01.04.2024 | Light Metal Age

Автор статьи: Кевин Видлик, редактор-составитель.

Алюминий используется в различных отраслях уже много лет, и большинство специалистов в алюминиевой металлургии привыкли видеть его во многих повседневных изделиях. Многие, возможно, не осведомлены о том, что алюминий может стать выгодной альтернативой другим материалам при строительстве мостов, учитывая среди прочих достоинств его удобство и экономическую эффективность на протяжении всего периода эксплуатации моста.

Алюминий используется в строительстве мостов уже более 80 лет, что говорит о его богатой истории. Однако, прямо говоря, эта история отличается взлетами и падениями и сравнительно коротка. Тем не менее, благодаря росту международного сотрудничества появляются всё более эффективные решения. Недавние проекты в Канаде и Норвегии вызывают оживление в алюминиевой отрасли, особенно среди производителей экструдированных профилей. В рамках текущих проектов изучается стандартизация мостовых конструкций на основе алюминия, разработка новых пешеходных и автомобильных мостов, а также замена устаревшей инфраструктуры. Сегодня эксперты в этой отрасли со всего мира активно занимаются продвижением алюминия и расширением его применения в строительстве мостов.

ИСТОРИЯ ВОПРОСА
Мост на Смитфилд-стрит в Питтсбурге, штат Пенсильвания, возведённый в 1933 году, получил алюминиевые ограждения и настил. Он оказался первым зафиксированным случаем использования конструкционного алюминия в изготовлении мостов.

С того времени примеров подобных мостов было немного. Пожалуй, самым знаменитым является мост Арвида в Канаде, расположенный примерно в 120 милях к северу от Квебека, который описывается как триумф гражданского строительства. Он был построен в 1950 году и стал первым в мире автомобильным мостом, полностью выполненным из алюминия. Арочный мост протяжённостью 153 метра до сих пор функционирует, и его ремонт сводился лишь к замене бетонного настила и отдельных алюминиевых деталей из-за коррозии. Основные алюминиевые конструкции моста не требовали техобслуживания.

Тем не менее, для строительства следующего алюминиевого моста для автомобильного транспорта потребовалось ещё 65 лет. Мост Сен-Амбруаз в Квебеке с алюминиевым настилом на стальных балках был возведён в 2015 году. Несмотря на ограниченное число репрезентативных проектов, потенциальные возможности применения алюминия в мостостроении впечатляют.

ПРИМЕНЕНИЕ АЛЮМИНИЯ
Почему в будущем в мостах будет больше алюминия? Доктор Марио Фафар, занимающий должность консультанта в AluQuébec, обладатель докторской степени в области численного моделирования и бывший профессор Университета Лаваля в Квебеке, подчёркивает несколько ключевых моментов. Алюминий — оптимальный материал для быстрого строительства и монтажа, он имеет более низкий углеродный след в сравнении с другими материалами (при производстве с использованием возобновляемых источников энергии), а также позволяет сократить расходы на техобслуживание по сравнению с конструкциями из бетона, стали и дерева из-за его высокой устойчивости к коррозии. Однако основное преимущество алюминия заключается в его малом весе. При одинаковой жёсткости алюминиевый мост окажется вдвое легче стального и вчетверо легче бетонного. Лёгкие настилы моста уменьшают статическую нагрузку на пролётные конструкции, что повышает несущую способность. Это особенно важно для мостов с большим пролетом.

Ещё одним ключевым моментом является возможность полной переработки алюминия. Это имеет особое значение в контексте глобального стремления к экологически безопасным решениям и снижению углеродного следа. К счастью, алюминиевая отрасль по всему миру быстро увеличивает мощности по переработке, что делает вторичный алюминий более доступным.

Особенно хорошо алюминиевые профили подходят для проектирования мостов для пешеходов и транспортных средств. Конструкторы подчёркивают, что другие строительные материалы, такие как сталь и композитные материалы, не могут сравниться с алюминием в плане творческих возможностей, поскольку обладают большим количеством ограничений.

