復合材料能否在基礎設施領域堅持到底？

    “Benghazhi dome”、迪拜（Dubai）機場的先進的屋頂和倫敦Covent Gardend花卉市場的屋頂這樣的結構證實了建筑結構中復合材料的耐久性。這些例子可以追溯到20世紀70年代，因此，它們有30年或更多年的服務壽命。豎在英國伯明翰（Birmingham）附近的一座17米高的玻纖增強塑料（GRP）教堂塔尖，在35年后拆除時，人們檢測出它仍然處于可用狀態。
    以上是一些好消息。        
    壞消息是，許多工程師、建筑商和專家們對建筑結構中使用聚合物復合材料仍不認同，而這種結構有望使用半個世紀或更長時間，就像現有的基礎結構一樣。他們認為對于復合材料在建筑環境和在與"標準"土木工程材料的結合中是如何老化的知識還很缺乏。        
    一些專家相信，復合材料要在建筑專家間得到足夠的認同，成為主流土工程材料，還需要10~20年的的時間。盡管聚合物復合材料正在下列領域作著主要貢獻，如現有結構、建筑立面、鋼筋混凝土、化學腐蝕環境用管道、近海結構和橋梁的修復翻新。         
    某種謹慎無疑是正當的。建筑商愿意使用經過試驗和證實的解決方案，因為他們處于一個具挑戰性的高投資、高（金融）風險的環境中。他們意識到，短期來看對超耐久性的要求可能是合理的――超耐久性是增強塑料供應商產品銷售資料的一大特色；但中期來看，可靠性有限。因為特殊材料復合的歷史紀錄還不到（大體上）幾十年的時間。但他們說，由于現有的模式和快速老化測試制度的不完善，歷史記錄仍然是具有決定性的。他們補充說，迄今為止，復合材料應用的許多實例已成為試點或示范項目。建筑不應該歸類為“粗糙和現成的”，必須在其多樣化的服務環境中允許更大的工藝變化，以使其經受 住航空、船舶和復合材料取得進展的其它行業的考驗。       
    建筑商和土木工程師們通常更喜歡水泥/混凝土和鋼筋混凝土（鋼筋和水泥的復合材料），因為他們完全熟悉這些普通材料，還有它們的缺陷、降解和失效模式。另外，還有一個巨大的現有信息的數據庫。當然水泥材料的確有它們自身的缺陷：長期遭受化學侵蝕，例如酸雨，它們會造成降解；混凝土會遭受表面侵蝕而變得難看；鋼筋混凝土易于剝落，當含鹽或酸性溶液進入鋼筋侵蝕它時，破壞隨即發――引起膨脹從而在界面處脫離；惡劣環境中尤其如此，例如有海洋的地方或冬季需要灑防冰鹽的橋面。        
    當施加壓力時，混凝土的拉伸強度較低，這也就解釋了許多應用領域對增強塑料的需求。盡管鋼材通常被選作增強材料媒介，但由于金屬在惡劣環境中有腐蝕傾向，土木工程師們對聚合物復合材料替代品所承諾的耐久性產生了興趣。相應地，FRP鋼筋和鋼筋束得到了很好的發展。由于成本的因素，大多增強材料是基于E-玻璃纖維的，雖然是嵌在乙烯基酯或環氧樹脂中，而不是聚酯中，后者在通常的堿性混凝土中易于侵蝕。        
    由于進一步的研究和實踐，早期的一些對于FRP增強材料的熱忱變淡了。復合材料，尤其是GRP材料，的確會降解，這點已得到各方面、各種程度的理解。例如，美國海軍已經詳細地檢測了這些材料，因為它對FRC（Fiber Reinforced Concrete）材料對碼頭和港口周圍的船舶結構的貢獻頗感興趣。六年前在魁北克（Quebec）舉辦的屆“建筑用復合材料耐久性研討會”（International Conference on the Durability of Composites for Construction）上的代表們，聽取了加利福尼亞海事設備工程服務中心（Naval Facilities Engineering Service Centre in California）Javier Malvar博士的報告。報告指出，盡管FRP材料具有良好的抗腐蝕性能且能被賦予可與鋼材相比的機械性質，且依然保持長期的耐久性。在他的關于鋼筋混凝土中復合材料的耐久性的文章中，Malvar表明，實驗情況下，若施以延長的和持續的拉力，玻璃、芳綸和碳的FRP材料分別可以損失70%、50%和20%的短期強度。        
    僅僅三年后，一份關于E-玻璃纖維復合材料纏繞制品應用于環形高速公路支柱的失敗案例發生了。該支柱所承受的持續壓力大約為材料制造商聲明的壓力的三分之一，這并不是個別的意外事故。導致終脆性斷裂的這種強度損失，在酸性、堿性或濕的環境中會加劇。既然樹脂在持續的高壓力條件下，很容易形成微小的裂縫，讓堿性或酸性的潮氣進入，侵蝕和弱化纖維，那么就不應該假設通過母體提供給玻璃的這種保護會長期保持。乙烯基樹脂和環氧樹脂仍舊會降解，盡管它們比聚酯慢得多。        
