自動化碼頭自動引導車道面高韌性瀝青超薄罩面工藝

王巖松

上海國際港務(集團)股份有限公司尚東集裝箱碼頭分公司

1 引言

AGV(Automated Guided Vehicle，自動引導車輛)是指裝有電磁或光電等自動引導裝置，能夠沿規定地面路徑自動引導行駛，具備人機交互、安全保護、移載功能，以電池為動力的搬運機器人。港口道面通常存在差異沉降，道面平整度往往難以滿足AGV車輛對行駛平穩性要求。為了減小港區道面不平整對AGV車輛壽命的影響，國內已有相關技術人員開展專項研究，但多是集中于對減震器性能提升的探索工作，通過恢復道面平整度以降低AGV車輛損傷的方案還未見報道。

結合自動化碼頭運營情況，考慮采用高韌性超薄瀝青罩面對水泥混凝土道面平整度進行恢復，以減少AGV車輛維修頻率，降低運營成本。

該自動化碼頭AGV車輛空載35 t，滿載95～100 t，原有混凝土道面服役3年后整體性能良好，但由于AGV車輛對行駛平穩性要求較高，存在以下兩方面問題：

(1)由不均勻沉降造成的錯臺、裂縫。水泥混凝土路面整體性強、剛度大，因而對不均勻沉降的變形控制能力較弱。洋山港四期AGV車輛運行平臺采用“現澆承臺(嵌巖樁)+預應力空心搭板+吹填砂路基”的組合方案，加之自動化集裝箱碼頭近海海底地形復雜，持續的沉降以及不同種類基礎之間的差異沉降容易造成不同混凝土板之間出現錯臺，并在板縫附近出現裂縫，進而對碼頭道面平整度造成較大的影響。

(2)伸縮縫劣化。由于該自動化碼頭存在多種基礎組合形式，在不均勻沉降過程中，現澆承臺與預應力空心搭板處混凝土面層伸縮縫存在張拉應力，填縫料存在不同程度的損壞、脫附，伸縮縫粗化后也會對車輛行駛的穩定性造成影響。

2 AGV道面平整度恢復方案

由于該自動化集裝箱碼頭存在較為嚴重的混凝土板錯臺現象，在AGV車輛運行過程中形成的顛簸對車輛關鍵部件造成明顯損傷，因此亟需對道面平整度進行恢復。綜合考慮工程所處地理環境及車輛運營要求，初步擬定采用薄層鋪裝(2～3 cm)解決上述問題。

UHPC(Ultra-High Performance Concrete，超高性能混凝土)薄層鋪裝以及高韌性超薄罩面鋪裝是近年來研究與應用探索較多的新技術。UHPC具有自流平、超高強、抗滑性好以及耐磨性佳的優點，且與基層C40混凝土熱膨脹系數基本相同；高韌性超薄罩面鋪裝具有抗裂能力強、協調變形能力好、施工便捷的優勢。由于港區工作面作業繁忙、施工窗口期短，而UHPC施工養護周期較長，不利于快速開放交通；同時，由于下部混凝土路面約束嚴重，UHPC薄層鋪裝開裂風險較高，因此最終選擇高韌性超薄罩面對混凝土道面平整度進行恢復。

3 高韌性超薄罩面方案設計

超薄罩面近年來愈發受到行業重視，但在應用過程中由于厚度薄、散熱快以及吸收壓實功能差，因而耐久性不佳。同時，由于薄層罩面與原路面層間處理難以達到理想狀態，不足以抵抗路表高剪切力，因此容易出現推移病害(尤其是在轉向及剎車處)，限制了其廣泛應用[1]。為了保證超薄罩面在洋山深水港四期自動化碼頭平整度恢復工程中順利應用，進行如下設計。

3.1 厚度

實驗證明，在剛性路面上鋪設3 cm以上厚度瀝青罩面，會對滿載AGV車轍產生病害風險。由于港口道面改造區存在不均勻沉降，混凝土道面平整度普遍大于5 mm，綜合考慮攤鋪厚度控制精度，為了避免局部厚度過薄，因此設定超薄罩面厚度為2 cm。

3.2 級配

道路工程瀝青混合料級配設計主要圍繞路用性能指標(穩定度、動穩定度、彎拉應變、飛散)及功能性指標(抗滑系數、構造深度、滲水系數)進行設計。AGV均采用無人駕駛，通常行駛速度不高于40 km/h，且無急剎急停狀態，因此對抗滑需求較低。公路工程幾乎不存在持續不均勻沉降這一情況，本項目特殊工況要求罩面材料具有極好的韌性，以應對重載及混凝土板的持續不均勻沉降，而采用懸浮密實級配的瀝青混合料抗彎拉性能、抗飛散能力、耐久性更為優異。同時，已有研究表明，采用更小的NMAS，可以在相同的空隙率條件下降低連通空隙比例，從而降低密級配混合料滲水的風險[2]。此外，超薄罩面施工宜選擇夏季高溫，而本項目計劃在10月實施，考慮到氣溫較低且港口風速較大，混合料散熱快，因此應避免采用間斷級配以減小混合料的降溫速率。綜上，最終選擇參照AC級配(NMAS為4.75 mm)并根據實際情況進行優化，設計出HEVA-1及HEVA-2兩種級配。

