復合材料具有重量輕、耐腐蝕、高強度和長壽命等優(yōu)異特性，使其在民用基礎設施應用中具有廣闊的潛力，復合材料可用于修復道路、橋梁、排水系統(tǒng)和海堤，加固混凝土和建造彈性結構等等。

但是，由于缺乏復合材料知識和教育、缺乏FRP特定標準和建筑規(guī)范、以及較高的前期材料成本等因素，采用纖維增強聚合物（FRP）復合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料（如混凝土或金屬）一直很緩慢。

這個行業(yè)目前處在什么位置？2022年12月1日，CW主辦了一場名為“CW技術日：基礎設施和建筑中的復合材料”的CW Tech Days活動，一系列專家分享了該領域的最新材料、設計、工程和分析信息。

在CW Tech Days上，總部位于英國劍橋的未來材料集團（Future Materials Group，FMG）分析師Robert Walker博士介紹說，由于氣候變化、勞動力發(fā)展差距、基礎設施老化等緊迫的挑戰(zhàn)，建筑和建筑市場正面臨著改變。他說，變革將通過提高先進材料的采用率、增加使用增材制造（AM）或自主建造和數(shù)字工具等新的建造方法等賦能技術實現(xiàn)。這些解決方案都不是新的，但采用的速度很慢。Walker將建筑和施工中采用復合材料的當前階段描述為“理性轉換”，這意味著已經有足夠成功的案例研究證明，知情的決策者現(xiàn)在開始更容易地采用復合材料。

Walker指出，通過復合材料行業(yè)的努力，可以進一步加快采用速度，這可能包括創(chuàng)建模塊化或現(xiàn)成的產品，以獲得易于重復的業(yè)務、更全面的供應鏈集成，并針對強大的決策者，如負責管理基礎設施材料使用的法規(guī)和標準的決策者。

廣泛采用復合材料的兩個長期障礙是需要更多的資金，以及更新的建筑規(guī)范和標準，以幫助驗證和明確復合材料在基礎設施應用中的使用。近年來，一些國家，特別是歐洲和北美，通過了旨在資助基礎設施建設和維修項目的立法。

值得注意的是，2021年美國實施了一項跨黨派的基礎設施法，宣布為橋梁和道路維修、鐵路、公共交通、電網升級、電動汽車充電器安裝等項目提供超過1850億美元的資金。2022年11月，也就是新法案出臺一年后，白宮報告稱：已經啟動了2800個新的橋梁維修和更換項目，5000多輛新的清潔交通和校車已經獲得資助，電動汽車充電網絡、高速互聯(lián)網部署和水資源資助的州計劃已經獲得批準。

行業(yè)資金也在努力制定具體的建筑規(guī)范、標準和手冊，以便在增強材料和其他應用中使用FRP材料。例如美國，美國混凝土研究所（American Concrete Institute，ACI）和美國阿美公司于2021成立了NEx:A Center of Excellence For Non-metallic Building Materials（非金屬建筑材料卓越中心），旨在推廣和提供非金屬材料（如復合材料）在基礎設施和建筑應用中的使用標準。這項工作包括針對增強材料和其他基礎設施應用中FRP的使用制定更新的建筑規(guī)范和手冊，以及為研發(fā)計劃、教育計劃等提供資金。

在CW Tech Days期間，NEx的技術總監(jiān)Apana Deshmukh介紹了ACI和NEx最近發(fā)布的關于使用玻璃纖維增強聚合物（glass fiber-reinforced polymer，GFRP）增強材料的兩個規(guī)范：ACI CODE-440.11-22規(guī)定了使用GFRP加固的結構混凝土建筑的材料、設計和細節(jié)的最低要求；ACI SPEC-440.5-22涵蓋了用GFRP鋼筋內部加固的混凝土構件的施工。未來的準則、手冊和教育機會將進一步擴展這些準則。

混凝土增強材料：GFRP

幾十年來，GFRP作為道路、橋梁和其他結構中鋼筋混凝土的替代材料一直是一種可行的選擇。其優(yōu)點包括耐腐蝕性、產品壽命更長和重量輕，從而使運輸和安裝更加方便。

廣泛采用GFRP的一個挑戰(zhàn)是，它不是鋼的直接替代品，需要改變設計來適應機械性能的差異，如較高的抗拉強度，但較低的拉伸模量，不同的熱膨脹系數(shù)（CTE），以及GFRP鋼筋在工作現(xiàn)場的焊接和彎曲能力不如鋼。

