用于未来基础设施的复合钢筋

在世界范围内，混凝土结构正遭受前所未有的攻击。不仅道路、桥梁和立交桥的交通量增加，气候变化也增加了极端天气事件，包括导致山洪暴发和其他破坏性事件的猛烈风暴和暴雨。在这样的压力下，混凝土会开裂。由于暴露于对钢筋具有腐蚀性的盐水等元素，这会导致其在侵蚀性环境中迅速恶化。

“裂缝为侵蚀性环境的代理创造了到达钢筋和/或预应力钢并开始腐蚀氧化过程的路径，”佛罗里达州交通部（美国佛罗里达州塔拉哈西 FDOT）结构创新网站解释说。 “解决这一主要问题的创新方法是用纤维增强聚合物 (FRP) 取代传统的钢筋和钢绞线增强材料。” FDOT 一直是 FRP 钢筋使用和测试以及设计和使用标准制定方面的领导者，例如美国混凝土协会（ACI，法明顿希尔斯，美国密歇根州）发布的标准。虽然复合钢筋主要由玻璃纤维（GFRP或GRP）制成，但也有使用玄武岩（BFRP）或碳纤维（CFRP）制成的产品。

GFRP 钢筋制造商 Mateenbar（阿联酋迪拜和美国北卡罗来纳州康科德）的首席执行官 Nick Crofts 表示：“由于全球腐蚀的历史悠久且代价高昂，钢铁不再被视为在恶劣环境中具有成本效益的选择。”世界上最大的 GFRP 钢筋项目的供应商。该项目是位于沙特阿拉伯吉赞的23公里长、80米宽的防洪通道。 Crofts 说，尽管 GFRP 钢筋已经存在了 30-40 年，但像吉赞泄洪道这样的关键项目现在正将其推向主流基础设施。这种增长已经证明了 Mateenbar 在沙特阿拉伯和美国的新工厂的合理性

开创性的 GFRP 钢筋技术

Mateenbar GFRP 钢筋由拉挤成型技术和产品创新领域的先驱和专家 Pultron Composites（新西兰吉斯伯恩）开发。 Mateenbar 解决了螺纹钢市场的独特挑战，该市场不仅需要大批量和低价格，而且 还要求项目建筑师和/或工程师指定产品。因此，Mateenbar 于 2008 年在阿拉伯联合酋长国迪拜建立了靠近潜在客户和项目工程公司的工厂，该地区以大型基础设施项目和在建筑中率先使用复合材料而闻名。 Pultron 仍然是 Mateenbar 的战略合作伙伴，也是定制技术和产品开发的主要供应商。

制作步骤

Mattenbar 的工厂使用 Pultron 的先进技术以高产量生产非常一致的拉挤钢筋，而不会排放挥发性有机化合物 (VOC)。 “我们注入树脂并在内部固化 工程钢拉挤模具，”Crofts 说。

“这种钢筋是一种尺寸性能优于 ±1% 的工程产品，”他补充道。 “没有理由看到地板上有树脂或空气中有灰尘。所使用的纤维是来自欧文斯科宁（美国俄亥俄州托莱多）的耐腐蚀 ECR 玻璃，树脂是我们自己的环氧主链乙烯基酯变体。它最大限度地提高了韧性、强度和耐用性，远远优于带有环氧树脂终端的聚酯骨架。”

然后将拉挤成型的圆棒加工成螺旋形轮廓，使混凝土内部能够承载承载力。 “这也是一个封闭的操作，”Crofts 指出，“使用配备唐纳森（美国明尼苏达州布卢明顿）空气过滤系统的加工间。然后我们在外面涂上一层树脂薄膜以改善处理。” Mateenbar 生产的钢筋最长可达 80 英尺，可根据需要切割成所需长度。 “对于大多数基础设施和建筑项目，通常会看到 40 英尺长，”克罗夫茨说。

“我们的直钢筋平均直径为 0.75 英寸，拉伸模量为 8,700 ksi (60 GPa)，由 11,600-ksi (80-GPa) 玻璃纤维制成；因此，纤维含量非常高——超过 80%（重量）。这是无法弯曲的，因此我们弯曲的 GFRP 钢筋采用不同的工艺和树脂，采用专有技术制成。”

世界上最大的 GFRP 钢筋项目

吉赞（也拼写为吉赞）是吉赞地区的首府，该地区位于沙特阿拉伯的西南角，与也门接壤的北部。由于附近山区的径流，在周期性的大雨期间会发生灾难性的山洪暴发。建造 23 公里长的钢筋混凝土雨水排放通道是为了保护一个大型工业区，其中包括沙特阿美（沙特阿拉伯达兰）的炼油厂。

在 COVID-19 大流行之前，就收入而言，沙特阿美是世界上最大的公司。它处理王国的所有石油和衍生产品业务，还占沙特阿拉伯所有建筑的 10%。 “沙特阿美意识到其年度预算的很大一部分用于更换混凝土结构，”克罗夫茨说。 “该地区沙子的高盐度和昼夜温差大，导致混凝土开裂速度加快。沙特阿美开始寻找替代技术，作为 ACI 的成员，他们从制定的 FRP 钢筋标准中采取了策略，进一步将其调整和完善为沙特阿美标准。该公司随后强制要求在某些高腐蚀环境中使用 GFRP 钢筋。”

