тел.: +38 (044) 50-292-50
Статьи
 
 
АЛЮМИНИЙ - СТРОИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ 21 ВЕКА К.т.н. М.А.Айзен 03.06 12:26
В наш высокотехнологичный век трудно себе представить жизнь без многих привычных ныне вещей, дарованных человечеству усердным трудом ученых-химиков, физиков, инженеров. Тяга людей к научным изысканиям и познанию мира столь же древняя, как и само человечество. Еще на заре веков наши предки использовали многие металлы не только как орудия труда или защиты, но также исходя из их химических свойств. Так, alumen, в переводе с латинского «квасцы» — название средства, служившего еще более пятисот лет до нашей эры в качестве протравы для крашения тканей и дубления кожи. Это вещество называли также алюминиевыми квасцами, откуда и получил свое название алюминий — широко используемый сегодня серебристобелый легкий металл. Описание же самих квасцов и их применение можно найти в древних текстах Плиния, который, в свою очередь, ссылается на работы Геродота (V век до н.э.). Немного истории Наидревнейшая археологическая находка алюминия — пояс с обрамлением на пряжке, относится к третьему тысячелетию до нашей эры. Однако никто не знает, как производился алюминий в то время. И только в 19 веке этот материал был открыт заново.Это объясняется его высокой способностью к окислению, так как в свободном виде алюминий, в силу своей химической активности, не встречается. Тем не менее, как химический элемент, является самым распространенным металлом на планете: 8,80 % массы земной поверхности состоит из алюминия в связанном состоянии. Современная история алюминия в Европе начинается в 19 столетии, хотя про окись алюминия Al2O3 знали уже в 18 веке. В 1807 году Х.Деви доказал, что алюминий находится в глине. Он попытался выделить металл, но не смог получить чистый алюминий. В результате получился железоалюминиевый сплав. Однако уже в этот момент стало ясно, как можно добывать алюминий. Именно с «легкой руки» Деви за металлом закрепилось его теперешнее имя. В 1825 году датчанин Ганс Христиан Эрстед, действуя амальгамой калия на безводный AlCl3 и затем отгоняя ртуть, получил относительно чистый алюминий. А вслед за ним, в 1827г., немец Фридрих Велер получил алюминиевый порошок химическим путем c помощью металлического калия, который он применил вместо амальгамы. Тогда стоимость получения алюминия составляла 2400 марок за 1 кг. В 1850 году француз Сент-Клер Девиль заменил металлический калий более дешевой содой. Это позволило начать производство металла в значительных количествах. И стоимость его составляла уже 200 марок за 1 кг алюминия. Позже, в 1854 году немец Бунзен открыл, что алюминий можно производить с помощью электролиза, а Сент-Клер Девиль окончательно оформил это открытие: способ заключался в восстановлении двойного хлорида алюминия и натрия (Na3AlCl6) металлическим натрием. Открытиями Девиля заинтересовался Наполеон III, который начал использовать алюминий для изготовления легких шлемов и другой военной амуниции. Из алюминия делали даже пуговицы для высшего командного состава армии похожий по цвету на серебро, алюминий на первых порах ценился очень дорого. С 1855 по 1890 гг. было получено всего 200 тонн этого металла. Интересно, что первым предметом, сделанным из алюминия, была погремушка для внука императора. В 1855 году промышленное производство алюминия было начато под Парижем, где Сент-Клер Девиль построил три большие фабрики, которые в течение длительного времени обеспечивали все мировые потребности в алюминии (приблизительно 2-3 тонны в год). В 1860 году была построена новая фабрики в Руане (Франция), где впервые для производства алюминия начали использоваться бокситы. Интересно, что само название минерала «боксит» происходит от названия французского городка Бокс в провинции Прованс (Франция), где он был открыт. В 1886 году практически одновременно и независимо друг от друга француз П.Эру и американец Чарльз Холл открыли современный электролитический процесс производства алюминия в больших количествах. Было предложено сначала растворять окись алюминия Al2O3 в расплавленном криолите, а затем уже электролизом получать практически чистый алюминий (99,5%). И с 1886 года производство алюминия начинает неуклонно расти. С 1887 по 1892 гг. К.