然而，事實證明，在許多情況下，GFRP的好處超過了挑戰(zhàn)——而且是越來越大的挑戰(zhàn)。例如，2021年CW報告稱Mateenbar生產了1.1萬公里的GFRP鋼筋，用于加固沙特阿拉伯一條長23公里、寬80米的混凝土防洪渠。在美國，佛羅里達州運輸部（FDOT）和其他部門正在引導更廣泛地采用GFRP鋼筋。

大約11000公里的GFRP鋼筋加固了沙特阿拉伯吉贊的這條混凝土防洪通道，使其能夠使用100年

除了GFRP，最近，玄武巖纖維鋼筋也被探索并用作另一種替代材料，碳纖維增強聚合物（CFRP）也被使用。

FRP橋、墻、溝槽蓋等

除了用于加固混凝土橋梁的鋼筋外，復合材料也可用于主梁、橋面和其他橋梁結構、溝蓋、擋海墻以及更多的領域。例如，AIT Bridges提供了可定制的復合材料橋梁解決方案，如CFRP或GFRP桶梁和拱橋系統(tǒng)，據說可以延長橋梁的壽命，降低整體重量，并減少每個橋梁項目所需的混凝土量。

AIT Bridges的拱橋系統(tǒng)使用填充混凝土的編織纖維增強聚合物（FRP）管，它可以應用于各種橋梁結構，跨度可達80英尺

在CW Tech Days期間，AIT Bridges公司總裁兼總工程師Ken Sweeney介紹了該公司最近的一個應用實例，該公司的G-BEAM桶形梁系統(tǒng)用于更換美國佛羅里達州南帕薩迪納市老化的太陽島大橋中間的幾個橋跨。該橋始建于1970年，2008年修復了一些腐蝕的碳鋼梁，然后在2019年更換為無腐蝕性、具有成本競爭力的組合梁。

除了加固大型混凝土車輛橋外，復合材料解決方案還用于小型步行橋、懸臂人行道、軌道平臺、步道橋和類似結構上的全橋面結構。一家專門從事該領域的公司Creative Composites Group（CCG），其旗下公司包括以基礎設施為中心的Composite Advantage。2022年宣布的項目包括橫跨三個州的五個FRP夾芯板甲板解決方案，以及安裝在美國Ohio的行人吊橋上的混合式防滑F(xiàn)RP面板。

制造商和材料開發(fā)商提高復合材料在基礎設施中的競爭力的一種方法是，制造出比傳統(tǒng)材料更能承受極端天氣、火災和極端溫度的結構和產品。例如，為了應對氣候變化和日益強烈的天氣事件，2022年，CCG還推出了新的StormStrong升級選項，該選項將專有技術應用于拉擠桿、樁和類似應用中。

FRP橋梁安裝工程（來源：CCG）

其他創(chuàng)新以可持續(xù)性為目標，例如由荷蘭埃因霍溫理工大學（TU/e）領導的一個歐洲項目，該項目旨在生產一座“智能環(huán)形橋”，該橋融合了天然纖維復合材料和生物樹脂，并集成了傳感器技術，用于對完工的人行天橋進行結構健康監(jiān)測（SHM）。該項目計劃的三座橋梁中的第一座已于2022年4月安裝。同樣以可持續(xù)性為目標，Re Wind Network等多個組織已經證明，退役的復合材料風力渦輪機葉片可以重新用于人行天橋，例如2022年在愛爾蘭安裝的一座橋。

歐洲研究人員正在開發(fā)和安裝一系列“智能”橋梁，將傳感器集成到天然纖維/生物樹脂復合材料中，旨在實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和工業(yè)4.0

除橋梁外，復合材料還可用于制造溝蓋、人行道和類似結構，例如Dura composites（英國埃塞克斯郡）建造的結構。2022年，該公司宣布將其產品擴展至澳大利亞和新西蘭。

修復和加固

除了采用復合材料建造新的基礎設施外，對修復或加固現(xiàn)有結構的復合材料的興趣和使用也在增加。據CW《2021基礎設施報告卡——橋梁》報道，美國61.7萬座橋梁中，42%的橋梁使用年限超過50年，4.6154座（7.5%）被認為存在結構缺陷。每年有23.1萬座橋梁需要維修，修復速度已放緩至0.1%，2021年橋梁報告警告稱，這是不可持續(xù)的。

