瀝青高溫性能對防滲層瀝青混凝土斜坡流淌的影響

鄒長根，余 浩，閆小虎，林振華，磨煉同，肖 月

(1.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070；2.長江科學院水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，武漢 430010)

水工瀝青混凝土防滲面板是抽水蓄能水庫重要的防滲結(jié)構(gòu)形式，其中防滲層是最重要的結(jié)構(gòu)層[1-3]。除了抗?jié)B性、水穩(wěn)定性和柔性外，高溫抗斜坡流淌是防滲層瀝青混凝土的關(guān)鍵技術(shù)指標之一，設(shè)計規(guī)范要求斜坡流淌值在70 ℃保溫48 h條件下不大于0.8 mm，以保證運行期間夏季高溫時不發(fā)生流淌[4-6]。斜坡流淌的本質(zhì)是瀝青混凝土高溫蠕變，與瀝青高溫性能直接相關(guān)，因此有必要深入了解水工瀝青的高溫流變特性，以建立基于使用性能的瀝青選擇和優(yōu)化方法[7-9]。當前已建或在建工程項目一般都是依據(jù)工程特點有針對性進行水工瀝青定制加工。水工瀝青的性能主要以老化前后三大指標(針入度、軟化點和延度)進行表征，難以直接反映水工瀝青混凝土在服役過程中的高溫斜坡流淌性能[10]。因此有必要借鑒道路瀝青研究成果，開展基于高溫流變特性的水工瀝青高溫流變性能試驗與分析，建立水工瀝青高溫流變性能與水工瀝青混凝土斜坡流淌性能相互匹配的評價指標體系，為建立水工瀝青優(yōu)選和瀝青混凝土材料組成優(yōu)化與性能調(diào)控提供參考。論文采用軟化點、DSR復(fù)合模量、相位角、不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃糠謩e評價不同水工瀝青高溫性能，并分析其與防滲層瀝青混凝土斜坡流淌值的相關(guān)性，并提出基于瀝青高溫性能的斜坡流淌值預(yù)測方法。

1 試 驗

1.1 原材料

試驗采用克拉瑪依SG70水工瀝青、京博SG70水工瀝青、句容SG90水工瀝青、遼河SG90水工瀝青和京博SBS(I-C)改性水工瀝青進行試驗對比研究，所用五種水工瀝青的相關(guān)性能指標均滿足規(guī)范技術(shù)要求。骨料采用石灰?guī)r加工，共9.5～16 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm、0.075～2.36 mm四種規(guī)格。細骨料0.075～2.36 mm中按0.3 mm篩孔通過率不大于5%來控制石粉含量。填料采用石灰?guī)r磨細礦粉。所采用的骨料與填料各項性能指標均滿足相關(guān)水工瀝青混凝土施工規(guī)范要求。

1.2 瀝青高溫性能檢測

瀝青軟化點參照水工瀝青試驗規(guī)程進行測試，采用動態(tài)剪切流變儀進行70 ℃下的頻率掃描得到五種水工瀝青的復(fù)合模量和相位角。采用動態(tài)剪切流變儀中多應(yīng)力重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗(Multiple Stress Creep and Recovery,MSCR)[11]，測試了五種水工瀝青在70 ℃下的高溫蠕變性能，通過計算不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr值和恢復(fù)率R對比分析五種水工瀝青的高溫蠕變性能。道路瀝青MSCR試驗一般采用0.1 kPa和3.2 kPa的加載應(yīng)力水平，由于防滲層水工瀝青混凝土在斜坡中只受自身重力分力的作用，其加載應(yīng)力水平應(yīng)比公路輪胎作用力的低1～2個數(shù)量級，因此試驗采用0.1 kPa下的應(yīng)力水平?？紤]到瀝青粘彈性材料的延遲彈性特點，采用加載1 s、卸載9 s的加載方式，以便能夠較好的表征瀝青的高溫蠕變性能。

1.3 配合比

為了分析不同瀝青高溫性能對防滲層瀝青混凝土斜坡流淌的影響，采用同一級配指數(shù)0.4，填料用量11%，油石比為7.6%，最大粒徑16 mm，通過丁樸榮公式設(shè)計礦料級配。

1.4 斜坡流淌試驗

按《水工瀝青混凝土試驗規(guī)程》制備標準馬歇爾試件和開展斜坡流淌試驗[12]。標準馬歇爾試件采用正、反面各擊實20次。斜坡流淌試驗時將馬歇爾試件置于坡度為1∶1.7的試驗臺上，在70 ℃的烘箱中恒溫48 h后，讀取距離試件底部50 mm處位移計上的讀數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 瀝青高溫性能

五種水工瀝青的軟化點、70 ℃復(fù)合模量、相位角和0.1 kPa下的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr0.1 kPa見表1。從表1中可以看出，SBS改性瀝青在高溫下的上述四個指標均是五種水工瀝青中最佳。SBS改性瀝青軟化點最高，為59.5 ℃。其次為京博SG70的52 ℃、遼河SG90的51.9 ℃和克拉瑪依SG70的49.0 ℃，句容SG90的軟化點最低為48.6 ℃。SBS改性瀝青的70 ℃復(fù)合模量為0.190 kPa，比其他四種水工瀝青的復(fù)合模量高出一個數(shù)量級。在相位角方面，SBS改性瀝青的為67°，表明其粘彈特性很好地保持到了較高的溫度，其次為遼河SG90和句容SG90瀝青的77.3°和80.2°，在70 ℃仍有著一定的粘彈性，而京博SG70和克拉瑪依SG70瀝青70 ℃相位角接近90°，基本上趨于流體狀態(tài)，可以預(yù)測其高溫性能較差。類似的，SBS改性瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃勘绕渌姆N水工瀝青的復(fù)合模量高出一個數(shù)量級，為0.51 kPa-1。其次為京博SG70瀝青和克拉瑪依SG70瀝青的1.6 kPa-1和3.58 kPa-1，遼河SG90和句容SG90瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃枯^為接近，分別為5.25 kPa-1和5.67 kPa-1，表明其在高溫下的累積變形最大，抵抗高溫變形能力較差。

