复合材料应用市场：基础设施和建筑（2024）

建筑和基础设施涵盖了许多用途，从建筑、道路和桥梁，到废水处理和电线杆等公用基础设施。从历史上看，在许多此类用途中，各公司采用复合材料的速度比起采用更便宜、更熟悉的传统材料如木材、混凝土或金属来说相对较慢。

然而，近年来，复合材料的轻重量、耐腐蚀性以及设计灵活性和高力学性能等优点使其成为越来越多用途中的材料选择。在新的建筑和基础设施相关用途中，宣教和引入专门针对复合材料的建筑规范和标准也将继续使其得以采用。

值得注意的是，2021年，美国实施了《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、安装电动汽车充电器等项目提供超过1850亿美元的资金。在2023年11月该法案的2周年纪念日上，白宫宣布，美国各地正在进行4万多个项目，包括7800多个桥梁修复项目、1200多个饮用水和废水项目等。

与混凝土、木材或金属等传统建筑材料相比，很多复合材料和工艺具有废料更少、施工更快等优点。

富有创意的建筑物外部和内部。根据具体的材料和工艺，复合材料通常可用来塑造比传统材料复杂得多的的形状。

一个例子是位于阿拉伯联合酋长国迪拜的未来博物馆的外部和内部，这是有史以来最复杂的建筑之一，于2022年2月开放。位于三层裙楼顶部的圆环形外壳内有七层楼，共78米高。圆环体的外立面包括1024块阻燃复合材料板。复合材料板由不锈钢覆面，每块板都是一个独特的3D形状，并內塑了阿拉伯书法。该建筑的内部大厅也采用了复合材料。内部由总部位于迪拜的先进玻璃纤维工业公司（AFI）建造，包括嵌入书法的天花板、墙壁和三个螺旋形楼梯的覆面层，所有这些耗用了7700平方米的复合材料。

2023年8月，美国《复合材料世界》媒体报道了荷兰正在建设的阿姆斯特丹脉动大厦，该大厦有一个14000平方米的外墙，由1100个单独的复合材料构件组成，每个构件的尺寸为3.6×3.8米。该项目使用Duplicor生物基复合材料进行设计和施工。

建设中的阿姆斯特丹脉动大厦（来源：Solico）

在研究方面，在2023年“JEC世界” 展会上展出了德国斯图加特大学的一款名为“用于外立面遮阳的自适应FRP构件”的示范件。自适应纤维增强聚合物（FRP）结构由机器人铺设碳纤维和玻璃纤维增强聚酰胺带制成。这项研究工作为复合材料和仿生设计如何结合起来构建自适应建筑结构提供了概念证明。

生物材料和3D打印。包括上述的脉动大厦外墙例子在内，使用生物基树脂和/或纤维致使建筑材料更具可持续性的情况也在增加，特别是在研究和原型项目中。

近年来，缓解住房短缺的努力，特别是在美国，已经导致各公司开发出更快、更模块化的住房选择。复合材料——特别是3D打印复合材料——在其中的几项工作中发挥了作用。

轻重量、耐腐蚀、高拉伸强度和耐久性等优点使复合材料在民用基础设施用途中具有广阔的潜力。

加强混凝土：FRP筋。几十年来，玻璃钢筋作为道路、桥梁和其他结构中钢筋的替代品已经是一种可用的选择。其优点包括耐腐蚀性、更长的产品寿命和轻重量，这可以使运输和安装更容易。

更广泛地采用玻璃钢的一个挑战是，它不是钢的直接替代品，因此需要进行设计更改，以适应力学性能的差异，如更高的拉伸强度但更低的拉伸模量、不同的热膨胀系数以及玻璃钢筋在工地上比钢更不容易焊接和弯曲的事实。

近来，已经开始发布新的标准，以帮助促进玻璃钢在这些用途中的使用。2022年12月，美国混凝土协会（ACI）发布了第一个综合的建筑规范，涵盖了非金属的玻璃钢筋在结构混凝土中的使用。

