周俊杰，趙毅鋒，王亮春，田 偉

（華東天荒坪抽水蓄能有限責任公司，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，由德國特拉堡公司（Strabag）承建。為我國20世紀末引進國外先進技術(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)瀝青混凝土防護工程的設(shè)計、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

2.1 試驗方法和條件

對切割的彎曲試件測定密度，計算孔隙率。將試件在溫度5℃條件下恒溫不少于4h，將試驗機置于恒溫室中，通過調(diào)頻電源可進行無級調(diào)速，控制位移速率，利用計算機控制系統(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時，芯樣彎曲試件尺寸為250mm×35mm×30mm，支點中心距為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 試驗成果

在溫度5℃條件下，對18個瀝青混凝土彎曲試件的試驗結(jié)果見表1。

2.3 試驗成果對比分析

2.3.1 彎曲強度

從三個區(qū)防滲層上下層彎曲強度試驗成果比較圖1可看出，3個區(qū)防滲層上下層經(jīng)18年運行后的彎曲強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度有所提高，而常年水下區(qū)防滲層上層比下層彎曲強度卻略有降低。

表1 小梁彎曲試驗成果Tab.1 Dates of bending test

2.3.2 彎曲應(yīng)變

從最大彎曲強度對應(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重，強度比常年水下區(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度和應(yīng)變變化不明顯。

2.4 與施工期試驗數(shù)據(jù)對比分析

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

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

3 小梁拉伸試驗

3.1 試樣方法和條件

對切割的拉伸試件測定密度，計算孔隙率。將切割好的試件兩頭用高強度黏結(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。

施工期在進行天荒坪瀝青混凝土面板防滲層芯樣軸拉試驗時，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在瀝青混凝土專用試驗機上進行，通過調(diào)頻電源可以無級調(diào)速，以控制拉伸速率。將試驗機置于恒溫室中，利用計算機采集控制系統(tǒng)采集試驗數(shù)據(jù)。

表2 防滲層運行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 試驗成果

在溫度5、20℃條件下，試件的試驗結(jié)果分別見表3、表4。

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

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

3.3 試驗成果對比分析

3.3.1 拉伸強度

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度比較分別見圖3和圖4。可看出，盡管20℃下的部分試驗數(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)強度呈現(xiàn)硬化趨勢，上下層拉伸強度沒有明顯變化。

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?？煽闯?，試驗溫度為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度為1.155 MPa，拉伸應(yīng)變?yōu)?.311%；20℃條件下平均拉伸強度為0.233 MPa，拉伸應(yīng)變?yōu)?.228%。瀝青混凝土面板運行18年后，3個區(qū)上下層的拉伸強度和應(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年運行后，在5℃條件下，各區(qū)拉伸強度都有較大程度增加，常年裸露區(qū)強度提高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)拉伸強度都有較大程度增加，常年裸露區(qū)強度提高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（相當于施工過程）、15.25h（相當于面板運行14年）、28.7h（相當于面板運行30年）、45.5h（相當于面板運行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。小梁彎曲試驗條件與前述試驗條件相同，即試驗溫度5℃，中點位移速率0.42mm/min。試驗結(jié)果見圖7。

圖7 瀝青混合料經(jīng)不同加熱老化時間（運用年限）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，瀝青混凝土彎曲強度隨著瀝青混合料加熱老化時間（面板運行年限）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（相當于施工過程）到15.25h（相當于面板運行14年）變化較快，彎曲強度從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)，導致瀝青變脆、變硬，嚴重的會導致瀝青開裂，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、強度變高、易碎，對于老化較嚴重的，會出現(xiàn)網(wǎng)狀的細小裂縫。

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，從物理試驗方面對瀝青混凝土的老化情況進行了初步研究，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)防滲層的強度與應(yīng)變值較為穩(wěn)定。這與防滲層的小梁彎曲試驗成果變化規(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行經(jīng)驗，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。加速老化的力學性能試驗研究結(jié)果表明，即使老化最嚴重的常年裸露區(qū)防滲層表層0～8mm，仍然具有相當長的運行壽命。

（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，進一步論證其老化程度及變化過程，為電站的安全運行提供參考。

[1] 天荒坪電站上水庫瀝青混凝土面板的維護、延長運行年限及適宜維修瀝青品種研究[R]．西安理工大學．2011．Research on maintenance and service life extending of tianhuangping asphalt concrete and suitable asphalt varieties for maintenance[R]．Xi'an University of technology．2011．

[2] 張懷生．水工瀝青混凝土[M]．北京：中國水利水電出版社，2004．ZHANG Huaisheng．Hydraulic asphalt concrete[M]．Beijing:China Water Power Press，2004．

[3] 張春生，姜忠見．天荒坪抽水蓄能電站技術(shù)總結(jié)[M]．北京：中國電力出版社．2007．ZHANG Chunsheng，JIANG Zhongjian．Tianhuangping pumped storage power plant technology summary[M]．Beijing: China Electric Power Press，2007．

[4] 朱晟．瀝青混凝土防滲體的力學特性研究與三峽茅坪溪土石壩安全分析[D]．河海大學博士論文，2000．ZHU Sheng．Study on the mechanical properties of the antiseepage layer of asphalt concrete and safety analysis of Maopingxi earth-rock dam[D]．Doctoral thesis of Hohai University，2000．

[5] 朱秀麗．瀝青混合料老化性能的試驗研究[D]．吉林：吉林大學，2011．ZHU Xiuli．Experimental study on aging performance of asphalt mixture[D]．Jilin: Doctoral thesis of Jilin University，2011．

[6] 李艷玲，任立鋒，王富玉．SMA13瀝青混合料老化性能研究[J]．水利水電工程，2009，7．LI Yanling，REN Lifeng，WANG Fuyu．Studying of performance of SMA13 asphalt mixture aging [J]．Water Resources and Hydropower Engineering，2009，7．