按照目前的速度，修復這些橋梁需要50年以上的時間，但是損壞的速度超過了修復或更換的速度。在歐洲，據報道，大約100萬座混凝土橋梁和高架橋中的大多數(shù)已經超過50年，超過了設計壽命。

當用于加固或修復許多此類結構時，復合材料提供了更高的強度、耐久性和更長的壽命。最近一個值得注意的案例是一個名為SUREbridge（現(xiàn)有橋梁的可持續(xù)翻修）的項目，該項目從2015年10月到2018年5月，由歐盟委員會、美國運輸部和其他合作伙伴通過基礎設施創(chuàng)新（Infravation，Infrastructure Innovation）計劃提供資金。

復合材料在提高基礎設施強度、耐久性和壽命方面的優(yōu)勢越來越多地用于新建項目和修復項目，如圖中荷蘭哈登堡的SUREbridge修復項目。復合材料橋面被添加到現(xiàn)有混凝土結構中，以增加結構完整性，同時節(jié)省與完全更換相關的時間和成本

項目合作伙伴開發(fā)了一種解決方案，將InfraCore（荷蘭鹿特丹）纖維增強聚合物（FRP）復合材料橋面粘結到現(xiàn)有混凝土橋面的頂部。SUREbridge試驗結果表明，橋梁的原始承載能力可以增加一倍以上，從而拓寬橋面以容納行人或自行車道。

2021年10月，在荷蘭哈登堡的一座橋上完成了SUREbridge第一次安裝。Fiber Core Europe復合材料橋面與現(xiàn)有混凝土橋面粘結在一起，在短短六周內使其承載能力翻了一番。

此外，許多公司現(xiàn)在正在為基礎設施應用提供一系列模塊化或定制FRP修復解決方案。美國QuakeWrap是一家30多年來一直提供各種GFRP和CFRP產品的公司，用于修復或加固樁、管道、墻壁或其他結構。例如，一種PileMedic產品是由CFRP和GFRP層壓板組合成非常薄的片材制成的，該片材纏繞并連接到現(xiàn)有的樁或柱上。該解決方案加強或修復現(xiàn)有結構，增加強度和耐腐蝕性，安裝速度快。

在最近的CW Tech Days活動上，QuakeWrap首席執(zhí)行官Mo Ehsani博士談到了該公司目前正在開發(fā)的幾種產品和案例研究，包括珍珠港橋梁樁修復用的套件和織物、用FRP加固的手機塔來增加強度以承載額外的5G設備、橋面梁修復等。

法國Epsilon Composite是該領域的另一家公司。Epsilon專注于CFRP的拉擠和拉繞，其產品包括預制拉擠板、獨特的錨固解決方案、織物和其他產品，這些產品可以快速、粘合地連接到現(xiàn)有結構上。作為最近的應用案例，Epsilon Composites的產品被用于翻新澳大利亞墨爾本的圣地亞哥伯納烏體育場和西門大橋。

值得注意的是，F(xiàn)RP可用于修復橋梁和建筑應用以外的結構。例如，美國V2 Composites公司也瞄準了預制混凝土的CFRP修復解決方案，并于2022年推出了其新的碳纖維T-Biscuit產品，據說該產品是修復混凝土停車構筑物中失效連接的首選解決方案。

未來的努力包括制定FRP基礎設施維修的新標準，以及新的研發(fā)。例如，2022年，美國材料試驗協(xié)會(ASTM International)復合材料委員會宣布了一項擬議標準（WK74694），用于檢查建筑物和其他土木結構的FRP復合材料修復。擬議規(guī)范將是一個檢驗標準，為不同應用提供整個過程和程序的一致性，以及與檢驗過程的一致性。擬定標準將由規(guī)范編寫者、工程師和承包商使用，他們計劃并進行FRP復合材料維修檢查。

在研究方面，研究的重點方向之一是優(yōu)化FRP解決方案，以加強沿海基礎設施抵御極端天氣事件。在美國，國家科學基金會（NSF）和國家標準與技術研究所（NIST）已投資760萬美元，支持擴大國家對社區(qū)和基礎設施抵御颶風、野火和其他自然災害的知識的研究。

邁阿密大學工程學院和羅森斯蒂爾海洋與大氣科學學院（Rosenstiel School of Marine and Atmospheric Science）獲得了美國國家科學基金會（NSF）和美國國家標準與技術研究院（NIST）的兩項撥款，目前正在研究和測試GFRP增強混凝土，以提高現(xiàn)有海堤和其他沿海基礎設施的耐腐蝕性和強度。