплавов при низких температурах становятся более пластичными (менее хрупкими). Это важное свойство выгодно отличает алюминиевые конструкции от стальных.

Повышенная сейсмостойкость алюминиевых конструкций обусловливается их меньшим весом, что уменьшает сейсмические нагрузки (инерционные силы при толчке). Это обстоятельство обеспечивает не только увеличение долговечности сооружений, возводимых в сейсмических районах, но и снижение их стоимости.

Основными недостатками алюминиевых сплавов являются, низкий модуль упругости, равный 710000 кг/см², из-за чего уменьшается устойчивость элементов алюминиевых конструкций и увеличиваются их деформации под нагрузкой, и более высокий, чем у стали, коэффициент линейного расширения (α_т=0,000023 на 1°). Вследствие этого при изменении температуры увеличиваются деформации конструкций из алюминиевых сплавов по сравнению с аналогичными стальными конструкциями.

Однако не во всех конструкциях указанные свойства алюминиевых сплавов дают отрицательный эффект; так, низкий модуль упругости (в сочетании с малым весом конструкции) обеспечивает сейсмостойкость зданий. Например, при землетрясении в 1957 г. в г. Мехико, здания, выполненные из различных материалов, получили значительные разрушения; исключением явились фасады зданий (в том числе высотных), выполненные с широким применением алюминиевых сплавов.

Высокий коэффициент линейного расширения (в сочетании с низким модулем упругости) вызывает в статически неопределимых конструкциях из алюминиевых сплавов дополнительные напряжения от температуры, составляющие лишь две трети от подобных напряжений в аналогичных стальных конструкциях.

Недостатками алюминиевых сплавов являются также относительная сложность осуществления соединений, пониженные выносливость и жаропрочность.

Однако указанные недостатки алюминиевых сплавов не могут препятствовать широкому применению в строительстве алюминиевых конструкций. Умелое использование перечисленных выше преимуществ алюминиевых сплавов в конкретных местных условиях строительства позволяет добиться значительного технико-экономического эффекта даже при существующей, пока еще высокой, стоимости алюминиевых сплавов.

Расширению области применения алюминиевых конструкций способствуют также некоторые их особенности, выгодно отличающие алюминий от стали в металлических конструкциях: хладостойкость, имеющая большое значение для конструкций, строящихся в северных и сибирских условиях; высокая сейсмостойкость, антимагнитность, что важно при строительстве радиомачт и телебашен, отсутствие искр при ударе (при подземном строительстве), высокая отражательная способность (при строительстве в южных районах), малая шероховатость поверхности (при строительстве трубопроводов), высокая огнестойкость ограждающих конструкций, хорошее поглощение алюминием нейтронного излучения. Наконец, в особых случаях используется высокая стойкость алюминия против ряда химически агрессивных веществ (при строительстве предприятий химической и пищевой промышленности) и его бактерицидность (способность отражать ультрафиолетовое излучение, убивающее микробов в помещениях).