表1 五種瀝青軟化點、70 ℃復(fù)合模量與相位角和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?/p>

2.2 防滲層瀝青混凝土斜坡流淌試驗結(jié)果

五種水工瀝青成型的瀝青混凝土試件的斜坡流淌值見表2。由表2中可以看出，五種水工瀝青混凝土的斜坡流淌值均合格，且?guī)追N水工瀝青的斜坡流淌離散性較小。從斜坡流體平均值可知，SBS改性水工瀝青的最小，其次為京博SG70瀝青和克拉瑪依SG70瀝青，句容SG90瀝青的斜坡流淌值最大為0.425 mm,表明其抗高斜坡流淌能力最差。上述結(jié)果表明瀝青對溫度的敏感性與瀝青的高溫性能對水工瀝青混凝土的斜坡流淌性能有很大的相關(guān)性。

表2 五種瀝青防滲層瀝青混凝土斜坡流淌試驗結(jié)果

3 高溫性能相關(guān)性分析

3.1 灰色關(guān)聯(lián)分析

按照灰色關(guān)聯(lián)計算方法，選取水工瀝青混凝土70 ℃高溫斜坡流淌值試驗數(shù)據(jù)作為參考數(shù)列，五種不同水工瀝青的軟化點、70 ℃復(fù)合模量G*與相位角δ和70 ℃的Jnr0.1 kPa作為比較數(shù)列。五種水工瀝青及其混凝土的參考數(shù)列及比較數(shù)列如表3所示。

表3 水工瀝青及混凝土高溫參考數(shù)列與比較數(shù)列

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)公式對上述五種水工瀝青及混凝土參考數(shù)列與比較數(shù)列所羅列的數(shù)據(jù)進行無量綱的標準化處理，處理后得到表4。

表4 水工瀝青指標與混凝土高溫性能指標的數(shù)據(jù)標準化

再利用灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)計算公式，經(jīng)過計算得各比較數(shù)列與參考數(shù)列的關(guān)聯(lián)度得到表5。

表5 水工瀝青指標與混凝土高溫性能指標的關(guān)聯(lián)度

由表5可知，水工瀝青混凝土高溫斜坡流淌即瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性的關(guān)聯(lián)度大小排序為：X3>X1>X4>X2，即水工瀝青的δ>軟化點>Jnr0.1 kPa>G*。

3.2 線性相關(guān)性分析

圖1分別給出了瀝青軟化點、70 ℃復(fù)合模量G*、70 ℃相位角δ和Jnr0.1 kPa與其混凝土的斜坡流淌值之間的相關(guān)性和相關(guān)系數(shù)。從圖1中可以看出，隨著瀝青軟化點和復(fù)合模量的增大，其混凝土的斜坡流淌值逐漸減小，呈現(xiàn)出線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.864 1和0.767 2。隨著相位角的增大，斜坡流淌值逐漸增大，也呈現(xiàn)出線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2為0.359 6，其線性相關(guān)系數(shù)較小，但是由于相位角越接近90°，瀝青就越接近牛頓流體，而相位角在60°附近呈現(xiàn)出粘彈俱佳的狀態(tài)，有著更好的高溫性能。此外，0.1 kPa下的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃颗c斜坡流淌值的相關(guān)系數(shù)R2為0.868 5，其中，0.1 kPa的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃颗c斜坡流淌值的相關(guān)性最強，這是因為瀝青混凝土斜坡流淌的本質(zhì)是瀝青高溫蠕變，其高溫強度主要取決于瀝青粘聚力。

結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)和線性關(guān)聯(lián)的結(jié)果，并且綜合考慮斜坡流淌的本質(zhì)，可以確定的是水工瀝青的軟化點和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃颗c斜坡流淌有著較強的關(guān)聯(lián)性。在高溫情況下，不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃靠勺鳛榱硪粋€流變性能指標對水工瀝青品質(zhì)進行優(yōu)選。高溫斜坡流淌是瀝青混凝土自重條件下的長期變形行為，應(yīng)采用低應(yīng)力水平和長時間蠕變穩(wěn)定性來評價水工瀝青混凝土。因此，選用軟化點和0.1 kPa下的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?，提出水工瀝青混凝土高溫斜坡流淌值預(yù)測公式如下

z=-0.002 3x+0.041y+0.315

式中,z為斜坡流淌值；x為軟化點；y為0.1 kPa下的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃俊?/p>

4 結(jié) 論

a.在高溫性能方面，軟化點能夠在一定程度上反映水工瀝青的高溫性能，并且和水工瀝青混凝土的斜坡流淌值有較高的關(guān)聯(lián)性，即軟化點越高，斜坡流淌值越小。此外，不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃颗c斜坡流淌值的關(guān)聯(lián)性最好，其值越小越有利于減小斜坡流淌值。因此，不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃靠勺鳛橐粋€關(guān)鍵控制指標來進行水工瀝青原材料的優(yōu)選。

b.結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)和線性關(guān)聯(lián)的優(yōu)選結(jié)果，利用軟化點和0.1 kPa下的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃靠山⑺r青混凝土高溫斜坡流淌值預(yù)測公式，實現(xiàn)從瀝青高溫性能預(yù)測其混凝土高溫性能，有利于原材料優(yōu)化設(shè)計。