摘 要
每年12月，Composites World杂志均会撰写系列文章介绍当年复合材料在不同应用领域如航空航天、体育休闲、压力容器、可再生能源等的应用最新进展情况，并对新一年的发展进行展望。本文概述了复合材料在民用基础设施领域的市场分析。
复合材料具有重量轻、耐腐蚀、高强度和长寿命等优异特性，使其在民用基础设施应用中具有广阔的潜力，复合材料可用于修复道路、桥梁、排水系统和海堤，加固混凝土和建造弹性结构等等。
但是，由于缺乏复合材料知识和教育、缺乏FRP特定标准和建筑规范、以及较高的前期材料成本等因素，采用纤维增强聚合物（FRP）复合材料代替传统材料（如混凝土或金属）一直很缓慢。
这个行业目前处在什么位置？2022年12月1日，CW主办了一场名为“CW技术日：基础设施和建筑中的复合材料”的CW Tech Days活动，一系列专家分享了该领域的最新材料、设计、工程和分析信息。
在CW Tech Days上，总部位于英国剑桥的未来材料集团（Future Materials Group，FMG）分析师Robert Walker博士介绍说，由于气候变化、劳动力发展差距、基础设施老化等紧迫的挑战，建筑和建筑市场正面临着改变。他说，变革将通过提高先进材料的采用率、增加使用增材制造（AM）或自主建造和数字工具等新的建造方法等赋能技术实现。这些解决方案都不是新的，但采用的速度很慢。Walker将建筑和施工中采用复合材料的当前阶段描述为“理性转换”，这意味着已经有足够成功的案例研究证明，知情的决策者现在开始更容易地采用复合材料。
Walker指出，通过复合材料行业的努力，可以进一步加快采用速度，这可能包括创建模块化或现成的产品，以获得易于重复的业务、更全面的供应链集成，并针对强大的决策者，如负责管理基础设施材料使用的法规和标准的决策者。
广泛采用复合材料的两个长期障碍是需要更多的资金，以及更新的建筑规范和标准，以帮助验证和明确复合材料在基础设施应用中的使用。近年来，一些国家，特别是欧洲和北美，通过了旨在资助基础设施建设和维修项目的立法。
值得注意的是，2021年美国实施了一项跨党派的基础设施法，宣布为桥梁和道路维修、铁路、公共交通、电网升级、电动汽车充电器安装等项目提供超过1850亿美元的资金。2022年11月，也就是新法案出台一年后，白宫报告称：已经启动了2800个新的桥梁维修和更换项目，5000多辆新的清洁交通和校车已经获得资助，电动汽车充电网络、高速互联网部署和水资源资助的州计划已经获得批准。
行业资金也在努力制定具体的建筑规范、标准和手册，以便在增强材料和其他应用中使用FRP材料。例如美国，美国混凝土研究所（American Concrete Institute，ACI）和美国阿美公司于2021成立了NEx:A Center of Excellence For Non-metallic Building Materials（非金属建筑材料卓越中心），旨在推广和提供非金属材料（如复合材料）在基础设施和建筑应用中的使用标准。这项工作包括针对增强材料和其他基础设施应用中FRP的使用制定更新的建筑规范和手册，以及为研发计划、教育计划等提供资金。
在CW Tech Days期间，NEx的技术总监Apana Deshmukh介绍了ACI和NEx最近发布的关于使用玻璃纤维增强聚合物（glass fiber-reinforced polymer，GFRP）增强材料的两个规范：ACI CODE-440.11-22规定了使用GFRP加固的结构混凝土建筑的材料、设计和细节的最低要求；ACI SPEC-440.5-22涵盖了用GFRP钢筋内部加固的混凝土构件的施工。未来的准则、手册和教育机会将进一步扩展这些准则。
混凝土增强材料：GFRP
几十年来，GFRP作为道路、桥梁和其他结构中钢筋混凝土的替代材料一直是一种可行的选择。其优点包括耐腐蚀性、产品寿命更长和重量轻，从而使运输和安装更加方便。
