自動化碼頭自動引導(dǎo)車道面高韌性瀝青超薄罩面工藝

王巖松

上海國際港務(wù)(集團(tuán))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(dǎo)車輛)是指裝有電磁或光電等自動引導(dǎo)裝置，能夠沿規(guī)定地面路徑自動引導(dǎo)行駛，具備人機(jī)交互、安全保護(hù)、移載功能，以電池為動力的搬運(yùn)機(jī)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(wěn)性要求。為了減小港區(qū)道面不平整對AGV車輛壽命的影響，國內(nèi)已有相關(guān)技術(shù)人員開展專項(xiàng)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(fù)道面平整度以降低AGV車輛損傷的方案還未見報(bào)道。

結(jié)合自動化碼頭運(yùn)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(jìn)行恢復(fù)，以減少AGV車輛維修頻率，降低運(yùn)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(wěn)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(qiáng)、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(yùn)行平臺采用“現(xiàn)澆承臺(嵌巖樁)+預(yù)應(yīng)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(fù)雜，持續(xù)的沉降以及不同種類基礎(chǔ)之間的差異沉降容易造成不同混凝土板之間出現(xiàn)錯臺，并在板縫附近出現(xiàn)裂縫，進(jìn)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(chǔ)組合形式，在不均勻沉降過程中，現(xiàn)澆承臺與預(yù)應(yīng)力空心搭板處混凝土面層伸縮縫存在張拉應(yīng)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(wěn)定性造成影響。

2 AGV道面平整度恢復(fù)方案

由于該自動化集裝箱碼頭存在較為嚴(yán)重的混凝土板錯臺現(xiàn)象，在AGV車輛運(yùn)行過程中形成的顛簸對車輛關(guān)鍵部件造成明顯損傷，因此亟需對道面平整度進(jìn)行恢復(fù)。綜合考慮工程所處地理環(huán)境及車輛運(yùn)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(yīng)用探索較多的新技術(shù)。UHPC具有自流平、超高強(qiáng)、抗滑性好以及耐磨性佳的優(yōu)點(diǎn)，且與基層C40混凝土熱膨脹系數(shù)基本相同；高韌性超薄罩面鋪裝具有抗裂能力強(qiáng)、協(xié)調(diào)變形能力好、施工便捷的優(yōu)勢。由于港區(qū)工作面作業(yè)繁忙、施工窗口期短，而UHPC施工養(yǎng)護(hù)周期較長，不利于快速開放交通；同時(shí)，由于下部混凝土路面約束嚴(yán)重，UHPC薄層鋪裝開裂風(fēng)險(xiǎn)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(jìn)行恢復(fù)。

3 高韌性超薄罩面方案設(shè)計(jì)

超薄罩面近年來愈發(fā)受到行業(yè)重視，但在應(yīng)用過程中由于厚度薄、散熱快以及吸收壓實(shí)功能差，因而耐久性不佳。同時(shí)，由于薄層罩面與原路面層間處理難以達(dá)到理想狀態(tài)，不足以抵抗路表高剪切力，因此容易出現(xiàn)推移病害(尤其是在轉(zhuǎn)向及剎車處)，限制了其廣泛應(yīng)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(fù)工程中順利應(yīng)用，進(jìn)行如下設(shè)計(jì)。

3.1 厚度

實(shí)驗(yàn)證明，在剛性路面上鋪設(shè)3 cm以上厚度瀝青罩面，會對滿載AGV車轍產(chǎn)生病害風(fēng)險(xiǎn)。由于港口道面改造區(qū)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(shè)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(shè)計(jì)主要圍繞路用性能指標(biāo)(穩(wěn)定度、動穩(wěn)定度、彎拉應(yīng)變、飛散)及功能性指標(biāo)(抗滑系數(shù)、構(gòu)造深度、滲水系數(shù))進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(tài)，因此對抗滑需求較低。公路工程幾乎不存在持續(xù)不均勻沉降這一情況，本項(xiàng)目特殊工況要求罩面材料具有極好的韌性，以應(yīng)對重載及混凝土板的持續(xù)不均勻沉降，而采用懸浮密實(shí)級配的瀝青混合料抗彎拉性能、抗飛散能力、耐久性更為優(yōu)異。同時(shí)，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(fēng)險(xiǎn)[2]。此外，超薄罩面施工宜選擇夏季高溫，而本項(xiàng)目計(jì)劃在10月實(shí)施，考慮到氣溫較低且港口風(fēng)速較大，混合料散熱快，因此應(yīng)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(jù)實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)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(jié)尤為重要。鑒于項(xiàng)目實(shí)施面積較小，無法采用一體機(jī)攤鋪，需采用常規(guī)方案施工，容易造成層間粘結(jié)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(shè)計(jì)為3～5 mm。