Использование гибкости и творческих возможностей, которые предоставляют экструзионные профили, в сочетании с технологией сварки трением с перемешиванием для их соединения в мостовой настил, является наиболее экономически выгодным решением для владельцев мостов. «Сварка трением с перемешиванием — это крайне выгодная технология, — отметил Бенуа Кассон, инженер-конструктор из консультационной компании WSP в Канаде. — Она не только эффективна, но и чрезвычайно экономична. На мой взгляд, мы об этом недостаточно говорим».

Для мостов нужны крупногабаритные экструзионные профили, что не всегда легко сделать. Найти необходимые производственные мощности для производства профилей нужной длины для строительства мостов по-прежнему сложно. Но Томас Б. Свендсен, инженер, работающий над развитием бизнеса в компании Hydro, отмечает, что ситуация улучшается. «Экструзионные профили необходимы для строительства как пешеходных, так и автомобильных мостов», — говорит он.

НОВЫЕ ПРОЕКТЫ В НОРВЕГИИ И КАНАДЕ
Компания Hydro занимает лидирующие позиции в производстве алюминия в Норвегии и активно рекламирует потенциал этого материала в разнообразных отраслях, в том числе в строительстве мостов. Свендсен отметил, что свойства алюминия идеально подходят для строительства мостов, и добавил, что недавние изменения вызвали интерес к новым материалам. «Сегодня существуют иные перспективы и аргументы, — сказал он. — К ним относятся климатические изменения, экономия ресурсов, цепочки создания ценности и повышенное внимание к устойчивому развитию. Кроме того, в число важных факторов, помимо затрат, теперь входит и снижение выбросов».

Свендсен поделился преимуществами применения алюминия в масштабных и всесторонних проектах, в том числе в области транспортной инфраструктуры. Например, если рассматривать конкретно мосты, ряд новых проектов в Норвегии показывает, что для алюминия нашлось новое применение.

Примером может служить мост Лангенуэн, который, возможно, является самым захватывающим текущим проектом в стране. Он является частью масштабного норвежского проекта E39 без использования паромов, задача которого — обеспечить более стабильное и эффективное движение транспорта вдоль западного побережья Норвегии. Мост через пролив Лангенуэн, находящийся к югу от Бергена, будет построен с использованием алюминия.

Свендсен сообщил, что компания Hydro работает над проектом Лангенуэн с 2016 года. «Разработчики проекта E39 стремились проанализировать полную структуру затрат и возможное применение технологий из других сфер. Их интересовали материалы, логистические цепочки и строительство, а также опыт, включая достижения нефтяной отрасли. Но в их планы не входил алюминий, — пояснил он. — Начав исследование, мы в первую очередь убедились, что возвести мост таких масштабов из алюминия технически возможно. Мы также сравнили затраты на алюминий со сталью. Алюминий обходится дороже стали, но обеспечивает ряд синергетических преимуществ. К примеру, снижение веса благодаря использованию алюминия может способствовать уменьшению расхода бетона».

Меньший расход бетона, в свою очередь, ведет к уменьшению выбросов углекислого газа. Бетон — самый популярный строительный материал в мире, при этом он является причиной 5–8 % глобальных выбросов парниковых газов. При производстве цемента, основного связующего элемента в бетоне, образуется 80–90 % общего объёма выбросов, приходящихся на бетон.

В этом году на севере Квебека в Университете Лаваля, Канада, где климат особенно суров, реализуется ещё один крупный проект по строительству моста. Транспортный мост будет выполнен из экструдированного алюминиевого настила, установленного на стальных балках. Для соединения профилей будет использоваться метод аргоно-дуговой сварки. Мост будет использоваться для проезда грузовиков, транспортирующих лесоматериалы.

Фафар заявляет, что мост будет находиться под постоянным контролем университетских исследователей. «Мы подсчитали, что за весь жизненный цикл моста общие затраты на владение им окажутся ниже, чем у мостов из бетона или стали, благодаря экономии на обслуживании алюминиевой конструкции», — подчеркнул он.

Свендсен подтвердил это, упомянув, что недавно завершённая магистерская диссертация в Норвежском университете науки и технологий (NTNU) показала, что расходы на техобслуживание традиционных мостов зачастую превосходят затраты на их строительство. Он также отметил, что в дополнение к стоимости, неотъемлемым условием для новых проектов стало сокращение углеродного следа. В другом проекте в Норвегии — строительство пешеходного моста через железнодорожные пути в Тронхейме — рассматривается возможность использования исключительно переработанного алюминия.

СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СОТРУДНИЧЕСТВО
В провинции Квебек насчитывается более 50 пешеходных мостов, изготовленных из алюминия. Ферма является основной конструкционной схемой для данных мостов. Оптимизация ферм и мостовых конструкций, доведённая почти до стандартизации, делает их всё более предпочтительными в сравнении со стальными аналогами. Канадская ассоциация стандартов (CSA) недавно выпустила новое руководство под названием «Руководство по проектированию пешеходных, велосипедных и многоцелевых мостов» (CSA S7: 23), где включен алюминий в качестве материала для изготовления этих мостов.

«Каждый раз при добавлении нового пешеходного моста к уже существующей конструкции или расширении имеющегося моста мы видим, что алюминиевые конструкции оказываются более экономичными и долговечными, — отмечает Кассон. — Они также упрощают строительство, [так как] требуют кранов с меньшей грузоподъёмностью и создают меньше помех в движении транспорта».

Кассон, работающий в WSP, также входит в рабочую группу в Квебеке, состоящую из проектировщиков, производителей и владельцев мостов. Он с оптимизмом отмечает рост активности за последний год. «Количество участников нашей группы значительно возросло, — говорит он. — Мы видим повышенный интерес, а к нашей рабочей группе присоединились представители всех крупных инженерных компаний».

Этот энтузиазм также перешёл на его работу по адаптации Канадских стандартов проектирования автомобильных мостов CSA S6:19 в разделе «Алюминиевые конструкции», где он выступил в роли заместителя председателя. Кассон рассказал, что их группа внесла значительные изменения в нормы, касающиеся алюминиевых конструкций, в рамках последнего цикла подготовки стандартов, который планируется опубликовать в 2025 году, что стало возможным благодаря увеличению числа участников переговоров. «Мы делаем акцент на лёгкости проведения работ, упрощении и повышении эффективности, — подчеркнул он. — К примеру, появится новый раздел, посвящённый алюминиевым настилам, с рекомендациями для конструкторов. Мы продвигаемся вперёд с большей скоростью».

В октябре 2023 года Кассон выступил с ключевым докладом на Международной конференции по алюминию (INALCO) в Квебеке, организованной алюминиевым кластером AluQuébec и центром исследований алюминия REGAL.5 В своём выступлении он акцентировал внимание на тенденциях в Канаде, где с использованием алюминия разрабатывается всё больше проектов для пешеходных и автомобильных мостов. Помимо крупного проекта на севере Квебека речь идет о двух архитектурных пешеходных моста на низких фермах без верхних связей и пешеходный мост с 80-метровой фермой, соединённой с изогнутой балочной конструкцией. Помимо этого, AluQuébec сотрудничает с инженерными компаниями и производителями для создания в течение ближайших трёх лет полностью алюминиевого моста с настилом, соединённым с алюминиевыми балками.

Участники конференция INALCO предложили множество новаторских идей, направленных на расширение применения алюминия в мостостроении. Сюда входит и проект по упрощению производства автомобильных мостов. Кассон отметил, что этот проект может стать отправной точкой для международного партнёрства, так как на конференцию съехались специалисты из Швеции, Германии, Норвегии, Нидерландов, Италии, Канады и США, таким образом, впервые с 1990-х годов создав международное научное сообщество. Одна из потенциальных задач группы — стандартизация проектных норм Северной Америки и Европы, другая — сотрудничество между транспортными ведомствами этих регионов.

Также в планах - совместное распределение затрат на разработку инновационных решений. «Совместное создание решений принесёт пользу всем сторонам, — утверждает Кассон. — Я считаю, что этот энтузиазм не иссякнет».

ПЛАНЫ НА СТРОИТЕЛЬСТВО АВТОМОБИЛЬНЫХ МОСТОВ
Для алюминиевой отрасли автомобильные мосты остаются своего рода «золотым дном», хотя бы из-за того, что на их возведение требуются значительные объёмы алюминия. «Используя алюминиевые настилы и технологию сварки трением с перемешиванием, мы открываем новые концепции, включая передовые компоненты и их использование, — отмечает Кассон. — Мы предвидим появление новаторских решений для строительства шоссейных мостов».

