天荒坪抽水蓄能電站上水庫瀝青混凝土面板封閉層加速老化試驗研究

周俊杰，周民權(quán)，王登銀，王櫻畯，李 強，郝巨濤，汪正興

（1.華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司，浙江安吉，313302；2.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州，311122；3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京，100038）

天荒坪抽水蓄能電站上水庫瀝青混凝土面板封閉層加速老化試驗研究

周俊杰1，周民權(quán)1，王登銀2，王櫻畯2，李 強2，郝巨濤3，汪正興3

（1.華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司，浙江安吉，313302；2.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州，311122；3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京，100038）

結(jié)合天荒坪上水庫瀝青混凝土封閉層的實際情況，對未脫落部位的封閉層現(xiàn)場取樣、實驗室回收瀝青進行試驗檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：封閉層嚴重老化，從現(xiàn)場取回的瀝青瑪蹄脂中回收的瀝青在常溫下已相當(dāng)硬、脆，瀝青的針入度和延度幾乎都降為0，黏度已升至普通瀝青的60倍左右。為探索瀝青混凝土封閉層的老化壽命，在實驗室進行了瀝青瑪蹄脂的紫外光加速老化試驗。從試驗結(jié)果可以看出，在45℃～55℃范圍內(nèi)，溫度對老化的影響很小，這和以往的研究結(jié)論較為符合。在同一溫度條件下，針入度隨著老化時間逐漸降低，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。

天荒坪抽水蓄能電站；上水庫；封閉層；加速老化

0 引言

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1 800 MW，是華東電網(wǎng)建成的大型電站，在電網(wǎng)中擔(dān)負調(diào)峰、填谷、調(diào)相、調(diào)頻及緊急事故備用等任務(wù)。

電站樞紐主要由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房洞室群和開關(guān)站組成。上水庫利用天然洼地挖填而成，四周布置有一座主壩和四座副壩，主壩最大壩高為72 m，主、副壩均為土石壩，設(shè)計最高蓄水位為905.2 m，總庫容為885萬m3，工作深度42.2 m。下水庫壩高87.2 m，軸線處最大壩高為92 m，設(shè)計最高蓄水位344.5 m，總庫容859.56萬m3，屬一等大（2）型工程。1998年9月底第一臺機組開始發(fā)電運行，2000年12月6臺機組全部投產(chǎn)發(fā)電。

上水庫采用全庫盆瀝青混凝土面板襯砌防滲，水庫開挖和填筑工程由中國水利水電五局承建，瀝青混凝土防滲面板工程系國際標(biāo)，由德國Strabag公司承建。瀝青混凝土面板為簡式結(jié)構(gòu)，包括表面封閉層、防滲層、整平膠結(jié)層。封閉層厚2 mm，防滲層厚10 cm，整平膠結(jié)層庫底部位厚8 cm，庫岸及壩坡部位厚10 cm。坡腳反弧段和進出水口前圓弧段設(shè)置有厚5 cm的防滲加厚層。防滲層和整平膠結(jié)層及庫底封閉層采用沙特阿拉伯B80瀝青，庫坡封閉層采用沙特阿拉伯B45瀝青。

整平膠結(jié)層是半開級配的瀝青混凝土，作為防滲層的基礎(chǔ)層，要求平整、密實，且有一定的排水能力。防滲層是防滲體的主體部分，屬密級配瀝青混凝土，不僅要求有良好的防滲性、穩(wěn)定性，而且要求有良好的柔性，以適應(yīng)基礎(chǔ)的變形。經(jīng)分析計算并綜合法國、德國、日本等國實際經(jīng)驗及咨詢意見（HARZA、EDF），由于天荒坪上水庫水位變幅大、地質(zhì)條件較復(fù)雜，瀝青混凝土防滲層的厚度取10 cm。瀝青混凝土加厚層是針對瀝青混凝土護面受力和變形均不利的坡腳反弧段和進/出水口前圓弧段而設(shè)置的，加厚層材料同防滲層材料。封閉層為瀝青和填料的混合物，也稱瀝青瑪蹄脂。封閉層的作用是封閉瀝青混凝土防滲層表面缺陷，避免瀝青混凝土防滲層受紫外線的作用，防止防滲層表面與空氣、水等外界不良環(huán)境的接觸，從而減緩瀝青混凝土防滲層的老化過程，延長其使用壽命。本工程封閉層的瀝青和填料之比為3∶7，層厚2 mm。

