复合材料能否在基础设施领域坚持到底？

    “Benghazhi dome”、迪拜（Dubai）机场的先进的屋顶和伦敦Covent Gardend花卉市场的屋顶这样的结构证实了建筑结构中复合材料的耐久性。这些例子可以追溯到20世纪70年代，因此，它们有30年或更多年的服务寿命。竖在英国伯明翰（Birmingham）附近的一座17米高的玻纤增强塑料（GRP）教堂塔尖，在35年后拆除时，人们检测出它仍然处于可用状态。
    以上是一些好消息。        
    坏消息是，许多工程师、建筑商和专家们对建筑结构中使用聚合物复合材料仍不认同，而这种结构有望使用半个世纪或更长时间，就像现有的基础结构一样。他们认为对于复合材料在建筑环境和在与"标准"土木工程材料的结合中是如何老化的知识还很缺乏。        
    一些专家相信，复合材料要在建筑专家间得到足够的认同，成为主流土工程材料，还需要10~20年的的时间。尽管聚合物复合材料正在下列领域作着主要贡献，如现有结构、建筑立面、钢筋混凝土、化学腐蚀环境用管道、近海结构和桥梁的修复翻新。         
    某种谨慎无疑是正当的。建筑商愿意使用经过试验和证实的解决方案，因为他们处于一个具挑战性的高投资、高（金融）风险的环境中。他们意识到，短期来看对超耐久性的要求可能是合理的――超耐久性是增强塑料供应商产品销售资料的一大特色；但中期来看，可靠性有限。因为特殊材料复合的历史纪录还不到（大体上）几十年的时间。但他们说，由于现有的模式和快速老化测试制度的不完善，历史记录仍然是具有决定性的。他们补充说，迄今为止，复合材料应用的许多实例已成为试点或示范项目。建筑不应该归类为“粗糙和现成的”，必须在其多样化的服务环境中允许更大的工艺变化，以使其经受 住航空、船舶和复合材料取得进展的其它行业的考验。       
    建筑商和土木工程师们通常更喜欢水泥/混凝土和钢筋混凝土（钢筋和水泥的复合材料），因为他们完全熟悉这些普通材料，还有它们的缺陷、降解和失效模式。另外，还有一个巨大的现有信息的数据库。当然水泥材料的确有它们自身的缺陷：长期遭受化学侵蚀，例如酸雨，它们会造成降解；混凝土会遭受表面侵蚀而变得难看；钢筋混凝土易于剥落，当含盐或酸性溶液进入钢筋侵蚀它时，破坏随即发――引起膨胀从而在界面处脱离；恶劣环境中尤其如此，例如有海洋的地方或冬季需要洒防冰盐的桥面。        
    当施加压力时，混凝土的拉伸强度较低，这也就解释了许多应用领域对增强塑料的需求。尽管钢材通常被选作增强材料媒介，但由于金属在恶劣环境中有腐蚀倾向，土木工程师们对聚合物复合材料替代品所承诺的耐久性产生了兴趣。相应地，FRP钢筋和钢筋束得到了很好的发展。由于成本的因素，大多增强材料是基于E-玻璃纤维的，虽然是嵌在乙烯基酯或环氧树脂中，而不是聚酯中，后者在通常的碱性混凝土中易于侵蚀。        
    由于进一步的研究和实践，早期的一些对于FRP增强材料的热忱变淡了。复合材料，尤其是GRP材料，的确会降解，这点已得到各方面、各种程度的理解。例如，美国海军已经详细地检测了这些材料，因为它对FRC（Fiber Reinforced Concrete）材料对码头和港口周围的船舶结构的贡献颇感兴趣。六年前在魁北克（Quebec）举办的届“建筑用复合材料耐久性研讨会”（International Conference on the Durability of Composites for Construction）上的代表们，听取了加利福尼亚海事设备工程服务中心（Naval Facilities Engineering Service Centre in California）Javier Malvar博士的报告。报告指出，尽管FRP材料具有良好的抗腐蚀性能且能被赋予可与钢材相比的机械性质，且依然保持长期的耐久性。在他的关于钢筋混凝土中复合材料的耐久性的文章中，Malvar表明，实验情况下，若施以延长的和持续的拉力，玻璃、芳纶和碳的FRP材料分别可以损失70%、50%和20%的短期强度。        
    仅仅三年后，一份关于E-玻璃纤维复合材料缠绕制品应用于环形高速公路支柱的失败案例发生了。该支柱所承受的持续压力大约为材料制造商声明的压力的三分之一，这并不是个别的意外事故。导致终脆性断裂的这种强度损失，在酸性、碱性或湿的环境中会加剧。既然树脂在持续的高压力条件下，很容易形成微小的裂缝，让碱性或酸性的潮气进入，侵蚀和弱化纤维，那么就不应该假设通过母体提供给玻璃的这种保护会长期保持。乙烯基树脂和环氧树脂仍旧会降解，尽管它们比聚酯慢得多。        
