自动化码头自动引导车道面高韧性沥青超薄罩面工艺

王岩松

上海国际港务(集团)股份有限公司尚东集装箱码头分公司

1 引言

AGV(Automated Guided Vehicle，自动引导车辆)是指装有电磁或光电等自动引导装置，能够沿规定地面路径自动引导行驶，具备人机交互、安全保护、移载功能，以电池为动力的搬运机器人。港口道面通常存在差异沉降，道面平整度往往难以满足AGV车辆对行驶平稳性要求。为了减小港区道面不平整对AGV车辆寿命的影响，国内已有相关技术人员开展专项研究，但多是集中于对减震器性能提升的探索工作，通过恢复道面平整度以降低AGV车辆损伤的方案还未见报道。

结合自动化码头运营情况，考虑采用高韧性超薄沥青罩面对水泥混凝土道面平整度进行恢复，以减少AGV车辆维修频率，降低运营成本。

该自动化码头AGV车辆空载35 t，满载95～100 t，原有混凝土道面服役3年后整体性能良好，但由于AGV车辆对行驶平稳性要求较高，存在以下两方面问题：

(1)由不均匀沉降造成的错台、裂缝。水泥混凝土路面整体性强、刚度大，因而对不均匀沉降的变形控制能力较弱。洋山港四期AGV车辆运行平台采用“现浇承台(嵌岩桩)+预应力空心搭板+吹填砂路基”的组合方案，加之自动化集装箱码头近海海底地形复杂，持续的沉降以及不同种类基础之间的差异沉降容易造成不同混凝土板之间出现错台，并在板缝附近出现裂缝，进而对码头道面平整度造成较大的影响。

(2)伸缩缝劣化。由于该自动化码头存在多种基础组合形式，在不均匀沉降过程中，现浇承台与预应力空心搭板处混凝土面层伸缩缝存在张拉应力，填缝料存在不同程度的损坏、脱附，伸缩缝粗化后也会对车辆行驶的稳定性造成影响。

2 AGV道面平整度恢复方案

由于该自动化集装箱码头存在较为严重的混凝土板错台现象，在AGV车辆运行过程中形成的颠簸对车辆关键部件造成明显损伤，因此亟需对道面平整度进行恢复。综合考虑工程所处地理环境及车辆运营要求，初步拟定采用薄层铺装(2～3 cm)解决上述问题。

UHPC(Ultra-High Performance Concrete，超高性能混凝土)薄层铺装以及高韧性超薄罩面铺装是近年来研究与应用探索较多的新技术。UHPC具有自流平、超高强、抗滑性好以及耐磨性佳的优点，且与基层C40混凝土热膨胀系数基本相同；高韧性超薄罩面铺装具有抗裂能力强、协调变形能力好、施工便捷的优势。由于港区工作面作业繁忙、施工窗口期短，而UHPC施工养护周期较长，不利于快速开放交通；同时，由于下部混凝土路面约束严重，UHPC薄层铺装开裂风险较高，因此最终选择高韧性超薄罩面对混凝土道面平整度进行恢复。

3 高韧性超薄罩面方案设计

超薄罩面近年来愈发受到行业重视，但在应用过程中由于厚度薄、散热快以及吸收压实功能差，因而耐久性不佳。同时，由于薄层罩面与原路面层间处理难以达到理想状态，不足以抵抗路表高剪切力，因此容易出现推移病害(尤其是在转向及刹车处)，限制了其广泛应用[1]。为了保证超薄罩面在洋山深水港四期自动化码头平整度恢复工程中顺利应用，进行如下设计。

3.1 厚度

实验证明，在刚性路面上铺设3 cm以上厚度沥青罩面，会对满载AGV车辙产生病害风险。由于港口道面改造区存在不均匀沉降，混凝土道面平整度普遍大于5 mm，综合考虑摊铺厚度控制精度，为了避免局部厚度过薄，因此设定超薄罩面厚度为2 cm。

3.2 级配

道路工程沥青混合料级配设计主要围绕路用性能指标(稳定度、动稳定度、弯拉应变、飞散)及功能性指标(抗滑系数、构造深度、渗水系数)进行设计。AGV均采用无人驾驶，通常行驶速度不高于40 km/h，且无急刹急停状态，因此对抗滑需求较低。公路工程几乎不存在持续不均匀沉降这一情况，本项目特殊工况要求罩面材料具有极好的韧性，以应对重载及混凝土板的持续不均匀沉降，而采用悬浮密实级配的沥青混合料抗弯拉性能、抗飞散能力、耐久性更为优异。同时，已有研究表明，采用更小的NMAS，可以在相同的空隙率条件下降低连通空隙比例，从而降低密级配混合料渗水的风险[2]。此外，超薄罩面施工宜选择夏季高温，而本项目计划在10月实施，考虑到气温较低且港口风速较大，混合料散热快，因此应避免采用间断级配以减小混合料的降温速率。综上，最终选择参照AC级配(NMAS为4.75 mm)并根据实际情况进行优化，设计出HEVA-1及HEVA-2两种级配。