    Malvar接著闡述了工作壓力允許范圍的影響，這在今天仍然正確。例如，設計者們被建議限制允許范圍到原有E-玻璃纖維拉伸強度的五分之一小，以保證抵抗實驗性的預測到的降解。推薦的允許范圍通常較低，玻璃仍直接與混凝土接觸，除非使用的是中性pH配方。理所當然，堿性和其它溶液的實驗導致機構提出了這樣的建議，即E-玻璃鋼筋不應該用于增強結構混凝土。例如，加拿大建筑條例禁止GRP柱和GRP鋼筋束作為混凝土增強材料（GRC）。        
    盡管采用S-玻璃、芳綸、硼或碳纖維（后者尤其耐侵蝕）可以得到某種改善，但這些纖維比E-玻璃纖維貴幾倍多，而樹脂/纖維界面可能依然很容易受到侵蝕。
樂觀主義的緩和        
    對于設計允許范圍的這些限制條例和明顯的保守主義，除了有助于確保安全的設計外，也減少了之前的樂觀。    [-page-]      
    當然，圍繞在復合材料周圍的神秘感――撇開成本不談，它們強度超高、無需保養，是混凝土所有缺陷的現成解決方案――但人們在對理想設計的需求和整個生命周期的大量保養過程中更好的理解了它們的脆弱性。
    來自圣地亞哥加利福尼亞大學的Vistap M. Karbhari教授，告訴參加2004年于英國Surrey大學舉辦的ACIC（Advanced polymer Composites for structural application in Construction）研討會的代表們，假如正確地考慮到材料選擇的各個方面和服務期的環境條件，復合材料的確可以為建筑領域帶來大量好處。他說，復合材料的“無敵”是它們大的神話，特別是面對建筑和基礎設施提出的特殊挑戰時。       
    惡劣和易變的戶外環境是其中的一個方面，而另一個就是應用過程中的不確定性。該應用過程是以增強塑料在建筑結構中作為獨特框架為特征的。例如，在航空航天領域，建造條件可以很好地得到控制。建筑商和土木工程師需要可在不同外界條件下可現場制備和加工的材料，而無需實質性的烘箱、高壓釜、真空系統或其它設備（普遍使用的一些零件如剖面、建筑板和橋梁的零部件可以在工廠制造）。        
    Karbhari教授接著討論了明顯的知識空白，尤其是關于耐久性的。例如復合材料想完全進入建筑結構的主流，這一空白仍然等待填補。公平地講，他沒有將此說成是今后學術研究的全部主題，在這一領域，他和他的同事們還有一些感興趣的事情。他指出，大量數據盡管是分散的和無組織的但確實已經存在。他說應該給予這些數據優先權，收集和證實所有這些信息將其變成普遍的、可獲取的數據資源。        
    然而，這仍然會為基礎研究留下大量空白。Karbhari教授聲明，盡管關于復合材料對個別因素反應方式的研究已經很多――例如堿性環境或高溫環境――但綜合條件下的實驗卻很少。例如在包含了持續的載荷和強溫濕（熱、濕或可能的高酸或堿）環境結合的應用中，可以預期到無法預知的協同作用。發言人說，需要開發標準的試驗，更加真實地模仿在土木工程中遇到的實際條件，而不是依賴從航空或其它行業改進的試驗方法?，F實的綜合數據可用于被土木工程師們信任和認可的改進模式中。       
    隨著不同水平的質量控制的應用，需要更多的數據以實現濕法鋪貼技術的可變性。Karbhari教授說，太多的現有數據是關于后固化系統的，然而，大多建筑工業對單一周期中外界條件下固化的應用更感興趣。       
    即使達到了所有的試驗和研究要求，仍然沒有辦法完全代替長期的試驗，而這需要在整個服務期中階段性或連續性地檢測真正的結構。復合材料在這一點上尤其適合，因為在層壓材料中，有可能將光纖張力計和其它傳感器結合在一起?，F在許多建筑和結構是以這種方法來監測的，例如加拿大的ISIS（Intelligent Sensing for Innovative Structures）有助于簡化長期的監測。在《增強塑料》（Reinforced Plastics）雜志主辦的RP Asia 2005展會期間的研討會上，英國Cranfield大學傳感器和復合材料研究領導人Gerard Fernando博士介紹了監測復合材料固化過程的光纖傳感器系統，此過程大大影響著復合材料的長期耐久性。        
