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復(fù)合材料具有重量輕、耐腐蝕、高強(qiáng)度和長壽命等優(yōu)異特性，使其在民用基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中具有廣闊的潛力，復(fù)合材料可用于修復(fù)道路、橋梁、排水系統(tǒng)和海堤，加固混凝土和建造彈性結(jié)構(gòu)等等。

但是，由于缺乏復(fù)合材料知識和教育、缺乏FRP特定標(biāo)準(zhǔn)和建筑規(guī)范、以及較高的前期材料成本等因素，采用纖維增強(qiáng)聚合物（FRP）復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料（如混凝土或金屬）一直很緩慢。

這個行業(yè)目前處在什么位置？2022年12月1日，CW主辦了一場名為“CW技術(shù)日：基礎(chǔ)設(shè)施和建筑中的復(fù)合材料”的CW Tech Days活動，一系列專家分享了該領(lǐng)域的最新材料、設(shè)計、工程和分析信息。

在CW Tech Days上，總部位于英國劍橋的未來材料集團(tuán)（Future Materials Group，FMG）分析師Robert Walker博士介紹說，由于氣候變化、勞動力發(fā)展差距、基礎(chǔ)設(shè)施老化等緊迫的挑戰(zhàn)，建筑和建筑市場正面臨著改變。他說，變革將通過提高先進(jìn)材料的采用率、增加使用增材制造（AM）或自主建造和數(shù)字工具等新的建造方法等賦能技術(shù)實現(xiàn)。這些解決方案都不是新的，但采用的速度很慢。Walker將建筑和施工中采用復(fù)合材料的當(dāng)前階段描述為“理性轉(zhuǎn)換”，這意味著已經(jīng)有足夠成功的案例研究證明，知情的決策者現(xiàn)在開始更容易地采用復(fù)合材料。

Walker指出，通過復(fù)合材料行業(yè)的努力，可以進(jìn)一步加快采用速度，這可能包括創(chuàng)建模塊化或現(xiàn)成的產(chǎn)品，以獲得易于重復(fù)的業(yè)務(wù)、更全面的供應(yīng)鏈集成，并針對強(qiáng)大的決策者，如負(fù)責(zé)管理基礎(chǔ)設(shè)施材料使用的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的決策者。

廣泛采用復(fù)合材料的兩個長期障礙是需要更多的資金，以及更新的建筑規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，以幫助驗證和明確復(fù)合材料在基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中的使用。近年來，一些國家，特別是歐洲和北美，通過了旨在資助基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和維修項目的立法。

值得注意的是，2021年美國實施了一項跨黨派的基礎(chǔ)設(shè)施法，宣布為橋梁和道路維修、鐵路、公共交通、電網(wǎng)升級、電動汽車充電器安裝等項目提供超過1850億美元的資金。2022年11月，也就是新法案出臺一年后，白宮報告稱：已經(jīng)啟動了2800個新的橋梁維修和更換項目，5000多輛新的清潔交通和校車已經(jīng)獲得資助，電動汽車充電網(wǎng)絡(luò)、高速互聯(lián)網(wǎng)部署和水資源資助的州計劃已經(jīng)獲得批準(zhǔn)。

行業(yè)資金也在努力制定具體的建筑規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和手冊，以便在增強(qiáng)材料和其他應(yīng)用中使用FRP材料。例如美國，美國混凝土研究所（American Concrete Institute，ACI）和美國阿美公司于2021成立了NEx:A Center of Excellence For Non-metallic Building Materials（非金屬建筑材料卓越中心），旨在推廣和提供非金屬材料（如復(fù)合材料）在基礎(chǔ)設(shè)施和建筑應(yīng)用中的使用標(biāo)準(zhǔn)。這項工作包括針對增強(qiáng)材料和其他基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中FRP的使用制定更新的建筑規(guī)范和手冊，以及為研發(fā)計劃、教育計劃等提供資金。

在CW Tech Days期間，NEx的技術(shù)總監(jiān)Apana Deshmukh介紹了ACI和NEx最近發(fā)布的關(guān)于使用玻璃纖維增強(qiáng)聚合物（glass fiber-reinforced polymer，GFRP）增強(qiáng)材料的兩個規(guī)范：ACI CODE-440.11-22規(guī)定了使用GFRP加固的結(jié)構(gòu)混凝土建筑的材料、設(shè)計和細(xì)節(jié)的最低要求；ACI SPEC-440.5-22涵蓋了用GFRP鋼筋內(nèi)部加固的混凝土構(gòu)件的施工。未來的準(zhǔn)則、手冊和教育機(jī)會將進(jìn)一步擴(kuò)展這些準(zhǔn)則。

混凝土增強(qiáng)材料：GFRP

幾十年來，GFRP作為道路、橋梁和其他結(jié)構(gòu)中鋼筋混凝土的替代材料一直是一種可行的選擇。其優(yōu)點包括耐腐蝕性、產(chǎn)品壽命更長和重量輕，從而使運(yùn)輸和安裝更加方便。

