复合材料终端应用市场之民用基础设施

2022-03-08 11:40:39 作者：本网整理来源：网络分享至：

复合材料具有重量轻、耐腐蚀、强度高和寿命长的特性，这些特性使其非常适合在基础设施项目里应用。复合材料正被用于修复道路、桥梁、供水/排水系统和海堤，以加固混凝土和建造弹性结构。虽然使用量在不断增长，但作为结构材料并按体积计算，复合材料在基础设施中使用量仍不到1%。

从左上角起，顺时针以此为：哥伦比亚波哥大3800万加仑水箱复合材料盖板；荷兰A27公路上复合材料桥面；海水淡化厂用玻璃钢管；FRP螺纹钢筋

但目前，情况仍在好转。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交换中心，以传播在基础设施项目中使用复合材料的现有准则和标准。该法案还指示美国国家标准与技术研究所（NIST）与国家科学基金会（NSF）协商，开展一项为期四年的试点计划，以协助评估采用复合材料技术的可行性。2017年NIST的报告中确定的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《复合材料标准法案》将有助于克服前两个障碍，而教育和培训可由2018年提出的《美国增长和基础设施创新材料新扩展（IMAGINE）法案》提供帮助。这项立法尚未通过，旨在支持有关复合材料优点和特性的教育，这将有助于设计师和工程师重新思考基础设施项目。

桥梁的多种解决方案

老化的基础设施继续为复合材料提供潜在的巨大市场。由于钢筋的腐蚀和失效而导致的桥梁腐烂和混凝土的早期恶化已被充分记录。传统的维修即耗时又具有破坏性，预计成本高达数十亿。与钢筋混凝土常见的25年寿命相比，可提供100年使用寿命的典型耐腐蚀复合材料具备明显的生命成本优势，此外还具有快速安装、减少干扰和安全效益等优点。CW的2020年专题 “用复合材料建造桥梁 ”包含了各种基础设施应用的最新情况，比如从复合检修孔和沟槽盖到FRP螺纹钢筋和海洋桩。

根据美国道路与运输建设者协会2021年3月的一份报告显示，美国有超过22万座桥梁需要采取行动，其中45,000座存在结构性缺陷，另有79,500座应更换。报告称，按照目前的速度，修复目前积压的结构性缺陷桥梁需要40年的时间。对能够抗腐蚀和延长使用寿命的桥梁的迫切需要，使原来越多的人意识到复合材料可以在修复摇摇欲坠的基础设施方面发挥关键作用。

由StructuralComposites公司开发并安装在田纳西州中北部的复合材料桥

2020年，Structural Composites结构复合材料公司（美国佛罗里达州墨尔本市）展示了PPP复合桥面板，该桥面由其美国薪酬保护计划（PPP）基金资助。这座用于田纳西州农村贫困地区的复合桥面板采用了最近密苏里州交通局（MODOT）研究中测试和验证的某个结构进行相同的结构设计。PPP甲板的设计寿命为100年，比混凝土桥面轻90%，将有助于为有需要的社区提供通道，并提供必要的现场数据，以支持MODOT先前的测试工作并进一步改善公路桥面。PPP桥面还将为美国众多农村小型桥梁打开市场。

位于缅因州汉普顿的Grist Mil格里斯特磨坊桥。通过用AIT桥梁公司的复合梁替换原来的桥跨实现升级改造

还有一种不同的方法是由AIT Bridges桥梁公司（美国缅因州布鲁尔）设计的复合拱桥，它使用混凝土填充的复合管和FRP甲板，据说这为中小型桥梁提供了一种经济实惠且优于传统钢和混凝土的选择方案。2020年，AIT交付了一座51英尺跨度、20英尺宽的桥梁，用于华盛顿州杜瓦尔市SR203号州公路上的一条溪流渡口。这座桥由12个玻璃纤维复合材料拱门组成，将有助于把5英尺宽的小河恢复到以前的20英尺宽，帮助鱼类和其他野生动物重返该地区，同时满足当地道路交通要求。AIT Bridges桥梁公司还生产用于桥梁修复和更换的复合梁（见上图）。

SolicoEngineering B.V.开发的桥上复合材料元件

同样在荷兰，Solico Engineering B.V. （Oosterhout）与复合材料系统集成商Advantage Composite B.V. （Franeker）合作，为N34省级双车道公路上的多座高架桥和地下通道的重建设计了多种由复合材料制成的元件，例如支撑结构、覆盖物、栏杆和采用仿生设计元素和生物基材料制成的扶手。再举个实例，Valsteeg高架桥的覆盖物，据报道它结合了耐候钢引人注目的视觉美感和复合材料良好的耐用性和减重的特性。

废水处理和储水

充足的水资源正在为复合材料创造新的机会。复合材料在海水淡化以及废水回收和地下水储存方面发挥着作用。纤维缠绕增强塑料（FRP）压力容器装有反渗透（RO）膜，这已被证明是通过城市废水回收和海水反渗透（SWRO）脱盐生产清洁水的有效解决方案。例如，加州卡森市的西盆地市政水区目前共有1238个玻璃纤维压力容器，几乎所有的额定压力均为450psi，用于埃尔塞贡多、托伦斯和卡森的回收设施进行反渗透处理。再生水被输送到水补给区，该区管理和保护洛杉矶县南部420平方英里区域内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。

