天荒坪抽水蓄能電站上水庫瀝青混凝土面板防滲層老化試驗(yàn)研究

周俊杰，趙毅鋒，王亮春，田 偉

（華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司，浙江省安吉縣 313302）

1 前言

天荒坪抽水蓄能電站位于浙江省安吉縣天荒坪鎮(zhèn)，電站裝機(jī)容量為1800MW。電站上水庫利用天然洼地挖填而成，四周布置“一主四副”五座土石壩，全庫盆采用瀝青混凝土面板防滲結(jié)構(gòu)。瀝青混凝土面板為簡式結(jié)構(gòu)，由瀝青瑪蹄脂封閉層、防滲層、整平膠結(jié)層組成。

上水庫開挖和填筑工程由中國水利水電第五工程局有限公司承建，瀝青混凝土防滲面板工程系國際標(biāo)，由德國特拉堡公司（Strabag）承建。為我國20世紀(jì)末引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)建造的第一座全庫盆瀝青混凝土面板堆石壩，對我國后續(xù)瀝青混凝土防護(hù)工程的設(shè)計(jì)、施工等提供了寶貴的工程價值。為探索瀝青混凝土的老化情況，開展了本文的研究工作。

2 小梁彎曲試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法和條件

對切割的彎曲試件測定密度，計(jì)算孔隙率。將試件在溫度5℃條件下恒溫不少于4h，將試驗(yàn)機(jī)置于恒溫室中，通過調(diào)頻電源可進(jìn)行無級調(diào)速，控制位移速率，利用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采集荷載和位移。

施工期間開展的防滲層芯樣小梁彎曲試驗(yàn)時，芯樣彎曲試件尺寸為250mm×35mm×30mm，支點(diǎn)中心距為200mm，小梁跨中位移速率0.5mm/min。跨中彎曲應(yīng)變率為：6×35×0.5/（200×200）×100%=0.263%/min=4.4×10-5/s。為了便于性能對比，本次小梁彎曲的試驗(yàn)溫度和彎曲應(yīng)變率與施工期保持一致。由于本次芯樣彎曲試件尺寸為240mm×40mm×35mm，支點(diǎn)中心距為195mm，則小梁跨中位移速率應(yīng)設(shè)定為：0.00263×195×195/（6×40）=0.42mm/min。

2.2 試驗(yàn)成果

在溫度5℃條件下，對18個瀝青混凝土彎曲試件的試驗(yàn)結(jié)果見表1。

2.3 試驗(yàn)成果對比分析

2.3.1 彎曲強(qiáng)度

從三個區(qū)防滲層上下層彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)成果比較圖1可看出，3個區(qū)防滲層上下層經(jīng)18年運(yùn)行后的彎曲強(qiáng)度相對變化比較有規(guī)律，從常年水下區(qū)到水位波動區(qū)及常年裸露區(qū)強(qiáng)度呈現(xiàn)硬化趨勢。就同區(qū)上下層比較而言，常年裸露區(qū)及水位波動區(qū)防滲層上層均比下層彎曲強(qiáng)度有所提高，而常年水下區(qū)防滲層上層比下層彎曲強(qiáng)度卻略有降低。

表1 小梁彎曲試驗(yàn)成果Tab.1 Dates of bending test

2.3.2 彎曲應(yīng)變

從最大彎曲強(qiáng)度對應(yīng)的彎曲應(yīng)變比較圖2可看出，3個區(qū)防滲層上下層經(jīng)18年后的彎曲應(yīng)變盡管有個別試件數(shù)據(jù)有些離散，但總的應(yīng)變相對變化比較有規(guī)律。從常年水下區(qū)到水位波動區(qū)及常年裸露區(qū)應(yīng)變呈現(xiàn)減小趨勢。各區(qū)防滲層上下層彎曲應(yīng)變相對變化不甚明顯。

圖1 3個區(qū)防滲層上下層彎曲強(qiáng)度比較（5℃）Fig．1 Comparison of bending strength of the upper and lower layers in 3 zones at different height（5℃）