    Malvar接着阐述了工作压力允许范围的影响，这在今天仍然正确。例如，设计者们被建议限制允许范围到原有E-玻璃纤维拉伸强度的五分之一小，以保证抵抗实验性的预测到的降解。推荐的允许范围通常较低，玻璃仍直接与混凝土接触，除非使用的是中性pH配方。理所当然，碱性和其它溶液的实验导致机构提出了这样的建议，即E-玻璃钢筋不应该用于增强结构混凝土。例如，加拿大建筑条例禁止GRP柱和GRP钢筋束作为混凝土增强材料（GRC）。        
    尽管采用S-玻璃、芳纶、硼或碳纤维（后者尤其耐侵蚀）可以得到某种改善，但这些纤维比E-玻璃纤维贵几倍多，而树脂/纤维界面可能依然很容易受到侵蚀。
乐观主义的缓和        
    对于设计允许范围的这些限制条例和明显的保守主义，除了有助于确保安全的设计外，也减少了之前的乐观。    [-page-]      
    当然，围绕在复合材料周围的神秘感――撇开成本不谈，它们强度超高、无需保养，是混凝土所有缺陷的现成解决方案――但人们在对理想设计的需求和整个生命周期的大量保养过程中更好的理解了它们的脆弱性。
    来自圣地亚哥加利福尼亚大学的Vistap M. Karbhari教授，告诉参加2004年于英国Surrey大学举办的ACIC（Advanced polymer Composites for structural application in Construction）研讨会的代表们，假如正确地考虑到材料选择的各个方面和服务期的环境条件，复合材料的确可以为建筑领域带来大量好处。他说，复合材料的“无敌”是它们大的神话，特别是面对建筑和基础设施提出的特殊挑战时。       
    恶劣和易变的户外环境是其中的一个方面，而另一个就是应用过程中的不确定性。该应用过程是以增强塑料在建筑结构中作为独特框架为特征的。例如，在航空航天领域，建造条件可以很好地得到控制。建筑商和土木工程师需要可在不同外界条件下可现场制备和加工的材料，而无需实质性的烘箱、高压釜、真空系统或其它设备（普遍使用的一些零件如剖面、建筑板和桥梁的零部件可以在工厂制造）。        
    Karbhari教授接着讨论了明显的知识空白，尤其是关于耐久性的。例如复合材料想完全进入建筑结构的主流，这一空白仍然等待填补。公平地讲，他没有将此说成是今后学术研究的全部主题，在这一领域，他和他的同事们还有一些感兴趣的事情。他指出，大量数据尽管是分散的和无组织的但确实已经存在。他说应该给予这些数据优先权，收集和证实所有这些信息将其变成普遍的、可获取的数据资源。        
    然而，这仍然会为基础研究留下大量空白。Karbhari教授声明，尽管关于复合材料对个别因素反应方式的研究已经很多――例如碱性环境或高温环境――但综合条件下的实验却很少。例如在包含了持续的载荷和强温湿（热、湿或可能的高酸或碱）环境结合的应用中，可以预期到无法预知的协同作用。发言人说，需要开发标准的试验，更加真实地模仿在土木工程中遇到的实际条件，而不是依赖从航空或其它行业改进的试验方法。现实的综合数据可用于被土木工程师们信任和认可的改进模式中。       
    随着不同水平的质量控制的应用，需要更多的数据以实现湿法铺贴技术的可变性。Karbhari教授说，太多的现有数据是关于后固化系统的，然而，大多建筑工业对单一周期中外界条件下固化的应用更感兴趣。       
    即使达到了所有的试验和研究要求，仍然没有办法完全代替长期的试验，而这需要在整个服务期中阶段性或连续性地检测真正的结构。复合材料在这一点上尤其适合，因为在层压材料中，有可能将光纤张力计和其它传感器结合在一起。现在许多建筑和结构是以这种方法来监测的，例如加拿大的ISIS（Intelligent Sensing for Innovative Structures）有助于简化长期的监测。在《增强塑料》（Reinforced Plastics）杂志主办的RP Asia 2005展会期间的研讨会上，英国Cranfield大学传感器和复合材料研究领导人Gerard Fernando博士介绍了监测复合材料固化过程的光纤传感器系统，此过程大大影响着复合材料的长期耐久性。        
