Алюминиевые металлоконструкции: виды, особенности изготовления и способы их защиты

Конструкции из алюминия получили широкое распространение во многих сферах жизнедеятельности человека благодаря их достоинствам: долговечности, надежности в эксплуатации, транспортабельности, легкости, простоте монтажа и демонтажа. О том, какими особенностями обладают алюминиевые металлоконструкции, как их используют, собирают и защищают, мы расскажем в нашей статье.

Где используют алюминиевые металлоконструкции и как их делают

Некоторые ограничения при строительстве зданий и сооружений могут стать причиной того, что оптимальным вариантом будет возведение металлоконструкции из алюминия. Такая ситуация возникает, например, когда необходимо получить прочное строение с небольшим весом. Также алюминиевая металлоконструкция подойдет в том случае, если необходимо построить здание сложной архитектурной формы.

Для изготовления металлоконструкций из алюминия используют метод прессования. С помощью него создаются разнообразные по форме и размеру профили, отличающиеся высоким качеством. Стоимость данной продукции будет зависеть от параметров самого профиля и объема закупки. В наши дни даже частные лица, не говоря уже о строительных организациях, закупают трубы, уголки и другие профилированные изделия оптовыми партиями. Упростить процедуру выбора необходимых товаров помогают ГОСТы, где указана вся необходимая информация о продукте.

Металлоконструкции могут быть использованы в разных областях строительства. С помощью них делают: кровельные панели зданий с большими пролетами, оконные переплеты, витражи и другие архитектурные детали. Алюминиевые металлоконструкции широко используются там, где необходимо получить сложное по форме изделие или большое значение имеет устойчивость к коррозии.

Очень часто из алюминия собирают металлический каркас здания. Такое строение отличается высокой прочностью и легкостью. Возможность быстрой сборки и демонтажа конструкции, а также легкость всего сооружения привели к широкому распространению алюминиевого профиля при возведении торговых павильонов и других временных построек.

Перечисленные выше свойства алюминия, а также его устойчивость к агрессивным воздействиям окружающей среды стали причиной повышения спроса на металлоконструкции из этого материала. Такую высокую устойчивость металла к внешнему воздействию можно достигнуть за счет оксидирования, когда на поверхность наносится специальное защитное покрытие.

Не стоит забывать и о недостатках алюминиевых металлоконструкций. Прежде всего, это высокая стоимость, если сравнивать со стальными аналогами. Также по сравнению со сталью модуль упругости алюминиевых сплавов почти в три раза меньше. Вследствие этого, стальные балки и фермы дают меньший прогиб, их критическая сила для сжатия элементов больше, а коэффициент линейного расширения в два раза меньше, чем у алюминия (a=23 × 10^-6 и 12 × 10^-6 K-1).

Эти свойства алюминия являются причиной необходимости устройства температурных швов. Кроме этого, следует обратить внимание на то, что место стыка алюминиевого сплава и другого материала может быть подвержено электрохимической коррозии.

Виды алюминия для изготовления металлоконструкций

Более 8 % земной коры состоит из алюминия. Это очень распространенный металл. Чистый алюминий получают посредством электролиза, когда в результате процессов электрохимического окисления-восстановления, возникающих на поверхности погруженных в электролит электродах при прохождении через них электрического тока, образуется необходимый металл.

Его практически не используют в чистом виде, поскольку он не отличается высокой прочностью и быстро окисляется. Большее распространение получили алюминиевые сплавы. В них на 90–95 % алюминия приходится 10–5 % специальных добавок, которые позволяют повысить прочность материала и замедлить процесс окисления.

Для строительных целей подходят только те стали и алюминиевые сплавы, которые имеют высокую прочность, упругость и пластичность. Они должны легко свариваться и быть долговечными при эксплуатации в разных условиях (при воздействии агрессивной среды, высокой или низкой температуры и пр.).

Алюминиевые металлоконструкции изготавливают с помощью прессования, прокатки, штамповки или вытяжки, то есть путем воздействия давлением на деформируемый сплав металла.

