天荒坪改性瀝青瑪蹄脂封閉層老化試驗研究

王成林，龔愛民，郝巨濤，汪正興

(1.云南農業大學，云南 昆明 650201； 2.中國水利水電科學研究院，北京 100038)

瀝青混凝土面板防滲是土石壩面板防滲、水庫防滲的主要防滲形式之一，設計中在瀝青混凝土面板表面涂刮一層2mm厚的瀝青瑪蹄脂封閉層，其作用是對面板防滲層進行防護，減緩防滲層面板的光照老化進程。然而，封閉層在自然條件下自身也會老化，需定期涂刮更新。由于目前對封閉層的老化壽命缺乏研究，工程中尚無確定封閉層更新時間的方法，工程管理中對于封閉層是否需要更新的盲目性很大。國外進行瀝青混凝土面板防滲應用的時間較早，可以依據經驗進行更新，國內由于開展得較晚，導致封閉層更新的理念尚不為工程界所重視。浙江省安吉縣天荒坪抽水蓄能電站上水庫1997年開始投入運行，由于2015年才開始進行封閉層老化的試驗研究，封閉層未能及時更新，致使水位波動區以上相當多的面板封閉層已完全脫落，防滲層裸露，影響了瀝青混凝土面板防滲層的防滲壽命。

2015年4月，本實驗室完成對天荒坪封閉層瀝青瑪蹄脂的取樣和室內試驗，發現現場封閉層中回收瀝青在常溫下已變得相當硬、脆，針入度和延度幾乎降為0，黏度已升至普通瀝青的60倍左右，且在同一溫度條件下，針入度隨著紫外光老化時間逐漸降低，軟化點和黏度隨著老化時間逐漸升高，老化速度隨著紫外輻射強度的升高而升高[2]。2019年5月，完成對天荒坪上水庫898.4m高程以上部位封閉層的修復，工程中采用了SK- 3改性瀝青瑪蹄脂。本文主要對采用的SK- 3改性瀝青瑪蹄脂進行了老化試驗研究。

1 原材料及封閉層施工工藝

天荒坪項目采用熱涂刷2mm厚瀝青瑪蹄脂，對封閉層老化區域進行修復，工作范圍為上水庫瀝青混凝土面板大約45020m2的部分，主要包括老舊封閉層的打磨清理和新瀝青瑪蹄脂封閉層的涂刷。

根據DL/T 5411—2009《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設計規范》的要求，封閉層的技術要求及試驗方法見表1，改性瀝青指標見表2，礦粉的指標見表3。

表1 封閉層的技術要求及試驗方法

施工工藝主要包括老舊封閉層的打磨清理、新瀝青瑪蹄脂封閉層的涂刷、庫底瀝青混凝土裂縫處理。

(1)舊封閉層清理采用斜坡打磨機進行，打磨機在斜坡的行走通過設置在壩頂的小型卷揚升降系統進行牽引。打磨機具備除塵系統，用于收集清理過程中的粉塵，減少污染。

表2 改性瀝青SBS類I- A的技術要求

表3 礦粉的基本性能指標

(2)封閉層的涂刷采用熱刮涂方案，封閉層材料采用SK- 3改性瀝青瑪蹄脂，為減少瀝青瑪蹄脂的加熱攪拌的煙霧排放，在廠家生產瀝青瑪蹄脂，并包裝好運輸到現場?，F場只進行脫桶、加熱并適當攪拌，且采用電加熱進行。封閉層涂刷采用封閉層刮涂機配套卷揚系統牽引進行。

(3)庫底裂縫分為瀝青混凝土常規裂縫及冷縫兩種，處理采用裂縫表面涂刷SK柔性防護涂料復合兩層胎基布，主要工藝為：基面打磨清理→涂刷底涂→刮涂SK柔性防護涂層復合胎基布。

2 室內紫外光加速老化試驗

首先，為了模擬現場的情況以及與之前老化試驗進行對比，封閉層的改性瀝青試樣嚴格按照2mm的厚度涂刮，放入紫外老化試驗機中加速老化。之前的研究已表明在瀝青老化的因素中，溫度影響很小，以及紫外老化機的溫度在45～65℃之間調節，溫度過高，容易使瀝青試樣流淌嚴重，影響封閉層的試驗厚度，所以此次在室內進行紫外光的加速老化試驗，擬采用試驗溫度為45℃與紫外光強度為1.55W/m2進行試驗，老化時間分別為100h、200h、300h、400h、500h，檢測各項指標的變化，再與之前做的50#瀝青老化試驗的數據進行對比。試驗所用到的設備主要有：美國Q- Lab公司生產的Q- UV紫外老化試驗機，旋轉式蒸發器，布式旋轉黏度計，針入度試驗器，全自動瀝青軟化點試驗器。

