烏江洪家渡材料研究

烏江洪家渡水電站大壩坡面保護改性乳化瀝青性能試驗研究報告烏江水電開發(fā)有限責任公司

貴州華電工程技術(shù)有限公司一、 課題的提出及研究目標二、 基質(zhì)瀝青的選擇三、 乳化劑的篩選試驗四、 改性劑的篩選五、 改性乳化瀝青制備工藝六、 坡面保護用改性乳化瀝青技術(shù)性能指標七、 坡面保護用砂石料技術(shù)指標八、結(jié)論、課題的提出及研究目標面板堆石壩墊層料坡面形成后，由于細料較多，無法抵卸波浪淘刷，暴雨引起的徑流沖刷，施工時人工踩踏等破壞，須在其表面抹水泥砂漿，碾壓砼或噴酒乳化瀝青等方法進行保護。洪家渡大壩最大壩高179.5m，坡面保護面積約6.94萬m2,是我國壩工建設(shè)中頗具特點和建壩技術(shù)難度較大的標志性工程。按原設(shè)計，保護方案采用添加絲狀PP纖維的碾壓砼。由于在1:1.4的坡面上施工，所需材料運送困難，施工難度較大，施工進度不能滿足度汛節(jié)點工期的要求。根據(jù)相關(guān)資料和經(jīng)驗，擬改用交替噴灑乳化瀝青及石屑形成薄層柔性結(jié)構(gòu)層作為保護手段。在以往工程中，采用乳化瀝青進行坡面保護在南美國家應(yīng)用較多，國內(nèi)在天生橋等工地上也有應(yīng)用，但保護效果不甚理想，主要表現(xiàn)為與墊層料基層粘結(jié)不牢，本層間砂石集料疏松，沒有形成，具有一定抗沖刷，抗踩踏能力的柔性面層。綜合分析看，造成上述現(xiàn)象的原因一是本行業(yè)對乳化瀝青和砂石材料技術(shù)性能缺乏研究，不能提出相關(guān)技術(shù)要求，致使施工使用的乳化瀝青品種和砂石料雜亂，技術(shù)性能不能滿足壩工坡面保護的要求；二是對施工工藝也缺乏相應(yīng)研究，不能保證坡面保護的施工效果。鑒于此，本項研究的目標為：一，通過試驗研究，提出用于坡面保護的乳化瀝青及其砂石料的技術(shù)要求，并掌握其生產(chǎn)工藝，提供相關(guān)產(chǎn)品。二，確定乳化瀝青坡面保護施工工藝。二、基質(zhì)瀝青的選擇乳化瀝青是在常溫下可冷態(tài)施工的乳液狀建材，當其噴灑、涂布在基面上后，隨著所含水份的離失，其中瀝青顆粒相互聚集還原成原狀瀝青，又重新具備瀝青的工程性能。因此，用于制作乳化瀝青的基質(zhì)瀝青的工程性能和乳化性能十分重要，它必須能滿足坡面保護的要求。一般而言，我們要求其與石料要有良好的粘結(jié)性，制作的乳化瀝青具有相當?shù)姆€(wěn)定性和可施工性。根據(jù)相關(guān)文獻和材料供應(yīng)情況，我們選用了勝利100#，中油重交90#和日本加德士80#三種品牌和型號的石油瀝青進行對比試驗， 結(jié)果三種瀝青中，中油重交90#瀝青技術(shù)性能優(yōu)良，價格也合適；勝利100#由于含臘量較高，不易乳化，對石料粘結(jié)效果也不理想；加德士80#粘結(jié)性很好，乳化性稍差，價格也偏貴。故選用中油重交 90#瀝青作為乳化瀝青的基質(zhì)瀝青。三種瀝青的主要技術(shù)性能指標見下表：表2—1項 目勝利100#中油重交90#加德士80#針入度9810868延度（15C）>74>140>100軟化點4445.946.7三、乳化劑的篩選試驗乳化瀝青分陽離子型和陰離子型，洪家渡工程所用石料為石灰?guī)r，為堿性石料，一般在石料及基層料干燥的情況下，陽離子和陰離子型乳化瀝青均能較好與石料粘結(jié)， 但當石料表面潮濕時，陰離子型乳化瀝青與石料粘結(jié)性不好，所以現(xiàn)在陽離子型乳化瀝青占據(jù)了絕大多數(shù)高端市場。乳化瀝青是通過將基質(zhì)瀝青加熱至流動狀態(tài)與乳化劑水溶液一起通過膠體磨充分剪切、分散而得到的“水包油”型乳液，在乳化劑作用下，常溫下仍能保持液態(tài)，便于噴灑施工。