复材应用·盘点！复合材料在4大民用基础设施建设领域的应用
本文摘要：（由ai生成）复合材料因其优异性能在基础设施领域应用增多，如桥梁修复、水资源管理和混凝土加固。美国桥梁和桥面正采用复合材料以替代老化结构，而FRP压力容器和GFRP钢筋也用于水资源和混凝土加固。C³项目和Kratos结构增强材料则进一步提升了混凝土结构的耐久性和承载能力。这些进展有望提高结构耐久性、减少维护成本，并促进可持续发展。方鲲1,2 刘康1,2 李玫2 乔治3 徐坚4 1. 北京热塑性复合材料工程技术研究所 2. 北京纳盛通新材料科技有限责任公司 3. 中化集团塑料公司 4. 深圳大学 顺时针依次是：哥伦比亚波哥大3800万加仑水池顶盖、荷兰A27公路复合桥面、海水淡化装置用玻璃钢、FRP钢筋 复合材料具有重量轻、耐腐蚀、强度高和寿命长的特点，因此非常适合应用于基础设施。复合材料被用于修复道路、桥梁、排水系统和海堤，加固混凝土和建造弹性结构。尽管复合材料的使用量在增长，但其在基础设施中使用的结构材料中所占的比例仍不到1%。 但是，这个现状也在取得不断的进展。2020年8月，美国国会通过了《复合材料标准法案》，该法案将建立一个设计数据中心，以推广在基础设施项目中使用复合材料的现有准则和标准。该法案还将组织国家标准与技术研究所（NIST）与国家科学基金会（NSF）协商，开展为期四年的试点计划，以帮助评估采用复合材料技术的可行性。2017年NIST报告中明确了复合材料的三大障碍是耐久性测试、设计数据交换中心和教育/培训。2020年《复合材料标准法》将有助于克服前两个问题，而2018年出台的《创新材料促进美国增长和基础设施新扩展（IMAGINE）法》将帮助教育和培训。这项尚未通过的立法旨在支持关于复合材料的优势和性能方面的普及，这将帮助设计师和工程师重新思考基础设施项目。 01 各种桥梁的解决方案 老化的基础设施继续为复合材料提供潜在的巨大市场。在美国，由于钢筋的腐蚀和失效，很多桥梁和混凝土开始发生劣化。常规的维修方式既耗时又具有破坏性，而且成本预计也将达数十亿美元。与常见的钢筋混凝土25年使用寿命相比，具有100年使用寿命的耐腐蚀复合材料具有寿命周期和成本优势，此外还具有安装快速和安全高效等特点。“用复合材料建造桥梁”实际上包括对各种基础设施应用的更新，从复合材料的人孔、沟槽盖到FRP钢筋和海洋桩。根据美国道路与运输建筑商协会2021年3月的一份报告，美国有220,000多座桥梁需要采取某种程度的修复——45000座桥梁存在结构缺陷，另有79500座需要重建。据称，按照目前的速度，修复目前积压的结构缺陷桥梁至少需要40年时间。人们越来越认识到，复合材料可以在修复正在面临崩溃的基础设施方面发挥关键作用，因此迫切需要能够抗腐蚀和延长使用寿命的桥梁。2020年，纽约市巴特利公园市管理局为西泰晤士河人行天桥选择了Composite Advantage（美国俄亥俄州代顿）的FiberSPAN FRP人行天桥，以取代2001年9月11日恐怖袭击后安装的临时结构。FiberSPAN FRP桥面也被用于修复佐治亚州亚特兰大市MARTA车站的两座行人天桥，取代了沉重的腐烂混凝土。轻质、零维护的复合材料甲板允许承包商使用原钢桁架，最大限度地减少了与钢结构升级相关的维修和人工成本。使用混凝土也将被禁止的，因为浇筑混凝土将花费更长时间，并给火车站造成额外的中断和停运时间。Composite Advantage还提供轻质FiberSPAN-C悬臂系统，以拓宽桥梁人行道。与钢筋混凝土面板相比，预制FRP面板重量轻80%，安装速度更快，降低了成本。这种材料对化学品和水的耐腐蚀性意味着对一个建筑物结构将近100年免维护。FRP面板安装用于容纳行人和骑自行车的人，可为7-10英尺宽的人行道提供10000磅的维修车辆，为10英尺宽的FRP人行道提供20000磅的救护车。由 Structural Composites 开发并安装在田纳西州中北部的复合材料过河桥2020年，Structural Composites（美国佛罗里达州墨尔本）展示了复合材料桥面，该桥面由美国薪资保障计划（PPP）提供资金。这是田纳西州农村贫困地区的复合材料桥面，其结构与最近密苏里州交通部（MODOT）研究中测试和验证的结构相同。