复合材料在诸如(左上角,顺时针)沟槽和通道盖,3D打印桥,FRP钢筋和船用桩等应用中正在增长。
复合材料具有重量轻,耐腐蚀,强度高,使用寿命长等特点,这使其自然适合基础设施项目。复合材料被用于修复道路,桥梁,水/排水系统和海堤,加固混凝土和建造弹性结构。并且,随着使用量的增长,复合材料仍占基础设施所用结构材料体积的不到1%。
然而,在2020年8月,美国国会通过了《复合标准法案》,该法案将建立一个设计数据交换所,以传播在基础设施项目中使用复合材料的现有指南和标准。该法案还将指示美国标准技术研究院(NIST),与美国科学基金会(NSF)协商,实施为期四年的试点计划,以帮助评估采用复合技术的可行性。
2017年2月,NIST发布了“克服在可持续基础设施中采用复合材料的障碍的路线图研讨会”。前三大障碍被定义为培训和教育、规范和标准、耐久性和使用寿命预测。NIST确定了克服这些障碍的三项关键活动:耐久性测试、设计数据交换所以及教育和培训。《2020年综合标准法案》将有助于克服前两项,而2018年出台的《美国增长和基础设施创新材料新扩展法案》(IMAGINE)将有助于教育和培训。这项尚未通过的立法旨在支持有关复合材料的益处和特性的教育,这将有助于设计师和工程师重新思考基础设施项目。
无数种桥梁解决方案
老化的基础设施继续为复合材料提供潜在的巨大市场。由于钢筋的腐蚀和破坏而导致的桥梁老化和混凝土的早期劣化已得到充分证明。传统的维修费时且具有破坏性,预计成本高达数十亿美元。与常见的25年钢筋混凝土寿命相比,典耐腐蚀复合材料的典型100年寿命除了生命周期成本优势外,还具有可快速安装,减少破坏和安全性等优势。CW的2020年3月专题“用复合材料建造桥梁(Building bridges with composites)”实际上包括了各种基础设施应用的更新,从复合材料人孔和沟盖到FRP钢筋和海洋桩。
根据美国道路与运输建筑商协会(ARTBA)2020年4月的一份报告,美国近23万座桥梁需要采取行动——4.6万座桥梁存在结构缺陷,另外8.1万座桥梁需要更换。人们日益意识到,复合材料可以在修复摇摇欲坠的基础设施方面可以发挥关键作用,因此迫切需要能够抗腐蚀并延长使用寿命的桥梁。
亚特兰大市的茵曼公园MARTA(捷运)站采用了FiberSPAN复合地板来进行修复。
像人行天桥这样的项目继续缓慢地帮助建立这种情况。2020年,Composite Advantage公司(美国俄亥俄州代顿市)的纤维板纤维增强聚合物(FRP)人行天桥系统被纽约市炮台公园城市管理局(Battery Park City Authority)选为西泰晤士河人行天桥,取代了2001年9月11日恐怖袭击后修建的临时结构。在美国佐治亚州亚特兰大,纤维板玻璃钢桥面也被用来修复两座供MARTA(捷运)站使用的人行天桥,取代了沉重的腐烂的混凝土。轻质、零维护的复合材料桥面使承包商可以使用原始的钢桁架,大限度地减少与钢结构升级相关的维修和人工成本。使用混凝土也将是禁止的,因为浇筑会花费更长的时间,并导致火车站的额外中断和停机时间。
Composite Advantage还提供轻量级的FiberSPAN-C悬臂系统以加宽桥梁人行道。与钢筋混凝土面板相比,预制的FRP面板重量减轻了80%,并且安装速度更快,从而降低了成本。这种材料对化学品和水的耐腐蚀性意味着对一个将持续近100年的结构来说,零维护。FRP板的安装是为给行人和骑车人提供空间,7-10英尺宽的人行道可支撑10,000磅的维修车辆,FRP宽度超过10英尺的人行道可支撑20,000磅的救护车。
