天津港碼頭面層新材料修復示范及應用研究

張鵬 郭暢 鄒君鵬

摘 要：引用了一種新型冷補材料進行碼頭面層修補示范，該材料具有固化快、施工方便、低碳環保等優點，提升了碼頭維修的工程效率，克服了以往混凝土修補養護周期長的缺點，獲得了良好的施工效果。作為該材料在碼頭維修領域中的首次應用，基于Image-pro的孔隙率分析研究，針對材料適應性進行了定向改進，提高了該材料在碼頭維修領域的工程適用性。

關鍵詞：新型冷補材料;修補示范;應用研究

中圖分類號：U655.56 文獻標識碼：A

0 引言

近年來，道路、橋梁、港口、碼頭、機場等長期運營和暴露在自然環境下的混凝土面層結構發生破壞的現象不斷增多，有的甚至在投入使用初期便出現了不同程度的破損。碼頭面層是典型的水泥混凝土結構，各種形式的病害在碼頭上普遍存在，這些病害的出現對混凝土結構耐久性構成威脅，嚴重影響碼頭結構的安全運營。目前，在混凝土表面涂覆防護材料是提高混凝土耐久性最直接的方式。

1 研究背景和意義

天津港遠航國際礦石碼頭有限公司下屬27號碼頭是鐵礦石接卸的專用泊位，裝載車滿載質量達90 t，而且車輛的起步、剎車和轉彎頻繁進行，車輛行駛過程中對混凝土面層造成了極大破壞，具體情況詳見圖1所示。

目前，我國在水泥混凝土面層修復方面并無健全規范，且缺少專門用于面層局部病害修復的理想材料。修復這類病害通常存在工程難度大、周期長、成本昂貴等問題。因此，尋求一種強度高、固化早、耐久性好、施工便捷的環保型快速修復材料，有效提高面層的使用壽命和安全性能顯得尤為重要。

2 新型材料介紹

2.1 材料簡述

朱涵教授團隊經過近 10 年的工作，研發了一類新型冷補料，具有完全知識產權。此種新型冷補料是一種路面快速搶修材料，針對其病害的特定需求帶有高分子、柔性組份、砂和細石料，其特點是不含水泥、瀝青和環氧組份，綠色環保、無揮發性，可滿足各等級公路、港口碼頭、機場跑道面層的修補需求。

2.2 材料特點及優勢

研發的新型冷補料具有如下優勢與亮點：

（1）既可修補水泥混凝土道面，也可修補瀝青混凝土道面，產品“可剛可柔”;

（2）對施工環境（天氣、氣候條件、地質條件、地理位置）與設備要求低;

（3）施工工藝簡捷，固化時間短，粘結強度高，修補后2 h左右即可開放交通;

（4）具有高度延性、輕微膨脹、收縮率低、抗裂性能高等優點，使用壽命長;

（5）相比較于環氧基與復合基修補料，生產原料更易取得、綜合成本低。

2.3 相關試驗及其指標

2.3.1 強度

通過冷補料的抗壓、抗折強度試驗，測得抗壓、抗折強度隨成型時間的增長而增大，且時間間隔越長，強度增長幅度越大。

2.3.2 柔性

通過冷補料的彎曲韌性試驗，測得峰值荷載、峰值應變、極限撓度等參數及楊氏模量，發現極限撓度值可達到2 mm，是一般水泥砂漿極限撓度值的5～10倍。

2.3.3 粘結強度

通過冷補料的正拉粘結強度試驗，測得3 d的最大粘結強度約為1.3 MPa～1.5 MPa，7 d的黏接抗拉強度可達2 MPa，滿足規范大于等于1.5 MPa的要求。

3 修補示范

2019年11月14日，由天津港遠航國際礦石碼頭有限公司聯合天津大學建筑工程學院朱涵教授團隊，就研發出的新型冷補料進行了現場修補示范。修補地點為天津港遠航國際礦石碼頭有限公司27#泊位碼頭后承臺碼頭面層。

3.1 施工操作過程

具體施工過程如下：

（1）調配界面劑，涂抹在清理干凈的坑槽表面，陽光照射下大約10 min可繼續下一層材料的鋪設;

（2）將稱量好的高分子材料各組分按照順序依次加入并攪拌至均勻;

（3）將稱量好的骨料與柔性顆?；旌希瑪嚢杈鶆?