该桥面的设计寿命为100年，比混凝土桥面轻90%，将有助于为有需要的社区提供交通便利的同时，也为密苏里交通局（MODOT）先前的测试工作并提供必要的现场数据。这种复合材料桥面也将为全国许多偏远农村桥梁打开市场。另一种方法是AIT Bridges（美国缅因州，布鲁尔）设计的组合拱桥，它使用混凝土填充复合材料管和FRP桥面，据报道，这为中小型桥梁提供了一种价格合理、优于传统钢和混凝土的替代方案。2020年，AIT在华盛顿州杜瓦尔市SR203国道上为一条河流穿越提供了一座51英尺跨度、20英尺宽的桥梁。这座桥由12个玻璃纤维复合拱门组成，将有助于将5英尺宽的溪流恢复到原来的20英尺宽，帮助鱼类和其他野生动物返回该地区，同时满足当地道路交通要求。AIT Bridges还生产用于桥梁修复和更换的复合梁（见下图）。缅因州汉普顿的 Grist Mill 桥（用复合材料替代原有桥梁，对桥进行升级改造）碳纤维增强塑料（CFRP）也被用于桥梁。2020年5月，斯图加特-斯塔特巴恩大桥建设在德国A8高速公路上，是世界上第一座完全悬挂在CFRP吊架上的拱桥。72根电缆由Carbo Link AG（瑞士 Fehraltorf）使用Teijin（德国Wuppertal）的碳纤维制造。它们实际上比原先计划的钢缆便宜，可以在没有支撑柱的情况下穿越八条高速公路车道，而它们的横截面积仅为钢缆的四分之一。此外，由于其重量轻，72个CFRP缆绳可由三名建筑工人在无需起重机的情况下安装完成。在127米长的铁路桥上使用了CFRP也开创了先河。瑞士联邦材料试验研究所（EMPA）的研究证明，碳纤维制造过程中的二氧化碳排放量占钢材的三分之一，能源消耗减少了50%以上。FiberCore Europe（荷兰鹿特丹）已在全球建设安装了1000多座复合材料桥梁，但其在北美的应用却受到限制。为了解决这一问题，其母公司FiberCore Holdings（荷兰鹿特丹）于2020年与Orenco Composites（美国俄勒冈州罗斯堡）签署了一项在美国应用FiberCore 的 InfraCore技术的授权许可协议。这种合作使Orenco能够将其广泛的知识应用于大型复合材料产品的设计和生产，同时增加InfraCore技术的应用。Orenco Composites高级副总裁埃里克·鲍尔（Eric Ball）表示：“采用 InfraCore 技术的桥梁在其整个结构中具有令人难以置信的附着力”。“这些桥梁只需要很小的地基，而且由于相对较轻，易于安装。这些桥梁可持续、可靠、几乎免维护，设计寿命超过50年。”FiberCore Europe 还将其技术授权许可给可持续基础设施系统（SIS、阿德莱德、澳大利亚）和加拿大Mat系统（CMS）以及 CMSI Inc.，它们都在加拿大艾伯塔省的埃德蒙顿。FiberCore Europe还与大型基础设施建设专家Strukton Civil（荷兰乌得勒支）合作，为现有桥梁的可持续翻新提供可持续的SUREbridge解决方案。该方法是与10个欧洲国家、美国和欧盟委员会共同合作开发的。荷兰哈登堡市是第一个使用SUREbridge方法重建横跨Radewijkerbeek航道的Toeslagweg街桥的市政府。现有建筑将通过使用砂浆在顶部安装预制InfraCore Inside复合面板，以2至2.5倍的系数加固并加宽。如有必要，可以结合使用桥梁下侧的预应力碳纤维加固。这使得这座桥可以使用50年，只需最少的维护。施工时间仅为六周，由于现有结构不必拆除，SUREbridge方法节省了时间和交通中断，并带来了显著的环境效益。这种方法还节省了成本——与拆除和新建相比，成本高达50%。同样在荷兰，Solico Engineering B.V.（Oosterhout）与复合材料集成商Advantage Composite B.V.公司合作，为N34省双车道公路沿线的多个高架桥和地下通道的重建设计了多个复合材料结构。支撑结构、覆层、栏杆和扶手包括仿生设计元素和生物基材料，如Valsteeg高架桥覆层，据报道，该覆层将风化 COR-TEN钢的视觉美感与复合材料的耐用性和轻量化完美结合。 02 废水处理和储水 充足的水资源为复合材料的应用创造了新的机会。复合材料在海水淡化、废水回收和地下水储存方面发挥了作用。