Фафар согласен с этим, добавляя, что изменения в применении алюминия в строительстве автомобильных мостов возможны лишь после того, как транспортные ведомства начнут рассматривать алюминий как стандартный строительный материал. Кроме того, важно, чтобы владельцы мостов рассматривали алюминий как один из возможных строительных материалов, учитывая при этом общую стоимость владения и экологический след. Теперь за этим должна следить сама отрасль. «У нас уже сформированы стандарты и правила для проектирования. Текущая задача — это реализация этих правил для проектирования и внедрение инновационных подходов, — отмечает он. — Больших преград для этого больше не осталось».

Тем не менее, остались другие, более мелкие препятствия. В мировой практике программы общего строительства обычно не предусматривают использование алюминия как конструкционного материала. К примеру, в Канаде лишь три программы гражданского строительства предлагают факультативный курс по проектированию из алюминия.

Другая проблема заключается в том, что инженеры в транспортных департаментах и частных инженерных фирмах обычно мало знакомы с алюминием, как утверждает Фафар, и поэтому предпочитают использовать в своих проектах мостов сталь. И даже в случаях, когда алюминий явно указан в качестве материала, инженеры иногда стремятся заменить его сталью.

Мосты будущего
С пятидесятых по семидесятые годы прошлого века в США и Канаде было возведено приблизительно 660 тысяч общественных автомобильных мостов. По данным Национального реестра мостов за 2021 год, подготовленного Федеральным управлением автомобильных дорог США, свыше 43 тысяч мостов в США находятся в неудовлетворительном состоянии.

Закон о двухпартийной инфраструктуре, принятый в 2023 году, предусматривает выделение 40 миллиардов долларов на ремонт и реконструкцию мостов по всей стране. Это открывает значительные перспективы для использования алюминия. В рамках этого закона администрация Байдена запустила программу по модернизации примерно 15 тысяч автомобильных мостов, включая те, которые не входят в федеральную систему автомобильных дорог. Ожидается, что программа модернизации мостов потребует инвестиций свыше 40 миллиардов долларов на ремонт и восстановление мостов по всей стране, что делает её «самой крупной целевой инвестицией в мосты со времён создания системы автомагистралей между штатами в эпоху Эйзенхауэра».

Между тем, в прошлом месяце Алюминиевая Ассоциация России объявила об открытии первого в стране алюминиевого автомобильного моста. Мост длиной 72 метра расположен на трассе Толоконцево-Могильцы. Конструкция моста, включая балки пролётных строений и ортотропные плиты, выполнена из алюминиевых сплавов. По информации ассоциации, мост состоит из четырёх алюминиевых пролётов по 18 метров каждый, соединённых методом сварки трением с перемешиванием.

Перспективы использования алюминия в мостостроении представляются по-настоящему обнадёживающими. «Я убеждён, что предстоящие несколько лет станут для нас захватывающими», — подытожил Кассон.

Список литературы:

1. ‘Designing a Traffic Barrier Anchorage System for Aluminum Bridge Decking,’ Light Metal Age, October 2019, pp. 12-13.
2. ‘Opportunities for Extruded Aluminum Alloy Shapes in Restoration of Aging Bridge Decks,’ Light Metal Age, June 2008, pp. 12-17.
3. ‘Deploy-Ready Aluminum Bridge Decking,’ Light Metal Age, August 2019, pp. 30-33.
4. ‘An Aluminum Extruded Bridge is Born,’ Light Metal Age, April 2018, pp. 32-33.
5. Cusson, Benoit, ‘Modern Applications and Construction Details for Aluminium Bridges,’ Presented at INALCO, Quebec, Canada, October 11–13, 2023.
6. ‘Bridges: 2021 Infrastructure Report Card,’ American Society of Civil Engineers, 2021.
7. ‘Fact Sheet: President Biden, Vice President Harris, Senior Administration Officials Kick Off 2023 Implementing Bipartisan Infrastructure Law,’ The White House, January 4, 2023.
8. ‘The First Aluminium Road Bridge in Russia Opens for Traffic,’ Aluminium Association of Russia, December 28, 2023.

Примечание редактора: статья была впервые опубликована в выпуске журнала "Light Metal Age" за февраль 2024 года.