Байер улучшил процесс добычи окиси алюминия Al2O3 из бокситов. Открытая им технология используется и в настоящее время. С использованием ее процессов были построены в 1890 г. заводы в Швейцарии (Нойхаузен) и США (Питсбург). От сырья к алюминию Несмотря на то, что алюминий является четвертым в списке наиболее часто встречающихся элементов земной коры, сразу после кислорода, водорода и кремния, а также самым распространенным среди металлов, совсем не много месторождений, в которых было бы экономически выгодно добывать алюминий. Для этого его содержание в породе должно быть не менее 25%. В бокситах количество окиси алюминия составляет 55—60%. Крупнейшие месторождения бокситов находятся в Австралии, Бразилии, Гвинее и Ямайке. Промышленные месторождения имеются также в Югославии, Греции, Венгрии, Франции и на территории бывшего СССР. В Украине, на Николаевском алюмоглиноземном заводе идет только переработка бокситов, поставляемых из других стран, например, Гвинеи. Добывают бокситы в открытых карьерах. И, поскольку для получения чистого алюминия необходим процесс электролиза, фабрики по производству алюминия всегда располагаются в районах, богатых недорогой электрической энергией, часто в зоне гидроэлектростанций. По сравнению с другими металлами производство одного килограмма чистого алюминия требует гораздо больше энергозатрат. Так, для получения 1 тонны чернового алюминия расходуется 14—16 тысяч кВт·час электроэнергии. Алюминий отбирают из электролизера каждые двое суток. Полученный металл разливают в чушки или слитки, которые и перерабатывают в листы, фольгу, проволоку. На рис. 1 представлена схема получения алюминия из бокситов: 1. Добыча бокситов. 2. Бокситы размельчаются, смешиваются с каустической содой и подаются в большие автоклавы. 3. Под действием высокой температуры и давления каустическая сода вступает в химическую реакцию с окисью алюминия в бокситах и образуется жидкость алюминат натрия. 4. Окись железа и другие компоненты, содержащиеся в бокситах, в виде «красной грязи» удаляются, алюминат натрия остается для дальнейшей переработки. 5. Алюминат натрия охлаждается. Кристаллы гидрооксида алюминия Al2O3 образуются для дальнейших химических процессов. 6. Кристаллический гидрооксид алюминия нагревается в специальных печах до t=1000°C, при этом химически связанная вода удаляется. Остается окись алюминия в виде сухого белого порошка. 7. Окись алюминия растворяется в специальных электролитических ванных в жидком криолите при температуре 950°C (вместо 2050°С — температуры плавления Al2O3). Под действием электрической энергии кислород отделяется от алюминия на угольных анодах и в виде двуокиси углерода удаляется в атмосферу, в то время как жидкий алюминий собирается на катоде. 8. После охлаждения чистый алюминий заливается в специальные печи, где смешивается с другими компонентами необходимых сплавов, после чего эти сплавы разливаются в формы с образованием слитков, круглых прутов или специальных экструзионных столбов. Алюминиевые сплавы — прогрессивный строительный материал Благодаря своим физико-химическим свойствам алюминий успешно используется в строительстве. Причем, специальными сплавами можно добиться повышения механической прочности этого металла, что позволяет изготавливать из него относительно легкие, но прочные конструкции, достаточно востребованные сегодня на строительном рынке. Впервые алюминий в архитектуре начали применять с 1884 года, когда верхушка мемориала в Вашингтоне была увенчана алюминиевым окончанием весом около 3 кг. В 1902 г. в Вене был создан первый фасад из алюминия, а в 1933 г. построен первый алюминиевый мост. Настоящий бум в применении алюминия в строительстве произошел после того, как были открыты и исследованы свойства алюминиевых сплавов. Так, в 1906 г. немец Альфред Вильм впервые открыл, что механические свойства алюминия улучшаются в сплаве с медью и магнием (так называемый дюралюминий). Этот сплав мог уже применяться в конструктивных целях. Затем были исследованы и начали применяться сплавы алюминия с медью, магнием и цинком — таким образом получались высокопрочные сплавы, и, наконец, сплавы алюминия, магния и кремния (авиль). Алюминиевые сплавы отличаются малой объемной массой, достаточно высокой прочностью и повышенными пластическими характеристиками при низких температурах. Изделия и конструкции из алюминиевых сплавов при ударе не дают искр, обладают антимагнитностью, огне- и сейсмо- стойкостью. Их применяют в ограждающих и несущих конструкциях, для окон, дверей, солнцезащитных устройств, при ремонте и модернизации старых зданий и т.