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復(fù)合材料終端應(yīng)用市場之民用基礎(chǔ)設(shè)施

2022-03-08 11:40:39 作者：本網(wǎng)整理來源：網(wǎng)絡(luò) 分享至：

復(fù)合材料具有重量輕、耐腐蝕、強(qiáng)度高和壽命長的特性，這些特性使其非常適合在基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目里應(yīng)用。復(fù)合材料正被用于修復(fù)道路、橋梁、供水/排水系統(tǒng)和海堤，以加固混凝土和建造彈性結(jié)構(gòu)。雖然使用量在不斷增長，但作為結(jié)構(gòu)材料并按體積計(jì)算，復(fù)合材料在基礎(chǔ)設(shè)施中使用量仍不到1%。

從左上角起，順時(shí)針以此為：哥倫比亞波哥大3800萬加侖水箱復(fù)合材料蓋板；荷蘭A27公路上復(fù)合材料橋面；海水淡化廠用玻璃鋼管；FRP螺紋鋼筋

但目前，情況仍在好轉(zhuǎn)。2020年8月，美國國會(huì)通過了《復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)法案》，該法案將建立一個(gè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)交換中心，以傳播在基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目中使用復(fù)合材料的現(xiàn)有準(zhǔn)則和標(biāo)準(zhǔn)。該法案還指示美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）與國家科學(xué)基金會(huì)（NSF）協(xié)商，開展一項(xiàng)為期四年的試點(diǎn)計(jì)劃，以協(xié)助評估采用復(fù)合材料技術(shù)的可行性。2017年NIST的報(bào)告中確定的復(fù)合材料的三大障礙是耐久性測試、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)交換中心和教育/培訓(xùn)。2020年《復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)法案》將有助于克服前兩個(gè)障礙，而教育和培訓(xùn)可由2018年提出的《美國增長和基礎(chǔ)設(shè)施創(chuàng)新材料新擴(kuò)展（IMAGINE）法案》提供幫助。這項(xiàng)立法尚未通過，旨在支持有關(guān)復(fù)合材料優(yōu)點(diǎn)和特性的教育，這將有助于設(shè)計(jì)師和工程師重新思考基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目。

橋梁的多種解決方案

老化的基礎(chǔ)設(shè)施繼續(xù)為復(fù)合材料提供潛在的巨大市場。由于鋼筋的腐蝕和失效而導(dǎo)致的橋梁腐爛和混凝土的早期惡化已被充分記錄。傳統(tǒng)的維修即耗時(shí)又具有破壞性，預(yù)計(jì)成本高達(dá)數(shù)十億。與鋼筋混凝土常見的25年壽命相比，可提供100年使用壽命的典型耐腐蝕復(fù)合材料具備明顯的生命成本優(yōu)勢，此外還具有快速安裝、減少干擾和安全效益等優(yōu)點(diǎn)。CW的2020年專題 “用復(fù)合材料建造橋梁 ”包含了各種基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的最新情況，比如從復(fù)合檢修孔和溝槽蓋到FRP螺紋鋼筋和海洋樁。

根據(jù)美國道路與運(yùn)輸建設(shè)者協(xié)會(huì)2021年3月的一份報(bào)告顯示，美國有超過22萬座橋梁需要采取行動(dòng)，其中45,000座存在結(jié)構(gòu)性缺陷，另有79,500座應(yīng)更換。報(bào)告稱，按照目前的速度，修復(fù)目前積壓的結(jié)構(gòu)性缺陷橋梁需要40年的時(shí)間。對能夠抗腐蝕和延長使用壽命的橋梁的迫切需要，使原來越多的人意識到復(fù)合材料可以在修復(fù)搖搖欲墜的基礎(chǔ)設(shè)施方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。

由StructuralComposites公司開發(fā)并安裝在田納西州中北部的復(fù)合材料橋

2020年，Structural Composites結(jié)構(gòu)復(fù)合材料公司（美國佛羅里達(dá)州墨爾本市）展示了PPP復(fù)合橋面板，該橋面由其美國薪酬保護(hù)計(jì)劃（PPP）基金資助。這座用于田納西州農(nóng)村貧困地區(qū)的復(fù)合橋面板采用了最近密蘇里州交通局（MODOT）研究中測試和驗(yàn)證的某個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。PPP甲板的設(shè)計(jì)壽命為100年，比混凝土橋面輕90%，將有助于為有需要的社區(qū)提供通道，并提供必要的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，以支持MODOT先前的測試工作并進(jìn)一步改善公路橋面。PPP橋面還將為美國眾多農(nóng)村小型橋梁打開市場。

