天津港码头面层新材料修复示范及应用研究

张鹏 郭畅 邹君鹏

摘 要：引用了一种新型冷补材料进行码头面层修补示范，该材料具有固化快、施工方便、低碳环保等优点，提升了码头维修的工程效率，克服了以往混凝土修补养护周期长的缺点，获得了良好的施工效果。作为该材料在码头维修领域中的首次应用，基于Image-pro的孔隙率分析研究，针对材料适应性进行了定向改进，提高了该材料在码头维修领域的工程适用性。

关键词：新型冷补材料;修补示范;应用研究

中图分类号：U655.56 文献标识码：A

0 引言

近年来，道路、桥梁、港口、码头、机场等长期运营和暴露在自然环境下的混凝土面层结构发生破坏的现象不断增多，有的甚至在投入使用初期便出现了不同程度的破损。码头面层是典型的水泥混凝土结构，各种形式的病害在码头上普遍存在，这些病害的出现对混凝土结构耐久性构成威胁，严重影响码头结构的安全运营。目前，在混凝土表面涂覆防护材料是提高混凝土耐久性最直接的方式。

1 研究背景和意义

天津港远航国际矿石码头有限公司下属27号码头是铁矿石接卸的专用泊位，装载车满载质量达90 t，而且车辆的起步、刹车和转弯频繁进行，车辆行驶过程中对混凝土面层造成了极大破坏，具体情况详见图1所示。

目前，我国在水泥混凝土面层修复方面并无健全规范，且缺少专门用于面层局部病害修复的理想材料。修复这类病害通常存在工程难度大、周期长、成本昂贵等问题。因此，寻求一种强度高、固化早、耐久性好、施工便捷的环保型快速修复材料，有效提高面层的使用寿命和安全性能显得尤为重要。

2 新型材料介绍

2.1 材料简述

朱涵教授团队经过近 10 年的工作，研发了一类新型冷补料，具有完全知识产权。此种新型冷补料是一种路面快速抢修材料，针对其病害的特定需求带有高分子、柔性组份、砂和细石料，其特点是不含水泥、瀝青和环氧组份，绿色环保、无挥发性，可满足各等级公路、港口码头、机场跑道面层的修补需求。

2.2 材料特点及优势

研发的新型冷补料具有如下优势与亮点：

（1）既可修补水泥混凝土道面，也可修补沥青混凝土道面，产品“可刚可柔”;

（2）对施工环境（天气、气候条件、地质条件、地理位置）与设备要求低;

（3）施工工艺简捷，固化时间短，粘结强度高，修补后2 h左右即可开放交通;

（4）具有高度延性、轻微膨胀、收缩率低、抗裂性能高等优点，使用寿命长;

（5）相比较于环氧基与复合基修补料，生产原料更易取得、综合成本低。

2.3 相关试验及其指标

2.3.1 强度

通过冷补料的抗压、抗折强度试验，测得抗压、抗折强度随成型时间的增长而增大，且时间间隔越长，强度增长幅度越大。

2.3.2 柔性

通过冷补料的弯曲韧性试验，测得峰值荷载、峰值应变、极限挠度等参数及杨氏模量，发现极限挠度值可达到2 mm，是一般水泥砂浆极限挠度值的5～10倍。

2.3.3 粘结强度

通过冷补料的正拉粘结强度试验，测得3 d的最大粘结强度约为1.3 MPa～1.5 MPa，7 d的黏接抗拉强度可达2 MPa，满足规范大于等于1.5 MPa的要求。

3 修补示范

2019年11月14日，由天津港远航国际矿石码头有限公司联合天津大学建筑工程学院朱涵教授团队，就研发出的新型冷补料进行了现场修补示范。修补地点为天津港远航国际矿石码头有限公司27#泊位码头后承台码头面层。

3.1 施工操作过程

具体施工过程如下：

（1）调配界面剂，涂抹在清理干净的坑槽表面，阳光照射下大约10 min可继续下一层材料的铺设;

（2）将称量好的高分子材料各组分按照顺序依次加入并搅拌至均匀;

（3）将称量好的骨料与柔性颗粒混合，搅拌均匀;

（4） 将步骤2配制好的均匀高分子材料与步骤3混合均匀的骨料均匀搅拌，待用;

（5）此时步骤（1）中涂抹的界面粘结剂晾晒完成，将拌好的修补料铺设并压实抹平，用刷子在材料表面薄薄刷一层透明试剂;

（6）无需任何养护，2 h内开放交通。

3.2 具体修补情况

此次示范累计修补7块不规则形状的坑槽，并于2020年3月，即修补后4个月对修补部分进行对比观察，发现小部分修补结构出现早期破损现象，整体维修区域现状良好，成功阻止了病害继续发展，取得了新材料修补应用的阶段性成功。具体情况详见图2所示。

4 应用研究

4.1 改进材料

铁矿石容重是水的2～3倍，天津港27号铁矿石码头的车载为90 t，同时运载铁矿石的车辆是3-轴，车长约8 m。在交通行业，目前道路允许的最大车载是55吨，而且55 t载重车辆至少为4-轴。由此可见，天津铁矿石码头的道面板所承受的载荷对冷补料的强度提出了更高要求。由于冷补料一开始是针对公路道面修补，初期用在铁矿石码头修补示范中出现了小部分结构呈现早期破损的情况，朱涵教授团队联合远航公司修补小组根据现场经验，加大了材料研发力度，基于Image-pro的孔隙率分析，拍摄了冷补料的微观图像，指导冷补料的材料研发。

作为新型一维纳米材料，碳纳米管（Carbon nanotubes， CNT）以优异的力学特性在金属、陶瓷中表现出显著的增韧效果。微观结构观察表明，CNT呈“森林状”分布方式，具有填充空隙、桥接裂缝的能力。但是，CNT在应用过程中的最大问题是如何均匀分散。韩瑜[1]对CNT的分散、对材料强度、力学性能影响进行了大量研究，指出使用阿拉伯胶作为CNT分散液分散剂可以取得更好的分散效果，使用混酸处理CNT可以促进CNT的分散。韩宝国[2]研究了CNT在活性粉末混凝土中的应用，指出CNT可以促进水泥水化，纤维状的形态可以桥接裂缝，增强活性粉末混凝土的强度。朱涵团队针对CNT亲水-憎水特点造成界面挤压效应，利用材料配合比中掺入疏水组份，与CNT形成抱团，从而到达CNT均布效果，改善了材料的整体强度和完整性[3]，成功降低了冷补料的孔隙尺寸并增加了冷补料的密实度。具体情况详见图3所示。

4.2 重复修补示范

材料改进后经过多次现场试验发现，修补结构均未出现早期破损现象，通过对修补面积较大且容易发生破损的重点区域进行为期6个月的追踪观察，发现使用改进后材料进行修补的结构全部完整无缺，且原混凝土结构病害均无继续发展迹象。

5 结论

好的冷补料要考虑13个因素：原料供给、产品生产设备和厂房、修补道面类型、施工设备和工艺、开放交通时间、气候和地域影响、工程性能、使用寿命、市场价格、市场份额、环保效益、社会效益、综合经济效益。从码头修补示范取得的效果来看，经过新材料结合码头使用环境进行的改进升级，这13个指标都能得到满足。特别是具有固化时间短、施工灵活、绿色环保以及节约经济成本等优势。该新型冷补材料在码头修补中具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]韩瑜.碳纳米管的分散性及其水泥基复合材料力学性能[D].大连：大连理工大学，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.碳纳米管对砂浆力学性能与微观结构影响的研究[D].天津大学，2017.