天荒坪改性沥青玛蹄脂封闭层老化试验研究

王成林，龚爱民，郝巨涛，汪正兴

(1.云南农业大学，云南 昆明 650201； 2.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

沥青混凝土面板防渗是土石坝面板防渗、水库防渗的主要防渗形式之一，设计中在沥青混凝土面板表面涂刮一层2mm厚的沥青玛蹄脂封闭层，其作用是对面板防渗层进行防护，减缓防渗层面板的光照老化进程。然而，封闭层在自然条件下自身也会老化，需定期涂刮更新。由于目前对封闭层的老化寿命缺乏研究，工程中尚无确定封闭层更新时间的方法，工程管理中对于封闭层是否需要更新的盲目性很大。国外进行沥青混凝土面板防渗应用的时间较早，可以依据经验进行更新，国内由于开展得较晚，导致封闭层更新的理念尚不为工程界所重视。浙江省安吉县天荒坪抽水蓄能电站上水库1997年开始投入运行，由于2015年才开始进行封闭层老化的试验研究，封闭层未能及时更新，致使水位波动区以上相当多的面板封闭层已完全脱落，防渗层裸露，影响了沥青混凝土面板防渗层的防渗寿命。

2015年4月，本实验室完成对天荒坪封闭层沥青玛蹄脂的取样和室内试验，发现现场封闭层中回收沥青在常温下已变得相当硬、脆，针入度和延度几乎降为0，黏度已升至普通沥青的60倍左右，且在同一温度条件下，针入度随着紫外光老化时间逐渐降低，软化点和黏度随着老化时间逐渐升高，老化速度随着紫外辐射强度的升高而升高[2]。2019年5月，完成对天荒坪上水库898.4m高程以上部位封闭层的修复，工程中采用了SK- 3改性沥青玛蹄脂。本文主要对采用的SK- 3改性沥青玛蹄脂进行了老化试验研究。

1 原材料及封闭层施工工艺

天荒坪项目采用热涂刷2mm厚沥青玛蹄脂，对封闭层老化区域进行修复，工作范围为上水库沥青混凝土面板大约45020m2的部分，主要包括老旧封闭层的打磨清理和新沥青玛蹄脂封闭层的涂刷。

根据DL/T 5411—2009《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》的要求，封闭层的技术要求及试验方法见表1，改性沥青指标见表2，矿粉的指标见表3。

表1 封闭层的技术要求及试验方法

施工工艺主要包括老旧封闭层的打磨清理、新沥青玛蹄脂封闭层的涂刷、库底沥青混凝土裂缝处理。

(1)旧封闭层清理采用斜坡打磨机进行，打磨机在斜坡的行走通过设置在坝顶的小型卷扬升降系统进行牵引。打磨机具备除尘系统，用于收集清理过程中的粉尘，减少污染。

表2 改性沥青SBS类I- A的技术要求

表3 矿粉的基本性能指标

(2)封闭层的涂刷采用热刮涂方案，封闭层材料采用SK- 3改性沥青玛蹄脂，为减少沥青玛蹄脂的加热搅拌的烟雾排放，在厂家生产沥青玛蹄脂，并包装好运输到现场。现场只进行脱桶、加热并适当搅拌，且采用电加热进行。封闭层涂刷采用封闭层刮涂机配套卷扬系统牵引进行。

(3)库底裂缝分为沥青混凝土常规裂缝及冷缝两种，处理采用裂缝表面涂刷SK柔性防护涂料复合两层胎基布，主要工艺为：基面打磨清理→涂刷底涂→刮涂SK柔性防护涂层复合胎基布。

2 室内紫外光加速老化试验

首先，为了模拟现场的情况以及与之前老化试验进行对比，封闭层的改性沥青试样严格按照2mm的厚度涂刮，放入紫外老化试验机中加速老化。之前的研究已表明在沥青老化的因素中，温度影响很小，以及紫外老化机的温度在45～65℃之间调节，温度过高，容易使沥青试样流淌严重，影响封闭层的试验厚度，所以此次在室内进行紫外光的加速老化试验，拟采用试验温度为45℃与紫外光强度为1.55W/m2进行试验，老化时间分别为100h、200h、300h、400h、500h，检测各项指标的变化，再与之前做的50#沥青老化试验的数据进行对比。试验所用到的设备主要有：美国Q- Lab公司生产的Q- UV紫外老化试验机，旋转式蒸发器，布式旋转黏度计，针入度试验器，全自动沥青软化点试验器。

