以创新思路修复基础设施

世界各地的许多基础设施亟需关注。以美国为例，根据美国土木工程师协会（AmericanSocietyofCivilEngineers）的数据，到2025年，美国需要花费4.5万亿美元来修复该国的道路、桥梁、大坝和其他关键结构。

完成这项工作的途径之一，是找到一种当前基础结构构建方法的替代之法。全球复合材料行业正在探索几种技术，可以为这些迫切的需求提供更具成本效益和更持久的解决方案。

例如，获得今年JEC“建筑、基础设施与民用工程”类别大奖的CLRESTRAP抗剪加固解决方案。该方案是由瑞士CARBO-LINKAG公司开发的一种独特的CFRP解决方案，用于混凝土梁的预张剪力加固。其通过薄固化的CFRP预浸带连续缠绕在环中形成柔性碳带。这一高度定制的解决方案，采用非侵入式安装，适合多样化的基础设施使用。可在任何基础设施中永久加固任何尺寸的混凝土大梁。该方案高效、无需粘接，简化物流，快速安装；可加固各种结构且不影响性能；材料特性远远超过其他选择，降低了成本。

毫无交通压力的桥梁维修

在世界许多地方，桥梁故障都是一个难题。根据美国道路和运输建筑商协会的数据，仅在美国，就有超过231,000座桥梁需要维修或更换。但是为了维修而封闭桥梁的做法，常常会带来严重的交通堵塞。

总部位于荷兰的FiberCoreEurope与KWS（荷兰基础设施建设公司和国际建筑公司VolkerWessels的子公司）合作，开发了一种临时桥梁结构，可以缓解因维修桥梁而带来的交通拥堵。这种临时跨桥由轻质玻璃钢（FRP）制成，可以放置在现有桥梁之上。这种解决方案，使得车辆在桥梁维修时仍能沿着原常规路线行驶，同时为承包商提供足够的下方空间，以修复路面或桥梁与桥台之间的过渡路段。

该结构被称为HUGO，在荷兰语中是HUlpbrugbijGrootOnderhoud的意思，即“维修道路工程的临时桥梁”。在HUGO经过广泛的测试之后，KWS正在与荷兰有关部门合作，确定了五个将使用这种临时结构修复的桥梁项目。

HUGO采用InfraCore®专利制造技术，专为重型、承重结构而设计。FiberCoreEurope是InfraCore公司的土木工程和建筑部门，该公司正在开发、销售和授权这项技术。

InfraCore公司表示，这种技术通过在多层层压板中形成玻璃或碳纤维的连续结构连接，从而克服了典型FRP桥的开裂和分层问题。织物层彼此部分重叠，并且在层压板的整个厚度上以微小角度相互连接。

FiberCore使用InfraCore这一技术建造预制的永久性桥梁已有10年之久。该公司还开发了SUREbridge（现有桥梁的可持续翻新），通过在现有表面上安装InfraCore玻璃钢面板来延长其使用寿命并加强现有混凝土桥梁的结构。

295英尺的HUGO原型包含29英尺的中跨，由碳纤维增强塑料（CFRP）制成，因此厚度仅为1.2英尺。每一侧的进场坡道由两个59英尺高的玻璃钢（GFRP）桥面和一个15英尺高的金属坡道组成。FiberCore的设计经理MartinVeltkamp说：“保持这种构件的细长有利于限制引道坡道的长度，节省成本和减轻重量。”在跨度下方提供了6.5英尺的间隙，以供工人在永久性桥梁上进行维修。

FiberCore在鹿特丹的工厂使用一次性注射成型系统制造HUGO桥面，碳纤维增强塑料桥面采用乙烯基酯树脂，玻璃钢桥面采用聚酯树脂。整个注射过程大约需要90分钟，工人们可以在第二天完成桥段的脱模。

采用这种快速的生产方法，FiberCore平均每周可生产5座轻型交通桥梁。InfraCore创始人兼首席执行官西蒙·德·钟（SimondeJong）说：“这实际上更像是一个工业过程，而不是一个建筑过程。”

得益于工厂的这种预制生产，HUGO桥板可以在安装了砂砾路面、栏杆甚至涂有油漆的交通线的情况下送达项目现场。deJong说：“我们已经将工厂的工生能力和现场的工作都推向了极限，并逐渐增加工作量，因此现场安装的时间很短。”

对于承包商而言，HUGO的安装得到了简化，因为这些组件被打包为一个完整的系统，包括用于支撑桥梁的轻质钢塔。65英尺长的桥段仅重9磅，因此建筑商只需要轻型设备即可将构件和钢塔吊起并移动到位。