廣泛采用GFRP的一個挑戰(zhàn)是，它不是鋼的直接替代品，需要改變設(shè)計來適應(yīng)機(jī)械性能的差異，如較高的抗拉強(qiáng)度，但較低的拉伸模量，不同的熱膨脹系數(shù)（CTE），以及GFRP鋼筋在工作現(xiàn)場的焊接和彎曲能力不如鋼。

然而，事實證明，在許多情況下，GFRP的好處超過了挑戰(zhàn)——而且是越來越大的挑戰(zhàn)。例如，2021年CW報告稱Mateenbar生產(chǎn)了1.1萬公里的GFRP鋼筋，用于加固沙特阿拉伯一條長23公里、寬80米的混凝土防洪渠。在美國，佛羅里達(dá)州運(yùn)輸部（FDOT）和其他部門正在引導(dǎo)更廣泛地采用GFRP鋼筋。

除了GFRP，最近，玄武巖纖維鋼筋也被探索并用作另一種替代材料，碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）也被使用。

FRP橋、墻、溝槽蓋等

除了用于加固混凝土橋梁的鋼筋外，復(fù)合材料也可用于主梁、橋面和其他橋梁結(jié)構(gòu)、溝蓋、擋海墻以及更多的領(lǐng)域。例如，AIT Bridges提供了可定制的復(fù)合材料橋梁解決方案，如CFRP或GFRP桶梁和拱橋系統(tǒng)，據(jù)說可以延長橋梁的壽命，降低整體重量，并減少每個橋梁項目所需的混凝土量。

在CW Tech Days期間，AIT Bridges公司總裁兼總工程師Ken Sweeney介紹了該公司最近的一個應(yīng)用實例，該公司的G-BEAM桶形梁系統(tǒng)用于更換美國佛羅里達(dá)州南帕薩迪納市老化的太陽島大橋中間的幾個橋跨。該橋始建于1970年，2008年修復(fù)了一些腐蝕的碳鋼梁，然后在2019年更換為無腐蝕性、具有成本競爭力的組合梁。

除了加固大型混凝土車輛橋外，復(fù)合材料解決方案還用于小型步行橋、懸臂人行道、軌道平臺、步道橋和類似結(jié)構(gòu)上的全橋面結(jié)構(gòu)。一家專門從事該領(lǐng)域的公司Creative Composites Group（CCG），其旗下公司包括以基礎(chǔ)設(shè)施為中心的Composite Advantage。2022年宣布的項目包括橫跨三個州的五個FRP夾芯板甲板解決方案，以及安裝在美國Ohio的行人吊橋上的混合式防滑F(xiàn)RP面板。

制造商和材料開發(fā)商提高復(fù)合材料在基礎(chǔ)設(shè)施中的競爭力的一種方法是，制造出比傳統(tǒng)材料更能承受極端天氣、火災(zāi)和極端溫度的結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品。例如，為了應(yīng)對氣候變化和日益強(qiáng)烈的天氣事件，2022年，CCG還推出了新的StormStrong升級選項，該選項將專有技術(shù)應(yīng)用于拉擠桿、樁和類似應(yīng)用中。

其他創(chuàng)新以可持續(xù)性為目標(biāo)，例如由荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)（TU/e）領(lǐng)導(dǎo)的一個歐洲項目，該項目旨在生產(chǎn)一座“智能環(huán)形橋”，該橋融合了天然纖維復(fù)合材料和生物樹脂，并集成了傳感器技術(shù)，用于對完工的人行天橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）。該項目計劃的三座橋梁中的第一座已于2022年4月安裝。同樣以可持續(xù)性為目標(biāo)，Re Wind Network等多個組織已經(jīng)證明，退役的復(fù)合材料風(fēng)力渦輪機(jī)葉片可以重新用于人行天橋，例如2022年在愛爾蘭安裝的一座橋。

除橋梁外，復(fù)合材料還可用于制造溝蓋、人行道和類似結(jié)構(gòu)，例如Dura composites（英國埃塞克斯郡）建造的結(jié)構(gòu)。2022年，該公司宣布將其產(chǎn)品擴(kuò)展至澳大利亞和新西蘭。

修復(fù)和加固

除了采用復(fù)合材料建造新的基礎(chǔ)設(shè)施外，對修復(fù)或加固現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料的興趣和使用也在增加。據(jù)CW《2021基礎(chǔ)設(shè)施報告卡——橋梁》報道，美國61.7萬座橋梁中，42%的橋梁使用年限超過50年，4.6154座（7.5%）被認(rèn)為存在結(jié)構(gòu)缺陷。每年有23.1萬座橋梁需要維修，修復(fù)速度已放緩至0.1%，2021年橋梁報告警告稱，這是不可持續(xù)的。

