複合材料在4大民用基礎設施建設領域的應用 復材雲集｜複合材料

順時針依次是：哥倫比亞波哥大3800萬加侖水池頂蓋、荷蘭A27公路複合橋面、海水淡化裝置用玻璃鋼、FRP鋼筋

複合材料具有重量輕、耐腐蝕、強度高和壽命長的特點，因此非常適合應用於基礎設施。

複合材料被用於修復道路、橋樑、排水系統和海堤，加固混凝土和建造彈性結構。儘管複合材料的使用量在增長，但其在基礎設施中使用的結構材料中所佔的比例仍不到1%。

但是，這個現狀也在取得不斷的進展。2020年8月，美國國會通過了《複合材料標準法案》，該法案將建立一個設計資料中心，以推廣在基礎設施專案中使用複合材料的現有準則和標準。該法案還將組織國家標準與技術研究所（NIST）與國家科學基金會（NSF）協商，開展為期四年的試點計劃，以幫助評估採用複合材料技術的可行性。2017年NIST報告中明確了複合材料的三大障礙是耐久性測試、設計資料交換中心和教育/培訓。2020年《複合材料標準法》將有助於克服前兩個問題，而2018年出臺的《創新材料促進美國增長和基礎設施新擴充套件（IMAGINE）法》將幫助教育和培訓。這項尚未透過的立法旨在支援關於複合材料的優勢和效能方面的普及，這將幫助設計師和工程師重新思考基礎設施專案。

01

各種橋樑的解決方案

老化的基礎設施繼續為複合材料提供潛在的巨大市場。

在美國，由於鋼筋的腐蝕和失效，很多橋樑和混凝土開始發生劣化。常規的維修方式既耗時又具有破壞性，而且成本預計也將達數十億美元。

與常見的鋼筋混凝土25年使用壽命相比，具有100年使用壽命的耐腐蝕複合材料具有壽命週期和成本優勢，

此外還具有安裝快速和安全高效等特點。

“用複合材料建造橋樑”實際上包括對各種基礎設施應用的更新，從複合材料的人孔、溝槽蓋到FRP鋼筋和海洋樁。

根據美國道路與運輸建築商協會2021年3月的一份報告，美國有220，000多座橋樑需要採取某種程度的修復——45000座橋樑存在結構缺陷，另有79500座需要重建。據稱，按照目前的速度，修復目前積壓的結構缺陷橋樑至少需要40年時間。人們越來越認識到，複合材料可以在修復正在面臨崩潰的基礎設施方面發揮關鍵作用，因此迫切需要能夠抗腐蝕和延長使用壽命的橋樑。2020年，紐約市巴特利公園市管理局為西泰晤士河人行天橋選擇了Composite Advantage（美國俄亥俄州代頓）的FiberSPAN FRP人行天橋，以取代2001年9月11日恐怖襲擊後安裝的臨時結構。FiberSPAN FRP橋面也被用於修復佐治亞州亞特蘭大市MARTA車站的兩座行人天橋，取代了沉重的腐爛混凝土。輕質、零維護的複合材料甲板允許承包商使用原鋼桁架，最大限度地減少了與鋼結構升級相關的維修和人工成本。使用混凝土也將被禁止的，因為澆築混凝土將花費更長時間，並給火車站造成額外的中斷和停運時間。

Composite Advantage還提供輕質FiberSPAN-C懸臂系統，以拓寬橋樑人行道。與鋼筋混凝土面板相比，

預製FRP面板重量輕80%，安裝速度更快，降低了成本。

這種材料對化學品和水的耐腐蝕性意味著對一個建築物結構將近100年免維護。

FRP面板安裝用於容納行人和騎腳踏車的人，可為7-10英尺寬的人行道提供10000磅的維修車輛，為10英尺寬的FRP人行道提供20000磅的救護車。

由 Structural Composites 開發並安裝在田納西州中北部的複合材料過河橋

2020年，Structural Composites（美國佛羅里達州墨爾本）展示了複合材料橋面，該橋面由美國薪資保障計劃（PPP）提供資金。這是田納西州農村貧困地區的複合材料橋面，其結構與最近密蘇里州交通部（MODOT）研究中測試和驗證的結構相同。該橋面的