纤维缠绕玻璃纤维增强塑料（FRP）压力容器装有反渗透（RO）膜，该膜已被证明是通过城市污水循环和海水反渗透（SWRO）脱盐生产清洁水的有效解决方案。例如，加利福尼亚州卡森的西盆地市政供水区目前共有1238个玻璃纤维压力容器，几乎所有压力容器的额定压力均为450psi，用于在El Segundo、Torrance和Carson的回收设施进行反渗透处理。循环水被输送到补水区，该区管理和保护洛杉矶县南部420平方英里地区400万居民的当地地下水。其服务区的43个城市每天使用约2.25亿加仑（约 820 亿加仑/年），约占该地区供水量的一半。另一个例子是圣迭戈纯净水项目，这是一个分阶段、多年的废水处理项目，到2035年将在当地提供圣迭戈三分之一的供水。自2011年6月以来，一个示范设施已经生产了100万加仑/天（mgd）的纯净水，使用37个额定压力为300psi的反渗透玻璃纤维压力容器，由Protec Arisawa（美国加利福尼亚州维斯塔）制造。第1阶段安装1400个压力容器，将产生30mgd。到2035年，第2和第3阶段将提供另外53mgd，也将需要压力容器。加利福尼亚州奥兰治县水区设施的地下水补给系统通过3150个直径为25英尺x8英寸的玻璃纤维压力容器进行反渗透，该容器由Protec Arisawa制造，每个容器装有七个反渗透膜单元。根据《市场观察》2020年8月发布的一份报告：“海水反渗透（SWRO）建设的不断增长，可能是一个巨大的、可持续的压力容器市场海水淡化厂。SWRO依靠膜系统，连续地净化从海洋输送到岸上的水。这些膜必须封装在膜外壳中。如今，纤维缠绕玻璃纤维压力容器几乎完全用于此目的，每个海水淡化厂的数量多达6000个。”据估计，从2021到2026年，该市场的年增长率为5.2%。与此同时，Orenco的AdvanTex处理系统15年来一直在提供可靠、节能的废水处理。AX Max是预先安装好的，易于安装。整个系统——包括处理、再循环和排放——都建在一个长14-42英尺（4.3-12.8米）的绝缘玻璃纤维复合罐内。Orenco Composites使用纤维缠绕和两种封闭成型工艺-树脂转移成型（RTM）和真空注入-生产高质量的单件注入FRP复合材料零件。该公司采用了为废水市场开发的玻璃纤维技术，为各种市场创造了高质量的建筑、水池、水箱和围墙。复合材料制造商Soling（哥伦比亚,安蒂奥基亚,埃斯特雷拉）使用RTM制造了840个复合材料盖，用于哥伦比亚波哥大的卡萨布兰卡储水箱，该水箱可容纳3800万加仑水，是该国最大的储水系统。每个圆顶矩形复合盖长7.6米，宽2.4 米（24.9 x 7.9英尺），由玻璃纤维织物和聚酯树脂制成。新的顶盖更安全、更轻、更耐用，取代了以前由混凝土和石棉制成的顶盖，它们容易污染水质并危害人类健康，而且容易发生故障，维护费用昂贵。 03 混凝土：玻璃纤维钢筋和CFRP格栅 Coastline Composites公司联合创始人格雷格·布拉斯扎克（Gregg Blaszak）表示，复合材料在基础设施中的应用发生了巨大变化，“我们开始看到越来越多的工程师真正认真研究这些材料，因为它们在很大程度上是免维护的。”他举了一个例子，越来越多的项目指定玻璃纤维钢筋用于加固混凝土结构，作为传统钢筋的替代品。Owens Corning（美国内布拉斯加州，苏厄德）复合材料战略营销副总裁克里斯托弗·斯金纳（Christopher Skinner）表示：“我希望看到玻璃纤维钢筋在结构应用中的持续发展，并越来越多地应用于平面工程”，“与钢相比，强度和重量都有所提高，这也大幅度提高了工作人员的效率。我预计复合材料的耐用性将很快被纳入采购决策中。”用了约11000公里长的GFRP钢筋加固了沙特阿拉 伯吉赞的这条混凝土防洪渠，使用寿命 100年Mattenbar公司是世界上最大的玻璃钢钢筋项目的供应商，即沙特阿拉 伯长长达23公里的吉赞洪水通道的供应商。吉赞隧道项目被视为基础设施行业的一个重要转折点。由于腐蚀且代价高昂，钢铁不再被视为性价比优良的选择。Mateenbar 首席执行官Nick Crofts表示，ASTM标准和ACI规范已经完善到位。“沙特阿美公司要求使用FRP钢筋，而且这并没有增加防洪渠的成本，这让很多人感到惊讶。”