按照目前的速度，修復(fù)這些橋梁需要50年以上的時間，但是損壞的速度超過了修復(fù)或更換的速度。在歐洲，據(jù)報道，大約100萬座混凝土橋梁和高架橋中的大多數(shù)已經(jīng)超過50年，超過了設(shè)計壽命。

當(dāng)用于加固或修復(fù)許多此類結(jié)構(gòu)時，復(fù)合材料提供了更高的強(qiáng)度、耐久性和更長的壽命。最近一個值得注意的案例是一個名為SUREbridge（現(xiàn)有橋梁的可持續(xù)翻修）的項目，該項目從2015年10月到2018年5月，由歐盟委員會、美國運(yùn)輸部和其他合作伙伴通過基礎(chǔ)設(shè)施創(chuàng)新（Infravation，Infrastructure Innovation）計劃提供資金。

項目合作伙伴開發(fā)了一種解決方案，將InfraCore（荷蘭鹿特丹）纖維增強(qiáng)聚合物（FRP）復(fù)合材料橋面粘結(jié)到現(xiàn)有混凝土橋面的頂部。SUREbridge試驗結(jié)果表明，橋梁的原始承載能力可以增加一倍以上，從而拓寬橋面以容納行人或自行車道。

此外，許多公司現(xiàn)在正在為基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用提供一系列模塊化或定制FRP修復(fù)解決方案。美國QuakeWrap是一家30多年來一直提供各種GFRP和CFRP產(chǎn)品的公司，用于修復(fù)或加固樁、管道、墻壁或其他結(jié)構(gòu)。例如，一種PileMedic產(chǎn)品是由CFRP和GFRP層壓板組合成非常薄的片材制成的，該片材纏繞并連接到現(xiàn)有的樁或柱上。該解決方案加強(qiáng)或修復(fù)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，增加強(qiáng)度和耐腐蝕性，安裝速度快。

在最近的CW Tech Days活動上，QuakeWrap首席執(zhí)行官Mo Ehsani博士談到了該公司目前正在開發(fā)的幾種產(chǎn)品和案例研究，包括珍珠港橋梁樁修復(fù)用的套件和織物、用FRP加固的手機(jī)塔來增加強(qiáng)度以承載額外的5G設(shè)備、橋面梁修復(fù)等。

法國Epsilon Composite是該領(lǐng)域的另一家公司。Epsilon專注于CFRP的拉擠和拉繞，其產(chǎn)品包括預(yù)制拉擠板、獨特的錨固解決方案、織物和其他產(chǎn)品，這些產(chǎn)品可以快速、粘合地連接到現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上。作為最近的應(yīng)用案例，Epsilon Composites的產(chǎn)品被用于翻新澳大利亞墨爾本的圣地亞哥伯納烏體育場和西門大橋。

值得注意的是，F(xiàn)RP可用于修復(fù)橋梁和建筑應(yīng)用以外的結(jié)構(gòu)。例如，美國V2 Composites公司也瞄準(zhǔn)了預(yù)制混凝土的CFRP修復(fù)解決方案，并于2022年推出了其新的碳纖維T-Biscuit產(chǎn)品，據(jù)說該產(chǎn)品是修復(fù)混凝土停車構(gòu)筑物中失效連接的首選解決方案。

未來的努力包括制定FRP基礎(chǔ)設(shè)施維修的新標(biāo)準(zhǔn)，以及新的研發(fā)。例如，2022年，美國材料試驗協(xié)會(ASTM International)復(fù)合材料委員會宣布了一項擬議標(biāo)準(zhǔn)（WK74694），用于檢查建筑物和其他土木結(jié)構(gòu)的FRP復(fù)合材料修復(fù)。擬議規(guī)范將是一個檢驗標(biāo)準(zhǔn)，為不同應(yīng)用提供整個過程和程序的一致性，以及與檢驗過程的一致性。擬定標(biāo)準(zhǔn)將由規(guī)范編寫者、工程師和承包商使用，他們計劃并進(jìn)行FRP復(fù)合材料維修檢查。

在研究方面，研究的重點方向之一是優(yōu)化FRP解決方案，以加強(qiáng)沿?；A(chǔ)設(shè)施抵御極端天氣事件。在美國，國家科學(xué)基金會（NSF）和國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）已投資760萬美元，支持?jǐn)U大國家對社區(qū)和基礎(chǔ)設(shè)施抵御颶風(fēng)、野火和其他自然災(zāi)害的知識的研究。

邁阿密大學(xué)工程學(xué)院和羅森斯蒂爾海洋與大氣科學(xué)學(xué)院（Rosenstiel School of Marine and Atmospheric Science）獲得了美國國家科學(xué)基金會（NSF）和美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的兩項撥款，目前正在研究和測試GFRP增強(qiáng)混凝土，以提高現(xiàn)有海堤和其他沿?；A(chǔ)設(shè)施的耐腐蝕性和強(qiáng)度。