3 提取沥青、测试沥青相关指标试验

为了能测定改性沥青的老化程度，本文主要用有机溶剂(如三氯乙烯等)从经过紫外光老化过的改性沥青玛蹄脂中抽提出沥青抽提液，然后采用一定的方法从抽提液中回收沥青，用回收沥青进行试验，通过与原样沥青的性能对比，评价沥青的老化状况。

从抽提液中通过蒸馏的途径去除溶剂的方法有阿布森法、旋转蒸发器法。阿布森法主要是在常压下蒸馏溶剂，由于蒸馏温度高达155℃，并且时间较长，沥青在回收过程中的再次老化较为严重。旋转蒸发器法通过减压蒸馏去除溶剂，降低了蒸馏温度，同时试验过程属于真空状态，减轻了回收过程中沥青的老化，目前国外用得比较广泛的也是旋转蒸发器法。于是本试验将采用旋转蒸发器法，其原理是通过抽真空来降低溶剂三氯乙烯的沸点，使其在50℃左右沸腾蒸发，并通过冷凝器冷凝收集出三氯乙烯。由于蒸发温度较低，且装置中保持真空，氧气含量极低，因而回收过程中可以确保沥青不发生二次老化。

沥青抽提回收过程中，可能因为装置的密实问题，沥青混合料中的细小矿粉颗粒会透过滤纸进入抽提液，蒸发时间不足也会使沥青抽提液中含有残留溶剂。有研究表明，抽提液中少量的矿粉残留对针入度和软化点的影响较小，可以忽略不计，但对延度影响较大，即使极少量的矿粉含量也会使延度大大降低；并且极小量的三氯乙烯就会对沥青三大指标产生显著影响[3]，但该影响可以通过延长蒸发时间完全去除。由于沥青抽提液中的矿粉不可能完全去除，本文取消了延度试验，增加了黏度测试。试验中矿粉含量对沥青黏度的影响很小，可以忽略不计。

在旋转蒸发器回收的最后阶段，沥青溶液中溶剂绝大部分已经蒸发出来，变得很黏稠，从而影响残留的三氯乙烯继续蒸发。为此，需将蒸发温度提高到155℃继续蒸发一段时间以完全去除三氯乙烯。为了确定在155℃下的蒸发时间，需要进行空白试验，即采用三氯乙烯溶解原样改性沥青，再用旋转蒸发器回收，测试155℃温度下不同蒸发时间的沥青指标，选取与原样测试结果最接近的作为蒸发时间。空白试验结果主要以25℃针入度为准，见表4。

表4 空白蒸发试验结果

从表4可以看出，在155℃蒸发30min回收的改性沥青指标和原样改性沥青几乎完全一致，因此确定155℃蒸发时间为30min。

4 试验结果

因为之前做过的50#沥青老化后的25℃针入度较小，不利于与老化后的针入度进行比较，改性沥青需要与50#沥青进行对照试验，因此封闭层紫外光老化试验中针入度测试温度统一调整为35℃。50#沥青玛蹄脂老化试验结果见表5。天荒坪应用的改性沥青玛蹄脂老化试验结果见表6。改性沥青与50#沥青老化后的各项指标对比如图1—图3所示。

表5 50#沥青玛蹄脂老化试验结果

表6 改性沥青玛蹄脂老化试验结果

图1 改性沥青与50#沥青针入度老化对比

图2 改性沥青与50#沥青软化点老化对比

图3 改性沥青与50#沥青黏度老化对比

从试验结果分析可以看出，紫外光对改性沥青以及50#沥青的老化影响还是很大的。在相同的老化时间下，改性沥青的各项指标都优于原来使用的50#沥青。虽然改性沥青性能比原来使用的沥青要好，但是随着老化时间的增长，改性沥青老化得也会很严重，直到失去防渗能力。正如文献[4]里提到的，在材料方面，改性沥青的抗老化抗侵蚀的能力强于普通沥青。

5 结语

(1)将从现场带回的改性沥青玛蹄脂进行紫外光老化试验，并与50#沥青玛蹄脂的老化进行对照试验，得出现用的改性沥青在抗老化的性能上优于50#沥青。

(2)沥青玛蹄脂作为封闭层只是起到了保护沥青混凝土防渗层的作用，虽然改性沥青在抗老化抗侵蚀的能力比较好，但是随着老化时间的增长，还是会丧失一部分性能，这就需要定期进行封闭层的更换，防止因封闭层更新不及时影响对防渗层的保护作用。

(3)这次试验只进行了一组对照试验，应该在后期补充不同紫外光辐照度的试验，有利于更显著地观察改性沥青玛蹄脂的耐久性，后期进行试验数据的整理计算，得出改性沥青的老化规律。