克罗夫茨指出，吉赞防洪渠的FRP钢筋安装速度比承包商习惯使用的钢筋的速度快得多。他认为该项目是混凝土加固的分水岭。2021年6月，沙特阿美在沙特阿 拉伯建立了第一个玻璃钢钢筋设施。IKK Mateenbar工厂由Pultron Composites（新西兰吉斯伯恩）与Isam Khairy Kabbani Group（沙特阿拉 伯吉达 IKK）和沙特阿美（沙特阿 拉伯达兰）合作建立, 并将为沙特阿拉 伯以及中东和北非地区的基础设施项目制造和供应无腐蚀玻璃纤维钢筋。阿美石油公司还与美国混凝土协会（ACI）合作建立了NEx：非金属建筑材料中心，以开发和促进非金属材料在建筑行业的应用。NEx总部位于美国密歇根州法明顿山的ACI世界总部，将专注于加快非金属材料和产品在建筑和基础设施中的使用。ACI总裁杰弗里·W·科尔曼（Jeffrey W.Coleman）表示：“扩大非金属材料和产品在建筑环境中的应用将提高可持续性，有助于减少碳排放，提高结构的耐久性和寿命。”。CarbonCast技术节省了预制混凝土面板的重量和成本，这得益于碳纤维加固，碳纤维加固将混凝土面板连接在一起，置于EPS泡沫芯之间但玻璃纤维并不是唯一一种在钢筋混凝土中显著优于钢的材料。自2004年以来，预制混凝土制造商联盟Altus Group（美国南卡罗来纳州格林维尔）一直使用碳浇注高性能隔热墙板，以实现比大多数现浇、实心预制和传统钢筋预制混凝土墙系统更轻、更薄、更坚固的施工。面板由两个混凝土面板组成，由刚性泡沫隔热板分隔，并通过 C-Grid（Chomarat North America，Williamston，S.C.，U.S.）碳纤维复合网格连接，作为剪切桁架。提供R-37或更高的绝缘值，CarbonCast面板可制造7至12英寸厚，宽度可达15英尺，高度可达50英尺或更高。由于碳纤维比钢坚固得多，面板尺寸可以增加，这意味着生产和运输的部件更少，因此安装速度更快，与传统预制系统相比，施工期间的碳排放更小。截至2020年，已完成1500多个CarbonCast项目，总面积为420万平方米。 04 未来基础设施的复合钢筋 德国的目标是将这项技术进一步推广，使用CFRP格栅加固各种实心混凝土结构，从而大大减少厚度、重量、安装和二氧化碳排放。C³-碳混凝土复合材料项目成立于2006年，是德国建筑行业最大的研究项目，拥有150多个合作伙伴和300多个单独项目。混凝土是仅次于水的世界上使用最广泛的材料，包括水泥、水和骨料。仅水泥生产就占二氧化碳排放总量的6.5%，约为全球航空业的三倍。德国政府于2020年6月宣布，将资助一个新的碳纤维增强混凝土研究中心，旨在提高钢材的替代率，克服广泛采用的障碍，包括政府批准的设计和标准。德累斯顿大学（TU Dresden）长期从事碳纤维和织物增强混凝土研究的曼弗雷德·柯巴赫博士（Dr.Manfred Curbach）领导了德国的这项工作，他声称这项技术可以将混凝土材料的使用减少50%，二氧化碳排放减少70%。其他用于基础设施的碳纤维复合材料包括土耳其第一批此类产品：Kordsa（土耳其伊斯坦布尔）Kratos结构增强材料，迄今为止，该产品由UD碳纤维织物和 Kratos C板拉挤碳纤维带组成。这些产品旨在改造钢筋混凝土结构，包括在抗震改造应用中，据说可以提高结构的承载能力并改善结构性能。例如，含有Kratos Prime树脂的Kratos C织物专门用于钢筋混凝土柱、剪力墙和梁表面，可能用于混凝土筒仓、桥梁、高架桥和天然气或石油管道。带有Kratos粘合剂的Kratos C板专门用于钢筋混凝土梁和板。来源：前沿材料 特别声明：公众 号部分文章和图片来源于网络，发布的目的在于传递更多信息及分享，并不代表本公众 号赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。版权归原作者所有，任何组织或个人对文章版权或内容的准确性存在疑议，请第一时间联系我们，我们会及时修改或删除。广告免责声明：本公 众号会不定时承接行业广告、产品推广、会议培训推广等广告，展示方式有文章前/中/后以图片形式展示、软文展示、产品链接展示等。本公众 号只提供发布平台，对广告内容的真实性或有效性不做评价，请自行判别。所有广告内容及相关事项与本公 众号无关，特此声明。来源：碳纤维生产技术