广泛采用GFRP的一个挑战是，它不是钢的直接替代品，需要改变设计来适应机械性能的差异，如较高的抗拉强度，但较低的拉伸模量，不同的热膨胀系数（CTE），以及GFRP钢筋在工作现场的焊接和弯曲能力不如钢。
然而，事实证明，在许多情况下，GFRP的好处超过了挑战——而且是越来越大的挑战。例如，2021年CW报告称Mateenbar生产了1.1万公里的GFRP钢筋，用于加固沙特阿拉伯一条长23公里、宽80米的混凝土防洪渠。在美国，佛罗里达州运输部（FDOT）和其他部门正在引导更广泛地采用GFRP钢筋。
大约11000公里的GFRP钢筋加固了沙特阿拉伯吉赞的这条混凝土防洪通道，使其能够使用100年
除了GFRP，最近，玄武岩纤维钢筋也被探索并用作另一种替代材料，碳纤维增强聚合物（CFRP）也被使用。
FRP桥、墙、沟槽盖等
除了用于加固混凝土桥梁的钢筋外，复合材料也可用于主梁、桥面和其他桥梁结构、沟盖、挡海墙以及更多的领域。例如，AIT Bridges提供了可定制的复合材料桥梁解决方案，如CFRP或GFRP桶梁和拱桥系统，据说可以延长桥梁的寿命，降低整体重量，并减少每个桥梁项目所需的混凝土量。
AIT Bridges的拱桥系统使用填充混凝土的编织纤维增强聚合物（FRP）管，它可以应用于各种桥梁结构，跨度可达80英尺
在CW Tech Days期间，AIT Bridges公司总裁兼总工程师Ken Sweeney介绍了该公司最近的一个应用实例，该公司的G-BEAM桶形梁系统用于更换美国佛罗里达州南帕萨迪纳市老化的太阳岛大桥中间的几个桥跨。该桥始建于1970年，2008年修复了一些腐蚀的碳钢梁，然后在2019年更换为无腐蚀性、具有成本竞争力的组合梁。
除了加固大型混凝土车辆桥外，复合材料解决方案还用于小型步行桥、悬臂人行道、轨道平台、步道桥和类似结构上的全桥面结构。一家专门从事该领域的公司Creative Composites Group（CCG），其旗下公司包括以基础设施为中心的Composite Advantage。2022年宣布的项目包括横跨三个州的五个FRP夹芯板甲板解决方案，以及安装在美国Ohio的行人吊桥上的混合式防滑FRP面板。
制造商和材料开发商提高复合材料在基础设施中的竞争力的一种方法是，制造出比传统材料更能承受极端天气、火灾和极端温度的结构和产品。例如，为了应对气候变化和日益强烈的天气事件，2022年，CCG还推出了新的StormStrong升级选项，该选项将专有技术应用于拉挤杆、桩和类似应用中。
FRP桥梁安装工程（来源：CCG）
其他创新以可持续性为目标，例如由荷兰埃因霍温理工大学（TU/e）领导的一个欧洲项目，该项目旨在生产一座“智能环形桥”，该桥融合了天然纤维复合材料和生物树脂，并集成了传感器技术，用于对完工的人行天桥进行结构健康监测（SHM）。该项目计划的三座桥梁中的第一座已于2022年4月安装。同样以可持续性为目标，Re Wind Network等多个组织已经证明，退役的复合材料风力涡轮机叶片可以重新用于人行天桥，例如2022年在爱尔兰安装的一座桥。
欧洲研究人员正在开发和安装一系列“智能”桥梁，将传感器集成到天然纤维/生物树脂复合材料中，旨在实现可持续发展和工业4.0
除桥梁外，复合材料还可用于制造沟盖、人行道和类似结构，例如Dura composites（英国埃塞克斯郡）建造的结构。2022年，该公司宣布将其产品扩展至澳大利亚和新西兰。
修复和加固
除了采用复合材料建造新的基础设施外，对修复或加固现有结构的复合材料的兴趣和使用也在增加。据CW《2021基础设施报告卡——桥梁》报道，美国61.7万座桥梁中，42%的桥梁使用年限超过50年，4.6154座（7.5%）被认为存在结构缺陷。每年有23.1万座桥梁需要维修，修复速度已放缓至0.1%，2021年桥梁报告警告称，这是不可持续的。
按照目前的速度，修复这些桥梁需要50年以上的时间，但是损坏的速度超过了修复或更换的速度。在欧洲，据报道，大约100万座混凝土桥梁和高架桥中的大多数已经超过50年，超过了设计寿命。