д. Их высокая стойкость к коррозии позволяет назначать минимальную толщину элементов конструкций, работающих в агрессивной среде, соответствующую требованиям прочности или устойчивости, а не требованиям защиты против коррозии. Незначительная масса несущих конструкций дает возможность уменьшать размеры и массу колонн и фундаментов, сокращать транспортные расходы, шире применять новые виды подъемно-транспортных средств. Высокая хладостойкость алюминиевых сплавов имеет большое значение для строительства в северных странах. Наибольшее распространение в мировой строительной практике получили сплавы алюминия с магнием (который увеличивает прочность сплава) и кремнием (повышающим литейные свойства алюминия) — в частности, сплав Al Mg Si0,5 (авиль). В наших строительных нормах этому сплаву соответствуют марки АД31Т и АД31Т1. Основные физико-механические свойства этих сплавов представлены в табл.1. Именно они используются для создания систем алюминиевых профилей при производстве окон, дверей и фасадных конструкций. Светопрозрачные конструкции из алюминия В западной Европе алюминиевые и деревоалюминиевые окна в последнее время практически догнали по объему продаж традиционные деревянные конструкции, захватив около трети валового рынка (25 млн. м2 в год). В любом европейском городе имеется большое количество зданий, фасады которых выполнены из алюминиевых конструкций. В торговых центрах большепролетные алюминиевые конструкции создают простор и уют. Красивые в своей простоте, остекленные фасады главных офисов крупных фирм отражают их основательность, эффективную деятельность и благополучие. Много алюминиевых конструкций используется в жилых домах и детских учреждениях, в магазинах и на заправках, в банках и на спортивных объектах — везде, где ценят уникальные качества этого интересного строительного материала, материала ХХІ века. Алюминиевые оконные блоки изготавливают из длинных (чаще всего длиной 6 м) профильных полос, полученных путем горячего прессования в специальных экструдерах. При этом для увеличения жесткости, снижения веса и уменьшения теплопотерь профили изготавливают пустотелыми сложной формы. Обычно сечения алюминиевых профилей меньше, чем пластмассовых и деревянных, благодаря чему вес алюминиевых створок не больше деревянных. В то же время это повышает светопропускание окон и улучшает внешний вид. Готовые алюминиевые профили хорошо обрабатываются резанием, поэтому для сборки окон из алюминиевых профилей требуется небольшой парк пил, фрезерных, сверлильных станков и прессов. Как правило, комплект оборудования для сборки алюминиевых окон обходится дешевле, чем для изготовления деревянных окон. С другой стороны, алюминиевый профиль высокого качества дороже профиля из ПВХ и дерева, поэтому стоимость алюминиевых окон обычно больше пластмассовых и деревянных. Наиболее сложный элемент в изготовлении алюминиевых окон — выполнение соединений, которое осуществляется механическим способом с применением специальных внутренних вкладышей. В процессе сборки эти вкладыши обжимаются в прессах либо фиксируются крепежными элементами. Покрытие — еще один немаловажный элемент алюминиевых конструкций. Существуют две основные технологии окраски алюминиевых профилей:  нанесение покрытия гальваническим способом;  нанесение лакокрасочного покрытия. При гальваническом способе алюминий покрывают оксидной пленкой в ходе электрохимического процесса (анодирования). Эта пленка надежно защищает металл от внешних воздействий, а цвет ее варьируется от естественного до светло- или темно-золотого, бронзового и даже черного. Толщина такого защитного покрытия достигает 25 мкм. К достоинствам гальванического способа можно отнести меньшую себестоимость, а к недостаткам — ограниченные возможности получения нужной цветовой гаммы и экологическую небезопасность производства. Лакокрасочное покрытие используют как раз для получения уникальных цветовых оттенков. Это порошковое покрытие, не требующее токсичных растворителей и не являющееся вредным производством. Краска представляет собой сухой порошок разных цветов. Алюминиевый профиль предварительно обезжиривается, очищается и помещается в камеру, в которой изделию придается электрический потенциал. Затем