桥梁施工完成后，临时桥梁被拆除，送到下一个桥梁维修地点进行安装。对于拥有众多桥梁维护项目的交通部门而言，使用HUGO是既经济又可持续的选择。

Veltkamp说：这座桥梁将成为KWS在整个荷兰的各种基础设施项目中重复使用的理想工具。我们是世界上第一个这样做的国家，这将在国际上产生巨大的影响。”

桥梁并不是InfraCore公司唯一的兴趣所在。该公司目前正在向造船厂和航空航天公司推销其复合材料技术，并希望进一步扩展到其他领域。当然公司也希望将其技术拓展到其他国家。据公司称，其已经与总部位于美国俄勒冈州的OrencoComposites在3月份签署了一项协议，授权InfraCore技术的应用。

强度更高，重量更轻

钢筋混凝土是全世界建筑业的支柱，但有朝一日它会被碳纤维增强的混凝土所取代。在德国，碳混凝土复合项目，即C3项目，正在通过CUBE的建造来探索这种增强建筑材料的可能性。CUBE是一个2,368平方英尺的结构，几乎全部用碳纤维增强混凝土制成。

C3项目由德国联邦教育和研究部资助，是一个由160名科学和工业伙伴组成的联盟，自2014年以来，他们一直在合作开发碳纤维增强混凝土的材料和技术。杜德累斯顿大学（TUDresden）是一所公立研究型大学，也是C3项目的合作伙伴，目前正领导着CUBE的设计和建造。

CUBE建在德累斯顿大学的FritzFörster-Plat广场上，将是一栋实验性建筑，研究人员可以从建筑、结构和建筑物理的角度研究碳纤维增强混凝土的适用性。这座建筑的两个碳纤维加固部分包括房屋在内，这是一个两层的模块化建筑，以及扭曲的外壳，具有两个完全相同的，相互180度弯曲的结构。一个由钢和玻璃制成的立面将连接扭转和房屋。

预制混凝土房屋正在自动化混凝土工厂生产，应该在初秋前准备就绪。扭转将在建筑现场生产，采用湿喷混凝土施工方法。

德累斯顿工业大学混凝土结构研究所所长曼弗雷德·库尔巴赫（ManfredCurbach）说：“扭曲设计既起到支撑作用，又可以防风遮雨。”仅1.5英寸厚的外壳结构设计为尽可能使用少的混凝土。它们由双层碳增强材料制成，并在其顶部具有薄混凝土网。

挤塑聚苯乙烯（XPS）泡沫块集成在这些纵向和横向分布的层网之间。预制的XPS砌块提供了隔热效果并减轻了重量。另外一层4厘米的碳纤维混凝土被放置在这一层之上，并密封了整个表面。这种结构形成了扭曲构件的整个支撑外观。

然后是全表面聚氨酯泡沫绝缘材料，也是密封的。最后一层是1.2至1.5英寸的白色混凝土外壳，无接缝安装。支撑壳体和防风雨外壳之间用玻璃纤维钢筋连接。

目前的计划是在2021年2月底之前将房屋和两个扭转外壳安装好。随后将进行钢和玻璃幕墙的施工和建筑设施的安装，预计竣工日期为2021年6月。

C3项目小组希望有关CUBE的宣传将有助于引起人们对碳纤维增强混凝土作为建筑材料的诸多优势的关注。碳钢筋混凝土是可持续的，环保、节省材料和减轻重量。这为建筑设计提供了更广泛的多样性。碳比钢轻4倍，耐久性高达6倍。它可以回收利用，而且其材料循环是封闭的。在封闭的材料循环中，消费后或生产后的废物可以立即回收到生产循环中。

希望有一天碳纤维增强混凝土将取代钢筋混凝土结构，如桥梁和外墙。它也可以用作加固完整的钢筋混凝土结构（包括筒仓、桥梁和建筑物）的补充材料。

虽然碳纤维增强混凝土的初始成本令人担忧：1公斤碳纤维的成本为16欧元，而1公斤钢材的成本为1欧元。但是这个计算方法没有考虑到碳比钢的许多其他优点。

“碳比钢轻四倍，耐用六倍。”Curbach说，“例如，在翻新筒仓或建筑天花板时，碳的轻质性意味着钢筋的铺设速度可以快得多。因为它的耐腐蚀性，我们在这里需要的材料要少得多，也节省了成本。”此外，碳纤维增强混凝土的预计耐久性为200年，而钢骨混凝土结构的耐久性为40至80年。使用适合大规模生产的应用也可以降低成本。

