天津港碼頭面層新材料修復(fù)示范及應(yīng)用研究

張鵬 郭暢 鄒君鵬

摘 要：引用了一種新型冷補(bǔ)材料進(jìn)行碼頭面層修補(bǔ)示范，該材料具有固化快、施工方便、低碳環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，提升了碼頭維修的工程效率，克服了以往混凝土修補(bǔ)養(yǎng)護(hù)周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)，獲得了良好的施工效果。作為該材料在碼頭維修領(lǐng)域中的首次應(yīng)用，基于Image-pro的孔隙率分析研究，針對(duì)材料適應(yīng)性進(jìn)行了定向改進(jìn)，提高了該材料在碼頭維修領(lǐng)域的工程適用性。

關(guān)鍵詞：新型冷補(bǔ)材料;修補(bǔ)示范;應(yīng)用研究

中圖分類(lèi)號(hào)：U655.56 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

近年來(lái)，道路、橋梁、港口、碼頭、機(jī)場(chǎng)等長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)和暴露在自然環(huán)境下的混凝土面層結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的現(xiàn)象不斷增多，有的甚至在投入使用初期便出現(xiàn)了不同程度的破損。碼頭面層是典型的水泥混凝土結(jié)構(gòu)，各種形式的病害在碼頭上普遍存在，這些病害的出現(xiàn)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性構(gòu)成威脅，嚴(yán)重影響碼頭結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)。目前，在混凝土表面涂覆防護(hù)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(yuǎn)航國(guó)際礦石碼頭有限公司下屬27號(hào)碼頭是鐵礦石接卸的專(zhuān)用泊位，裝載車(chē)滿(mǎn)載質(zhì)量達(dá)90 t，而且車(chē)輛的起步、剎車(chē)和轉(zhuǎn)彎頻繁進(jìn)行，車(chē)輛行駛過(guò)程中對(duì)混凝土面層造成了極大破壞，具體情況詳見(jiàn)圖1所示。

目前，我國(guó)在水泥混凝土面層修復(fù)方面并無(wú)健全規(guī)范，且缺少專(zhuān)門(mén)用于面層局部病害修復(fù)的理想材料。修復(fù)這類(lèi)病害通常存在工程難度大、周期長(zhǎng)、成本昂貴等問(wèn)題。因此，尋求一種強(qiáng)度高、固化早、耐久性好、施工便捷的環(huán)保型快速修復(fù)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(jiǎn)述

朱涵教授團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)近 10 年的工作，研發(fā)了一類(lèi)新型冷補(bǔ)料，具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)。此種新型冷補(bǔ)料是一種路面快速搶修材料，針對(duì)其病害的特定需求帶有高分子、柔性組份、砂和細(xì)石料，其特點(diǎn)是不含水泥、瀝青和環(huán)氧組份，綠色環(huán)保、無(wú)揮發(fā)性，可滿(mǎn)足各等級(jí)公路、港口碼頭、機(jī)場(chǎng)跑道面層的修補(bǔ)需求。

2.2 材料特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

研發(fā)的新型冷補(bǔ)料具有如下優(yōu)勢(shì)與亮點(diǎn)：

（1）既可修補(bǔ)水泥混凝土道面，也可修補(bǔ)瀝青混凝土道面，產(chǎn)品“可剛可柔”;

（2）對(duì)施工環(huán)境（天氣、氣候條件、地質(zhì)條件、地理位置）與設(shè)備要求低;

（3）施工工藝簡(jiǎn)捷，固化時(shí)間短，粘結(jié)強(qiáng)度高，修補(bǔ)后2 h左右即可開(kāi)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(yōu)點(diǎn)，使用壽命長(zhǎng);

（5）相比較于環(huán)氧基與復(fù)合基修補(bǔ)料，生產(chǎn)原料更易取得、綜合成本低。

2.3 相關(guān)試驗(yàn)及其指標(biāo)

2.3.1 強(qiáng)度

通過(guò)冷補(bǔ)料的抗壓、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)得抗壓、抗折強(qiáng)度隨成型時(shí)間的增長(zhǎng)而增大，且時(shí)間間隔越長(zhǎng)，強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度越大。

2.3.2 柔性

通過(guò)冷補(bǔ)料的彎曲韌性試驗(yàn)，測(cè)得峰值荷載、峰值應(yīng)變、極限撓度等參數(shù)及楊氏模量，發(fā)現(xiàn)極限撓度值可達(dá)到2 mm，是一般水泥砂漿極限撓度值的5～10倍。

2.3.3 粘結(jié)強(qiáng)度

通過(guò)冷補(bǔ)料的正拉粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)得3 d的最大粘結(jié)強(qiáng)度約為1.3 MPa～1.5 MPa，7 d的黏接抗拉強(qiáng)度可達(dá)2 MPa，滿(mǎn)足規(guī)范大于等于1.5 MPa的要求。

3 修補(bǔ)示范

2019年11月14日，由天津港遠(yuǎn)航國(guó)際礦石碼頭有限公司聯(lián)合天津大學(xué)建筑工程學(xué)院朱涵教授團(tuán)隊(duì)，就研發(fā)出的新型冷補(bǔ)料進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)修補(bǔ)示范。修補(bǔ)地點(diǎn)為天津港遠(yuǎn)航國(guó)際礦石碼頭有限公司27#泊位碼頭后承臺(tái)碼頭面層。

