復(fù)合材料具有重量輕,、耐腐蝕,、高強(qiáng)度和長(zhǎng)壽命等優(yōu)異特性，使其在民用基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中具有廣闊的潛力,，復(fù)合材料可用于修復(fù)道路,、橋梁、排水系統(tǒng)和海堤,，加固混凝土和建造彈性結(jié)構(gòu)等等,。

但是，由于缺乏復(fù)合材料知識(shí)和教育,、缺乏FRP特定標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)聚合物（FRP）復(fù)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(gè)行業(yè)目前處在什么位置？2022年12月1日,，CW主辦了一場(chǎng)名為“CW技術(shù)日：基礎(chǔ)設(shè)施和建筑中的復(fù)合材料”的CW Tech Days活動(dòng),，一系列專(zhuān)家分享了該領(lǐng)域的最新材料、設(shè)計(jì),、工程和分析信息,。

在CW Tech Days上，總部位于英國(guó)劍橋的未來(lái)材料集團(tuán)（Future Materials Group,，FMG）分析師Robert Walker博士介紹說(shuō),，由于氣候變化、勞動(dòng)力發(fā)展差距,、基礎(chǔ)設(shè)施老化等緊迫的挑戰(zhàn),，建筑和建筑市場(chǎng)正面臨著改變。他說(shuō),，變革將通過(guò)提高先進(jìn)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(shù)實(shí)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(fù)合材料的當(dāng)前階段描述為“理性轉(zhuǎn)換”,，這意味著已經(jīng)有足夠成功的案例研究證明，知情的決策者現(xiàn)在開(kāi)始更容易地采用復(fù)合材料,。

Walker指出,，通過(guò)復(fù)合材料行業(yè)的努力，可以進(jìn)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(chǎn)品,，以獲得易于重復(fù)的業(yè)務(wù)、更全面的供應(yīng)鏈集成,，并針對(duì)強(qiáng)大的決策者,，如負(fù)責(zé)管理基礎(chǔ)設(shè)施材料使用的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的決策者。

廣泛采用復(fù)合材料的兩個(gè)長(zhǎng)期障礙是需要更多的資金,，以及更新的建筑規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，以幫助驗(yàn)證和明確復(fù)合材料在基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中的使用,。近年來(lái),，一些國(guó)家，特別是歐洲和北美,，通過(guò)了旨在資助基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和維修項(xiàng)目的立法,。

值得注意的是，2021年美國(guó)實(shí)施了一項(xiàng)跨黨派的基礎(chǔ)設(shè)施法,，宣布為橋梁和道路維修,、鐵路、公共交通,、電網(wǎng)升級(jí),、電動(dòng)汽車(chē)充電器安裝等項(xiàng)目提供超過(guò)1850億美元的資金。2022年11月,，也就是新法案出臺(tái)一年后,，白宮報(bào)告稱(chēng)：已經(jīng)啟動(dòng)了2800個(gè)新的橋梁維修和更換項(xiàng)目，5000多輛新的清潔交通和校車(chē)已經(jīng)獲得資助,，電動(dòng)汽車(chē)充電網(wǎng)絡(luò),、高速互聯(lián)網(wǎng)部署和水資源資助的州計(jì)劃已經(jīng)獲得批準(zhǔn)。

行業(yè)資金也在努力制定具體的建筑規(guī)范,、標(biāo)準(zhǔn)和手冊(cè),，以便在增強(qiáng)材料和其他應(yīng)用中使用FRP材料。例如美國(guó),，美國(guó)混凝土研究所（American Concrete Institute,，ACI）和美國(guó)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(fù)合材料）在基礎(chǔ)設(shè)施和建筑應(yīng)用中的使用標(biāo)準(zhǔn),。這項(xiàng)工作包括針對(duì)增強(qiáng)材料和其他基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中FRP的使用制定更新的建筑規(guī)范和手冊(cè),，以及為研發(fā)計(jì)劃,、教育計(jì)劃等提供資金。