位于緬因州漢普頓的Grist Mil格里斯特磨坊橋。通過用AIT橋梁公司的復(fù)合梁替換原來的橋跨實(shí)現(xiàn)升級改造

還有一種不同的方法是由AIT Bridges橋梁公司（美國緬因州布魯爾）設(shè)計(jì)的復(fù)合拱橋，它使用混凝土填充的復(fù)合管和FRP甲板，據(jù)說這為中小型橋梁提供了一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且優(yōu)于傳統(tǒng)鋼和混凝土的選擇方案。2020年，AIT交付了一座51英尺跨度、20英尺寬的橋梁，用于華盛頓州杜瓦爾市SR203號州公路上的一條溪流渡口。這座橋由12個(gè)玻璃纖維復(fù)合材料拱門組成，將有助于把5英尺寬的小河恢復(fù)到以前的20英尺寬，幫助魚類和其他野生動(dòng)物重返該地區(qū)，同時(shí)滿足當(dāng)?shù)氐缆方煌ㄒ蟆IT Bridges橋梁公司還生產(chǎn)用于橋梁修復(fù)和更換的復(fù)合梁（見上圖）。

SolicoEngineering B.V.開發(fā)的橋上復(fù)合材料元件

同樣在荷蘭，Solico Engineering B.V. （Oosterhout）與復(fù)合材料系統(tǒng)集成商Advantage Composite B.V. （Franeker）合作，為N34省級雙車道公路上的多座高架橋和地下通道的重建設(shè)計(jì)了多種由復(fù)合材料制成的元件，例如支撐結(jié)構(gòu)、覆蓋物、欄桿和采用仿生設(shè)計(jì)元素和生物基材料制成的扶手。再舉個(gè)實(shí)例，Valsteeg高架橋的覆蓋物，據(jù)報(bào)道它結(jié)合了耐候鋼引人注目的視覺美感和復(fù)合材料良好的耐用性和減重的特性。

廢水處理和儲(chǔ)水

充足的水資源正在為復(fù)合材料創(chuàng)造新的機(jī)會(huì)。復(fù)合材料在海水淡化以及廢水回收和地下水儲(chǔ)存方面發(fā)揮著作用。纖維纏繞增強(qiáng)塑料（FRP）壓力容器裝有反滲透（RO）膜，這已被證明是通過城市廢水回收和海水反滲透（SWRO）脫鹽生產(chǎn)清潔水的有效解決方案。例如，加州卡森市的西盆地市政水區(qū)目前共有1238個(gè)玻璃纖維壓力容器，幾乎所有的額定壓力均為450psi，用于埃爾塞貢多、托倫斯和卡森的回收設(shè)施進(jìn)行反滲透處理。再生水被輸送到水補(bǔ)給區(qū)，該區(qū)管理和保護(hù)洛杉磯縣南部420平方英里區(qū)域內(nèi)400萬居民的當(dāng)?shù)氐叵滤Ｆ浞?wù)區(qū)的43個(gè)城市每天使用約2.25億加侖（約820億加侖/年），約占該地區(qū)供水量的一半。

復(fù)合材料制造廠家Solin（哥倫比亞安提奧基亞的Estrella）使用RTM制造了840個(gè)復(fù)合材料蓋板，以覆蓋哥倫比亞波哥大的卡薩布蘭卡儲(chǔ)水箱，該儲(chǔ)水箱可容納3800萬加侖的水，是該國最大的儲(chǔ)水系統(tǒng)。每個(gè)圓頂?shù)拈L方形復(fù)合蓋板長7.6米，寬2.4米，由玻璃纖維織物和聚酯樹脂制成。新的蓋板提供了一種更安全、更輕、更耐用的可能性，取代了以前由混凝土和石棉制成的蓋板，后者對水質(zhì)和人類健康構(gòu)成了重大威脅，容易發(fā)生故障，而且維護(hù)費(fèi)用昂貴。

混凝土：玻璃纖維鋼筋和CFRP格柵

與玻璃鋼復(fù)合材料制造商合作的咨詢公司Coastline Composites（美國賓夕法尼亞州蘭開斯特）的聯(lián)合創(chuàng)始人Gregg Blaszak表示，復(fù)合材料在基礎(chǔ)設(shè)施中使用發(fā)生了翻天覆地的變化。我們已經(jīng)開始看到越來越多的工程師認(rèn)真研究這些類型的材料，因?yàn)樗鼈冊诤艽蟪潭壬鲜敲饩S護(hù)的。越來越多的項(xiàng)目指定玻璃纖維鋼筋用于加固混凝土結(jié)構(gòu)，以替代傳統(tǒng)鋼筋。

“歐文斯科寧公司（美國內(nèi)布拉斯加州蘇厄德市）復(fù)合材料戰(zhàn)略營銷副總裁Christopher Skinner表示，希望看到玻璃纖維螺紋鋼筋在結(jié)構(gòu)性應(yīng)用和平板應(yīng)用中的持續(xù)發(fā)展。與鋼材相比，承包商看到復(fù)合材料強(qiáng)度的提高和重量的減輕，可大大提高了工作人員的工作效率。預(yù)計(jì)，復(fù)合材料的耐用性將很快被納入購買決策的考慮范圍。