設計壽命為100年，比混凝土橋面輕90%，

將有助於為有需要的社群提供交通便利的同時，也為密蘇里交通局（MODOT）先前的測試工作並提供必要的現場資料。這種複合材料橋面也將為全國許多偏遠農村橋樑開啟市場。

另一種方法是AIT Bridges（美國緬因州，布魯爾）設計的組合拱橋，它使用混凝土填充複合材料管和FRP橋面，據報道，這為中小型橋樑提供了一種價格合理、優於傳統鋼和混凝土的替代方案。2020年，AIT在華盛頓州杜瓦爾市SR203國道上為一條河流穿越提供了一座51英尺跨度、20英尺寬的橋樑。這座橋由12個玻璃纖維複合拱門組成，將有助於將5英尺寬的溪流恢復到原來的20英尺寬，幫助魚類和其他野生動物返回該地區，同時滿足當地道路交通要求。AIT Bridges還生產用於橋樑修復和更換的複合梁（見下圖）。

緬因州漢普頓的 Grist Mill 橋（用複合材料替代原有橋樑，對橋進行升級改造）

碳纖維增強塑膠（CFRP）也被用於橋樑。

2020年5月，斯圖加特-斯塔特巴恩大橋建設在德國A8高速公路上，是世界上第一座完全懸掛在CFRP吊架上的拱橋。72根電纜由Carbo Link AG（瑞士 Fehraltorf）使用Teijin（德國Wuppertal）的碳纖維製造。它們實際上比原先計劃的鋼纜便宜，可以在沒有支

撐柱的情況下穿越八條高速公路車道，而它們的橫截面積僅為鋼纜的四分之一。此外，由於其重量輕，72個CFRP纜繩可由三名建築工人在無需起重機的情況下安裝完成。在127米長的鐵路橋上使用了CFRP也開創了先河。瑞士聯邦材料試驗研究所（EMPA）的研究證明，

碳纖維製造過程中的二氧化碳排放量佔鋼材的三分之一，能源消耗減少了50%以上。

FiberCore Europe（荷蘭鹿特丹）已在全球建設安裝了1000多座複合材料橋樑，但其在北美的應用卻受到限制。為了解決這一問題，其母公司FiberCore Holdings（荷蘭鹿特丹）於2020年與Orenco Composites（美國俄勒岡州羅斯堡）簽署了一項在美國應用FiberCore 的 InfraCore技術的授權許可協議。這種合作使Orenco能夠將其廣泛的知識應用於大型複合材料產品的設計和生產，同時增加InfraCore技術的應用。Orenco Composites高階副總裁埃裡克·鮑爾（Eric Ball）表示：“採用 InfraCore 技術的橋樑在其整個結構中具有令人難以置信的附著力”。“這些橋樑只需要很小的地基，而且由於相對較輕，易於安裝

。這些橋樑可持續、可靠、幾乎免維護，設計壽命超過50年。

”FiberCore Europe 還將其技術授權許可給可持續基礎設施系統（SIS、阿德萊德、澳大利亞）和加拿大Mat系統（CMS）以及 CMSI Inc。，它們都在加拿大艾伯塔省的埃德蒙頓。

FiberCore Europe還與大型基礎設施建設專家Strukton Civil（荷蘭烏得勒支）合作，為現有橋樑的可持續翻新提供可持續的SUREbridge解決方案。該方法是與10個歐洲國家、美國和歐盟委員會共同合作開發的。荷蘭哈登堡市是第一個使用SUREbridge方法重建橫跨Radewijkerbeek航道的Toeslagweg街橋的市政府。現有建築將透過使用砂漿在頂部安裝預製InfraCore Inside複合面板，以2至2。5倍的係數加固並加寬。如有必要，可以結合使用橋樑下側的預應力碳纖維加固。這使得這座橋可以使用50年，只需最少的維護。施工時間僅為六週，由於現有結構不必拆除，SUREbridge方法節省了時間和交通中斷，並帶來了顯著的環境效益。

這種方法還節省了成本——與拆除和新建相比，成本高達50%。

同樣在荷蘭，Solico Engineering B。V。（Oosterhout）與複合材料整合商Advantage Composite B。V。公司合作，為N34省雙車道公路沿線的多個高架橋和地下通道的重建設計了多個複合材料結構。支撐結構、覆層、欄杆和扶手包括仿生設計元素和生物基材料，如Valsteeg高架橋覆層，據報道，該覆層將風化 COR-TEN鋼的視覺美感與複合材料的耐用性和輕量化完美結合。