3.3 层间处置

由于超薄罩面厚度薄，且下承层为刚性混凝土板，层间剪切力较大，因此层间粘结尤为重要。鉴于项目实施面积较小，无法采用一体机摊铺，需采用常规方案施工，容易造成层间粘结层破坏，因此采用高粘高弹碎石封层作为层间处置的方案[3]。为避免碎石封层对罩面层混合料形成干涉，碎石粒径设计为3～5 mm。

4 高韧性超薄罩面混合料设计

4.1 沥青

经过前期试验比选，选用特制高粘高弹改性沥青作为高韧性超薄罩面的胶结料，其指标见表1。试验结果表明，采用这种特制沥青生产的沥青混合料稳定度、高低温性能、抗飞散性能能够满足工程要求。

表1 高粘高弹改性沥青指标

4.2 集料及填料

本项目采用的粗细集料及填料指标见表2～表4。

表2 粗集料技术指标

表3 细集料技术指标

表4 填料技术指标

4.3 级配

综合考虑室内试验指标以及拌合站生产除尘效率，本项目设计如下2种超薄罩面级配，HEVA-1和HEVA-2油石比分别采用6.8%和6.5%(见表5)。

表5 超薄罩面级配筛孔通过率

5 高韧性超薄罩面施工及检测

5.1 施工流程

施工前需对原道面进行精铣刨及清洗除尘。经过测试，精铣刨后的路面构造深度为0.79 mm(铣刨前为0.19 mm)。由于采用特种高粘高弹改性沥青，封层与混凝土板的粘结效果受混凝土板表面的浮灰影响显著，因此为了增强层间效果，在高粘高弹碎石封层施工前预先喷洒一层乳化沥青做为底油。

高粘高弹碎石封层施工时，沥青洒布量按0.8～1.2 kg/m2控制，3～5 mm碎石洒布量按照8～12 kg/m2控制。料车运输以及摊铺机摊铺过程中均未出现层间粘结破坏的情况，可见满铺碎石能够对封层起到很好的保护作用，避免后续出现因层间粘结不足而出现的推移。高粘高弹改性沥青不仅能够提供封水作用，还能提供良好的粘结和韧性，消除层间滑移。

由于试验段面积较小，现场仅使用1台摊铺机和1台钢轮压路机，两种级配摊铺过程中存在冷接缝，造成局部压实不足。此外，在起始处由于钢轮温度较低，存在黏轮现象，也造成超薄罩面局部需要补料，影响了路面美观度。采用无核密度仪对正常施工路段压实度进行测试，路面压实度达到97%。

5.2 施工温度监控

采用红外测温仪对相关流程施工温度进行测试，发现碎石封层喷口处沥青降温较快(加热温度为210 ℃)。混合料到场温度高于180 ℃，摊铺温度为166 ℃，初压温度154 ℃，复压温度139 ℃，均符合设计要求。

5.3 混合料性能测试

施工现场取料后在实验室测试结果见表6。可以发现2种级配的各项指标均符合要求。HEVA-1虽然参照连续级配设计，但是由于0～3 mm集料含量过高，在拌合站生产时易造成变异性过大，且存在温度降低后卸料不易的风险，因此在级配设计时严格控制了0～3 mm集料的含量。HEVA-2相比于HEVA-1动稳定度略高，而弯拉应变较小，原因可能在于其级配较粗且油石比较低。

表6 HEVA混合料测试结果

5.4 高韧性超薄罩面功能性测试

在采用高韧性超薄罩面对AGV道面修复3个月后，对其服役性能进行评估。由现场AGV车辆轮迹印可以发现，超薄罩面处以直行和转向荷载为主。通过现场勘测，试验路段服役良好，未出现掉粒、开裂及车辙现象。抗滑及平整度测试结果显示：2种级配高韧性超薄罩面摆值(BPN)均大于70，平整度均为0；而相邻水泥混凝土道面平整度均不小于5 mm。通过对现场运行情况进行对比，采用超薄罩面修复道面平整度后AGV车辆运行平稳，几乎无颠簸，车辆服役寿命有望大幅延长。

6 结语

自动化集装箱码头AGV车辆运行平稳性受路面平整度影响较大，可通过采用薄层铺装对道面平整度进行恢复。由于码头存在持续的不均匀沉降，因此设计采用高韧性超薄沥青罩面作为试验段铺筑材料。改造效果表明：

(1)高韧性超薄罩面可以快速有效地恢复水泥混凝土道面平整度，减小AGV车辆颠簸及由此造成的车辆损伤。

(2)高效改性沥青技术是保障高韧性超薄罩面耐久性的前提，通过研发特制改性沥青，并结合特殊的级配设计，可以使罩面材料具有远高于常规沥青混凝土的抗车辙性能以及抗裂性能。

(3)将高韧性超薄罩面与高粘高弹碎石封层结合，实现了在异步施工条件下避免出现由于施工车辆行车而造成的层间破坏，在结构层面保障了方案的可靠性。

(4)严格控制施工温度和压实度是保障高韧性超薄罩面耐久性的重要环节，后续工程应用将针对如何消除施工接缝(不易压实)进行进一步探索。