в специальной камере сухой красящий порошок наносится методом распыления на поверхность, после чего профиль помещается в термокамеру, в которой при температуре приблизительно 200 С краска полимеризуется, образуя прочное эластичное покрытие с высокой адгезией. Иногда используется комбинация покраски и прозрачного защитного слоя, в результате чего возникает дополнительная защита не только алюминия, но и краски. Толщина покрытия при однослойной системе достигает 70 мкм, а при двухслойной — 90 мкм и более. Основная проблема алюминиевых окон — высокая теплопроводность алюминия — 220Вт/м оС, что более чем в 1000 раз выше теплопроводности дерева и пластмассы. Поэтому для алюминиевых окон вопросы теплозащиты стоят довольно остро, особенно в холодном климате Украины с продолжительной зимой и низкими температурами. И тут уже нельзя обойтись одной только многокамерностью профилей, как в пластмассовых окнах. Необходим разрыв алюминиевого моста между внутренней и наружной частью окна. В современных конструкциях алюминиевых окон это решается с помощью термоизолирующей вставки (так называемых термомостов) — соединительных элементов, выполняющих функции терморазрыва. Термоизолирующие вставки выполняются обычно из полимерных материалов по различным технологиям (чаще всего заливкой или запрессовыванием)и позволяют существенно повысить теплозащитные свойства получаемого таким образом комбинированного профиля. Профиль с термоизолирующей вставкой иногда называют еще «теплым» профилем, он применяется при изготовлении окон и дверей для отапливаемых помещений. В отличие от него, «холодный» профиль (без термоизолирующей вставки) применяется при изготовлении окон для неотапливаемых зданий или для внутренних отапливаемых помещений. Наибольшее распространение в Европе получили термоизолирующие вставки из армированного стекловолокном полиамида. Ширина их колеблется от 18 до 34 мм в зависимости от фирмы-изготовителя, но она должна быть не менее 20 мм. Иногда камеры профиля между термоизолирующими вставками заполняются на заводе вспенивающимися составами с низкими коэффициентами теплопроводности (HUECK), или жесткими заполнителями камер (Thyssen, Reynaers). Это делается для уменьшения конвективного теплообмена внутри профиля. С той же целью иногда вместо вышеперечисленных мер устанавливают внутри камер перемычки с поперечными отбойными флажками. Чаще всего в конструкции алюминиевых профилей применяется три контура уплотнения — среднее уплотнение и два уплотнения по притвору, что обеспечивает высокие характеристики по ветро-, звуко- и водонепроницаемости. В качестве уплотнителей используются в основном ЕРDМ (смесь этилена, пропилена и диенаэтилпропиленодимономера). Современная фурнитура обеспечивает окнам из алюминия любой тип открывания и надежное запирание, в том числе противовзломное, а тщательно отделанные ажурные переплеты придают окнам красивый вид. Алюминий предоставляет очень большую свободу архитектору и проектировщику. Буквально все, о чем мечтается, может быть реализовано — от футуристических проектов общественных зданий до привлекательных фасадов жилья. Не удивительно, что архитекторы, заказчики и строители с возрастающим энтузиазмом применяют алюминиевые конструкции. Алюминиевые двери также нашли широкое применение в строительстве и применяются для организации входов в магазины и заполнения проемов внутри помещений, их устанавливают в конструкции перегородок, в алюминиевые фасады и тамбуры. В этих случаях применят так называемые «холодные» двери. Они изготавливаются из алюминиевых профилей без термомоста. К таким изделиям не предъявляются требования по теплозащите. Их удобно устанавливать в проемы или витражи с открыванием во внутрь и наружу помещения — так называемые маятниковые (качающиеся) двери. Они незаменимы также в проемах помещений с большой проходимостью (магазины, автостанции, вокзалы и т.