当用于加固或修复许多此类结构时，复合材料提供了更高的强度、耐久性和更长的寿命。最近一个值得注意的案例是一个名为SUREbridge（现有桥梁的可持续翻修）的项目，该项目从2015年10月到2018年5月，由欧盟委员会、美国运输部和其他合作伙伴通过基础设施创新（Infravation，Infrastructure Innovation）计划提供资金。
复合材料在提高基础设施强度、耐久性和寿命方面的优势越来越多地用于新建项目和修复项目，如图中荷兰哈登堡的SUREbridge修复项目。复合材料桥面被添加到现有混凝土结构中，以增加结构完整性，同时节省与完全更换相关的时间和成本
项目合作伙伴开发了一种解决方案，将InfraCore（荷兰鹿特丹）纤维增强聚合物（FRP）复合材料桥面粘结到现有混凝土桥面的顶部。SUREbridge试验结果表明，桥梁的原始承载能力可以增加一倍以上，从而拓宽桥面以容纳行人或自行车道。
2021年10月，在荷兰哈登堡的一座桥上完成了SUREbridge第一次安装。Fiber Core Europe复合材料桥面与现有混凝土桥面粘结在一起，在短短六周内使其承载能力翻了一番。
此外，许多公司现在正在为基础设施应用提供一系列模块化或定制FRP修复解决方案。美国QuakeWrap是一家30多年来一直提供各种GFRP和CFRP产品的公司，用于修复或加固桩、管道、墙壁或其他结构。例如，一种PileMedic产品是由CFRP和GFRP层压板组合成非常薄的片材制成的，该片材缠绕并连接到现有的桩或柱上。该解决方案加强或修复现有结构，增加强度和耐腐蚀性，安装速度快。
在最近的CW Tech Days活动上，QuakeWrap首席执行官Mo Ehsani博士谈到了该公司目前正在开发的几种产品和案例研究，包括珍珠港桥梁桩修复用的套件和织物、用FRP加固的手机塔来增加强度以承载额外的5G设备、桥面梁修复等。
法国Epsilon Composite是该领域的另一家公司。Epsilon专注于CFRP的拉挤和拉绕，其产品包括预制拉挤板、独特的锚固解决方案、织物和其他产品，这些产品可以快速、粘合地连接到现有结构上。作为最近的应用案例，Epsilon Composites的产品被用于翻新澳大利亚墨尔本的圣地亚哥伯纳乌体育场和西门大桥。
值得注意的是，FRP可用于修复桥梁和建筑应用以外的结构。例如，美国V2 Composites公司也瞄准了预制混凝土的CFRP修复解决方案，并于2022年推出了其新的碳纤维T-Biscuit产品，据说该产品是修复混凝土停车构筑物中失效连接的首选解决方案。
未来的努力包括制定FRP基础设施维修的新标准，以及新的研发。例如，2022年，美国材料试验协会(ASTM International)复合材料委员会宣布了一项拟议标准（WK74694），用于检查建筑物和其他土木结构的FRP复合材料修复。拟议规范将是一个检验标准，为不同应用提供整个过程和程序的一致性，以及与检验过程的一致性。拟定标准将由规范编写者、工程师和承包商使用，他们计划并进行FRP复合材料维修检查。
在研究方面，研究的重点方向之一是优化FRP解决方案，以加强沿海基础设施抵御极端天气事件。在美国，国家科学基金会（NSF）和国家标准与技术研究所（NIST）已投资760万美元，支持扩大国家对社区和基础设施抵御飓风、野火和其他自然灾害的知识的研究。
迈阿密大学工程学院和罗森斯蒂尔海洋与大气科学学院（Rosenstiel School of Marine and Atmospheric Science）获得了美国国家科学基金会（NSF）和美国国家标准与技术研究院（NIST）的两项拨款，目前正在研究和测试GFRP增强混凝土，以提高现有海堤和其他沿海基础设施的耐腐蚀性和强度。
原文始发于微信公众号（碳纤维及其复合材料技术）：【市场观察】2022年复合材料市场回顾及2023年市场展望：基础设施领域用复合材料
