建筑结构轻量化
建筑材料占建筑成本的60%以上,在建筑工业中占有非常重要的地位。建筑材料的轻量化、功能化和绿色化是全球的发展趋势,对降低能耗、减少污染有极其重要的意义。镁合金作为资源丰富的战略性新材料,由于密度低、比强度高、功能特性好、能循环利用等特点获得了世界各国的高度关注,在建筑材料中有非常重要的应用价值。
但遗憾的是,至今为止,几乎没有任何镁合金产品在建筑上实现了大批量应用。我国镁合金材料和产品生产技术在诸多方面已处于世界前列,很多相关技术可以用于建筑用镁合金的生产,因此,开拓镁合金在建筑领域的应用对建筑工业的升级和镁合金更大范围的推广应用都有极其重要的意义。
建筑结构的轻量化不仅是建筑安全的重要措施——特别在应对自然灾害(如地震)时,可以大大地减少灾害损失和人员伤亡——而且制备安装过程中可以少用或不用大型工程设备,降低能耗、提高效率、降低制造成本轻量化构件的应用,也有利于建筑向大型构件组合化过渡,同时建筑结构轻量化可使基础设计建设更经济、更合理。因此,建筑结构的轻量化是建筑设计建造过程中需要考虑的重要问题。
镁合金vs铝合金
镁合金密度低、比强度高,作为建筑结构材料在轻量化上有明显优势。镁的密度只有钢的23%,铝的2/3,最轻的镁合金密度可以降低到1g/cm3左右。因此,镁合金在满足结构材料的强度要求的前提下能显著减轻构件的重量,其比强度远高于钢和铝合金。
镁合金的比强度一般可以达到120-200,而铝合金和钢分别只有80-150和30-70。因此,镁合金结构建筑可以比钢结构建筑轻1-2倍以上,比铝合金结构建筑轻1/3,不管用于高层和大跨度与薄壳结构中还是用于普通建筑结构,镁合金空间结构重量比钢结构要轻得多,这可以大幅度降低施工强度、减少劳动力成本,特别是对可移动建筑的发展将有极其重要的意义。在地震多发区,还可以减轻余震加速度对建筑的作用,使地震对建筑物的破坏力减小。
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镁合金可加工性良好
镁合金具有良好的可加工性,可用各种压力加工方法(挤压、轧制、锻造和冲压等)大批量加工成各种规格和形状的精密空心的和实心的,恒断面的和变断面的型材、管材、棒材、板材、锻件及冲压件等,用于建筑框架、衣架等,并且能使建筑构件截面形式更加合理,室内家具更便于移动。
近年来,随着新型镁合金的发展,镁合金的强度又有了进一步的提高。例如,日本长冈科技大学开发的Mg-1.8Gd-1.8Y-0.69Zn-0.16Zr超高强镁合金和重庆大学研制的Mg-8.4Gd-5.3Y-1.6Zn-0.6Mn超高强镁合金,其抗拉强度均超过500MPa,并且有良好的塑性。当新型镁合金的抗拉强度超过500MPa,比强度可以达到250以上,建筑结构的重量可以实现进一步减小。由于超高强镁合金含有较多的稀土元素,成本较高,其应用会受到一定限制。但重庆大学发展的系列无稀土镁合金,其成本和传统镁合金接近,而强度超过390MPa,比强度达到220以上,显著高于传统镁合金,与铝合金和钢铁相比,轻量化优势更为明显。
镁合金改善建筑的功能特性
建筑多功能化是一个发展中的概念,其内容主要包括信息功能和物理功能。物理功能更多体现在建筑结构应具有更好的减震、隔音、隔热、屏蔽电磁辐射、电源应急等功能,特殊情况下,又需要好的导热性能。对应智能化,建筑材料最好还应具备信息源的采集功能,否则,建筑的自动化控制就无法实现。
减震功能