复合材料制造厂家Solin（哥伦比亚安提奥基亚的Estrella）使用RTM制造了840个复合材料盖板，以覆盖哥伦比亚波哥大的卡萨布兰卡储水箱，该储水箱可容纳3800万加仑的水，是该国最大的储水系统。每个圆顶的长方形复合盖板长7.6米，宽2.4米，由玻璃纤维织物和聚酯树脂制成。新的盖板提供了一种更安全、更轻、更耐用的可能性，取代了以前由混凝土和石棉制成的盖板，后者对水质和人类健康构成了重大威胁，容易发生故障，而且维护费用昂贵。

混凝土：玻璃纤维钢筋和CFRP格栅

与玻璃钢复合材料制造商合作的咨询公司Coastline Composites（美国宾夕法尼亚州兰开斯特）的联合创始人Gregg Blaszak表示，复合材料在基础设施中使用发生了翻天覆地的变化。我们已经开始看到越来越多的工程师认真研究这些类型的材料，因为它们在很大程度上是免维护的。越来越多的项目指定玻璃纤维钢筋用于加固混凝土结构，以替代传统钢筋。

“欧文斯科宁公司（美国内布拉斯加州苏厄德市）复合材料战略营销副总裁Christopher Skinner表示，希望看到玻璃纤维螺纹钢筋在结构性应用和平板应用中的持续发展。与钢材相比，承包商看到复合材料强度的提高和重量的减轻，可大大提高了工作人员的工作效率。预计，复合材料的耐用性将很快被纳入购买决策的考虑范围。

大约11000公里的GFRP螺纹钢筋加固了沙特阿拉伯吉赞的这条混凝土防洪渠，使其使用寿命达到100年

Mattenbar（阿联酋迪拜和美国北卡罗来纳州康科德）是世界上最大的FRP螺纹钢筋项目——沙特阿拉伯23公里长的吉赞泄洪道的供应商。吉赞隧道项目被视为基础设施领域的一个重要转折点。由于在全球范围内腐蚀的历史悠久且代价高昂，钢铁不再被视为腐蚀环境中具有成本效益的选择。ASTM标准和ACI规范已到位，Mateenbar首席执行官Nick Crofts说。”沙特阿美只是强制要求使用FRP螺纹钢筋，值得注意的是，这并没有增加排洪渠的成本，这让很多人感到惊讶。“ Crofts指出，为吉赞排洪渠安装的FRP螺纹钢筋，其安装速度比承包商和项目经理所习惯的钢筋快得多。他认为吉赞是混凝土加固领域的一个分水岭，此类项目的预期增长已经证明在全球范围内建立多个工厂的合理性。

但是，玻璃纤维并不是唯一一种在增强混凝土方面明显优于钢材的增强材料。自2004年以来，Altus集团（美国南卡罗来纳州格林维尔），一个预制混凝土制造商联盟，使用CarbonCast高性能保温墙板，使建筑比大多数现浇、实心预制和传统的钢筋预制混凝土墙系统更轻、更薄、更坚固。该墙板包括两个混凝土层（面层），由硬质泡沫保温板隔开，并由C-Grid（Chomarat North America, Williamston, S.C., U.S.）碳纤维复合网格作为剪力桁架连接。提供R-37或更高的绝缘值，CarbonCast板的厚度为7至12英寸，宽度可达15英尺，高度为50英尺或以上。由于碳纤维比钢更坚固，面板尺寸可以增加，这意味着生产和运输的件数更少，因此安装更快，施工期间的整体碳足迹比传统预制系统更小。截至2020年，已经完成了1500多个CarbonCast项目，总面积达4500万平方英尺（420万平方米）。

CarbonCast技术减轻了预制混凝土板的重量和成本，这要归功于碳纤维增强材料，它将混凝土面层连接在一起，放置在EPS泡沫芯之间

德国的目标是进一步发展这项技术，使用CFRP网格来加固各种实心混凝土建结构建筑，以便大大减少厚度、重量、安装和二氧化碳排放。成立于2006年的C?-碳纤维混凝土复合材料项目是德国建筑业最大的研究项目，拥有150多个合作伙伴和300个单独项目。混凝土是继水之后世界上使用最广泛的材料，由水泥、水和骨料组成。仅水泥生产就占二氧化碳总排放量的6.5%，大约是全球航空业排放量的三倍。德国政府在2020年6月宣布，将资助一个新的碳纤维混凝土研究中心，旨在增加钢材替代品并克服广泛采用的障碍，包括政府批准的设计和标准。预期这项技术可以减少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

其他用于基础设施的碳纤维复合材料包括土耳其首批此类产品：Kordsa公司（土耳其伊斯坦布尔）的Kratos结构增强材料。迄今为止，它是由Kratos C-fabric单向（UD）碳纤维织物和Kratos C-plate拉挤碳纤维条组成。这些产品旨在改造钢筋混凝土结构，包括在抗震改造中的应用，据说这些产品可增加结构的承重能力并改善结构性能。例如，含有Kratos Prime树脂的Kratos C型板专门用于钢筋混凝土柱、剪力墙和梁表面，并有可能用于混凝土筒仓、桥梁、高架桥以及天然气或石油管道。克拉托斯C型板与克拉托斯粘合剂专门用于钢筋混凝土梁和楼板。

免责声明：本网站所转载的文字、图片与视频资料版权归原创作者所有，如果涉及侵权，请第一时间联系本网删除。