（4） 將步驟2配制好的均勻高分子材料與步驟3混合均勻的骨料均勻攪拌，待用;

（5）此時步驟（1）中涂抹的界面粘結劑晾曬完成，將拌好的修補料鋪設并壓實抹平，用刷子在材料表面薄薄刷一層透明試劑;

（6）無需任何養護，2 h內開放交通。

3.2 具體修補情況

此次示范累計修補7塊不規則形狀的坑槽，并于2020年3月，即修補后4個月對修補部分進行對比觀察，發現小部分修補結構出現早期破損現象，整體維修區域現狀良好，成功阻止了病害繼續發展，取得了新材料修補應用的階段性成功。具體情況詳見圖2所示。

4 應用研究

4.1 改進材料

鐵礦石容重是水的2～3倍，天津港27號鐵礦石碼頭的車載為90 t，同時運載鐵礦石的車輛是3-軸，車長約8 m。在交通行業，目前道路允許的最大車載是55噸，而且55 t載重車輛至少為4-軸。由此可見，天津鐵礦石碼頭的道面板所承受的載荷對冷補料的強度提出了更高要求。由于冷補料一開始是針對公路道面修補，初期用在鐵礦石碼頭修補示范中出現了小部分結構呈現早期破損的情況，朱涵教授團隊聯合遠航公司修補小組根據現場經驗，加大了材料研發力度，基于Image-pro的孔隙率分析，拍攝了冷補料的微觀圖像，指導冷補料的材料研發。

作為新型一維納米材料，碳納米管（Carbon nanotubes， CNT）以優異的力學特性在金屬、陶瓷中表現出顯著的增韌效果。微觀結構觀察表明，CNT呈“森林狀”分布方式，具有填充空隙、橋接裂縫的能力。但是，CNT在應用過程中的最大問題是如何均勻分散。韓瑜[1]對CNT的分散、對材料強度、力學性能影響進行了大量研究，指出使用阿拉伯膠作為CNT分散液分散劑可以取得更好的分散效果，使用混酸處理CNT可以促進CNT的分散。韓寶國[2]研究了CNT在活性粉末混凝土中的應用，指出CNT可以促進水泥水化，纖維狀的形態可以橋接裂縫，增強活性粉末混凝土的強度。朱涵團隊針對CNT親水-憎水特點造成界面擠壓效應，利用材料配合比中摻入疏水組份，與CNT形成抱團，從而到達CNT均布效果，改善了材料的整體強度和完整性[3]，成功降低了冷補料的孔隙尺寸并增加了冷補料的密實度。具體情況詳見圖3所示。

4.2 重復修補示范

材料改進后經過多次現場試驗發現，修補結構均未出現早期破損現象，通過對修補面積較大且容易發生破損的重點區域進行為期6個月的追蹤觀察，發現使用改進后材料進行修補的結構全部完整無缺，且原混凝土結構病害均無繼續發展跡象。

5 結論

好的冷補料要考慮13個因素：原料供給、產品生產設備和廠房、修補道面類型、施工設備和工藝、開放交通時間、氣候和地域影響、工程性能、使用壽命、市場價格、市場份額、環保效益、社會效益、綜合經濟效益。從碼頭修補示范取得的效果來看，經過新材料結合碼頭使用環境進行的改進升級，這13個指標都能得到滿足。特別是具有固化時間短、施工靈活、綠色環保以及節約經濟成本等優勢。該新型冷補材料在碼頭修補中具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]韓瑜.碳納米管的分散性及其水泥基復合材料力學性能[D].大連：大連理工大學，2013.

[2]Han B，Wang Z，Zeng S，et al.Properties and modification mechanisms of nano-zirconia filled reactive powder concrete[J].Construction and Building Materials，2017（141）：426-434.

[3]李宏亮.碳納米管對砂漿力學性能與微觀結構影響的研究[D].天津大學，2017.