C3项目小组目前正在使用来自PAN的碳纤维，但是一些研究人员正在探索从木质素、空气中的二氧化碳和海藻油中生产碳纤维的方法。当木质素碳纤维确实可用时，它们应该比PAN碳纤维便宜50%左右，这使得碳纤维增强混凝土成为更具吸引力的选择。

碳纤维混凝土重量轻，便于承包商搬运。它更容易运输，而且需要更少的人来完成这项工作，因此建设者将能够比钢骨混凝土减少50%的安装时间。不过，当应用程序需要薄层和组件时，生产确实必须更加精确。

在明年夏天CUBE完工以后，C3项目及其连锁反应将带动市场广泛引入不同的碳纤维混凝土应用。“到2025年，一个显著的市场影响和所谓的不可逆转的过程应该会启动，这样才能在2030年实现市场渗透。”Curbach表示。

提升隧道系统的强度

在美国明尼阿波利斯州35W和94号州际公路下，一种碳纤维管道加固现场应用的新技术恢复了暴雨冲击后隧道系统的结构完整性。

这些隧道穿过50至130英尺深的砂岩土，经常在暴雨期间被淹没。水的体积如此之大，以至于它会向上推过隧道的通道竖井，产生足够的力量吹走竖井盖。隧道洪水时的压力循环和洪水退去时的降压循环造成了隧道预浇筑混凝土管的内衬漏水。

考虑到对隧道结构的影响，明尼苏达交通部启动了一个修复隧道的项目。总承包商是PCiRoads，工程公司是Brierley。对于大多数隧道区段，工人们会在隧道上戳洞，注入一种化学浆液，这种浆液会寻找水并且膨胀，从而在管道外部形成一个防潮屏障，阻止泄漏。

然而，在隧道的一个20英尺长的部分，管道衬里已经腐蚀，工程师们担心它将无法承受内部水的压力和外部土壤的压力。QuakeWrap是一家专门生产用于基础设施维修和更新玻璃钢产品的公司，其建筑部门FRPconstruction提供了解决方案。“我们的目标是将这段隧道的强度提高到隧道其余部分的强度。”QuakeWrap总裁MoEhsani说。

StifPipe®是QuakeWrap的产品之一，由轻质3D核心织物与层碳或玻璃纤维增强。当缠绕在芯轴上时，这种材料可以用来制造独立的管道衬垫，这种衬垫可以承受在明尼苏达隧道中发现的内部和外部压力。但是StifPipe不适合这个应用程序，要让直径12英尺的内衬管道通过3到5英尺宽的通孔是不可能的。

不能在现场用CFRP织物衬里管道的内部。虽然3~4层碳纤维布应该可以承受内部压力，但它们不能为砂岩土的外部荷载和上面的公路交通提供足够的加固。Ehsani估计，需要20到25层碳纤维织物才能达到所需的强度，这既费时又昂贵。

因此，FRPConstruction施工团队使用了一种最新开发的StifPipe技术，其中主管道本身作为创建管插入的模具。由于StifPipe的核心重量很轻，所以团队只用了8层材料就获得了所需的强度。

这种方法还提供了一种完全适合现有隧道管的新衬管。“有时管道可能不是真正的圆柱形，因为多年来它们变得更加椭圆形了。使用这种方法，您不必担心提前进行测量，因为您只需将其应用于管道表面即可。”Ehsani说。

在PCiRoads干燥隧道区域后，FRPConstruction将所需的复合织物卷和树脂桶通过检修井，共运输了3250英尺到修复区域。然后他们把这个区域封闭起来，以获得所需的湿度和温度。在涂上底漆后，工作人员安装好包括玻璃纤维和碳纤维在内的StifPipe系统，以及3D内核，然后是一层耐化学腐蚀的类似油漆的面漆。完工后，结构衬垫的厚度为1.47英寸。

整个20英尺长的隧道在3周内就完成了，在很长一段时间内都不需要进行额外的维修。“不像会腐蚀的钢管或混凝土管，这些材料几乎是惰性的，所以它们永远不会腐蚀。”Ehsani说，“我们有充分的理由相信，这种情况会持续70至80年。”

Ehsani认为，在现场使用StifPipe应用程序可能是交通部和市政工程师们都欢迎的一个解决方案。“就成本效益而言，与其他可用技术相比，这是一个更具竞争力的解决方案。没有什么是万能的，但对于设计这些特殊具有挑战性项目的工程师来说，这绝对是他们工具箱中的有用的一个。”