复合材料可用于各种基础设施和建筑应用，以解决各种挑战，从复杂的零件几何形状到承受极端天气事件、腐蚀性环境或高温的需求。
建筑和基础设施领域涵盖的终端应用场景较多，从建筑、道路和桥梁，到污水处理和电线杆等公用基础设施等。从历史来看，在上述许多应用中，复合材料的应用速度相对较慢，更多的情况是采用更便宜、更熟悉的传统材料，如木材、混凝土或金属。
但是，近年来，复合材料的重量轻、耐腐蚀、设计灵活性和高机械性能等优势，逐渐使其成为越来越多应用的首选材料。在新建筑和基础设施中，专门针对复合材料的建筑规范和标准也将继续得以采用。虽然不能涵盖所有的案例，但本文依然介绍了2023年复合材料在建筑领域的一些案例和创新发展。
建筑结构与施工
与混凝土、木材或金属等传统建筑材料相比，许多复合材料和工艺具有废物或废料少、施工速度快等优点。目前一系列备受瞩目的项目正在引导潮流，包括建筑内部和外墙壁、3D打印、生物基材料等。
根据具体的材料和工艺，复合材料通常可以用于制造比传统材料更复杂的形状，从而打造富有创意的建筑外部和内部结构。其中一个代表性例子是阿拉伯联合酋长国迪拜未来博物馆，这是有史以来最复杂的建筑之一，并于2022年2月开放。
这座高达78米的建筑有七层楼，在一个三层楼高的平台上有一个环形的外壳。圆环体的外立面包括1024块阻燃（FR）复合材料板。每个面板都覆盖着不锈钢，是一个独特的3D形状，并集成了阿拉伯书法。该建筑标志性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，包括书法嵌入式天花板、墙壁和三个螺旋楼梯的覆层，所有这些结构消耗了7700平方米的复合材料。
2023年8月，荷兰正在建设的阿姆斯特丹脉动大厦受到关注，该大厦有一个14000平方米的外墙，其中包括1100个独立的复合材料元件，每个元件长3.6×3.8米。该项目的工程由荷兰Solico公司为客户Holland Composites完成，并使用生物基复合材料Duplicor进行设计和施工。
研究方面，在JEC World 2023展出的是德国斯图加特大学的一款名为“用于立面遮阳的自适应FRP元件”的研究演示产品。这种自适应纤维增强聚合物（FRP）结构由碳纤维和玻璃纤维增强聚酰胺（PA）带的机器人胶带铺设而成，基于柔性铰链和集成气动执行器，可根据人的触摸压力移动90°。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验证。
在生物材料和3D打印领域，包括上面的Pulse外墙例子在内，使用生物基树脂和纤维使建筑材料更具可持续性的场景也在增加，特别是在一些研究和原型项目中。一个例子是德国纺织和纤维研究所（DITF）和行业合作伙伴的联合研究，他们一直致力于用大麻和亚麻纤维以及亚麻籽油制成的树脂开发超轻型建筑构件。拉挤和热压工艺都用于构建原型型材和连接节点，用于低承载建筑应用。
近年来，全球许多国家正在为缓解住房短缺而努力，特别是在美国，这导致技术和公司开发出更快、更模块化的住房选择。复合材料特别是3D打印复合材料，在这些努力中发挥了作用。
美国Mighty Buildings公司成立于2017年，其目标是使用大幅面3D打印建造经济适用房。它的第一次迭代是由该公司开发的非增强聚合物制成的预制附属住宅单元（ADU）；随后的Mighty Kit建筑系统由3D打印的玻璃纤维增强聚合物制成，用于组装房屋和其他建筑。2023年3月，Mighty Buildings在墨西哥蒙特雷开设了第二家工厂，并于9月宣布获得5200万美元的融资。
将生物材料和3D打印相结合的一个例子是BioHome3D项目，这是一个600平方英尺的住宅，由缅因州大学和合作伙伴美国橡树岭国家实验室（ORNL）用100%生物基3D打印复合材料建造。2023年12月，缅因大学宣布，原型住宅已通过第一年的测试，计划扩大生产规模，目标是在未来工厂以优化的3D打印工艺每48小时生产一套BioHome3D，该工厂预计将于2026年投入运营。
民用基础设施：FRP增强筋、桥梁等
轻质、耐腐蚀、高抗拉强度和耐久性等优点使复合材料在民用基础设施应用中具有广阔的潜力，比如用于加固混凝土、桥梁等。几十年来，玻璃纤维增强聚合物（GFRP）增强筋作为道路、桥梁和其他结构中钢筋的替代品已经成为一种可行的选择，其优点包括耐腐蚀性、更长的产品寿命和重量轻，这可以使运输和安装更容易。
大规模采用GFRP的一个挑战是它不是钢的直接替代品，因此需要改变设计以适应机械性能的差异，如较高的抗拉强度但较低的拉伸模量、不同的热膨胀系数（CTE），以及GFRP钢筋在工地上比钢更不容易焊接和弯曲。
最近，新的标准已经开始发布，以帮助促进GFRP在这些应用中的使用。2022年12月，美国混凝土协会（ACI）发布了第一个全面的建筑规范（ACI CODE-440.11-22：玻璃纤维增强聚合物GFRP钢筋结构混凝土的建筑规范要求涉及结构系统、构件和连接，包括现浇、预制、非预应力和复合材料结构），涵盖了非金属GFPP钢筋在结构混凝土应用中的使用。
2023年，美国材料与试验协会ASTM复合材料委员会D30发布了最新一代玻璃钢钢筋的新标准规范D8505，其中包括玻璃钢和玄武岩纤维增强钢筋。同样在2023年，埃克森美孚子公司Material、NEG-US和GatorBar宣布结成战略联盟，致力于提高复合材料钢筋在混凝土加固领域的市场份额。GatorBar由Material聚烯烃热固性树脂和NEG-US玻璃纤维制成，据说其强度是钢的2-4倍，重量是钢的4-7倍，使其成为一种具有成本竞争力的钢筋替代品。
另一种用于加固混凝土的复合材料产品C-GRID，是一种碳纤维增强环氧树脂网，用于减轻重量、降低施工成本和延长施工用预制混凝土板的寿命。C-GRID由美国Chomarat公司制造，已用于加固数据中心的隔热混凝土墙板。
