世界最大纤维增强混凝土浇筑项目使用11000千米玻纤加强筋

 

    沙特阿美石油公司在城内工业区兴建了大型炼油厂，日加工原油40万桶。然而，苦于城内落后的排水系统，项目遭受到来自强季雨和洪水的威胁。不仅如此，水涝也严重影响到城内居民的正常生活。

 

    为此，沙特阿美公司决定在炼油厂周围兴建规模巨大的泄洪渠。

    传统意义上的泄洪渠以钢筋混凝土浇筑而成，但由于吉赞经济城地处临海，当其在极端暴风雨天气和海浪冲袭的双重影响下开裂，海水会侵入并腐蚀内部钢筋结构，加速其老化。

 

    出于这种考虑，项目组决定用复合材料加强筋替代钢筋作为混凝土的增强材料。

 

    项目组计算，这座长23000米，宽80米的泄洪渠，将使用大约11000千米的玻纤加强筋，使其一举成为复合材料加强筋在全球范围内最大的规模应用案例，也标志着复材加强筋在投入商用40余年后，终于成为主流基建项目的选用材料。

 

    项目采用的玻纤加强筋采购自3家供应商，其中的50%由新西兰Pultron Composites公司研发、美国Mateenbar公司生产，其生产过程分为六步。

 

  第一步：玻纤入模，在闭模环境下注入树脂。

  第二步：通过拉挤工艺生产出最长80英尺（约合22.4米）的玻纤增强乙烯基酯复合材料拉挤棒。

  第三步：螺纹加工，以便更好地与混凝土界面结合。

    “我们的复材加强筋品质稳定、产量高，没有任何VOC排放。”Mateenbar公司首席执行官Nick Crofts表示说，“它的尺寸偏差小于1%。整个生产过程中，不会有树脂滴落在地板上，也不会在空气中看到扬起的灰尘。它采用了欧文斯科宁公司提供的ECR玻纤和Mateenbar公司自主研发的环氧-乙烯基酯树脂，实现了最优的刚度、强度和耐用性，综合性能远胜于以环氧-聚酯树脂生产的同类产品。”

 

    螺纹加工完成后，加强筋表面被包裹了一层树脂薄膜，用于进一步加强表面性能。“Mateenbar拉挤棒的初始长度可达80英尺（约合22.4米），大多数建筑项目会将其切成40英尺（约合11.2米）的长度进行使用。”

 

    Crofts进一步解释说：“每一根直线型加强筋的直径大约为0.75英寸（约合1.9厘米），拉伸模量8,700 ksi (60 GPa)。而其采用的玻纤原料的拉伸模量约为11,600-ksi (80-GPa)，这意味着该产品的纤维含量非常高，若以重量计算超过了80%。同时，这也意味着它难以弯折。不过，凭借独有的树脂和工艺方法，我们成功地在高模量的条件下生产出弯折型玻纤复材加强筋。”

 

   第四步：弯折，并运往施工地点。

   第五步：根据设计方案进行铺设，下以圆管支撑，确保高度适宜，间以不锈钢丝捆绑固定。

   第六步：自上而下浇筑混凝土，填满、压实、挤出气泡。

    生产完成后，加强筋被运往施工现场，交付给承包商沙特Al Yamama集团，在施工过程中展现出复合材料加强筋的另一个重要优势：易于安装。“由于重量仅为钢筋的25%，复合材料加强筋的搬运和定位都更为方便，需要的人手也更少。”

 

    当进入混凝土浇筑环节时，铺设加强筋的工人才发现，混凝土浇筑的速度远远赶不上加强筋铺设的速度，不得不停下来等待。“这很重要，因为如果突然降雨，海水会将大量沙子卷入泄洪渠内，如果不加以清理会严重影响泄洪效果。” 

 

    全部浇筑完成并压出所有气泡后，需要花费数周时间等待其慢慢凝固。“在这些环节中，复合材料加强筋和钢筋并无殊异。”Crofts表示，“我们在2020年1月发出了最后一批加强筋，泄洪渠随即宣布完工。”

   设计、成本和展望

 

    尽管为项目带来诸多便利，但Crofts仍然表示玻纤加强筋无法直接取代钢筋制品，如何取舍必须遵循设计方案的要求。玻纤加强筋多适用于ACI 440标准，不适用ACI318标准。如果采用后者，钢筋混凝土无疑将更胜一筹。

 

    Crofts指出，与钢筋相比，玻纤加强筋具有一定的弹性，拉伸强度更高，但拉伸模量却略有不足。在钢筋设计方案中，钢筋的需求量主要由其拉伸强度决定；而在玻纤加强筋设计方案中，玻纤加强筋的需求量主要由其拉伸模量决定，当加强筋数量达到要求时，结构的强度早已超出了设计的需要，其耐久性也得到了充分保证。

 

    决定二者取舍的另一个重要因素是加强筋的形状。Crofts指出，项目中加强筋的直线型-弯折型比例约为3:10。如果采用钢筋，其弯折作业多在现场完成，而Mateenbar玻纤加强筋的弯折全部是在工厂控制条件下完成，而后送至现场直接使用的。“考虑到项目要是随时可能发生变化，从供应链角度考虑这种模式存在一定问题，”Croft表示，“因此，拥有一座毗邻施工地点的工厂对于我们而言非常重要。”

 

    “如果以重量为单位计算二者的成本，会发现玻纤加强筋的成本高出钢筋3-4倍，因为玻纤加强筋的密度仅为后者的四分之一。但若以长度为单位进行计算，会发现玻纤加强筋的优势非常显著。”

 

    “吉赞泄洪渠项目是第一个对钢筋说‘不’的大型基建项目，”Crofts表示，“项目组对结构进行了严密的设计，泄洪渠的设计使用寿命超过了100年。”

 

    当玻纤加强筋在中东地区快速增长的同时，北美市场也在不断成熟。“因为大量沿海的防洪墙和桥梁设施都存在被海水侵蚀的风险。”Crofts表示说。

 

    与此同时，咨询工程公司和终端用户也看到了玻纤加强筋的巨大商用价值，他们正在合作制订质量和性能标准。