02

廢水處理和儲水

充足的水資源為複合材料的應用創造了新的機會。

複合材料在海水淡化、廢水回收和地下水儲存方面發揮了作用。纖維纏繞玻璃纖維增強塑膠（FRP）壓力容器裝有反滲透（RO）膜，該膜已被證明是透過城市汙水迴圈和海水反滲透（SWRO）脫鹽生產清潔水的有效解決方案。例如，加利福尼亞州卡森的西盆地市政供水區目前共有1238個玻璃纖維壓力容器，幾乎所有壓力容器的額定壓力均為450psi，用於在El Segundo、Torrance和Carson的回收設施進行反滲透處理。迴圈水被輸送到補水區，該區管理和保護洛杉磯縣南部420平方英里地區400萬居民的當地地下水。其服務區的43個城市每天使用約2。25億加侖（約 820 億加侖/年），約佔該地區供水量的一半。

另一個例子是聖迭戈純淨水專案，這是一個分階段、多年的廢水處理專案，到2035年將在當地提供聖迭戈三分之一的供水。自2011年6月以來，一個示範設施已經生產了100萬加侖/天（mgd）的純淨水，使用37個額定壓力為300psi的反滲透玻璃纖維壓力容器，由Protec Arisawa（美國加利福尼亞州維斯塔）製造。

第1階段安裝1400個壓力容器，將產生30mgd。到2035年，第2和第3階段將提供另外53mgd，也將需要壓力容器。加利福尼亞州奧蘭治縣水區設施的地下水補給系統透過3150個直徑為25英尺x8英寸的玻璃纖維壓力容器進行反滲透，該容器由Protec Arisawa製造，每個容器裝有七個反滲透膜單元。

根據《市場觀察》2020年8月釋出的一份報告：“海水反滲透（SWRO）建設的不斷增長，可能是一個巨大的、可持續的壓力容器市場海水淡化廠。SWRO依靠膜系統，連續地淨化從海洋輸送到岸上的水。這些膜必須封裝在膜外殼中。

如今，纖維纏繞玻璃纖維壓力容器幾乎完全用於此目的，每個海水淡化廠的數量多達6000個。”據估計，從2021到2026年，該市場的年增長率為5。2%。

與此同時，Orenco的AdvanTex處理系統15年來一直在提供可靠、節能的廢水處理。AX Max是預先安裝好的，易於安裝。整個系統——包括處理、再迴圈和排放——都建在一個長14-42英尺（4。3-12。8米）的絕緣玻璃纖維複合罐內。

Orenco Composites使用纖維纏繞和兩種封閉成型工藝-樹脂轉移成型（RTM）和真空注入-生產高質量的單件注入FRP複合材料零件。該公司採用了為廢水市場開發的玻璃纖維技術，為各種市場創造了高質量的建築、水池、水箱和圍牆。

複合材料製造商Soling（哥倫比亞，安蒂奧基亞，埃斯特雷拉）使用RTM製造了840個複合材料蓋，用於哥倫比亞波哥大的卡薩布蘭卡儲水箱，該水箱可容納3800萬加侖水，是該國最大的儲水系統。每個圓頂矩形複合蓋長7。6米，寬2。4 米（24。9 x 7。9英尺），由玻璃纖維織物和聚酯樹脂製成。新的頂蓋更安全、更輕、更耐用，取代了以前由混凝土和石棉製成的頂蓋，

它們容易汙染水質並危害人類健康，而且容易發生故障，維護費用昂貴。

03

混凝土：玻璃纖維鋼筋和CFRP格柵

Coastline Composites公司聯合創始人格雷格·布拉斯扎克（Gregg Blaszak）表示，複合材料在基礎設施中的應用發生了巨大變化，“我們開始看到越來越多的工程師真正認真研究這些材料，因為

它們在很大程度上是免維護的。

”他舉了一個例子，越來越多的專案指定玻璃纖維鋼筋用於加固混凝土結構，作為傳統鋼筋的替代品。Owens Corning（美國內布拉斯加州，蘇厄德）複合材料戰略營銷副總裁克里斯托弗·斯金納（Christopher Skinner）表示：“我希望看到玻璃纖維鋼筋在結構應用中的持續發展，並越來越多地應用於平面工程”，“

與鋼相比，強度和重量都有所提高，這也大幅度提高了工作人員的效率。

我預計複合材料的耐用性將很快被納入採購決策中。”