在CW Tech Days期間,，NEx的技術(shù)總監(jiān)Apana Deshmukh介紹了ACI和NEx最近發(fā)布的關(guān)于使用玻璃纖維增強(qiáng)聚合物（glass fiber-reinforced polymer,，GFRP）增強(qiáng)材料的兩個(gè)規(guī)范：ACI CODE-440.11-22規(guī)定了使用GFRP加固的結(jié)構(gòu)混凝土建筑的材料、設(shè)計(jì)和細(xì)節(jié)的最低要求,；ACI SPEC-440.5-22涵蓋了用GFRP鋼筋內(nèi)部加固的混凝土構(gòu)件的施工,。未來(lái)的準(zhǔn)則、手冊(cè)和教育機(jī)會(huì)將進(jìn)一步擴(kuò)展這些準(zhǔn)則,。

混凝土增強(qiáng)材料：GFRP

幾十年來(lái),，GFRP作為道路、橋梁和其他結(jié)構(gòu)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(diǎn)包括耐腐蝕性,、產(chǎn)品壽命更長(zhǎng)和重量輕，從而使運(yùn)輸和安裝更加方便,。

廣泛采用GFRP的一個(gè)挑戰(zhàn)是,，它不是鋼的直接替代品，需要改變?cè)O(shè)計(jì)來(lái)適應(yīng)機(jī)械性能的差異,，如較高的抗拉強(qiáng)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(chǎng)的焊接和彎曲能力不如鋼,。

然而，事實(shí)證明,，在許多情況下,，GFRP的好處超過(guò)了挑戰(zhàn)——而且是越來(lái)越大的挑戰(zhàn)。例如,，2021年CW報(bào)告稱(chēng)Mateenbar生產(chǎn)了1.1萬(wàn)公里的GFRP鋼筋，用于加固沙特阿拉伯一條長(zhǎng)23公里,、寬80米的混凝土防洪渠,。在美國(guó)，佛羅里達(dá)州運(yùn)輸部（FDOT）和其他部門(mén)正在引導(dǎo)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(qiáng)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(fù)合材料也可用于主梁、橋面和其他橋梁結(jié)構(gòu),、溝蓋,、擋海墻以及更多的領(lǐng)域。例如,，AIT Bridges提供了可定制的復(fù)合材料橋梁解決方案,，如CFRP或GFRP桶梁和拱橋系統(tǒng)，據(jù)說(shuō)可以延長(zhǎng)橋梁的壽命,，降低整體重量,，并減少每個(gè)橋梁項(xiàng)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(qiáng)聚合物（FRP）管,，它可以應(yīng)用于各種橋梁結(jié)構(gòu),，跨度可達(dá)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(gè)應(yīng)用實(shí)例,，該公司的G-BEAM桶形梁系統(tǒng)用于更換美國(guó)佛羅里達(dá)州南帕薩迪納市老化的太陽(yáng)島大橋中間的幾個(gè)橋跨,。該橋始建于1970年，2008年修復(fù)了一些腐蝕的碳鋼梁,，然后在2019年更換為無(wú)腐蝕性,、具有成本競(jìng)爭(zhēng)力的組合梁。

除了加固大型混凝土車(chē)輛橋外,，復(fù)合材料解決方案還用于小型步行橋,、懸臂人行道、軌道平臺(tái),、步道橋和類(lèi)似結(jié)構(gòu)上的全橋面結(jié)構(gòu),。一家專(zhuān)門(mén)從事該領(lǐng)域的公司Creative Composites Group（CCG），其旗下公司包括以基礎(chǔ)設(shè)施為中心的Composite Advantage,。2022年宣布的項(xiàng)目包括橫跨三個(gè)州的五個(gè)FRP夾芯板甲板解決方案,，以及安裝在美國(guó)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(kāi)發(fā)商提高復(fù)合材料在基礎(chǔ)設(shè)施中的競(jìng)爭(zhēng)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(zāi)和極端溫度的結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品。例如,，為了應(yīng)對(duì)氣候變化和日益強(qiáng)烈的天氣事件,，2022年，CCG還推出了新的StormStrong升級(jí)選項(xiàng),，該選項(xiàng)將專(zhuān)有技術(shù)應(yīng)用于拉擠桿,、樁和類(lèi)似應(yīng)用中。