當乳液中水份離失或乳化劑極化作用消失后，瀝青微粒又碰聚一起，恢復瀝青性能。在此過程中，乳化劑不僅起到維持瀝青與水相的穩(wěn)定作用，保證乳化瀝青的易于噴灑、可在常溫下施工的性能，同時，當水份蒸發(fā)后，殘留的乳化劑對基質(zhì)瀝青性能也有一定影響，所以乳化劑的性能是影響乳化瀝青性能的關(guān)鍵因素之一。陽離子乳化劑品種很多，主要分為烷基胺類、咪唑啉類、胺化木質(zhì)素類和季胺鹽類。下表是常用的幾種乳化劑的乳化性能試驗情況： 表3—1乳化劑名稱乳化劑用量PII值貯存穩(wěn)定性拌合穩(wěn)定性拌合破乳速度十八烷基二甲基氯化銨4%6.5合格合格中裂十八烷基二甲基溴化銨4%6.5合格合格中裂牛脂二胺ASFHI(X)4%6.5合格合格快裂RII-Col(木質(zhì)素胺)5%4合格合格慢裂G3復合乳化劑5%3.5合格合格慢裂上述幾種乳化劑均可制備合適的陽離子乳化瀝青，但我們坡面保護用乳化瀝青，要求瀝青含量高（粘結(jié)好），穩(wěn)定性好（便于貯存），同時要求粘度低（易于噴灑施工），破乳固化速度適中（慢裂快凝，既便于撒砂碾壓，之后又能較快成型固化）。單一的乳化劑不能滿足要求。為此，專門配制了G3復合型乳化劑（慢裂快凝型）。經(jīng)試驗，能夠生產(chǎn)出性能優(yōu)良，使用方便的乳化瀝青。同時，由于G3復合乳化劑具有較強極化電化學性能，因此，能與改性劑較好匹配，可以較方便地生產(chǎn)改性乳化瀝青（只需略增加乳化劑含量即可）。因此，乳化劑選用G3復合乳化劑。四、改性劑的篩選瀝青是溫度敏感性極強的材料，在高、低溫情況下，均可能對其工程性能造成損害，大壩墊層料坡面須在空氣中暴露3—9個月時間，一般均可能遭遇高溫或低溫天氣，加上坡面較陡（1:1.4）又無遮蓋，高溫時，瀝青易流淌，低溫時，表面龜裂，剝落。因此，普通乳化瀝青不能滿足坡面保護的要求，必須對其改性，提高粘結(jié)力和溫度穩(wěn)定性。在普通瀝青中加入高分子聚合物對瀝青進行改進使之符合工程需要，是一個復雜的物理——化學過程，通常采用添加橡膠（SBS,SBR）生產(chǎn)改性瀝青，然后用改性瀝青作為基質(zhì)瀝青進一步生產(chǎn)改性乳化瀝青。但改性瀝青乳化效果很差，工藝也很復雜。經(jīng)參閱有關(guān)資料，我們利用液態(tài)改性劑采用雙液摻配工藝來生產(chǎn)改性乳化瀝青液狀橡膠改性劑通常有SBR、SBS、CR膠乳，當摻入瀝青后，由于橡膠的優(yōu)異工程性能，對抗裂、抗變形及與石料粘結(jié)性、溫度穩(wěn)定性等方面對原瀝青均有較大改善。 SBR價格相對較低，對低溫性改善較大，但高溫性改善不明顯； SBS是近幾年發(fā)展起來的新型改性材料，具有十分優(yōu)良的工程技術(shù)性能，但通常 SBS乳液是陰離子型的，與陽離子型乳化瀝青不相容，生產(chǎn)工藝難度相對較高。近期國內(nèi)外已研究生產(chǎn)了幾種陽離子型的 SBS乳液，其技術(shù)指標如下表表4—1商品名固形物總含量PH值粘度表面漲力Solprene38±23?5535?5.5Corifler38±23?54.540?60齊魯36±23?54.042?65燕山38±23?54.340?64高橋36±23?54.540?50通過篩選試驗，美國Solprene牌的SBS乳液固形物含量高，顆粒較細，與G3復合乳化劑相容性也好，乳化較易，可以生產(chǎn)出性能優(yōu)良的改性乳化瀝青，唯一缺點是價格相對較貴，但性價比仍然可以接受，故選用之。五、改性乳化瀝青制備工藝利用膠體磨將瀝青剪切成極小微粒，在乳化劑極化作用下，與水微滴隔離相混，制備出乳液狀的乳化瀝青。這一過程的關(guān)鍵是膠體磨的剪切能力，微粒越小，比表面積也越大，乳化效果也越好。