大約11000公里的GFRP螺紋鋼筋加固了沙特阿拉伯吉贊的這條混凝土防洪渠，使其使用壽命達(dá)到100年

Mattenbar（阿聯(lián)酋迪拜和美國北卡羅來納州康科德）是世界上最大的FRP螺紋鋼筋項(xiàng)目——沙特阿拉伯23公里長的吉贊泄洪道的供應(yīng)商。吉贊隧道項(xiàng)目被視為基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。由于在全球范圍內(nèi)腐蝕的歷史悠久且代價(jià)高昂，鋼鐵不再被視為腐蝕環(huán)境中具有成本效益的選擇。ASTM標(biāo)準(zhǔn)和ACI規(guī)范已到位，Mateenbar首席執(zhí)行官Nick Crofts說。”沙特阿美只是強(qiáng)制要求使用FRP螺紋鋼筋，值得注意的是，這并沒有增加排洪渠的成本，這讓很多人感到驚訝。“ Crofts指出，為吉贊排洪渠安裝的FRP螺紋鋼筋，其安裝速度比承包商和項(xiàng)目經(jīng)理所習(xí)慣的鋼筋快得多。他認(rèn)為吉贊是混凝土加固領(lǐng)域的一個(gè)分水嶺，此類項(xiàng)目的預(yù)期增長已經(jīng)證明在全球范圍內(nèi)建立多個(gè)工廠的合理性。

但是，玻璃纖維并不是唯一一種在增強(qiáng)混凝土方面明顯優(yōu)于鋼材的增強(qiáng)材料。自2004年以來，Altus集團(tuán)（美國南卡羅來納州格林維爾），一個(gè)預(yù)制混凝土制造商聯(lián)盟，使用CarbonCast高性能保溫墻板，使建筑比大多數(shù)現(xiàn)澆、實(shí)心預(yù)制和傳統(tǒng)的鋼筋預(yù)制混凝土墻系統(tǒng)更輕、更薄、更堅(jiān)固。該墻板包括兩個(gè)混凝土層（面層），由硬質(zhì)泡沫保溫板隔開，并由C-Grid（Chomarat North America, Williamston, S.C., U.S.）碳纖維復(fù)合網(wǎng)格作為剪力桁架連接。提供R-37或更高的絕緣值，CarbonCast板的厚度為7至12英寸，寬度可達(dá)15英尺，高度為50英尺或以上。由于碳纖維比鋼更堅(jiān)固，面板尺寸可以增加，這意味著生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)募?shù)更少，因此安裝更快，施工期間的整體碳足跡比傳統(tǒng)預(yù)制系統(tǒng)更小。截至2020年，已經(jīng)完成了1500多個(gè)CarbonCast項(xiàng)目，總面積達(dá)4500萬平方英尺（420萬平方米）。

CarbonCast技術(shù)減輕了預(yù)制混凝土板的重量和成本，這要?dú)w功于碳纖維增強(qiáng)材料，它將混凝土面層連接在一起，放置在EPS泡沫芯之間

德國的目標(biāo)是進(jìn)一步發(fā)展這項(xiàng)技術(shù)，使用CFRP網(wǎng)格來加固各種實(shí)心混凝土建結(jié)構(gòu)建筑，以便大大減少厚度、重量、安裝和二氧化碳排放。成立于2006年的C?-碳纖維混凝土復(fù)合材料項(xiàng)目是德國建筑業(yè)最大的研究項(xiàng)目，擁有150多個(gè)合作伙伴和300個(gè)單獨(dú)項(xiàng)目。混凝土是繼水之后世界上使用最廣泛的材料，由水泥、水和骨料組成。僅水泥生產(chǎn)就占二氧化碳總排放量的6.5%，大約是全球航空業(yè)排放量的三倍。德國政府在2020年6月宣布，將資助一個(gè)新的碳纖維混凝土研究中心，旨在增加鋼材替代品并克服廣泛采用的障礙，包括政府批準(zhǔn)的設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)。預(yù)期這項(xiàng)技術(shù)可以減少50%的混凝土材料使用和70%的二氧化碳排放。

克拉托斯C型板

其他用于基礎(chǔ)設(shè)施的碳纖維復(fù)合材料包括土耳其首批此類產(chǎn)品：Kordsa公司（土耳其伊斯坦布爾）的Kratos結(jié)構(gòu)增強(qiáng)材料。迄今為止，它是由Kratos C-fabric單向（UD）碳纖維織物和Kratos C-plate拉擠碳纖維條組成。這些產(chǎn)品旨在改造鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，包括在抗震改造中的應(yīng)用，據(jù)說這些產(chǎn)品可增加結(jié)構(gòu)的承重能力并改善結(jié)構(gòu)性能。例如，含有Kratos Prime樹脂的Kratos C型板專門用于鋼筋混凝土柱、剪力墻和梁表面，并有可能用于混凝土筒倉、橋梁、高架橋以及天然氣或石油管道。克拉托斯C型板與克拉托斯粘合劑專門用于鋼筋混凝土梁和樓板。

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