    英國Surrey大學復合材料結構教授Len Holloway提出了（在ACIC 2002上）對于更高長期耐久性的需求和七個主要領域的性能參數。先，他指出了美國土木工程師協會（Society of Civil Engineers）的土木工程研究聯盟（CERF：Civil Engineering Research Federation）承擔過的一個空白分析。這些領域是環境、堿性環境、熱效應、蠕變和松弛效應、紫外效應、疲勞性能和著火性能。
    根據Holloway教授所說，設計者們需要引導，以使他們可以為復合材料的特殊性質制定更好的允許范圍，包括時間一長它們吸潮的傾向和沒有警告平穩期的情況下，它們可以彈性的延伸到疲勞點的方式。設計者還必須解決存在于熱膨脹、系數、抗火性能、剛度和強度中的差別（從增強的或半增強的混凝土中）。       
    Holloway教授（與CEFR一起）同意Kabbhari關于基礎設施中需要一個針對FRP復合材料耐久性的完整知識系統的說法。
積極的現場經驗
    還有，盡管悲觀的實驗室預言和大多的專家們同意需要更多的知識，正在使用中的建筑結構的很多經驗表明，長期耐久性的確是可以被賦予復合材料的一大特性。
    Net Composites公司的Sue Halliwell列舉了幾個在“Processing of the Institution of Civil Engineers”（2004年1月第1期）中談到過的例子。她參加了英國行業和工業基金部的一項調查，了解到20世紀60年代后期和70年代早期建造的GRP結構仍然符合各項性能要求。她似乎堅信，材料技術和改進的建筑過程的進一步發展將確保復合材料在建筑領域中的實質性地位。
    盡管戶外環境會導致FRP制品的表面降解（例如變黃和基體粉化或微小的裂縫），這一調查結果則顯示，結構的完整性很少被破壞?；A的保養程序通常能保持或恢復表面形貌。甚至相當基本的單層表面GRP包覆層――其中一些是聚酯基的――已在位于英國康沃爾（Cornwall）海軍基地、Stevenage的一個寫字樓、Bucking hamshire的一個高速公路服務站和其它建筑中使用了30多年。1973年，作為普雷斯頓（Preston）一所學校的GRP結構外殼擴建的一個教室，在檢查時只發現了表面有缺陷。這些缺陷包括由于除不掉的臟跡引起的GRP板褪色和板子表面的粉化和一些表面裂縫。1974年在倫敦修建的一個大型國際電話交換局Mondial House用白色GRP/聚氨酯夾層結構很好地包覆著，只需清潔和簡單的維護。
    包括位于Scott Bader Wollaston的一家商店、南威爾士（South Wales）的一些發送機室和第二座Severn Bridge上的一個多層游客中心在內的組合式建筑都是用粘結的ACCS（Advanced Composite Construction System）修建的，它們全部顯示了巨大的耐久性。中東的GRP屋頂，包括20世紀70年代中期在Sharjah國際機場候機大廳修建的一個大型屋頂在內，都保存良好且繼續在使用中。
    橋梁是一個有趣的實例。復合材料以全復合材料或部分復合材料/混配物結構形式應用于大型載荷礅距。增強材料的一個主要優勢就是它們質輕，這意味著橋梁（與其他土木工程結構一樣）比傳統的橋梁自身重量更輕，在載荷構件上產生更少的持續壓力。位于丹麥Kolding的Fiberline Composites公司建 造一座40米長的橋，其復合材料橋面可以承受5噸的卡車，而其自身重量只有12噸――鋼質橋重28噸，混凝土橋重90噸。減輕的持續壓力降低了蠕變和復合材料構件終失效的可能性。據技術解決方案經理Lars Petersen說，Fiberline公司相信用作三個橋梁結構的拉擠型材和它的橋塔將有50年的使用壽命。
 Southampton大學工程科學系的Ajit Shenoi教授對《增強塑料》（Reinforced Plastics）說：“就長期耐久性而言，復合材料比人們預期的更高。”
    “當然，時間一長，性質會有所下降。但如果工程師和其它專家的方法得到很好地組織和規范，他們有足夠的知識基礎可以充分自信地繼續下去。”
    “位和第二位的影響現在已經了解得很清楚。除此之外，許多土木工程師和公司擁有很高水平的經驗和專業技能。不同的設計條例例如混凝土協會（Concrete Society）條例和歐洲條例（Eurocodes）已經出臺，能夠現實地考慮材料限制來進行設計了。顯然，不確定性和冒險仍然存在，但歐洲、日本、北美和其它地區正在投入研究經費，這種擔憂應該會慢慢減少?！?
    他總結說：“我們知道這些材料的保養并非免費的，有計劃的保養很重要。我認為，我們應該從失敗中學習――失敗正逐漸變少，而不應該被它們拖延?！?