3.3 層間處置

由于超薄罩面厚度薄，且下承層為剛性混凝土板，層間剪切力較大，因此層間粘結尤為重要。鑒于項目實施面積較小，無法采用一體機攤鋪，需采用常規方案施工，容易造成層間粘結層破壞，因此采用高粘高彈碎石封層作為層間處置的方案[3]。為避免碎石封層對罩面層混合料形成干涉，碎石粒徑設計為3～5 mm。

4 高韌性超薄罩面混合料設計

4.1 瀝青

經過前期試驗比選，選用特制高粘高彈改性瀝青作為高韌性超薄罩面的膠結料，其指標見表1。試驗結果表明，采用這種特制瀝青生產的瀝青混合料穩定度、高低溫性能、抗飛散性能能夠滿足工程要求。

表1 高粘高彈改性瀝青指標

4.2 集料及填料

本項目采用的粗細集料及填料指標見表2～表4。

表2 粗集料技術指標

表3 細集料技術指標

表4 填料技術指標

4.3 級配

綜合考慮室內試驗指標以及拌合站生產除塵效率，本項目設計如下2種超薄罩面級配，HEVA-1和HEVA-2油石比分別采用6.8%和6.5%(見表5)。

表5 超薄罩面級配篩孔通過率

5 高韌性超薄罩面施工及檢測

5.1 施工流程

施工前需對原道面進行精銑刨及清洗除塵。經過測試，精銑刨后的路面構造深度為0.79 mm(銑刨前為0.19 mm)。由于采用特種高粘高彈改性瀝青，封層與混凝土板的粘結效果受混凝土板表面的浮灰影響顯著，因此為了增強層間效果，在高粘高彈碎石封層施工前預先噴灑一層乳化瀝青做為底油。

高粘高彈碎石封層施工時，瀝青灑布量按0.8～1.2 kg/m2控制，3～5 mm碎石灑布量按照8～12 kg/m2控制。料車運輸以及攤鋪機攤鋪過程中均未出現層間粘結破壞的情況，可見滿鋪碎石能夠對封層起到很好的保護作用，避免后續出現因層間粘結不足而出現的推移。高粘高彈改性瀝青不僅能夠提供封水作用，還能提供良好的粘結和韌性，消除層間滑移。

由于試驗段面積較小，現場僅使用1臺攤鋪機和1臺鋼輪壓路機，兩種級配攤鋪過程中存在冷接縫，造成局部壓實不足。此外，在起始處由于鋼輪溫度較低，存在黏輪現象，也造成超薄罩面局部需要補料，影響了路面美觀度。采用無核密度儀對正常施工路段壓實度進行測試，路面壓實度達到97%。

5.2 施工溫度監控

采用紅外測溫儀對相關流程施工溫度進行測試，發現碎石封層噴口處瀝青降溫較快(加熱溫度為210 ℃)?；旌狭系綀鰷囟雀哂?80 ℃，攤鋪溫度為166 ℃，初壓溫度154 ℃，復壓溫度139 ℃，均符合設計要求。

5.3 混合料性能測試

施工現場取料后在實驗室測試結果見表6?？梢园l現2種級配的各項指標均符合要求。HEVA-1雖然參照連續級配設計，但是由于0～3 mm集料含量過高，在拌合站生產時易造成變異性過大，且存在溫度降低后卸料不易的風險，因此在級配設計時嚴格控制了0～3 mm集料的含量。HEVA-2相比于HEVA-1動穩定度略高，而彎拉應變較小，原因可能在于其級配較粗且油石比較低。

表6 HEVA混合料測試結果

5.4 高韌性超薄罩面功能性測試

在采用高韌性超薄罩面對AGV道面修復3個月后，對其服役性能進行評估。由現場AGV車輛輪跡印可以發現，超薄罩面處以直行和轉向荷載為主。通過現場勘測，試驗路段服役良好，未出現掉粒、開裂及車轍現象?？够捌秸葴y試結果顯示：2種級配高韌性超薄罩面擺值(BPN)均大于70，平整度均為0；而相鄰水泥混凝土道面平整度均不小于5 mm。通過對現場運行情況進行對比，采用超薄罩面修復道面平整度后AGV車輛運行平穩，幾乎無顛簸，車輛服役壽命有望大幅延長。

6 結語

自動化集裝箱碼頭AGV車輛運行平穩性受路面平整度影響較大，可通過采用薄層鋪裝對道面平整度進行恢復。由于碼頭存在持續的不均勻沉降，因此設計采用高韌性超薄瀝青罩面作為試驗段鋪筑材料。改造效果表明：

(1)高韌性超薄罩面可以快速有效地恢復水泥混凝土道面平整度，減小AGV車輛顛簸及由此造成的車輛損傷。

(2)高效改性瀝青技術是保障高韌性超薄罩面耐久性的前提，通過研發特制改性瀝青，并結合特殊的級配設計，可以使罩面材料具有遠高于常規瀝青混凝土的抗車轍性能以及抗裂性能。

(3)將高韌性超薄罩面與高粘高彈碎石封層結合，實現了在異步施工條件下避免出現由于施工車輛行車而造成的層間破壞，在結構層面保障了方案的可靠性。

(4)嚴格控制施工溫度和壓實度是保障高韌性超薄罩面耐久性的重要環節，后續工程應用將針對如何消除施工接縫(不易壓實)進行進一步探索。