    英国Surrey大学复合材料结构教授Len Holloway提出了（在ACIC 2002上）对于更高长期耐久性的需求和七个主要领域的性能参数。先，他指出了美国土木工程师协会（Society of Civil Engineers）的土木工程研究联盟（CERF：Civil Engineering Research Federation）承担过的一个空白分析。这些领域是环境、碱性环境、热效应、蠕变和松弛效应、紫外效应、疲劳性能和着火性能。
    根据Holloway教授所说，设计者们需要引导，以使他们可以为复合材料的特殊性质制定更好的允许范围，包括时间一长它们吸潮的倾向和没有警告平稳期的情况下，它们可以弹性的延伸到疲劳点的方式。设计者还必须解决存在于热膨胀、系数、抗火性能、刚度和强度中的差别（从增强的或半增强的混凝土中）。       
    Holloway教授（与CEFR一起）同意Kabbhari关于基础设施中需要一个针对FRP复合材料耐久性的完整知识系统的说法。
积极的现场经验
    还有，尽管悲观的实验室预言和大多的专家们同意需要更多的知识，正在使用中的建筑结构的很多经验表明，长期耐久性的确是可以被赋予复合材料的一大特性。
    Net Composites公司的Sue Halliwell列举了几个在“Processing of the Institution of Civil Engineers”（2004年1月第1期）中谈到过的例子。她参加了英国行业和工业基金部的一项调查，了解到20世纪60年代后期和70年代早期建造的GRP结构仍然符合各项性能要求。她似乎坚信，材料技术和改进的建筑过程的进一步发展将确保复合材料在建筑领域中的实质性地位。
    尽管户外环境会导致FRP制品的表面降解（例如变黄和基体粉化或微小的裂缝），这一调查结果则显示，结构的完整性很少被破坏。基础的保养程序通常能保持或恢复表面形貌。甚至相当基本的单层表面GRP包覆层――其中一些是聚酯基的――已在位于英国康沃尔（Cornwall）海军基地、Stevenage的一个写字楼、Bucking hamshire的一个高速公路服务站和其它建筑中使用了30多年。1973年，作为普雷斯顿（Preston）一所学校的GRP结构外壳扩建的一个教室，在检查时只发现了表面有缺陷。这些缺陷包括由于除不掉的脏迹引起的GRP板褪色和板子表面的粉化和一些表面裂缝。1974年在伦敦修建的一个大型国际电话交换局Mondial House用白色GRP/聚氨酯夹层结构很好地包覆着，只需清洁和简单的维护。
    包括位于Scott Bader Wollaston的一家商店、南威尔士（South Wales）的一些发送机室和第二座Severn Bridge上的一个多层游客中心在内的组合式建筑都是用粘结的ACCS（Advanced Composite Construction System）修建的，它们全部显示了巨大的耐久性。中东的GRP屋顶，包括20世纪70年代中期在Sharjah国际机场候机大厅修建的一个大型屋顶在内，都保存良好且继续在使用中。
    桥梁是一个有趣的实例。复合材料以全复合材料或部分复合材料/混配物结构形式应用于大型载荷礅距。增强材料的一个主要优势就是它们质轻，这意味着桥梁（与其他土木工程结构一样）比传统的桥梁自身重量更轻，在载荷构件上产生更少的持续压力。位于丹麦Kolding的Fiberline Composites公司建 造一座40米长的桥，其复合材料桥面可以承受5吨的卡车，而其自身重量只有12吨――钢质桥重28吨，混凝土桥重90吨。减轻的持续压力降低了蠕变和复合材料构件终失效的可能性。据技术解决方案经理Lars Petersen说，Fiberline公司相信用作三个桥梁结构的拉挤型材和它的桥塔将有50年的使用寿命。
 Southampton大学工程科学系的Ajit Shenoi教授对《增强塑料》（Reinforced Plastics）说：“就长期耐久性而言，复合材料比人们预期的更高。”
    “当然，时间一长，性质会有所下降。但如果工程师和其它专家的方法得到很好地组织和规范，他们有足够的知识基础可以充分自信地继续下去。”
    “位和第二位的影响现在已经了解得很清楚。除此之外，许多土木工程师和公司拥有很高水平的经验和专业技能。不同的设计条例例如混凝土协会（Concrete Society）条例和欧洲条例（Eurocodes）已经出台，能够现实地考虑材料限制来进行设计了。显然，不确定性和冒险仍然存在，但欧洲、日本、北美和其它地区正在投入研究经费，这种担忧应该会慢慢减少。”
    他总结说：“我们知道这些材料的保养并非免费的，有计划的保养很重要。我认为，我们应该从失败中学习――失败正逐渐变少，而不应该被它们拖延。”