д.). В свою очередь алюминиевый профиль для изготовления «теплых» дверей имеет трехкамерное строение, применяется в жилых помещениях, зимних садах, верандах. История зимних садов восходит к средним векам — возможность долгими зимними вечерами услышать дыхание лета очень привлекала людей. Зимние сады всегда были прерогативой людей обеспеченных. Удовольствие это и сейчас недешевое. Появившаяся возможность частного строительства привела людей к мысли о том, что неплохо бы использовать это удивительное изобретение в наших домах. Ведь понятие зимнего сада включает в себя не только собственно пристройку к дому остекленного пространства для сада, но и любые стеклянные элементы, вписанные в архитектуру дома, будь то крыша, стена или эркер. Нередко зимние сады стали появляться и в пентхаусах элитных домов, ведь небо над головой, пусть и через ударопрочные стекла, многие предпочитают скучной поверхности потолка. Сегодня зимний сад — это сложный архитектурно-дизайнерский проект, строительная конструкция, изготовленная на современном оборудовании с использованием передовых материалов и новейших технологий. Это универсальное светопрозрачное сооружение может быть использовано для остекления любых помещений или площадей — оранжереи, веранды, теннисного корта, бассейна. Устройство зимнего сада включает в себя несколько ключевых элементов: вертикальное остекление, светопрозрачные крыши,а также открывающиеся части: окна, фрамуги, двери, входные группы. Неотъемлемой частью проекта зимних садов является выполнение статического расчета с учетом ветровых и снеговых нагрузок, а также собственного веса конструкции зимнего сада. На основании анализа полученных данных определяются конструктивные особенности зимнего сада, позволяющие обеспечить максимальную устойчивость, исключить превышения допустимой деформации. Каждый элемент зимнего сада изготавливается из специализированного алюминиевого профиля, имеющего высокие прочностные характеристики, позволяющие использовать их в качестве несущих элементов конструкции. В случае сочетания неблагоприятных нагрузок с большими габаритными размерами, оптимальным решением является комбинирование алюминиевого профиля с несущим металлическим каркасом (наклонные балки, стойки, колонны, фермы). Стальные несущие конструкции не только значительно увеличивают прочностные характеристики, но и придают всему строению зимнего сада современный вид в стиле Hi-Tech. Фасады На базе алюминия — легкого, стойкого к атмосферным воздействиям материала проектировщики смогли разработать и воплотить в жизнь давнюю мечту человека — высокие, легкие, прозрачные фасады. Системы профилей для фасадов — это самонесущие, экономичные конструкции, с помощью которых можно сконструировать и реализовать всевозможные остекленные вертикальные поверхности и светопрозрачные крыши. Разнообразие систем и широкий выбор в рамках определенной системы открывают перед дизайнером широкие творческие возможности. Кроме того, прозрачные фасады — это высокая тепло- и зву- коизоляция помещений, защита от воздействий внешних погодных условий, длительный срок использования и неприхотливость эксплуатации. Универсальность остекления фасадов с использованием передовых технологий заключается в возможности применения светопрозрачных конструкций как средства реконструкции фасадов зданий, а также в проектировании новых строительных объектов. Такие фасадные элементы, как витражи и витрины идеально подходят для остекления фасадов магазинов, торговых центров, ресторанов, кафе. Возможность комбинирования фасадных, дверных и оконных систем, позволяет достичь максимальной функциональности и практичности при изготовлении как фасадов, так и других светопрозрачных конструкций. Особо следует отметить вентилируемые фасады — идеальное решение для облицовки наружных поверхностей стен зданий при их реконструкции или капитальном ремонте. Современные материалы, применяемые при возведении таких фасадов, позволяют кардинально изменить внешний облик здания, придать ему неповторимый, запоминающийся вид. Еще одним из достоинств вентилируемых фасадов является возможность скрыть дефекты внешних стен здания. При возведении вентилируемых фасадов не предъявляются специальные требования к поверхности стен, они не требуют предварительной подготовки по выравниванию и оштукатуриванию. Панели выполняют не только декоративную роль, но и защищают стены зданий от атмосферных осадков, а также обладают высокой степенью шумопоглощения. Кроме того, воздушное пространство между вентилируемым фасадом и стеной обеспечивает эффективную термоизоляцию. Таким образом, сочетание новейших алюминиевых профильных систем, стекла различных оттенков, элегантной фурнитуры и дополнительных элементов в фасадном и структурном остеклении позволяет превратить современные здания в настоящие архитектурные шедевры.