沥青高温性能对防渗层沥青混凝土斜坡流淌的影响

邹长根，余 浩，闫小虎，林振华，磨炼同，肖 月

(1.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070；2.长江科学院水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，武汉 430010)

水工沥青混凝土防渗面板是抽水蓄能水库重要的防渗结构形式，其中防渗层是最重要的结构层[1-3]。除了抗渗性、水稳定性和柔性外，高温抗斜坡流淌是防渗层沥青混凝土的关键技术指标之一，设计规范要求斜坡流淌值在70 ℃保温48 h条件下不大于0.8 mm，以保证运行期间夏季高温时不发生流淌[4-6]。斜坡流淌的本质是沥青混凝土高温蠕变，与沥青高温性能直接相关，因此有必要深入了解水工沥青的高温流变特性，以建立基于使用性能的沥青选择和优化方法[7-9]。当前已建或在建工程项目一般都是依据工程特点有针对性进行水工沥青定制加工。水工沥青的性能主要以老化前后三大指标(针入度、软化点和延度)进行表征，难以直接反映水工沥青混凝土在服役过程中的高温斜坡流淌性能[10]。因此有必要借鉴道路沥青研究成果，开展基于高温流变特性的水工沥青高温流变性能试验与分析，建立水工沥青高温流变性能与水工沥青混凝土斜坡流淌性能相互匹配的评价指标体系，为建立水工沥青优选和沥青混凝土材料组成优化与性能调控提供参考。论文采用软化点、DSR复合模量、相位角、不可恢复蠕变柔量分别评价不同水工沥青高温性能，并分析其与防渗层沥青混凝土斜坡流淌值的相关性，并提出基于沥青高温性能的斜坡流淌值预测方法。

1 试 验

1.1 原材料

试验采用克拉玛依SG70水工沥青、京博SG70水工沥青、句容SG90水工沥青、辽河SG90水工沥青和京博SBS(I-C)改性水工沥青进行试验对比研究，所用五种水工沥青的相关性能指标均满足规范技术要求。骨料采用石灰岩加工，共9.5～16 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm、0.075～2.36 mm四种规格。细骨料0.075～2.36 mm中按0.3 mm筛孔通过率不大于5%来控制石粉含量。填料采用石灰岩磨细矿粉。所采用的骨料与填料各项性能指标均满足相关水工沥青混凝土施工规范要求。

1.2 沥青高温性能检测

沥青软化点参照水工沥青试验规程进行测试，采用动态剪切流变仪进行70 ℃下的频率扫描得到五种水工沥青的复合模量和相位角。采用动态剪切流变仪中多应力重复蠕变恢复试验(Multiple Stress Creep and Recovery,MSCR)[11]，测试了五种水工沥青在70 ℃下的高温蠕变性能，通过计算不可恢复蠕变柔量Jnr值和恢复率R对比分析五种水工沥青的高温蠕变性能。道路沥青MSCR试验一般采用0.1 kPa和3.2 kPa的加载应力水平，由于防渗层水工沥青混凝土在斜坡中只受自身重力分力的作用，其加载应力水平应比公路轮胎作用力的低1～2个数量级，因此试验采用0.1 kPa下的应力水平。考虑到沥青粘弹性材料的延迟弹性特点，采用加载1 s、卸载9 s的加载方式，以便能够较好的表征沥青的高温蠕变性能。

1.3 配合比

为了分析不同沥青高温性能对防渗层沥青混凝土斜坡流淌的影响，采用同一级配指数0.4，填料用量11%，油石比为7.6%，最大粒径16 mm，通过丁朴荣公式设计矿料级配。

1.4 斜坡流淌试验

按《水工沥青混凝土试验规程》制备标准马歇尔试件和开展斜坡流淌试验[12]。标准马歇尔试件采用正、反面各击实20次。斜坡流淌试验时将马歇尔试件置于坡度为1∶1.7的试验台上，在70 ℃的烘箱中恒温48 h后，读取距离试件底部50 mm处位移计上的读数。

2 结果与分析

2.1 沥青高温性能

五种水工沥青的软化点、70 ℃复合模量、相位角和0.1 kPa下的不可恢复蠕变柔量Jnr0.1 kPa见表1。从表1中可以看出，SBS改性沥青在高温下的上述四个指标均是五种水工沥青中最佳。SBS改性沥青软化点最高，为59.5 ℃。其次为京博SG70的52 ℃、辽河SG90的51.9 ℃和克拉玛依SG70的49.0 ℃，句容SG90的软化点最低为48.6 ℃。SBS改性沥青的70 ℃复合模量为0.190 kPa，比其他四种水工沥青的复合模量高出一个数量级。在相位角方面，SBS改性沥青的为67°，表明其粘弹特性很好地保持到了较高的温度，其次为辽河SG90和句容SG90沥青的77.3°和80.2°，在70 ℃仍有着一定的粘弹性，而京博SG70和克拉玛依SG70沥青70 ℃相位角接近90°，基本上趋于流体状态，可以预测其高温性能较差。类似的，SBS改性沥青的不可恢复蠕变柔量比其他四种水工沥青的复合模量高出一个数量级，为0.51 kPa-1。其次为京博SG70沥青和克拉玛依SG70沥青的1.6 kPa-1和3.58 kPa-1，辽河SG90和句容SG90沥青的不可恢复蠕变柔量较为接近，分别为5.25 kPa-1和5.67 kPa-1，表明其在高温下的累积变形最大，抵抗高温变形能力较差。