2023年，美国材料试验学会 (ASTM) 复合材料委员会D30发布了最新一代FRP筋的新标准规范D8505，包括玻璃钢筋和玄武岩纤维增强筋。

另一种用来加固混凝土的复合材料产品是C-GRID，这是一种碳纤维增强环氧树脂网格，用以减轻重量、降低施工成本和延长预制混凝土板的寿命。C-GRID由Chomarat公司制造，已用于加固数据中心的绝热混凝土墙板。

玻璃钢桥梁、挡土墙、沟盖等。加筋混凝土最常用于最大的建筑用途，道路和大型车辆桥梁，但复合材料可以直接用来制造各种其他较小的民用基础设施构件，如桥梁大梁和桥面板、整个预制人行桥、沟盖、挡土墙；铁路站台，等等。

公用事业基础设施：电线杆、废水处理等

公用事业基础设施，包括电线杆和电缆、管道和手机塔台，过去严重依赖木材或金属等更传统、成本更低的材料，但复合材料具有耐用性、更长寿命和耐腐蚀性等优点，越来越多地被用作各种用途中的替代品。

玻璃钢电线杆和传输电缆。随着老化的木制和金属电线杆的更换，纤维缠绕或拉挤成型的玻璃纤维复合材料电线杆提供了一种耐用、耐腐蚀的替代品，据报其使用寿命可达75年。

目前许多电线杆的另一个好处是可通过使用耐火树脂、树脂添加剂、薄毡或其他解决方案来提高耐火性。

2022年，美国创意复合材料集团（Creative Composites Group，简称CCG）推出了其拉挤的StormStrong电线杆，这些电线杆的设计目的是在发生飓风、暴风雪和深度冰冻等极端天气时增加顺应性。2023年，CCG宣布，这些电线杆已从第三方生命周期验证系统BRE Global获得了全程环保产品声明。最近，CCG还提供了FireStrong电线杆，根据UL94标准分类为自熄性，等级为V0。这些电线杆包括一个自监测系统，在火灾发生后，检查员可以知道电线杆的强度是否因高温而减弱，是否需要更换。

StormStrong复合材料电线杆（来源：CCG)

公用塔架和保护结构。除了电线杆，复合材料还可用于其他公用事业基础设施，例如雷达罩、手机塔台等，以及沟盖、窨井盖或附属建筑等保护结构。

耐腐蚀管道和水净化。复合材料还可以提供耐腐蚀、耐用和持久的地下管道解决方案，在翻新老化的地下饮用水基础设施方面发挥重要作用。

除了在新的基础设施建设中采用复合材料外，用复合材料修复或加固现有结构的兴趣和应用也在增加。

尤其是因重载、极端天气条件或盐水等腐蚀性环境而产生应力的桥梁，在修复过程中越来越多地使用复合材料进行重建或加固。

在美国，CCG的模塑FRP板已被用来取代桥梁上老化的人行道。据说预制复合材料板比传统的钢筋混凝土板轻80%，并且耐腐蚀。

在研究方面，美国堪萨斯大学工程学院和联邦机构合作伙伴正在研究FRP、传感器、人工智能和无人机的组合，以加固美国各地的大坝和堤坝。该项目为期五年，耗资770万美元，重点是评估和检测损坏，特别是结构接缝，以及FRP材料最适合修复的地方。

此外，许多公司现在为基础设施提供一系列模块化或定制的FRP维修解决方案。美国QuakeWrap公司是一家30多年来一直提供各种玻璃纤维和碳纤维增强塑料产品的公司，其产品用来修复或加固各种桩柱、管道、墙体或其他结构。

例如，QuakeWrap公司生产的直径为16英尺的FRP管（名为StifPipe），最近被安装在美国密歇根州底特律的下水道系统中，用来重新加衬和加固老化的管道。StifPipe由12层材料制成，包括碳纤维、玻璃纤维和专有芯材。之所以选择它作为解决方案，是因为它是预制的，尽管尺寸很大，但重量很轻，可以快速安装，这意味着废水系统不需要长时间关闭。

直径为16英尺的StifPipe管道（来源：QuakeWrap公司）

（摘译自美国《复合材料世界》网站）