镁合金在上述物理功能特性中具备非常好的减震、屏蔽电磁辐射、电源应急等功能。镁合金的阻尼性能远远好于铝合金和钢铁材料,在相同的载荷下比其他金属材料消耗更多的变形功,是阻尼性能最好的结构材料,其减震性能非常好,可用于控制噪音和增强结构稳定性。镁合金的阻尼容量是铝合金的10~25倍。以AZ91D镁合金为例,在20MPa应力水平下AZ91D镁合金的衰减系数为20%,而铝合金(A380)只有1%;在100MPa应力水平下AZ91D镁合金的衰减系数上升为55%,而A380铝合金只达到4%。优良的减震性能使镁合金在多震地区的金属结构建筑中具有独特的效果,对保障人身安全有重要意义。
电磁屏蔽材料
镁合金同样是非常好的电磁屏蔽材料。众所周知,随着家庭电子产品的增加和城市工业及交通的发展,电磁辐射污染已成为重要的污染源之一。如何降低电磁辐射污染,是功能化建筑中必须考虑的重要问题。镁合金具有良好的屏蔽电磁辐射污染的功能,作为建筑板材和建筑物内部电子产品的外壳可以有效屏蔽电磁辐射。研究表明,在30~1500MHz之间,纯镁的电磁屏蔽效能为60~75 dB,屏蔽性能良好,而纯铝的屏蔽效能在30~67 dB之间。在低频段纯镁与纯铝的屏蔽效能接近;而在高频段,纯镁的电磁屏蔽效能则为纯铝的两倍左右。随着频率升高,纯镁的屏蔽效能变化整体比较平缓,而纯铝的屏蔽效能下降较快。相比于纯镁,AZ31镁合金的电磁屏蔽性能还可以进一步改善。
碱性环境中耐蚀性好
耐蚀性差是镁合金普遍遇到的问题,但这主要指在镁合金暴露在酸性特征的空气中产生的现象,在碱性环境中镁合金有非常好的耐蚀性。因此,暴露在空气中的镁合金建筑构件在使用前必须进行表面处理或包覆处理。目前镁合金表面处理技术发展很快,对常规的建筑结构和室内装饰应用完全能够满足要求,对容易摩擦磨损或特殊要求的部位,则需要特殊处理或采用包覆处理。
由于在碱性环境中,镁合金有很好的耐蚀性,因此可以用镁合金制造建筑用镁合金模板系统,这将是继竹木模板、钢模板和铝合金模板之后出现的新一代新型模板支撑系统。和钢相比,铝合金模板的使用已体现了轻量化效果,但单块铝合金模板的重量依然有30公斤之多,工人操作难度很大;此外,由于铝合金是中性金属,铝合金在碱性的混凝土环境下容易发生腐蚀,造成混凝土表面坑洼、麻面。镁合金模板在建筑行业的应用,不仅可以进一步减小模板重量,提高建筑行业的整体施工效率,而且混凝土表面质量明显改善。
环保节能
镁合金模板周转次数高、环保节能、质量轻,操作简单,可以减轻施工人员的工作强度;且减少一次抹灰,就可以缩短楼层的建筑时间,节约土建总包成本。镁合金模板不仅可以多次使用,到最后无法使用时还可以进行回收,重新进行冶炼制作成镁锭或者镁棒,又一次应用于模板或者其他镁合金产品,而且不会改变原有的物理特性。这是铝合金材料和其他金属材料无法与镁合金抗衡的。
从强度考虑,镁合金由于比强度很高,作为建筑材料使用可以比铝合金减重1/3,但实际使用时无法达到这个效果,原因在于镁合金弹性模量比铝合金低,因此体现在刚度上低于铝合金。为了提高建筑构件的刚度,镁合金在建筑上的应用可以更多采用型材结构。在这种情况下,采用镁合金可以比铝合金减重20-30%。
镁合金模板面临的技术瓶颈
镁合金作为最有潜力的绿色轻量化材料之一,在建筑工业中有非常重要的应用前景。合理设计镁合金建筑结构,充分使用镁合金比强度高、功能性强、环境友好等优异特性,有效克服镁合金耐蚀性差、刚度低等缺点,对镁合金在建筑上的推广应用非常关键。镁合金在建筑上大范围的推广应用需要镁合金行业和建筑行业的科技与工程人员的共同配合和协同推进。