表1 五种沥青软化点、70 ℃复合模量与相位角和不可恢复蠕变柔量

2.2 防渗层沥青混凝土斜坡流淌试验结果

五种水工沥青成型的沥青混凝土试件的斜坡流淌值见表2。由表2中可以看出，五种水工沥青混凝土的斜坡流淌值均合格，且几种水工沥青的斜坡流淌离散性较小。从斜坡流体平均值可知，SBS改性水工沥青的最小，其次为京博SG70沥青和克拉玛依SG70沥青，句容SG90沥青的斜坡流淌值最大为0.425 mm,表明其抗高斜坡流淌能力最差。上述结果表明沥青对温度的敏感性与沥青的高温性能对水工沥青混凝土的斜坡流淌性能有很大的相关性。

表2 五种沥青防渗层沥青混凝土斜坡流淌试验结果

3 高温性能相关性分析

3.1 灰色关联分析

按照灰色关联计算方法，选取水工沥青混凝土70 ℃高温斜坡流淌值试验数据作为参考数列，五种不同水工沥青的软化点、70 ℃复合模量G*与相位角δ和70 ℃的Jnr0.1 kPa作为比较数列。五种水工沥青及其混凝土的参考数列及比较数列如表3所示。

表3 水工沥青及混凝土高温参考数列与比较数列

根据灰色关联公式对上述五种水工沥青及混凝土参考数列与比较数列所罗列的数据进行无量纲的标准化处理，处理后得到表4。

表4 水工沥青指标与混凝土高温性能指标的数据标准化

再利用灰色关联系数计算公式，经过计算得各比较数列与参考数列的关联度得到表5。

表5 水工沥青指标与混凝土高温性能指标的关联度

由表5可知，水工沥青混凝土高温斜坡流淌即沥青混凝土的高温稳定性的关联度大小排序为：X3>X1>X4>X2，即水工沥青的δ>软化点>Jnr0.1 kPa>G*。

3.2 线性相关性分析

图1分别给出了沥青软化点、70 ℃复合模量G*、70 ℃相位角δ和Jnr0.1 kPa与其混凝土的斜坡流淌值之间的相关性和相关系数。从图1中可以看出，随着沥青软化点和复合模量的增大，其混凝土的斜坡流淌值逐渐减小，呈现出线性相关，相关系数R2分别为0.864 1和0.767 2。随着相位角的增大，斜坡流淌值逐渐增大，也呈现出线性相关，相关系数R2为0.359 6，其线性相关系数较小，但是由于相位角越接近90°，沥青就越接近牛顿流体，而相位角在60°附近呈现出粘弹俱佳的状态，有着更好的高温性能。此外，0.1 kPa下的不可恢复蠕变柔量与斜坡流淌值的相关系数R2为0.868 5，其中，0.1 kPa的不可恢复蠕变柔量与斜坡流淌值的相关性最强，这是因为沥青混凝土斜坡流淌的本质是沥青高温蠕变，其高温强度主要取决于沥青粘聚力。

结合灰色关联和线性关联的结果，并且综合考虑斜坡流淌的本质，可以确定的是水工沥青的软化点和不可恢复蠕变柔量与斜坡流淌有着较强的关联性。在高温情况下，不可恢复蠕变柔量可作为另一个流变性能指标对水工沥青品质进行优选。高温斜坡流淌是沥青混凝土自重条件下的长期变形行为，应采用低应力水平和长时间蠕变稳定性来评价水工沥青混凝土。因此，选用软化点和0.1 kPa下的不可恢复蠕变柔量，提出水工沥青混凝土高温斜坡流淌值预测公式如下

z=-0.002 3x+0.041y+0.315

式中,z为斜坡流淌值；x为软化点；y为0.1 kPa下的不可恢复蠕变柔量。

4 结 论

a.在高温性能方面，软化点能够在一定程度上反映水工沥青的高温性能，并且和水工沥青混凝土的斜坡流淌值有较高的关联性，即软化点越高，斜坡流淌值越小。此外，不可恢复蠕变柔量与斜坡流淌值的关联性最好，其值越小越有利于减小斜坡流淌值。因此，不可恢复蠕变柔量可作为一个关键控制指标来进行水工沥青原材料的优选。

b.结合灰色关联和线性关联的优选结果，利用软化点和0.1 kPa下的不可恢复蠕变柔量可建立水工沥青混凝土高温斜坡流淌值预测公式，实现从沥青高温性能预测其混凝土高温性能，有利于原材料优化设计。