Маркировка сплава выполняется в зависимости от характера обработки, на что указывают определенные буква и цифра в обозначении:

• М – мягкий (отожженный);
• Н – нагартованный;
• 1/2Н – полунагартованный;
• Т – закаленный и естественно состаренный;
• Т1–закаленный и искусственно состаренный;
• ТН – нагартованный после закалки и искусственного старения.
• А – алюминиевый сплав,
• Д – деформируемый,
• 31 – номер сплава;
• цифра 1 – алюминиевый сплав;
• цифра 9 указывает на содержание цинка;
• последние две цифры – номер сплава.

Химический состав и способ обработки сплава существенно отражаются на механических свойствах материала. Многие параметры алюминиевого сплава совпадают с характеристиками обычной стали или стали повышенной прочности, тем не менее соединения алюминия лучше деформируются и отличаются большей пластичностью.

Листовые материалы могут быть представлены в виде гладких или профильных листов различной толщины и высоты. Алюминиевые сплавы и листовая сталь могут использоваться при устройстве кровли, подвесного потолка, стен, сварных двутавровых стержней, узловых фасонок решетчатых конструкций и прочих изделий. Даже тонкостенные гнутые профили делают из листового проката.

Для создания ограждающих и несущих алюминиевых металлоконструкций применяют деформируемые сплавы в виде прокатных и гофрированных листов или лент прессованных профилей. Размер профильных материалов зависит от диаметра матрицы, а форма прессованных и гнутых профилей из алюминия совпадает с формой прокатных профильных изделий.

Защита алюминиевых металлоконструкций от огня

Сплавы алюминия и сам металл в чистом виде не подвержены горению. Поверхностная окисная пленка на материале является огнеупорной. За счет нее повышение внешней температуры быстро направляется вглубь металла.

Участившиеся случаи возникновения пожаров привели к тому, что больше внимания стало уделяться средствам пассивной защиты. Пожарные сигнализации и системы автоматического пожаротушения не всегда срабатывают должным образом, поэтому необходимо искать другие пути решения проблемы пожарной безопасности.

Перенаправление высокой температуры вглубь металла вызывает быстрое перегревание алюминиевых металлоконструкций. При достижении температуры в +250 °С они могут деформироваться, что приводит к значительному ущербу.

Хорошим методом пассивной противопожарной защиты является нанесение интумесцентного покрытия на ограждение или опорную конструкцию. Его действие основано на вспучивании материала покрытия при контакте с открытым огнем или высокой температурой. Происходит увеличение объема покрытия в несколько раз, в результате на поверхности металла образуется негорючая пена, отличающаяся низкой теплопроводностью. В итоге подложка нагревается медленнее.

Важно, чтобы пена не только не горела и плохо проводила тепло, но и хорошо удерживалась на подложке определенное количество времени. В нашей стране интумесцентные лакокрасочные материалы получили название «вспучивающихся» красок.

Такие материалы являются прекрасным вариантом пассивной защиты алюминиевых металлоконструкций от пожара, при этом они не утяжеляют конструкцию, как это делают асбестоцементная обмазка или вермикулитовые плиты. Для создания вспучивающейся краски используется полимерный пленкообразователь, полифосфат аммония (отвечает за вспенивание), пентаэритрит (способствует образованию пенококса) и меламин (повышает газовыделение и укрепляет пенококс).

Современные технологии позволили получить новый компонент, способствующий вспучиванию покрытия – это интеркалированное соединение графита (ИСГ). Его состав активизируется уже при +120 °С. Под воздействием огня или теплового удара объем покрытия увеличивается в несколько раз, вырабатывается негорючая пена, устойчивая к высокой температуре.

Помимо этих ценных компонентов, вспучивающиеся ЛКМ могут содержать наполнители, пигменты, ПАВы, ингибиторы и другие добавки.