FRP橋梁安裝工程（來(lái)源：CCG）

其他創(chuàng)新以可持續(xù)性為目標(biāo),，例如由荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)（TU/e）領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)歐洲項(xiàng)目,，該項(xiàng)目旨在生產(chǎn)一座“智能環(huán)形橋”,，該橋融合了天然纖維復(fù)合材料和生物樹(shù)脂，并集成了傳感器技術(shù),，用于對(duì)完工的人行天橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（SHM）,。該項(xiàng)目計(jì)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(biāo),，Re Wind Network等多個(gè)組織已經(jīng)證明,，退役的復(fù)合材料風(fēng)力渦輪機(jī)葉片可以重新用于人行天橋，例如2022年在愛(ài)爾蘭安裝的一座橋,。

歐洲研究人員正在開(kāi)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(shù)脂復(fù)合材料中，旨在實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和工業(yè)4.0

除橋梁外,，復(fù)合材料還可用于制造溝蓋,、人行道和類(lèi)似結(jié)構(gòu)，例如Dura composites（英國(guó)埃塞克斯郡）建造的結(jié)構(gòu),。2022年,，該公司宣布將其產(chǎn)品擴(kuò)展至澳大利亞和新西蘭。

修復(fù)和加固

除了采用復(fù)合材料建造新的基礎(chǔ)設(shè)施外,，對(duì)修復(fù)或加固現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料的興趣和使用也在增加,。據(jù)CW《2021基礎(chǔ)設(shè)施報(bào)告卡——橋梁》報(bào)道，美國(guó)61.7萬(wàn)座橋梁中,，42%的橋梁使用年限超過(guò)50年,，4.6154座（7.5%）被認(rèn)為存在結(jié)構(gòu)缺陷。每年有23.1萬(wàn)座橋梁需要維修,，修復(fù)速度已放緩至0.1%,，2021年橋梁報(bào)告警告稱(chēng)，這是不可持續(xù)的,。

按照目前的速度,，修復(fù)這些橋梁需要50年以上的時(shí)間，但是損壞的速度超過(guò)了修復(fù)或更換的速度,。在歐洲,，據(jù)報(bào)道，大約100萬(wàn)座混凝土橋梁和高架橋中的大多數(shù)已經(jīng)超過(guò)50年,，超過(guò)了設(shè)計(jì)壽命。

當(dāng)用于加固或修復(fù)許多此類(lèi)結(jié)構(gòu)時(shí),，復(fù)合材料提供了更高的強(qiáng)度,、耐久性和更長(zhǎng)的壽命。最近一個(gè)值得注意的案例是一個(gè)名為SUREbridge（現(xiàn)有橋梁的可持續(xù)翻修）的項(xiàng)目,，該項(xiàng)目從2015年10月到2018年5月,，由歐盟委員會(huì),、美國(guó)運(yùn)輸部和其他合作伙伴通過(guò)基礎(chǔ)設(shè)施創(chuàng)新（Infravation，Infrastructure Innovation）計(jì)劃提供資金,。

復(fù)合材料在提高基礎(chǔ)設(shè)施強(qiáng)度,、耐久性和壽命方面的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越多地用于新建項(xiàng)目和修復(fù)項(xiàng)目，如圖中荷蘭哈登堡的SUREbridge修復(fù)項(xiàng)目,。復(fù)合材料橋面被添加到現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)中,，以增加結(jié)構(gòu)完整性，同時(shí)節(jié)省與完全更換相關(guān)的時(shí)間和成本

項(xiàng)目合作伙伴開(kāi)發(fā)了一種解決方案,，將InfraCore（荷蘭鹿特丹）纖維增強(qiáng)聚合物（FRP）復(fù)合材料橋面粘結(jié)到現(xiàn)有混凝土橋面的頂部,。SUREbridge試驗(yàn)結(jié)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(chē)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(fù)合材料橋面與現(xiàn)有混凝土橋面粘結(jié)在一起,，在短短六周內(nèi)使其承載能力翻了一番。