沙特阿美对吉赞防洪渠项目进行招标，然后选择了三个 GFRP 螺纹钢供应商。 Mateenbar 获得了合同的 50%。 “我们等了几个月，项目才准备就绪，”克罗夫茨回忆道，“然后，突然间，所有材料都被立即需要了。迪拜工厂在一周内就完全停产，并在七个月内生产了近 6,000 公里的 GFRP 钢筋。”

交付后，钢筋由项目承包商 Al Yamama Group（沙特阿拉伯达曼）安装。 “我们认为我们需要在安装过程中提供很多帮助，但这不是必需的，”Crofts 说。 “他们发现安装速度比钢筋快得多。” GRFP 钢筋的重量是钢筋的 25%，能够以更少的人员处理更长的长度，并且更容易移动和定位。 “还需要更少的定位管道，”他补充道。 “这些圆形管段用于在混凝土内的正确高度位置支撑钢筋。”

钢筋放置后，用不锈钢丝绑在一起并检查后，就可以在上面浇筑混凝土了。 Crofts 指出，钢筋安装团队移动得如此之快，他们实际上在 40 到 80 米宽的通道下方一公里，然后才意识到混凝土浇筑操作跟不上。 “所以，他们停下来让混凝土跟上，”他补充道。 “这很重要，因为如果下大雨，洪水会用沙子填满通道。这种情况发生过几次，造成了延误，但也凸显了这条排水渠道的重要性。”

在钢筋顶部浇筑混凝土后，安装团队对其进行夯实和压缩以去除气泡，然后在接下来的几天和几周内固化。 “对于这些步骤，GFRP 和钢筋没有区别，”Crofts 说。 “我们在2020年1月完成了螺纹钢供应，通道刚刚完成。”

设计、成本和 GFRP 的未来

Crofts 指出，GFRP 钢筋不能直接替代钢材。 “GFRP 钢筋与钢筋具有不同的特性。在设计中必须考虑到这些差异。因此，虽然钢筋混凝土通常按照 ACI 318 设计，但这不适用于 GFRP 钢筋，它依赖于 ACI 440 设计指南。例如，GFRP 钢筋的抗拉强度高于钢，但抗拉模量较低。它对于故障点也是有弹性的。” Crofts 指出，在钢结构设计中，钢筋的数量通常由抗拉强度决定。然而，对于 GFRP，模量通常是决定所需钢筋数量的因素。满足这一要求通常会导致结构超过极限强度要求。它还确保了GFRP钢筋加固结构中理想的失效模式。

另一个考虑因素是弯曲和形状的生产。 Crofts 指出，项目中弯曲钢筋与直钢筋的比例平均约为 30%。对于钢筋，这种制造通常在现场完成。 “Mateenbar 弯杆在我们的受控环境工厂生产，无需中间制造步骤即可直接运送到现场，”他解释说。 “从供应的角度来看，这可能是一个挑战，因为每周的需求都在变化。我们发现灵活性和在同一地区拥有工厂非常重要。”

“如果按每磅美元计算，GFRP 钢筋的成本是钢材的 3-4 倍，”克罗夫茨说，“因为我们的产品密度是钢材的四分之一。适当的衡量标准是每英尺美元，因为钢筋实际上是作为混凝土体积的一小部分指定和购买的。当您按体积衡量成本时，GFRP 钢筋与钢材相比具有成本竞争力。”

“吉赞是第一个不允许使用钢铁的大型项目，”克罗夫茨说。 “他们有一个团队来设计使用寿命超过 100 年的所需结构。随着需求的增长，几家 GFRP 螺纹钢生产商现在正寻求在沙特阿拉伯设厂。” Mateenbar 还在那里建造了一家新工厂，并在美国北卡罗来纳州康科德建造了一家，以服务北美，这是仅次于中东的第二大市场。两个新工厂都是现代化的，占地 100,000 平方米，采用 Pultron 的先进拉挤技术。两者的设备均于 2020 年 10 月交付，预计将于 2021 年初开始生产。

随着中东对 GFRP 螺纹钢的需求增加，北美市场继续成熟。 “目前，北美最大的 GFRP 钢筋应用是沿海的海堤和桥梁，或者道路盐渍严重的地方，”克罗夫特说。 “但是，DOT 和资产所有者现在正在寻求在结构的整个生命周期内降低成本 [CW 同意，请参阅“复合材料在基础设施中的日益增长的作用”]，其中包括减少对维护和建设既持久又可持续的基础设施的需求。咨询工程师和最终用户看到了 GFRP 钢筋技术的价值，GFRP 钢筋生产商正在就质量和性能标准进行合作。还有一些领先的用户，例如 FDOT，他们正在推广该技术并协助其他 DOT，这有助于传播知识。”

Crofts 指出，FDOT 最近举办了一场关于 GFRP 钢筋混凝土设计的网络研讨会，有 200 名与会者。在另一场网络研讨会上，与 FDOT 合作的迈阿密大学（美国佛罗里达州迈阿密）的主要研究人员之一 Antonio Nanni 博士表示，“FRP 钢筋已准备好迎接黄金时段。”克罗夫茨说，这已经得到证实。 “现在的工作是让更多的公司指定它并让承包商使用它。”