Интумесцентные краски обладают значительным преимуществом перед другими противопожарными лакокрасочными материалами. Если традиционные средства способны создавать лишь негорючее покрытие, то вспучивающиеся краски позволяют защитить конструкцию от перегрева и деформации.

Очень хорошо себя зарекомендовал в сфере защиты металлоконструкций из алюминиевого профиля состав «Файрекс-200». Он активизируется при температуре +120 °С.

Защита конструкций из алюминия от коррозии

При контакте с воздухом на поверхности алюминиевого сплава самопроизвольно образуется защитная оксидная пленка, предотвращающая появление коррозии. Это уникальное свойство позволяет использовать алюминиевые металлоконструкции в районах с умеренным загрязнением без дополнительной защиты.

Если же предполагается эксплуатация объекта в более жестких коррозионных условиях (около водоема, в загрязненном промышленном районе), то принимают специальные меры безопасности, позволяющие защитить металлоконструкцию от вредного воздействия. В этом случае следует учитывать состав всех элементов конструкции, поскольку зачастую крепежные изделия изготавливаются с применением алюминия.

Коррозия является естественным процессом, который возникает при взаимодействии металла с окружающей средой. Хотя разрушение материала можно вызвать и химическим путем. Наиболее распространенным процессом коррозии является появление ржавчины на поверхности металлоконструкции.

Алюминиевая металлоконструкция не обладает устойчивостью к кислоте неорганического типа. Даже малая концентрация такого вещества может вызвать коррозионные процессы. Естественная оксидная пленка на поверхности алюминия не является препятствием для неорганических кислот.

Наиболее мощными растворителями считаются натрий, калий и фтор. Также хлор и бром могут оказать значительное воздействие на алюминиевую металлоконструкцию. Кроме того, известковые и цементные растворы по своему составу являются достаточно агрессивными веществами, особенно к металлам с примесями алюминия.

Естественных антикоррозийных способностей алюминия и его сплавов может не хватить для полноценной защиты изделия от негативного влияния внешней среды. Если предполагается длительная эксплуатация объекта, то необходимо воспользоваться дополнительными способами защиты.

Самыми распространенными методами защиты от коррозии можно считать:

• анодированное окисление (согласно статистике, практически 15 % всех выпускаемых строительных профилей в мире защищены данным способом);
• покрытие поверхности металлов порошковыми составами;
• защита от контакта с другими металлами.

Анодированное покрытие представляет собой довольно плотную оксидную пленку на поверхности металла. За счет нее исключается воздействие агрессивных сред на объект. Окисление анодированием помогает сформировать такую пленку, что взаимодействие алюминия с внешней средой становится невозможным, поэтому процессы коррозии не запускаются.

Причиной коррозии может стать соприкосновение алюминия и его сплавов с другими металлами. Чтобы избежать разрушения материала при создании алюминиевых металлоконструкций, следует использовать крепеж, сделанный из нержавеющей и оцинкованной стали.

Нанесение полимерного покрытия является довольно эффективным способом защиты от коррозии. Важно лишь правильно его нанести. Стоимость такого типа покрытия заметно снизилась в последнее время, поэтому данный способ защиты стал более доступным и соперничающим по цене с другими защитно-декоративными покрытиями.

Полимерное покрытие позволяет создавать изделия, отличающиеся высокой прочностью и устойчивостью к воздействию ультрафиолетовых лучей и других факторов, вызывающих коррозию. При этом внешний вид изделия будет на самом высоком уровне, отвечая всем нормам изысканности и эстетичности. Полимерной обработке зачастую подвергают фасадные кассеты, металлочерепицу, доборы, профлисты и другие медные, алюминиевые, стальные и стеклянные изделия.