當摻混SBS膠乳后，由于在乳液中的SBS顆粒相對較大，不易被剪切細化，需在較高溫度下才能被剪切并與瀝青相混，但高熱瀝青與雙液（乳化劑溶液，改性劑乳液）在膠體磨中相遇瞬間，溫度急劇下降，不能使改性劑與乳化劑均勻混入瀝青中，這也是SBS改性乳化瀝青生產(chǎn)難度較大的關(guān)鍵。針對上述情況，我們選用最新生產(chǎn)的高剪切一一膠體磨聯(lián)合裝臵來進行生產(chǎn)試驗，該裝備是在通常膠體磨進口前端，加裝一高剪切裝臵，在其進口形成負壓，當瀝青、乳化劑、改性劑在進口匯合時，瞬間即將其吸入工作腔中，高速剪切攪拌，不等溫度下降已完成充分混合，然后送入膠體磨進行磨細加工，這樣即可生產(chǎn)出性能優(yōu)良的 SBS改性乳化瀝青，其工藝流程如下：二次攪拌雙液摻配工藝流程六、坡面保護用改性乳休瀝青技術(shù)性能指標按上述工藝生產(chǎn)的改性乳化瀝青是與普通乳化瀝青相似的新型材料，當摻入SBS橡膠后其性能改善主要表現(xiàn)在針入度降低 （固化后強度高）、軟化點提高（溫度穩(wěn)定性能增強）、彈性恢復增強，延度增加幾個方面，表6—1是改性乳化瀝青的技術(shù)指標。坡面保護用改性乳化瀝青技術(shù)性能指標 表6—1單位檢測結(jié)果實驗方法塞波特粘度SFs@25Cs25ASTMD88電荷+T0653-1993蒸發(fā)殘留物含量%61ASTMD244篩上剩余量（0.85mm篩孔）%0.05T6052-1993蒸發(fā)殘留物針入度25C,100g,5sdmm70T0604-2000彈性恢復(25C,10cm60min)%65T0602-2000延度5cm/25Ccm>150T0605-1993軟化點C58T0606-2000溶解度（三氯乙烯）%99T0607-1993通過與洪家渡專門生產(chǎn)的砂石料的混合，其集料的粘附、抗剪，高低溫高穩(wěn)定性均比普通乳化的瀝青有較大提高， 見表6—2表6—2試驗與項目試驗條件試驗結(jié)果對比結(jié)果①普通乳化②改性乳化粘結(jié)強度(Mpa)60C0.040.1235C0.31.143.8抗剪強度(Mpa)5C3.025.121.720C3.285.831.78粘結(jié)性(級)3411熱流動性(Cm)C6h60C10.88.30.77脆點(C)弗拉斯法—8.2—20.42.49從上表中可看出，改性后乳化瀝青粘結(jié)力提高到 4級,有利于石料粘結(jié)，從而提高層間和粒料間的抗剪強度?？梢詽M足工程需要。另外，改性乳化瀝青的高低溫穩(wěn)定性也大為提高，軟化點提高到60C左右，熱流動性有極大改善，在洪家渡大壩上使用可滿足要求，不會發(fā)生流淌和龜裂、剝落。七、坡面保護用石粒料技術(shù)指標坡面保護面層，是希望利用改性乳化瀝青的粘結(jié)性，將一定粒徑的砂石粒料相互粘結(jié)在一起，經(jīng)碾壓后形成平整、密實的薄層結(jié)構(gòu)面層，可起到一定減滲，固坡作用。瀝青僅起到粘結(jié)作用，自身沒有強度，面層抗剪，抗踩踏強度的獲得，是利用石料相互嵌擠緊密的特性，碾壓后獲得嵌鎖結(jié)構(gòu)面層，石粒間縫隙由乳化瀝青充填。撒布的石料不僅要相互聯(lián)結(jié)，還要與基層砂、石料緊密結(jié)合。綜上分析，石粒料最好是細長比小，多棱、清潔，不含粉塵的軋制料。由于墊屋料有較多細料，沒有抗沖能力，與墊層料相接觸的石料顆粒應(yīng)較大，這樣經(jīng)瀝青粘結(jié)和碾壓，可將石料一半左右壓入墊層料并形成嵌鎖結(jié)構(gòu)。二遍撒布的石料粒徑應(yīng)較少，屬填縫料，可嵌填頭遍石料間的縫隙，通過瀝青粘結(jié)，形成表面密實并與墊層料粘結(jié)緊密的面層。按上述原則經(jīng)現(xiàn)場試驗比選，滿足表7—3要求的石料，可用于坡面保護，砂石料的級配范圍見下表坡面用砂石料技術(shù)性能指標 表7-1項目通過各種篩徑的累計重量百分數(shù)（%)1.25