圖2 3個區(qū)防滲層上下層彎曲應(yīng)變比較（5℃）Fig．2 Comparison of bending strain of the upper and lower layers in 3 zones at different height（5℃）

3個區(qū)彎曲強(qiáng)度和應(yīng)變比較可看出，瀝青混凝土面板防滲層的硬化老化符合面板運(yùn)行條件。處在常年裸露區(qū)的面板因受陽光、溫度、空氣等影響最大，面板老化程度也最嚴(yán)重，強(qiáng)度比常年水下區(qū)提高21%，應(yīng)變降低26%；水位波動區(qū)的面板老化程度次之，強(qiáng)度比常年水下區(qū)提高6%，應(yīng)變降低17%。各區(qū)面板防滲層上下層的彎曲強(qiáng)度和應(yīng)變變化不明顯。

2.4 與施工期試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析

1997年8月，特拉堡公司（Strabag）委托西安理工大學(xué)防滲研究所進(jìn)行防滲層瀝青混凝土小梁彎曲試驗(yàn)。其中在5℃條件下7個試件的彎曲強(qiáng)度平均值為2.385MPa，彎曲應(yīng)變平均值為3.738%。

瀝青混凝土面板運(yùn)行18年后，3個區(qū)上下層的彎曲強(qiáng)度和應(yīng)變與施工時的比較見表2。可看出，瀝青混凝土面板防滲層經(jīng)18年運(yùn)行后，各區(qū)都有不同程度的老化。常年裸露區(qū)彎曲強(qiáng)度提高22%，彎曲應(yīng)變降低36%；水位波動區(qū)強(qiáng)度提高7%，應(yīng)變降低28%；常年水下區(qū)強(qiáng)度幾乎無變化，應(yīng)變降低12%。應(yīng)變的降低程度比強(qiáng)度的提高大，這可能與面板在18年的運(yùn)行過程中已經(jīng)產(chǎn)生了殘余應(yīng)變有關(guān)。

3 小梁拉伸試驗(yàn)

3.1 試樣方法和條件

對切割的拉伸試件測定密度，計(jì)算孔隙率。將切割好的試件兩頭用高強(qiáng)度黏結(jié)劑粘在夾頭上，穩(wěn)定24h凝固。將試件分3組分別在溫度5、20℃水浴中恒溫不少于4h。

施工期在進(jìn)行天荒坪瀝青混凝土面板防滲層芯樣軸拉試驗(yàn)時，芯樣試件尺寸為125mm×40mm×40mm，拉伸速率0.5mm/min。為了便于性能對比，本次拉伸試驗(yàn)試件尺寸、拉伸速率和溫度均與1997年的保持一致。瀝青混凝土拉伸試驗(yàn)在瀝青混凝土專用試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，通過調(diào)頻電源可以無級調(diào)速，以控制拉伸速率。將試驗(yàn)機(jī)置于恒溫室中，利用計(jì)算機(jī)采集控制系統(tǒng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2 防滲層運(yùn)行18年后的彎曲性能與施工時的性能比較Tab.2 Comparison of the bending properties of the anti-seepage layer before and after 18 years operation

3.2 試驗(yàn)成果

在溫度5、20℃條件下，試件的試驗(yàn)結(jié)果分別見表3、表4。

表3 5℃條件下拉伸試驗(yàn)成果Tab.3 Tensile test results at 5℃

表4 20℃條件拉伸試驗(yàn)成果Tab.4 Tensile test results at 20℃

3.3 試驗(yàn)成果對比分析

3.3.1 拉伸強(qiáng)度

兩種溫度條件下，3個區(qū)瀝青混凝土面板防滲層上下層拉伸強(qiáng)度比較分別見圖3和圖4。可看出，盡管20℃下的部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較離散，3個區(qū)防滲層上下層經(jīng)18年后的拉伸強(qiáng)度相對變化比較有規(guī)律，從常年水下區(qū)到水位波動區(qū)及常年裸露區(qū)強(qiáng)度呈現(xiàn)硬化趨勢，上下層拉伸強(qiáng)度沒有明顯變化。