4 高韌性超薄罩面混合料設(shè)計(jì)

4.1 瀝青

經(jīng)過前期試驗(yàn)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(jié)料，其指標(biāo)見表1。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用這種特制瀝青生產(chǎn)的瀝青混合料穩(wěn)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(biāo)

4.2 集料及填料

本項(xiàng)目采用的粗細(xì)集料及填料指標(biāo)見表2～表4。

表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)

表3 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)

表4 填料技術(shù)指標(biāo)

4.3 級配

綜合考慮室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)以及拌合站生產(chǎn)除塵效率，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)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(jìn)行精銑刨及清洗除塵。經(jīng)過測試，精銑刨后的路面構(gòu)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(jié)效果受混凝土板表面的浮灰影響顯著，因此為了增強(qiáng)層間效果，在高粘高彈碎石封層施工前預(yù)先噴灑一層乳化瀝青做為底油。

高粘高彈碎石封層施工時(shí)，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(yùn)輸以及攤鋪機(jī)攤鋪過程中均未出現(xiàn)層間粘結(jié)破壞的情況，可見滿鋪碎石能夠?qū)Ψ鈱悠鸬胶芎玫谋Ｗo(hù)作用，避免后續(xù)出現(xiàn)因?qū)娱g粘結(jié)不足而出現(xiàn)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(jié)和韌性，消除層間滑移。

由于試驗(yàn)段面積較小，現(xiàn)場僅使用1臺攤鋪機(jī)和1臺鋼輪壓路機(jī)，兩種級配攤鋪過程中存在冷接縫，造成局部壓實(shí)不足。此外，在起始處由于鋼輪溫度較低，存在黏輪現(xiàn)象，也造成超薄罩面局部需要補(bǔ)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(shí)度進(jìn)行測試，路面壓實(shí)度達(dá)到97%。

5.2 施工溫度監(jiān)控

采用紅外測溫儀對相關(guān)流程施工溫度進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)碎石封層噴口處瀝青降溫較快(加熱溫度為210 ℃)。混合料到場溫度高于180 ℃，攤鋪溫度為166 ℃，初壓溫度154 ℃，復(fù)壓溫度139 ℃，均符合設(shè)計(jì)要求。

5.3 混合料性能測試

施工現(xiàn)場取料后在實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果見表6?？梢园l(fā)現(xiàn)2種級配的各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求。HEVA-1雖然參照連續(xù)級配設(shè)計(jì)，但是由于0～3 mm集料含量過高，在拌合站生產(chǎn)時(shí)易造成變異性過大，且存在溫度降低后卸料不易的風(fēng)險(xiǎn)，因此在級配設(shè)計(jì)時(shí)嚴(yán)格控制了0～3 mm集料的含量。HEVA-2相比于HEVA-1動穩(wěn)定度略高，而彎拉應(yīng)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(jié)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(fù)3個月后，對其服役性能進(jìn)行評估。由現(xiàn)場AGV車輛輪跡印可以發(fā)現(xiàn)，超薄罩面處以直行和轉(zhuǎn)向荷載為主。通過現(xiàn)場勘測，試驗(yàn)路段服役良好，未出現(xiàn)掉粒、開裂及車轍現(xiàn)象?？够捌秸葴y試結(jié)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(xiàn)場運(yùn)行情況進(jìn)行對比，采用超薄罩面修復(fù)道面平整度后AGV車輛運(yùn)行平穩(wěn)，幾乎無顛簸，車輛服役壽命有望大幅延長。

6 結(jié)語

自動化集裝箱碼頭AGV車輛運(yùn)行平穩(wěn)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(jìn)行恢復(fù)。由于碼頭存在持續(xù)的不均勻沉降，因此設(shè)計(jì)采用高韌性超薄瀝青罩面作為試驗(yàn)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(fù)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(shù)是保障高韌性超薄罩面耐久性的前提，通過研發(fā)特制改性瀝青，并結(jié)合特殊的級配設(shè)計(jì)，可以使罩面材料具有遠(yuǎn)高于常規(guī)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(jié)合，實(shí)現(xiàn)了在異步施工條件下避免出現(xiàn)由于施工車輛行車而造成的層間破壞，在結(jié)構(gòu)層面保障了方案的可靠性。

(4)嚴(yán)格控制施工溫度和壓實(shí)度是保障高韌性超薄罩面耐久性的重要環(huán)節(jié)，后續(xù)工程應(yīng)用將針對如何消除施工接縫(不易壓實(shí))進(jìn)行進(jìn)一步探索。