上庫瀝青混凝土面板于1996年6月開始鋪筑，1997年8月完工，面板運行至2015年已有18年。

2009年5月，華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司和西安理工大學(xué)合作，對上水庫瀝青混凝土面板進行了取芯樣，并在西安理工大學(xué)完成了瀝青混凝土面板芯樣的力學(xué)性能試驗［1］。試驗結(jié)果表明，常年裸露區(qū)、水位波動區(qū)、常年水下區(qū)防滲層表層0～10 mm的瀝青針入度為30～40（0.1 mm），有不同程度老化，且常年裸露區(qū)表層老化較嚴重；三個區(qū)防滲層深14 mm以下瀝青針入度為40～60，有輕微老化。該研究建議未來對面板封閉層進行老化檢測，并對防滲層進行進一步深化老化試驗研究［1］。

1 封閉層取樣試驗

封閉層取樣部位根據(jù)A1區(qū)的外觀老化嚴重程度選取，分別位于防滲層取芯點附近（樁號1+260，1號位置，老化較嚴重）、庫西岸北段（樁號0+710，4號位置）、庫西岸南段（樁號0+420，5號位置），后兩者的老化相對較輕，取樣高程均為905 m。

封閉層取樣有1號、4號、5號三個部位，對上庫取回的三個部位的封閉層瀝青瑪蹄脂樣品，首先用三氯乙烯溶解，然后用高速離心分離器將礦粉過濾掉，采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀法回收瀝青，并測試其三大指標(biāo)（針入度、軟化點、延度），試驗結(jié)果見表1。

試驗中發(fā)現(xiàn)，從現(xiàn)場取回的瀝青瑪蹄脂中回收的瀝青在常溫下已相當(dāng)硬、脆。瀝青的針入度和延度幾乎都降為0，黏度已升至普通瀝青的60倍左右。

2 室內(nèi)紫外光加速老化試驗

為了研究太陽輻射對封閉層老化的影響，在室內(nèi)進行了瀝青瑪蹄脂的紫外光加速老化試驗。

天荒坪上庫當(dāng)年施工所用的封閉層瀝青瑪蹄脂配比為瀝青∶礦粉=3∶7，庫坡部位瀝青采用的是沙特阿拉伯B45瀝青。目前天荒坪上庫并未留存當(dāng)年施工時封閉層使用的瀝青瑪蹄脂，也未留存封閉層使用的沙特B45瀝青，因此只能在國內(nèi)瀝青廠家尋找與B45性能指標(biāo)接近的瀝青進行替代試驗。經(jīng)與國內(nèi)幾家瀝青廠家調(diào)研，中海油生產(chǎn)的道路50號瀝青與沙特B45瀝青指標(biāo)接近。因此，這里采用中海油道路50號瀝青，按照天荒坪當(dāng)年使用的瀝青瑪蹄脂配比配制樣品，進行室內(nèi)紫外光老化試驗。中海油道路50號瀝青與B45瀝青指標(biāo)見表2。

表1 封閉層取樣試驗檢測結(jié)果Table 1 Test results of the samples gained on-site

室內(nèi)紫外光加速老化試驗在美國Q-lab公司生產(chǎn)的Q-uv紫外光老化試驗機上進行，試驗光源采用UVA-340熒光燈（波長范圍295～365 nm，峰值340 nm），輻照度可在0.35～1.55 w/m2（@340 nm）之間調(diào)節(jié)，溫度可在45℃～65℃之間調(diào)節(jié)。設(shè)備具有輻照度自動控制系統(tǒng)，可自動監(jiān)測燈管輻照度。

為模擬現(xiàn)場情況，封閉層測試樣品厚度按照2 mm涂刷。室內(nèi)加速老化試驗擬采用不同的試驗溫度與紫外光強度進行組合試驗，以研究影響封閉層老化速度的因素。一般夏季正午時分，地面接收到的太陽紫外光輻射強度為0.6～0.7W/m2（@340nm），因此采用1.55 W/m2（@340 nm，約為2倍太陽輻射）、0.68 W/m2（@340 nm，夏季正午）和0.35 W/m2（@340 nm，相當(dāng)于3月和9月的日光）三種紫外光強。受紫外光老化試驗機的限制，試驗溫度只能在45℃～65℃之間調(diào)節(jié)，同時溫度過高會導(dǎo)致測試樣品流淌嚴重，影響試驗結(jié)果，因此采用45℃、0℃、55℃三種溫度組合進行試驗。每一種組合試驗條件下，老化一定時間后檢測瀝青各項指標(biāo)的變化。

表2 瀝青指標(biāo)Table 2 Indexes of the asphalt

圖1 太陽輻射光譜與UVA-340光譜Fig.1 Spectrum of solar radiation and spectrum of UVA-340

圖2 針入度與紫外光老化時間關(guān)系（55℃）Fig.2 Relationship between penetration and UV aging time(55℃)