此外,，許多公司現(xiàn)在正在為基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用提供一系列模塊化或定制FRP修復(fù)解決方案,。美國(guó)QuakeWrap是一家30多年來(lái)一直提供各種GFRP和CFRP產(chǎn)品的公司，用于修復(fù)或加固樁,、管道,、墻壁或其他結(jié)構(gòu)。例如,，一種PileMedic產(chǎn)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(qiáng)或修復(fù)現(xiàn)有結(jié)構(gòu),，增加強(qiáng)度和耐腐蝕性,，安裝速度快。

在最近的CW Tech Days活動(dòng)上,，QuakeWrap首席執(zhí)行官Mo Ehsani博士談到了該公司目前正在開(kāi)發(fā)的幾種產(chǎn)品和案例研究,，包括珍珠港橋梁樁修復(fù)用的套件和織物、用FRP加固的手機(jī)塔來(lái)增加強(qiáng)度以承載額外的5G設(shè)備,、橋面梁修復(fù)等,。

法國(guó)Epsilon Composite是該領(lǐng)域的另一家公司。Epsilon專(zhuān)注于CFRP的拉擠和拉繞,，其產(chǎn)品包括預(yù)制拉擠板,、獨(dú)特的錨固解決方案、織物和其他產(chǎn)品，這些產(chǎn)品可以快速,、粘合地連接到現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上,。作為最近的應(yīng)用案例，Epsilon Composites的產(chǎn)品被用于翻新澳大利亞墨爾本的圣地亞哥伯納烏體育場(chǎng)和西門(mén)大橋,。

值得注意的是,，F(xiàn)RP可用于修復(fù)橋梁和建筑應(yīng)用以外的結(jié)構(gòu)。例如,，美國(guó)V2 Composites公司也瞄準(zhǔn)了預(yù)制混凝土的CFRP修復(fù)解決方案,，并于2022年推出了其新的碳纖維T-Biscuit產(chǎn)品，據(jù)說(shuō)該產(chǎn)品是修復(fù)混凝土停車(chē)構(gòu)筑物中失效連接的首選解決方案,。

未來(lái)的努力包括制定FRP基礎(chǔ)設(shè)施維修的新標(biāo)準(zhǔn),，以及新的研發(fā)。例如,，2022年,，美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM International)復(fù)合材料委員會(huì)宣布了一項(xiàng)擬議標(biāo)準(zhǔn)（WK74694），用于檢查建筑物和其他土木結(jié)構(gòu)的FRP復(fù)合材料修復(fù),。擬議規(guī)范將是一個(gè)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),，為不同應(yīng)用提供整個(gè)過(guò)程和程序的一致性，以及與檢驗(yàn)過(guò)程的一致性,。擬定標(biāo)準(zhǔn)將由規(guī)范編寫(xiě)者,、工程師和承包商使用，他們計(jì)劃并進(jìn)行FRP復(fù)合材料維修檢查,。

在研究方面,，研究的重點(diǎn)方向之一是優(yōu)化FRP解決方案，以加強(qiáng)沿?；A(chǔ)設(shè)施抵御極端天氣事件,。在美國(guó)，國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）已投資760萬(wàn)美元,，支持?jǐn)U大國(guó)家對(duì)社區(qū)和基礎(chǔ)設(shè)施抵御颶風(fēng),、野火和其他自然災(zāi)害的知識(shí)的研究。

邁阿密大學(xué)工程學(xué)院和羅森斯蒂爾海洋與大氣科學(xué)學(xué)院（Rosenstiel School of Marine and Atmospheric Science）獲得了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的兩項(xiàng)撥款,，目前正在研究和測(cè)試GFRP增強(qiáng)混凝土,，以提高現(xiàn)有海堤和其他沿海基礎(chǔ)設(shè)施的耐腐蝕性和強(qiáng)度,。