3.3.2 拉伸應(yīng)變

兩種溫度條件下，3個區(qū)瀝青混凝土面板防滲層上下層拉伸應(yīng)變比較分別見圖5和圖6。可看出，試驗(yàn)溫度為12℃時，3個區(qū)防滲層上層數(shù)據(jù)比較離散，3個區(qū)應(yīng)變比較略有變化；而防滲層下層數(shù)據(jù)離散很小，3個區(qū)應(yīng)變比較幾乎無變化。試驗(yàn)溫度為20℃時，3個區(qū)防滲層拉伸應(yīng)變數(shù)據(jù)略有離散，應(yīng)變相對變化比較有規(guī)律。從常年水下區(qū)到水位波動區(qū)及常年裸露區(qū)應(yīng)變略呈減小趨勢。

圖3 3個區(qū)防滲層上下層拉伸強(qiáng)度比較（5℃）Fig．3 Comparison of the tensile strength of the upper and lower layers in 3 zones at different height（5℃）

圖4 3個區(qū)防滲層上下層拉伸強(qiáng)度比較（20℃）Fig．4 Comparison of the tensile strength of the upper and lower layers in 3 zones at different height（20℃）

3.4 與施工期試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較

1997年施工期，5℃條件下6個試件的平均拉伸強(qiáng)度為1.155 MPa，拉伸應(yīng)變?yōu)?.311%；20℃條件下平均拉伸強(qiáng)度為0.233 MPa，拉伸應(yīng)變?yōu)?.228%。瀝青混凝土面板運(yùn)行18年后，3個區(qū)上下層的拉伸強(qiáng)度和應(yīng)變與上述值比較見表5。

圖5 3個區(qū)防滲層上下層拉伸應(yīng)變比較（5℃）Fig．5 Comparison of the tensile strain of the upper and lower layers in 3 zones at different height（5℃）

圖6 3個區(qū)防滲層上下層拉伸應(yīng)變比較（20℃）Fig．6 Comparison of the tensile strain of the upper and lower layers in 3 zones at different height（20℃）

表5 防滲層運(yùn)行18年后的拉伸性能與施工時的比較Tab.5 Comparison of the tensile properties of the anti-seepage layer before and after 18 years operation

從表5可看出，瀝青混凝土面板防滲層經(jīng)18年運(yùn)行后，在5℃條件下，各區(qū)拉伸強(qiáng)度都有較大程度增加，常年裸露區(qū)強(qiáng)度提高80%、水位變動區(qū)增加71%、常年水下區(qū)增加52%；而各區(qū)拉伸應(yīng)變反常增加，可能與試件數(shù)量少、試件存在差異性有關(guān)。在20℃條件下，各區(qū)拉伸強(qiáng)度都有較大程度增加，常年裸露區(qū)強(qiáng)度提高93%、水位變動區(qū)增加76%、常年水下區(qū)增加37%；各區(qū)拉伸應(yīng)變都有不同程度的降低，常年裸露區(qū)降低23%、水位變動區(qū)降低6%、常年水下區(qū)降低14%。

4 瀝青混凝土防滲層老化力學(xué)性能預(yù)測

按室內(nèi)加熱加速老化方法，將加熱老化時間分別設(shè)定為3.5h（相當(dāng)于施工過程）、15.25h（相當(dāng)于面板運(yùn)行14年）、28.7h（相當(dāng)于面板運(yùn)行30年）、45.5h（相當(dāng)于面板運(yùn)行50年）的4組瀝青混合料制備瀝青混凝土小梁彎曲試件，試件尺寸為240mm×40mm×35mm，每組6個試件。小梁彎曲試驗(yàn)條件與前述試驗(yàn)條件相同，即試驗(yàn)溫度5℃，中點(diǎn)位移速率0.42mm/min。試驗(yàn)結(jié)果見圖7。