2020年,Structural Composites(美国佛罗里达州墨尔本市)展示了PPP复合桥面,该桥面由其美国薪酬保护计划(PPP)基金资助。这座复合桥面为田纳西州农村贫困地区设计,其结构与密苏里州交通部(MODOT)近的一项研究中测试和验证的结构相同。PPP桥面板的设计寿命为100年,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,支持公路桥面板的更大目标。PPP平台还将为许多农村小型桥梁打开市场。
拱桥系统。 AIT Bridges公司使用填充有混凝土的编织纤维增强聚合物(FRP)管来创建跨度大为80英尺的桥梁。
另一种方法是由AIT Bridges(美国缅因州布鲁尔)设计的复合拱桥,它使用混凝土填充复合管和FRP桥面,据报道,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替代方案。2020年,AIT在美国华盛顿州杜瓦尔市的SR 203国道上建造了一座跨度为51英尺、宽度为20英尺的桥,桥由12个玻璃纤维复合拱组成,这座桥将有助于将5英尺宽的河流恢复到原来的20英尺宽,帮助鱼类和其他野生动物返回该地区,同时满足当地道路要求。
斯图加特市立铁路桥使用72个CFRP拉索代替钢结构。
碳纤维增强聚合物(CFRP)也被用于桥梁。斯图加特市立铁路桥于2020年5月安装在德国A8高速公路上,是上座完全悬挂在碳纤维(CFRP)张力构件(称为吊杆)上的网状拱桥。这72根拉索由Carbo link AG(瑞士费赫拉尔托夫)使用帝人(德国乌珀塔尔)的碳纤维生产。它们实际上比原先计划的拉索便宜,可以在没有支柱的情况下穿过8条高速公路车道,而它们的横截面积仅为钢缆的四分之一。此外,由于其重量轻,可以安装72个CFRP张力元件而无需起重机,而只需三个建筑工人。碳纤维布在127米长的铁路桥梁中的应用也开创了可持续发展的先河。EMPA(瑞士联邦材料试验研究所)证明,碳纤维制造过程中的二氧化碳排放量是钢铁的三分之一,能耗降低了50%以上。(阅读链接:NS0932 德国铁路桥采用CFRP吊杆 开创可持续发展的先河)
FiberCore Europe(荷兰鹿特丹)已在范围内安装了1000多座复合材料桥梁,但其在北美的应用受到限制。为了解决这一问题,母公司FiberCore Holdings(荷兰鹿特丹)于2020年与Orenco Composites(俄勒冈州罗斯堡)签署了一份许可协议,以在美国应用FiberCore的InfraCore技术。此次合作使Orenco能够将其广泛的知识应用于大型复合材料产品的工程和生产,同时扩大InfraCore技术的应用。
Orenco Composites高级副总裁埃里克·鲍尔(Eric Ball)表示:“具有InfraCore内部结构的桥在整个结构中都具有难以置信的附着力。” “它们只需要小的基础,并且由于它们相对较轻,因此易于安装。这些桥梁是可持续的,可靠的,几乎免维护的,并且设计寿命超过50年。” FiberCore欧洲公司还与大型基础设施建设专家Strukton Civiel(荷兰乌得勒支)合作,为现有桥梁的可持续翻新提供可持续的SUREbridge解决方案。该方法已与10个欧洲,美国和欧盟委员会合作开发。
增材制造的桥梁。 3D打印的纤维增强聚合物(FRP)人行天桥原型。
增材制造等技术也开始在基础设施项目中发挥更大的作用。例如,Royal HaskoningDHV(荷兰阿默斯福特),CEAD(荷兰代尔夫特)和DSM(荷兰赫伦)已经设计出了轻巧的3D打印的纤维增强聚合物(FRP)人行天桥原型。桥由玻璃纤维填充的热塑性PET(DSM的Arnite)组成,在3D打印过程中用连续的玻璃纤维增强了这种热塑性PET。据说这种组合具有很高的强度,多功能性和可持续性。(请参阅“ FRP桥原型使用大规模3D打印”)
