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復合材料終端應用市場之民用基礎設施

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

復合材料具有重量輕、耐腐蝕、強度高和壽命長的特性，這些特性使其非常適合在基礎設施項目里應用。復合材料正被用于修復道路、橋梁、供水/排水系統(tǒng)和海堤，以加固混凝土和建造彈性結構。雖然使用量在不斷增長，但作為結構材料并按體積計算，復合材料在基礎設施中使用量仍不到1%。

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

但目前，情況仍在好轉。2020年8月，美國國會通過了《復合材料標準法案》，該法案將建立一個設計數(shù)據(jù)交換中心，以傳播在基礎設施項目中使用復合材料的現(xiàn)有準則和標準。該法案還指示美國國家標準與技術研究所（NIST）與國家科學基金會（NSF）協(xié)商，開展一項為期四年的試點計劃，以協(xié)助評估采用復合材料技術的可行性。2017年NIST的報告中確定的復合材料的三大障礙是耐久性測試、設計數(shù)據(jù)交換中心和教育/培訓。2020年《復合材料標準法案》將有助于克服前兩個障礙，而教育和培訓可由2018年提出的《美國增長和基礎設施創(chuàng)新材料新擴展（IMAGINE）法案》提供幫助。這項立法尚未通過，旨在支持有關復合材料優(yōu)點和特性的教育，這將有助于設計師和工程師重新思考基礎設施項目。

橋梁的多種解決方案

老化的基礎設施繼續(xù)為復合材料提供潛在的巨大市場。由于鋼筋的腐蝕和失效而導致的橋梁腐爛和混凝土的早期惡化已被充分記錄。傳統(tǒng)的維修即耗時又具有破壞性，預計成本高達數(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。CW的2020年專題 “用復合材料建造橋梁 ”包含了各種基礎設施應用的最新情況，比如從復合檢修孔和溝槽蓋到FRP螺紋鋼筋和海洋樁。

根據(jù)美國道路與運輸建設者協(xié)會2021年3月的一份報告顯示，美國有超過22萬座橋梁需要采取行動，其中45,000座存在結構性缺陷，另有79,500座應更換。報告稱，按照目前的速度，修復目前積壓的結構性缺陷橋梁需要40年的時間。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合材料可以在修復搖搖欲墜的基礎設施方面發(fā)揮關鍵作用。

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

2020年，Structural Composites結構復合材料公司（美國佛羅里達州墨爾本市）展示了PPP復合橋面板，該橋面由其美國薪酬保護計劃（PPP）基金資助。這座用于田納西州農(nóng)村貧困地區(qū)的復合橋面板采用了最近密蘇里州交通局（MODOT）研究中測試和驗證的某個結構進行相同的結構設計。PPP甲板的設計壽命為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橋梁公司的復合梁替換原來的橋跨實現(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）設計的復合拱橋，它使用混凝土填充的復合管和FRP甲板，據(jù)說這為中小型橋梁提供了一種經(jīng)濟實惠且優(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個玻璃纖維復合材料拱門組成，將有助于把5英尺寬的小河恢復到以前的20英尺寬，幫助魚類和其他野生動物重返該地區(qū)，同時滿足當?shù)氐缆方煌ㄒ蟆IT Bridges橋梁公司還生產(chǎn)用于橋梁修復和更換的復合梁（見上圖）。

SolicoEngineering B.V.開發(fā)的橋上復合材料元件

同樣在荷蘭，Solico Engineering B.V. （Oosterhout）與復合材料系統(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計了多種由復合材料制成的元件，例如支撐結構、覆蓋物、欄桿和采用仿生設計元素和生物基材料制成的扶手。再舉個實例，Valsteeg高架橋的覆蓋物，據(jù)報道它結合了耐候鋼引人注目的視覺美感和復合材料良好的耐用性和減重的特性。

廢水處理和儲水

充足的水資源正在為復合材料創(chuàng)造新的機會。復合材料在海水淡化以及廢水回收和地下水儲存方面發(fā)揮著作用。纖維纏繞增強塑料（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施進行反滲透處理。再生水被輸送到水補給區(qū)，該區(qū)管理和保護洛杉磯縣南部420平方英里區(qū)域內400萬居民的當?shù)氐叵滤Ｆ浞諈^(qū)的43個城市每天使用約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個復合材料蓋板，以覆蓋哥倫比亞波哥大的卡薩布蘭卡儲水箱，該儲水箱可容納3800萬加侖的水，是該國最大的儲水系統(tǒng)。每個圓頂?shù)拈L方形復合蓋板長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，后者對水質和人類健康構成了重大威脅，容易發(fā)生故障，而且維護費用昂貴。

混凝土：玻璃纖維鋼筋和CFRP格柵

與玻璃鋼復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，復合材料在基礎設施中使用發(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真研究這些類型的材料，因為它們在很大程度上是免維護的。越來越多的項目指定玻璃纖維鋼筋用于加固混凝土結構，以替代傳統(tǒng)鋼筋。

“歐文斯科寧公司（美國內布拉斯加州蘇厄德市）復合材料戰(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構性應用和平板應用中的持續(xù)發(fā)展。與鋼材相比，承包商看到復合材料強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。預計，復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螺紋鋼筋項目——沙特阿拉伯23公里長的吉贊泄洪道的供應商。吉贊隧道項目被視為基礎設施領域的一個重要轉折點。由于在全球范圍內腐蝕的歷史悠久且代價高昂，鋼鐵不再被視為腐蝕環(huán)境中具有成本效益的選擇。ASTM標準和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目經(jīng)理所習慣的鋼筋快得多。他認為吉贊是混凝土加固領域的一個分水嶺，此類項目的預期增長已經(jīng)證明在全球范圍內建立多個工廠的合理性。

但是，玻璃纖維并不是唯一一種在增強混凝土方面明顯優(yōu)于鋼材的增強材料。自2004年以來，Altus集團（美國南卡羅來納州格林維爾），一個預制混凝土制造商聯(lián)盟，使用CarbonCast高性能保溫墻板，使建筑比大多數(shù)現(xiàn)澆、實心預制和傳統(tǒng)的鋼筋預制混凝土墻系統(tǒng)更輕、更薄、更堅固。該墻板包括兩個混凝土層（面層），由硬質泡沫保溫板隔開，并由C-Grid（Chomarat North America, Williamston, S.C., U.S.）碳纖維復合網(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15英尺，高度為50英尺或以上。由于碳纖維比鋼更堅固，面板尺寸可以增加，這意味著生產(chǎn)和運輸?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)預制系統(tǒng)更小。截至2020年，已經(jīng)完成了1500多個CarbonCast項目，總面積達4500萬平方英尺（420萬平方米）。

CarbonCast技術減輕了預制混凝土板的重量和成本，這要歸功于碳纖維增強材料，它將混凝土面層連接在一起，放置在EPS泡沫芯之間

德國的目標是進一步發(fā)展這項技術，使用CFRP網(wǎng)格來加固各種實心混凝土建結構建筑，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?-碳纖維混凝土復合材料項目是德國建筑業(yè)最大的研究項目，擁有150多個合作伙伴和300個單獨項目。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，包括政府批準的設計和標準。預期這項技術可以減少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

其他用于基礎設施的碳纖維復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結構增強材料。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構，包括在抗震改造中的應用，據(jù)說這些產(chǎn)品可增加結構的承重能力并改善結構性能。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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