圖7 瀝青混合料經(jīng)不同加熱老化時間（運(yùn)用年限）后的彎曲應(yīng)力應(yīng)變Fig．7 Changing process of bending stress and strain of the asphalt concrete when heating（simulating aging process）

從圖7可看出，瀝青混凝土彎曲強(qiáng)度隨著瀝青混合料加熱老化時間（面板運(yùn)行年限）增大而增大，彎曲應(yīng)變隨著瀝青混合料加熱老化時間（面板運(yùn)行年限）增大而減小。彎曲性能從瀝青混合料加熱老化時間3.5h（相當(dāng)于施工過程）到15.25h（相當(dāng)于面板運(yùn)行14年）變化較快，彎曲強(qiáng)度從2.5MPa上升到3.34MPa，而彎曲應(yīng)變由3.1%下降到2.0%。隨后彎曲性能變化緩慢，從瀝青混合料加熱老化時間15.25h到28.7h和45.5h，彎曲強(qiáng)度從3.34MPa上升到3.51MPa和4.0MPa，而彎曲應(yīng)變2.0%下降到1.70%和1.50%。按此規(guī)律，即使瀝青混合料加熱老化87.3h（面板運(yùn)行100年），瀝青混凝土仍有1.3%彎曲應(yīng)變。

5 結(jié)束語

石油瀝青主要由油分、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)組成，其中油分是密度最小的成分。當(dāng)瀝青在日照、熱空氣、浸水、高低溫循環(huán)等外界因素長時間作用下，瀝青中的輕質(zhì)成分就會揮發(fā)，導(dǎo)致瀝青變脆、變硬，嚴(yán)重的會導(dǎo)致瀝青開裂，這就是瀝青老化的基本特征。瀝青混凝土的老化宏觀判斷：瀝青材料失去原有的光澤、強(qiáng)度變高、易碎，對于老化較嚴(yán)重的，會出現(xiàn)網(wǎng)狀的細(xì)小裂縫。

通過對天荒坪上水庫瀝青混凝土防滲層開展的小梁彎曲及拉伸試驗(yàn)，從物理試驗(yàn)方面對瀝青混凝土的老化情況進(jìn)行了初步研究，得出以下結(jié)論：

（1）瀝青混凝土防滲層的小梁彎曲試驗(yàn)不同分區(qū)呈現(xiàn)不同的老化規(guī)律，常年裸露區(qū)彎曲強(qiáng)度提高幅度最大，彎曲應(yīng)變降低幅度也最大；水位波動區(qū)次之、常年水下區(qū)防滲層的強(qiáng)度與應(yīng)變值較為穩(wěn)定。

（2）瀝青混凝土防滲層的小梁拉伸試驗(yàn)不同分區(qū)呈現(xiàn)不同的老化規(guī)律，同時也受溫度影響較為明顯。在相同溫度下，常年裸露區(qū)拉伸強(qiáng)度提高幅度最大，彎曲應(yīng)變降低幅度也最大；水位波動區(qū)次之、常年水下區(qū)防滲層的強(qiáng)度與應(yīng)變值較為穩(wěn)定。這與防滲層的小梁彎曲試驗(yàn)成果變化規(guī)律基本一致。

（3）試件孔隙率均小于4%，根據(jù)日本沼原水庫瀝青混凝土面板運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，天荒坪抽水蓄能電站上水庫瀝青混凝土面板仍具有較好的防滲性能。加速老化的力學(xué)性能試驗(yàn)研究結(jié)果表明，即使老化最嚴(yán)重的常年裸露區(qū)防滲層表層0～8mm，仍然具有相當(dāng)長的運(yùn)行壽命。

（4） 天荒坪抽水蓄能電站上水庫瀝青混凝土經(jīng)過多年的運(yùn)行后，在紫外線、空氣、水分等作用下，防滲層呈現(xiàn)出一定的老化特征，后續(xù)將結(jié)合瀝青混凝土的性能試驗(yàn)，進(jìn)一步論證其老化程度及變化過程，為電站的安全運(yùn)行提供參考。

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