3 提取瀝青、測試瀝青相關指標試驗

為了能測定改性瀝青的老化程度，本文主要用有機溶劑(如三氯乙烯等)從經過紫外光老化過的改性瀝青瑪蹄脂中抽提出瀝青抽提液，然后采用一定的方法從抽提液中回收瀝青，用回收瀝青進行試驗，通過與原樣瀝青的性能對比，評價瀝青的老化狀況。

從抽提液中通過蒸餾的途徑去除溶劑的方法有阿布森法、旋轉蒸發器法。阿布森法主要是在常壓下蒸餾溶劑，由于蒸餾溫度高達155℃，并且時間較長，瀝青在回收過程中的再次老化較為嚴重。旋轉蒸發器法通過減壓蒸餾去除溶劑，降低了蒸餾溫度，同時試驗過程屬于真空狀態，減輕了回收過程中瀝青的老化，目前國外用得比較廣泛的也是旋轉蒸發器法。于是本試驗將采用旋轉蒸發器法，其原理是通過抽真空來降低溶劑三氯乙烯的沸點，使其在50℃左右沸騰蒸發，并通過冷凝器冷凝收集出三氯乙烯。由于蒸發溫度較低，且裝置中保持真空，氧氣含量極低，因而回收過程中可以確保瀝青不發生二次老化。

瀝青抽提回收過程中，可能因為裝置的密實問題，瀝青混合料中的細小礦粉顆粒會透過濾紙進入抽提液，蒸發時間不足也會使瀝青抽提液中含有殘留溶劑。有研究表明，抽提液中少量的礦粉殘留對針入度和軟化點的影響較小，可以忽略不計，但對延度影響較大，即使極少量的礦粉含量也會使延度大大降低；并且極小量的三氯乙烯就會對瀝青三大指標產生顯著影響[3]，但該影響可以通過延長蒸發時間完全去除。由于瀝青抽提液中的礦粉不可能完全去除，本文取消了延度試驗，增加了黏度測試。試驗中礦粉含量對瀝青黏度的影響很小，可以忽略不計。

在旋轉蒸發器回收的最后階段，瀝青溶液中溶劑絕大部分已經蒸發出來，變得很黏稠，從而影響殘留的三氯乙烯繼續蒸發。為此，需將蒸發溫度提高到155℃繼續蒸發一段時間以完全去除三氯乙烯。為了確定在155℃下的蒸發時間，需要進行空白試驗，即采用三氯乙烯溶解原樣改性瀝青，再用旋轉蒸發器回收，測試155℃溫度下不同蒸發時間的瀝青指標，選取與原樣測試結果最接近的作為蒸發時間。空白試驗結果主要以25℃針入度為準，見表4。

表4 空白蒸發試驗結果

從表4可以看出，在155℃蒸發30min回收的改性瀝青指標和原樣改性瀝青幾乎完全一致，因此確定155℃蒸發時間為30min。

4 試驗結果

因為之前做過的50#瀝青老化后的25℃針入度較小，不利于與老化后的針入度進行比較，改性瀝青需要與50#瀝青進行對照試驗，因此封閉層紫外光老化試驗中針入度測試溫度統一調整為35℃。50#瀝青瑪蹄脂老化試驗結果見表5。天荒坪應用的改性瀝青瑪蹄脂老化試驗結果見表6。改性瀝青與50#瀝青老化后的各項指標對比如圖1—圖3所示。

表5 50#瀝青瑪蹄脂老化試驗結果

表6 改性瀝青瑪蹄脂老化試驗結果

圖1 改性瀝青與50#瀝青針入度老化對比

圖2 改性瀝青與50#瀝青軟化點老化對比

圖3 改性瀝青與50#瀝青黏度老化對比

從試驗結果分析可以看出，紫外光對改性瀝青以及50#瀝青的老化影響還是很大的。在相同的老化時間下，改性瀝青的各項指標都優于原來使用的50#瀝青。雖然改性瀝青性能比原來使用的瀝青要好，但是隨著老化時間的增長，改性瀝青老化得也會很嚴重，直到失去防滲能力。正如文獻[4]里提到的，在材料方面，改性瀝青的抗老化抗侵蝕的能力強于普通瀝青。

5 結語

(1)將從現場帶回的改性瀝青瑪蹄脂進行紫外光老化試驗，并與50#瀝青瑪蹄脂的老化進行對照試驗，得出現用的改性瀝青在抗老化的性能上優于50#瀝青。

(2)瀝青瑪蹄脂作為封閉層只是起到了保護瀝青混凝土防滲層的作用，雖然改性瀝青在抗老化抗侵蝕的能力比較好，但是隨著老化時間的增長，還是會喪失一部分性能，這就需要定期進行封閉層的更換，防止因封閉層更新不及時影響對防滲層的保護作用。

(3)這次試驗只進行了一組對照試驗，應該在后期補充不同紫外光輻照度的試驗，有利于更顯著地觀察改性瀝青瑪蹄脂的耐久性，后期進行試驗數據的整理計算，得出改性瀝青的老化規律。