用了約11000公里長的GFRP鋼筋加固了沙烏地阿拉伯吉讚的這條混凝土防洪渠，使用壽命 100年

Mattenbar公司是世界上最大的玻璃鋼鋼筋專案的供應商，即沙烏地阿拉伯長長達23公里的吉贊洪水通道的供應商。吉贊隧道專案被視為基礎設施行業的一個重要轉折點。

由於腐蝕且代價高昂，鋼鐵不再被視為價效比優良的選擇。

Mateenbar 執行長Nick Crofts表示，ASTM標準和ACI規範已經完善到位。“沙特阿美公司要求使用FRP鋼筋，而且這並沒有增加防洪渠的成本，這讓很多人感到驚訝。”克羅夫茨指出，吉贊防洪渠的FRP鋼筋安裝速度比承包商習慣使用的鋼筋的速度快得多。他認為該專案是混凝土加固的分水嶺。

2021年6月，沙特阿美在沙烏地阿拉伯建立了第一個玻璃鋼鋼筋設施。IKK Mateenbar工廠由Pultron Composites（紐西蘭吉斯伯恩）與Isam Khairy Kabbani Group（沙烏地阿拉伯吉達 IKK）和沙特阿美（沙烏地阿拉伯達蘭）合作建立， 並將為沙烏地阿拉伯以及中東和北非地區的基礎設施專案製造和供應無腐蝕玻璃纖維鋼筋。

阿美石油公司還與美國混凝土協會（ACI）合作建立了NEx：

非金屬建築材料中心，以開發和促進非金屬材料在建築行業的應用。

NEx總部位於美國密歇根州法明頓山的ACI世界總部，將專注於加快非金屬材料和產品在建築和基礎設施中的使用。ACI總裁傑弗裡·W·科爾曼（Jeffrey W。Coleman）表示：“擴大非金屬材料和產品在建築環境中的應用將提高可持續性，有助於減少碳排放，提高結構的耐久性和壽命。”。

CarbonCast技術節省了預製混凝土面板的重量和成本，這得益於碳纖維加固，碳纖維加固將混凝土面板連線在一起，置於EPS泡沫芯之間

但玻璃纖維並不是唯一一種在鋼筋混凝土中顯著優於鋼的材料。

自2004年以來，預製混凝土製造商聯盟Altus Group（美國南卡羅來納州格林維爾）一直使用碳澆注高效能隔熱牆板，以實現比大多數現澆、實心預製和傳統鋼筋預製混凝土牆系統更輕、更薄、更堅固的施工。面板由兩個混凝土面板組成，由剛性泡沫隔熱板分隔，並透過 C-Grid（Chomarat North America，Williamston，S。C。，U。S。）碳纖維複合網格連線，作為剪下桁架。提供R-37或更高的絕緣值，CarbonCast面板可製造7至12英寸厚，寬度可達15英尺，高度可達50英尺或更高。由於碳纖維比鋼堅固得多，面板尺寸可以增加，這意味著生產和運輸的部件更少，因此安裝速度更快，與傳統預製系統相比，

施工期間的碳排放更小。

截至2020年，已完成1500多個CarbonCast專案，總面積為420萬平方米。

04

未來基礎設施的複合鋼筋

德國的目標是將這項技術進一步推廣，使用CFRP格柵加固各種實心混凝土結構，從而大大減少厚度、重量、安裝和二氧化碳排放。C-碳混凝土複合材料專案成立於2006年，是德國建築行業最大的研究專案，擁有150多個合作伙伴和300多個單獨專案。混凝土是僅次於水的世界上使用最廣泛的材料，包括水泥、水和骨料。僅水泥生產就佔二氧化碳排放總量的6。5%，約為全球航空業的三倍。德國政府於2020年6月宣佈，將資助一個新的碳纖維增強混凝土研究中心，旨在提高鋼材的替代率，克服廣泛採用的障礙，包括政府批准的設計和標準。

德累斯頓大學（TU Dresden）長期從事碳纖維和織物增強混凝土研究的曼弗雷德·柯巴赫博士（Dr。Manfred Curbach）領導了德國的這項工作，他聲稱

這項技

術可以將混凝土材料的使用減少50%，二氧化碳排放減少70%。

其他用於基礎設施的碳纖維複合材料包括土耳其第一批此類產品：Kordsa（土耳其伊斯坦布林）Kratos結構增強材料，迄今為止，該產品由UD碳纖維織物和 Kratos C板拉擠碳纖維帶組成。這些產品旨在改造鋼筋混凝土結構，包括在抗震改造應用中，據說可以提高結構的承載能力並改善結構效能。例如，含有Kratos Prime樹脂的Kratos C織物專門用於鋼筋混凝土柱、剪力牆和梁表面，可能用於混凝土筒倉、橋樑、高架橋和天然氣或石油管道。帶有Kratos粘合劑的Kratos C板專門用於鋼筋混凝土梁和板。