十年前，关于基础设施的讨论主要围绕需要多少额外资金来修复。但如今越来越强调在涉及建设或修复国家道路、桥梁、港口、电网等的项目中的可持续性和耐久性。
复合材料行业可以提供美国各州寻求的可持续解决方案。随着资金的增加，就像1.2 万亿美元的基础设施法案中提出的那样，美国州机构将有更多的资金和机会来试验创新技术和建筑技术。
Infrastructure Ventures主席兼首席执行官Greg Nadeau说：“全美国有很多例子，无论是桥梁还是增强建筑结构，复合材料创新的使用已被证明是有效的。在常规拨款之外对桥梁基础设施法案的巨额投资确实为各州提供了利用这些资金扩大对这些替代材料的使用和理解的机会。它们不是试验性的，它们是被证明有效的。”
建造更好的桥梁
复合材料已被用于建造更具冲击韧性的桥梁。由于增强混凝土和预应力混凝土结构中的钢材腐蚀，在冬季使用道路盐的美国沿海州和北部州的桥梁已经腐烂。使用复合材料筋等非腐蚀性材料可以减少美国各州交通部 (DOTs) 必须花费在桥梁维护和维修上的费用。
Nadeau说：“通常，额定寿命为75年的传统桥梁必须在40或50年的时间内进行实质性处理。在您的材料选择基础上采用非腐蚀性材料，可以延长使用寿命并降低长期生命周期成本。”
还有其他成本节约。“如果我们有一种不会腐蚀的材料，混凝土的成分可能会有所不同。例如，我们不必使用缓蚀剂，每立方码的成本约为 50 美元，”迈阿密大学土木与建筑工程系教授兼系主任Antonio Nanni说。
用复合材料建造的桥梁可以设计成更流线型的支撑结构。先进基础设施技术公司（Advanced Infrastructure Technologies，AIT) 总裁兼首席工程师 Ken Sweeney 说：“如果使用混凝土，你需要花费大量金钱和资源来建造这座桥来支撑其重量，而不是在它的功能上，即承载交通。如果你能减轻它的重量并拥有更高的强度重量比，那会是一个巨大的好处：建造成本将会更低。”
由于复合材料筋比钢筋轻得多，因此将复合材料筋（或由复合材料筋制成的桥梁部件）运输到工地所需的卡车更少。这减少了二氧化碳的排放。承包商可以使用更小、成本更低的起重机将复合材料桥梁部件吊装到位，而且对建筑工人来说，搬运它们更容易、更安全。
FRP桥梁创新
马歇尔复合材料技术公司（Marshall Composite Technologies）于1996年使用其C-BAR®筋来增强西弗吉尼亚州布法罗河大桥的混凝土桥面。这是美国第一次将FRP筋用于车辆桥梁，复合材料桥面至今仍然表现良好。
GFRP（玻璃纤维增强塑料）筋通常通过拉挤成型工艺制成，当材料以直线从设备中拉出时固化。马歇尔复合材料技术公司开发了一种创新技术，可以跳过拉挤固化阶段。
工程总监Tom Ohnstad解释说：“GFRP筋使我们能够以传统拉挤成型的四到五倍的速度前进，因为我们不受必须在模具内固化的限制。在我们形成筋后，可以直接把材料放进最终的固化炉对其进行固化，或者我们可以将其弯曲，然后将其放入固化炉中进行固化。”从连续工艺转变为批处理工艺使该公司能够提供建筑项目经常需要的定制弯曲形状的筋。
创意拉挤公司（Creative Pultrusions）是创意复合材料集团的子公司，在过去两年中使用拉挤复合材料建造了世界上最大的 FRP 净跨人行天桥。152英尺长的箱形桁架结构Techtonics line连接了一条22英里长的路径的两段，该路径建在百慕大废弃的铁路上。
创意拉挤公司设计了复合材料结构，制造了桥梁独特的连接件和部件的样品，然后将它们送到迈阿密大学和西弗吉尼亚大学进行测试。设计完成后，创意拉挤公司的技术人员将桥梁拉挤成不超过39英尺的节段，因为它们必须装入集装箱才能前往百慕大。
在发货之前，该公司在自己的场地组装和测试了这座桥，以确保它满足强度和刚度要求。最初的建造还确保了百慕大的起重机可以将桥梁吊装到位。百慕大桥梁的最终施工于2020年12月进行，进展顺利且迅速完工。
市场营销和产品开发总监 Dustin Troutman 说，使用预制件提供了安全和节省成本的优势，美国州交通部在查看桥梁项目的总成本时应该考虑这一点。“你在桥梁或工作现场的时间越长，发生事故的风险就越高。”
材料升级
AIT 使用其GArch?复合材料桥梁系统在美国建造了30座桥梁。2020年底，该公司引入了一项新技术GBeam? 复合材料桁梁，用于在缅因州建造Grist Mill桥。AIT与缅因大学和州交通部合作开发GBeams，它在底部法兰中加入了碳纤维和玻璃纤维，在顶部加入了玻璃纤维，可以制造到120英尺。
Grist Mill桥的八根75英尺长的复合材料梁是钢梁的替代品。由于GBeams的重量更轻，承包商能够使用更小的起重机将它们吊装到位。此外，承包商将两台GBeam放在一起，并在它们之间的通道中预先安装了必须在桥下运行的所有设施。在岸上完成工作比让工人在河上工作时安装必要的管道和布线要安全得多。