3.1 施工操作過(guò)程

具體施工過(guò)程如下：

（1）調(diào)配界面劑，涂抹在清理干凈的坑槽表面，陽(yáng)光照射下大約10 min可繼續(xù)下一層材料的鋪設(shè);

（2）將稱(chēng)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(chēng)量好的骨料與柔性顆粒混合，攪拌均勻;

（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(shí)步驟（1）中涂抹的界面粘結(jié)劑晾曬完成，將拌好的修補(bǔ)料鋪設(shè)并壓實(shí)抹平，用刷子在材料表面薄薄刷一層透明試劑;

（6）無(wú)需任何養(yǎng)護(hù)，2 h內(nèi)開(kāi)放交通。

3.2 具體修補(bǔ)情況

此次示范累計(jì)修補(bǔ)7塊不規(guī)則形狀的坑槽，并于2020年3月，即修補(bǔ)后4個(gè)月對(duì)修補(bǔ)部分進(jìn)行對(duì)比觀察，發(fā)現(xiàn)小部分修補(bǔ)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)早期破損現(xiàn)象，整體維修區(qū)域現(xiàn)狀良好，成功阻止了病害繼續(xù)發(fā)展，取得了新材料修補(bǔ)應(yīng)用的階段性成功。具體情況詳見(jiàn)圖2所示。

4 應(yīng)用研究

4.1 改進(jìn)材料

鐵礦石容重是水的2～3倍，天津港27號(hào)鐵礦石碼頭的車(chē)載為90 t，同時(shí)運(yùn)載鐵礦石的車(chē)輛是3-軸，車(chē)長(zhǎng)約8 m。在交通行業(yè)，目前道路允許的最大車(chē)載是55噸，而且55 t載重車(chē)輛至少為4-軸。由此可見(jiàn)，天津鐵礦石碼頭的道面板所承受的載荷對(duì)冷補(bǔ)料的強(qiáng)度提出了更高要求。由于冷補(bǔ)料一開(kāi)始是針對(duì)公路道面修補(bǔ)，初期用在鐵礦石碼頭修補(bǔ)示范中出現(xiàn)了小部分結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)早期破損的情況，朱涵教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合遠(yuǎn)航公司修補(bǔ)小組根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，加大了材料研發(fā)力度，基于Image-pro的孔隙率分析，拍攝了冷補(bǔ)料的微觀圖像，指導(dǎo)冷補(bǔ)料的材料研發(fā)。

作為新型一維納米材料，碳納米管（Carbon nanotubes， CNT）以?xún)?yōu)異的力學(xué)特性在金屬、陶瓷中表現(xiàn)出顯著的增韌效果。微觀結(jié)構(gòu)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(yīng)用過(guò)程中的最大問(wèn)題是如何均勻分散。韓瑜[1]對(duì)CNT的分散、對(duì)材料強(qiáng)度、力學(xué)性能影響進(jìn)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(jìn)CNT的分散。韓寶國(guó)[2]研究了CNT在活性粉末混凝土中的應(yīng)用，指出CNT可以促進(jìn)水泥水化，纖維狀的形態(tài)可以橋接裂縫，增強(qiáng)活性粉末混凝土的強(qiáng)度。朱涵團(tuán)隊(duì)針對(duì)CNT親水-憎水特點(diǎn)造成界面擠壓效應(yīng)，利用材料配合比中摻入疏水組份，與CNT形成抱團(tuán)，從而到達(dá)CNT均布效果，改善了材料的整體強(qiáng)度和完整性[3]，成功降低了冷補(bǔ)料的孔隙尺寸并增加了冷補(bǔ)料的密實(shí)度。具體情況詳見(jiàn)圖3所示。

4.2 重復(fù)修補(bǔ)示范

材料改進(jìn)后經(jīng)過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，修補(bǔ)結(jié)構(gòu)均未出現(xiàn)早期破損現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)修補(bǔ)面積較大且容易發(fā)生破損的重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行為期6個(gè)月的追蹤觀察，發(fā)現(xiàn)使用改進(jìn)后材料進(jìn)行修補(bǔ)的結(jié)構(gòu)全部完整無(wú)缺，且原混凝土結(jié)構(gòu)病害均無(wú)繼續(xù)發(fā)展跡象。

5 結(jié)論

好的冷補(bǔ)料要考慮13個(gè)因素：原料供給、產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)備和廠房、修補(bǔ)道面類(lèi)型、施工設(shè)備和工藝、開(kāi)放交通時(shí)間、氣候和地域影響、工程性能、使用壽命、市場(chǎng)價(jià)格、市場(chǎng)份額、環(huán)保效益、社會(huì)效益、綜合經(jīng)濟(jì)效益。從碼頭修補(bǔ)示范取得的效果來(lái)看，經(jīng)過(guò)新材料結(jié)合碼頭使用環(huán)境進(jìn)行的改進(jìn)升級(jí)，這13個(gè)指標(biāo)都能得到滿(mǎn)足。特別是具有固化時(shí)間短、施工靈活、綠色環(huán)保以及節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本等優(yōu)勢(shì)。該新型冷補(bǔ)材料在碼頭修補(bǔ)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓瑜.碳納米管的分散性及其水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能[D].大連：大連理工大學(xué)，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(duì)砂漿力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)影響的研究[D].天津大學(xué)，2017.