По сравнению с лакокрасочным покрытием, полимерная пленка обладает целым рядом преимуществ, значительно улучшая характеристики всей алюминиевой металлоконструкции. Перечислим основные достоинства изделий с полимерным покрытием:

• увеличенный срок эксплуатации изделия при сохранении изначальных показателей прочности;
• большая ударопрочность и химическая стойкость;
• высокие антикоррозийные свойства (так, конструкция из алюминия с полимерным покрытием многие годы не будет подвержена коррозии);
• повышенные электроизоляционные свойства;
• прекрасный внешний вид изделия и эстетичность при высоком качестве;
• широкий спектр цветовой гаммы полимерного покрытия;
• высокая экологичность конечного изделия (обеспечивается за счет применения особых безопасных ингредиентов при нанесении полимерного покрытия);
• экономичность (не требуется вложения больших средств, чтобы нанести полимерное покрытие, поэтому стоимость конечного изделия или конструкции значительно не возрастает).

Как происходит сборка алюминиевых металлоконструкций

Сборка металлоконструкций из алюминия и его сплавов выполняется методом поузлового соединения и при помощи кондукторов-кантователей. Все этапы монтажа осуществляются на деревянных стеллажах.

Большое влияние на процесс сборки оказывает высокая деформативность конструкций из алюминиевых сплавов и их пониженный модуль упругости (по сравнению со сталью). Кроме этого, подобные конструкции обладают повышенным коэффициентом линейного расширения и усадкой при сварке.

Поузловой метод сборки алюминиевой металлоконструкции позволяет снизить деформацию металла во время сварки. Для этого необходимо весь объект разделить на максимально возможное число отдельных, желательно симметричных или близких к таковым узлов.

Каждый узел собирают и сваривают раздельно. Для деталей с несимметричными сварными соединениями понадобится сборка и сварка в закрепленном состоянии попарно с предварительным обратным прогибом. Такой метод позволяет снизить остаточный прогиб до 4–6 мм (при сварке в свободном состоянии он составляет 18–20 мм).

Если сравнивать приварку ребер в жестком и незакрепленном состоянии, то жесткое закрепление с предварительным выгибом гнутого швеллера с ребрами позволяет при сварке получить меньшую остаточную деформацию (снижается до 3,5 раз). Кондукторы-кантователи и зажимные приспособления дают возможность жестко закрепить элементы, что пригодится не только с целью снижения деформации при сварке, но и для облегчения процесса сборки.

Выполняя сварочные работы на балках, вертикальный лист должен зажиматься двумя досками толщиной 40 мм и шириной, равной 2/3 высоты балки. Такой подход дает возможность снизить размер хлопунов в 4-5 раз, тогда как сварка в свободном состоянии приводит к хлопунам, достигающим размера 20 мм.

Чтобы значительно повысить качество сварки и усилить прочность сварных соединений в алюминиевых металлоконструкциях, важно проводить тщательную подготовку свариваемых поверхностей и торцов элементов.

Окисная пленка, появляющаяся на поверхности листов и прессованных профилей при соприкосновении с воздухом, препятствует хорошей свариваемости металла, так как имеет очень высокую температуру плавления. В связи с этим ее необходимо удалять в местах наложения сварных швов. Снять окисную пленку можно при помощи механической зачистки или химической подготовки.

Механическая зачистка производится дисковыми щетками диаметром 150–200 мм из стальной нагартованной проволоки диаметром не более 0,2 мм. Этот способ подходит для громоздких конструкций при ручной и полуавтоматической сварке. Окисная пленка в таком случае снимается неравномерно.

Более равномерную очистку дает химическая подготовка поверхности детали. Ее используют для контактной точечной и роликовой сварки.

Химическая подготовка поверхности состоит из очистки от смазки и загрязнений с помощью протирки органическими растворителями (уайт-спиритом, бензином), обезжиривания в щелочных растворах, промывки в воде, травлении в азотной кислоте, промывки в холодной воде, пассивировании детали в водном растворе ортофосфорной кислоты, промывки в воде и сушки.

После завершения химической подготовки детали ее укладывают на чистый стол или стеллаж. Чтобы защитить изделие от пыли и грязи, необходимо пользоваться при этом чистыми и сухими хлопчатобумажными или резиновыми перчатками. После такой подготовки поверхности к сварке деталь можно хранить лишь 5 дней.