尽管如今 GBeam技术比钢梁更昂贵，但Sweeney预计，随着时间的推移，通过提高工艺和制造效率，GBeam将变得更具成本竞争力。他还指出，与钢铁供应链相比，复合材料供应链的波动性要小得多，前者的成本不断增加，交货时间延长。
另一种可能影响复合材料桥梁行业的材料是用玄武岩制成的筋。“在复合材料家族中，E-CR玻璃纤维因其可用性和低成本而仍然是最常用的纤维类型。然而，人们对玄武岩纤维的兴趣一直在增长，因为它们的物理特性超过了玻璃纤维，而且成本差异很小，”Mafic 工程和业务发展总监 Alvaro Ruiz Emparanza 说。“就性能而言，玄武岩的抗拉强度和弹性模量比E-CR玻纤高，但其性能绝对不如碳纤维。” 他指出，玄武岩纤维可能在预应力复合材料结构中特别有用。
用于混凝土筋的玄武岩纤维比玻璃纤维稍贵，但比碳纤维便宜得多。然而，随着玻璃纤维价格的上涨，玄武岩纤维变得更具竞争力。Emparanza说，玄武岩行业不想与玻璃纤维和碳纤维竞争，而是希望成为复合材料行业可以提供的全部解决方案的一部分。
从电线杆到火车站台，复合材料无处不在
一些复合材料制造商正在寻求在其他类型基础设施中的机会，其中冲击韧性是主要的关注点。“复合材料行业在能够抵御风、雨等天气的结构体方面处于有利地位。”创意复合材料集团复合材料优势部的总裁Scott Reeve说。
在波多黎各、维尔京群岛和佛罗里达州，公用事业公司一直在安装GFRP电话线杆，这些电话线杆仍然屹立在能将木杆吹倒的飓风中。美国西海岸公用事业公司已对设计用于抵御野火的玻璃纤维增强杆表示了兴趣。
许多公用事业公司现在正在用复合材料横担代替电线杆上的木制横担。他们看重复合材料的轻重量、冲击韧性和不导电特性，以及一个FRP横担可以代替两个木制横担的优势。
“我们有几个与电网的关键基础设施相关的项目。FRP增强复合材料防护壁有助于防止变压器因强风、火灾、弹道或爆炸威胁而损坏，但具有电惰性，因此无需接地，”Ohnstad说。
复合材料在保持美国水道开放和通航方面也被证明是有用的。Reeve说，由复合材料制成的防护栏（挡板）安装在桥墩等结构周围的水中，可以承受船只和驳船的损坏。因为它们是非腐蚀性的，复合材料也被更频繁地用于海堤。
“另一个大领域是火车站台从混凝土到玻璃钢的转变，”Reeve补充道。在东北走廊的中转站，用于为火车站台除冰的化学品迅速降解了混凝土。使用 GFRP 站台，除冰化学品有效工作，但不会造成损坏。
施工速度对于此应用尤为重要。站台非常轻巧，创意复合材料集团可以预制站台大块并在夜间火车不像白天那样频繁运行时安装它们。这最大程度地减少了火车延误并减少了对铁路乘客的不便。
推广使用复合材料的障碍
可能会减缓在基础设施工作中采用复合材料的一个问题是政府部门用来评估项目投标的方法。“一般来说，招标过程的重点对象是出价低的投标人。过去，没有考虑过材料更长寿命的好处，而这是复合材料在耐腐蚀性、低维护和长寿命方面表现出色的领域，”Reeve说。
如果基础设施所有者认真对待减少碳排放，“他们将看到，无论何时他们指定钢桥，特别是混凝土桥，与 FRP 桥相比，他们向大气中排放了多少碳。”Troutman 说， “我们已经做了足够多的功课，知道我们的碳足迹和隐含能源将大大低于铝、钢和混凝土。”
为了从基础设施费用中获得最大收益，复合材料行业必须齐心协力，与基础设施所有者、工程师、设计师和其他决策者接触，让他们了解复合材料的可持续性优势。
“我相信复合材料行业的主要参与者并没有认真对待这一点；他们没有像在其他市场那样对这一领域的创新给予足够的关注，”Nanni说。“看看过去30年来航空复合材料的发展情况，然后看看复合材料行业在建筑方面的成就。区别还是非常大的。”
部分问题在于，没有简单的方法来识别和联系建筑业主和基础设施机构中的决策者。与只有几家大公司的航空航天不同，建筑和基础设施设计和施工的关键人员分布在美国所有州以及这些州内的各种业主/机构之中。
一旦与合适的人建立联系，复合材料制造商还需要了解，政府机构做出改变需要时间，但他们今天的努力将随着时间的推移而获得回报。“在很多情况下，我们正在向交通部工程师或铁路机构工程师进行陈述。那不是销售电话，明天不会构成采购订单，那是关于FRP复合材料可以做什么的宣教过程的一部分。”Reeve 说。“他们看着这些材料，想要审查它并确保它是好的。最后可能需要数年时间，他们会说，‘嘿，这是我使用FRP复合材料的正确地方。’”
复合材料行业必须继续向基础设施利益相关者传达其重要信息。“一般来说，复合材料对我们基础设施的可持续性或耐久性有很多作用，”Emparanza说。“可悲的是，我们知道气候变化正在发生，带来更恶劣的天气事件和海平面上升。因此，我们不仅要为现在而行动，还要为未来而行动。”