混凝土:玻璃纤维钢筋和CFRP网格
与FRP复合材料制造商合作的咨询公司Coastline Composites(美国宾夕法尼亚州)的联合创始人Gregg Blaszak说:``在基础设施中使用复合材料发生了巨大的变化。'' “我们已经开始看到更多的工程师真正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。” 他说,例如,越来越多的项目指定使用玻璃纤维钢筋来加固混凝土结构,以替代传统的钢钢筋。
Owens Corning(美国俄亥俄州托莱多)复合材料战略市场部副总裁Christopher Skinner说:“我希望玻璃纤维钢筋在结构应用中以及在平整应用中的持续发展,”。与钢铁相比,承包商的强度和重量减轻了,这极大地提高了工作团队的生产率。我预计复合材料的耐用性将很快成为购买决策的考虑因素。”
选择FRP钢筋来加固沙特阿拉伯的吉赞疏洪渠。
Mateenbar是上大的FRP钢筋项目——沙特阿拉伯长达23公里,长达80米的吉赞泄洪渠(Jizan Flood Channel)的供应商。Mateenbar席执行官尼克·克罗夫茨(Nick Crofts)说:“在范围内,长期以来易腐蚀且代价高昂,在恶劣的环境中,钢材不再被视为具有成本效益的选择。” “ ASTM标准和ACI代码已经到位。沙特阿美公司应用了它们并授权使用FRP钢筋,这显然并没有增加疏洪渠的成本。” Crofts指出,该项目安装FRP钢筋的速度比承包商和项目经理习惯使用钢筋的速度快得多。他认为吉赞项目是基础设施领域的重要转折点,而这类项目的预期增长已经证明其在美国和沙特阿拉伯的多家工厂是合理的。
但是玻璃纤维并不是唯一能在钢筋混凝土中明显胜过钢的加固材料。自2004年以来,预制混凝土制造商联盟的Altus集团(美国南卡罗来纳州格林维尔)开始使用CarbonCast高性能隔热墙板,以实现比大多数现浇混凝土、实心预制混凝土和传统钢筋预制混凝土墙系统更轻、更薄和更坚固的结构。面板由两个混凝土隔板(面板)组成,由硬质泡沫隔热板隔开,并通过C-Grid(Chomarat North America公司,美国南卡罗来纳州威廉斯顿)碳纤维复合网格作为剪切桁架连接。提供R-37或更高的绝缘值,CarbonCast板可制造7至12英寸厚,宽度高达15英尺,高度50英尺或以上。由于碳纤维比钢的强度大得多,面板尺寸可以增加,这意味着生产和运输的工件更少,因此安装速度更快,与传统预制系统相比,施工期间的整体碳足迹更小。截至2020年,已完成1500多个CarbonCast项目,总面积达4500万平方英尺(420万平方米)。
德国的目标是进一步发展这项技术,使用碳纤维增强塑料(CFRP)网格来加固各种固体混凝土结构,从而显着减少厚度,重量,安装和二氧化碳排放量。C?-碳纤维混凝土复合材料项目成立于2006年,是德国建筑行业大的研究项目,拥有150多个合作伙伴和300个独立项目。混凝土是仅次于水的上使用广泛的材料,由水泥、水和骨料组成。仅水泥生产就占总二氧化碳排放量的6.5%,约为航空排放量的三倍。
Hitexbau用高度自动化的生产线将碳纤维格网增强混凝土制成卷状或片状,从而实现了大尺寸和大批量生产。
图片来源:德累斯顿工业大学
德国政府于2020年6月宣布,它将资助一个新的碳纤维增强混凝土研究中心,旨在提高钢材替代率,克服广泛采用的障碍,包括政府批准的设计和标准。德累斯顿大学长期从事碳纤维和织物增强混凝土研究的曼弗雷德·库巴赫(Manfred Curbach)博士领导了这项德国研究,他声称这项技术可以减少混凝土材料使用50%和二氧化碳排放70%。