圖3 軟化點與紫外光老化時間關(guān)系（55℃）Fig.3 Relationship between softening point and UV aging time(55℃)

圖4 黏度與紫外光老化時間關(guān)系（55℃）Fig.4 Relationship between viscosity and UV aging time(55℃)

圖5 針入度與紫外光老化時間關(guān)系（1.55 W/m2）Fig.5 Relationship between penetration and UV aging time(1.55 W/m2)

圖6 軟化點與紫外光老化時間關(guān)系（1.55 W/m2）Fig.6 Relationship between softening point and UV aging time(1.55 W/m2)

圖7 黏度與紫外老化時間關(guān)系（1.55 W/m2）Fig.7 Relationship between viscosity and UV aging time(1.55 W/m2)

從試驗結(jié)果可以看出，在45℃～55℃范圍內(nèi)，溫度對老化的影響很小，這和以往的研究結(jié)論較為符合。諾特尼爾斯用瀝青的甲苯溶液進行的氧化研究表明，在較低的溫度（20℃～80℃）時，溫度變化對瀝青的光氧化速度基本沒有影響。因為在較低的溫度時，光量子的能量遠大于熱能，紫外光輻射的作用很明顯，而熱氧化的影響可以忽略不計［4］。一般在夏季陽光直射的情況下，瀝青混凝土面板的表面溫度也不會超過80℃。

在同一溫度條件下，針入度隨著老化時間逐漸降低，軟化點和黏度隨著老化時間逐漸升高。老化速度隨著紫外光輻射強度的升高而升高。

3 結(jié)語

（1）在現(xiàn)場取芯的基礎(chǔ)上，開展了瀝青混凝土封閉層的力學(xué)性能指標(biāo)檢測，模擬了紫外光強的加速老化試驗研究，試驗方法及試驗成果可用于瀝青混凝土的老化壽命預(yù)測，對工程指導(dǎo)具有較好的實際作用。

（2）瀝青混凝土封閉層現(xiàn)場檢測試驗中發(fā)現(xiàn)，從現(xiàn)場取回的瀝青瑪蹄脂中回收的瀝青在常溫下已相當(dāng)硬、脆，瀝青的針入度和延度幾乎都降為0，黏度已升至普通瀝青的60倍左右，說明封閉層嚴重老化。

（3）瀝青混凝土封閉層的老化是一個長期的行為，在老化的過程中，定期進行檢測研究很有必要。為了更好地開展瀝青混凝土的老化研究工作，在瀝青混凝土防滲面板工程中，建議設(shè)立太陽輻射觀測站，以便準確了解太陽光輻射強度的監(jiān)測，為瀝青混凝土的老化研究做好鋪墊。

[1]王為標(biāo),張應(yīng)波,蘭曉,等.天荒坪電站上水庫瀝青混凝土面板老化性能試驗評價[R].華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司,西安理工大學(xué)防滲研究所,2011.

[2]候睿,李海軍,黃曉明.路面舊瀝青回收及其影響因素的試驗分析[J].公路,2005(4):170-173.

[3]蘭曉.天荒坪瀝青混凝土面板防滲層物理老化性能研究[D].西安:西安理工大學(xué),2011.

[4]柳永行,范耀華,張昌祥.石油瀝青[M].北京：石油工業(yè)出版社,1984.

2016-11-10

周俊杰（1987-），男，湖北天門人，工程師，從事水電站水工建筑物運行與維護管理。

作者郵箱：502751512@qq.com

Experimental study on accelerated aging of asphalt concrete sealing layer of upper reservoir of Tianhuangping pumped storage power station

ZHOU Jun-jie,ZHOU Min-quan,WANG Deng-yin,WANG Ying-jun,LI Qiang,HAO Ju-tao and WANG Zheng-xing

Tianhuangping Pumped Storage Pow?er Plant

Combined with the actual situation of the asphalt concrete sealing layer of Tianhuangping res?ervoir,laboratory testing of asphalt which is sampled on-site is carried out.The results show that the sealing layer is severely aged and the mastic recovered from the asphalt is quite hard at normal tempera?ture.The penetrability and ductility of asphalt have reduced to 0 and the viscosity has risen to about 60 times of normal asphalt.In order to explore the aging life of asphalt concrete sealing layer,the accelerat?ed aging test of asphalt mastic is carried out in the laboratory.From the test results,it can be seen that in the 45℃～55℃,there is only a little influence of temperature on aging.This is in line with the previ?ous research conclusions.At the same temperature,the penetration decreases gradually with the aging time,while the softening point and viscosity increase.The aging rate quickens with the increase of UV radiation intensity.

Tianhuangping pumped storage power station;upper reservoir;closure layer;accelerated aging

TV431

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1671-1092（2017）05-0011-04