钢筋混凝土最常用于体积最大的建筑、道路和大型车辆桥梁，但复合材料可以直接用于制造各种其他的，通常是较小的民用基础设施应用，如桥梁大梁和桥面，整个预制人行天桥，沟渠盖，挡海墙，铁路站台等等。
2023年，美国宾夕法尼亚州创意复合材料集团（CCG）推出了一种新型拉挤纤维增强聚合物（FRP）H-5 SuperDeck Lite甲板型材。CCG表示，新产品旨在满足对更多桥梁、木板、人行道和步道的需求，这些桥梁、木板和步道能够支撑公园内救护车和维修车辆的重量。SuperDeck Lite型材的设计可承载高达10000磅的载荷，比传统的预处理木材更轻，使用寿命更长。
CirculinQ是一种模块化道路铺设系统，旨在收集雨水并将其缓慢排放回土壤或下水道。每个CiculinQ面板设计为三层：下部结构将水保持并渗透到土壤中，同时允许电缆和其他材料穿过；蜂窝PP/玻璃纤维甲板卡扣适合模制到下部结构中的高凸台（增加刚度/强度），某些型号的舱口便于清洁；耐磨表面，甲板顶部的一层薄薄的骨料，增加了抓地力。该产品于2022年商业化推出，用于自行车道和停车场等应用，最终目标是将其推广到城市高速公路上。
公用设施基础设施：电线杆、污水处理等
公用事业基础设施包括电线杆和电缆、管道和手机塔，过去严重依赖更传统、更便宜的材料，如木材或金属，但复合材料具有耐用性、更长寿命和耐腐蚀性等优点，因此，越来越多地被用作不同应用的替代品。
随着老化的木制和金属电线杆的更换，纤维缠绕或拉挤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，据报道其使用寿命可达75年。目前许多电线杆的另一个好处是通过使用耐火树脂、树脂添加剂、面纱或其他解决方案来提高耐火性。
2022年，CCG推出了其拉挤式StormStrong电线杆（以及用于桥梁和其他结构的StormStrong技术），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事件时增加弹性。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获得了从出厂到大门的环境产品声明（EPD）。最近，CCG还提供FireStrong电线杆，这些电线杆被归类为根据UL94自行熄灭的V0等级。它们包括一个自我监测系统，在火灾事件发生后，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。
除了电线杆，复合材料还可用于公用设施基础设施应用，如雷达罩、手机或其他公用设施塔，以及沟渠、井盖或附属建筑等保护结构。复合材料还可以通过提供耐腐蚀、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。
新西兰奥克兰正在进行的一个项目是安装中央拦截器（CI），这是一条长14.7公里、直径4.5米、容量226000立方米的大型隧道，建成后将在城市下方运行，从城市周围较小的连接管道收集废物和雨水，并将其输送到污水处理厂。该项目始于2019年，计划于2026年完工。
主水平CI管由高密度聚乙烯（HDPE）衬砌混凝土制成，一系列18个竖井为主轴服务，深度可达70米。其中一些竖井由传统混凝土制成，但由于地震和腐蚀性下水道环境下的耐用性等具有挑战性的要求，一些竖井由澳大利亚RPC Technologies Pty公司设计，并采用碳纤维和玻璃纤维的混合长丝缠绕复合材料。这八个复合材料叶栅下落轴的高度、深度、直径和复杂性各不相同，设计和制造都具有挑战性。最大的直径为7.5米的竖井需要专门建造的自动立式长丝缠绕机的设计。
修复、加固、重建
除了在新的基础设施建设中使用复合材料外，复合材料用于修复或加强现有结构的兴趣和使用也在增长，尤其是面临重载、极端天气条件或盐水等腐蚀性环境应力的桥梁，在修复过程中越来越多地使用复合材料进行重建或加固。2023年，意大利复合材料制造商Sireg Geotech宣布，正在与意大利Manini Premabriki SpA合作，重建一座23.30米长、9.10米宽的桥梁，该桥因卡车的重量而倒塌。Sireg设计了拉挤玻璃钢筋来加固由Manini建造的混凝土板和甲板梁。
在美国，CCG的模压玻璃钢面板已被用于更换桥梁上老化的人行道，如北安普敦街大桥，这是一座位于宾夕法尼亚州伊斯顿和新泽西州菲利普斯堡之间的历史悠久的悬臂桥。预制板据说比传统的钢筋混凝土板轻80%，而且耐腐蚀。
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玻璃钢、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，以及玻璃钢材料最适合修复的地方。
此外，许多公司现在为基础设施应用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GFRP和CFRP产品的公司，用于桩、管道、墙壁或其他结构的维修或加固。例如，QuakeWrap的直径为16英尺的FRP管，即StifPipe，最近被安装在美国密歇根州底特律的下水道系统中，用于重新铺设和加固老化的管道。StifPipe由12层材料制成，包括碳纤维、玻璃纤维和专有芯材料，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，而且可以快速安装，这意味着废水系统不需要长时间关闭。（来源：CW）
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