一种水工沥青混凝土运行寿命预测方法与流程

本发明涉及一种水工沥青混凝土运行寿命预测方法。适用于水工沥青混凝土防渗层、封闭层等沥青混凝土老化程度及其运行寿命预测。

背景技术：

沥青混凝土具有良好的抗渗性、极佳的柔形变形特点以及自愈闭合的功能，因此在水利水电工程中应用广泛，特别是作为坝体的防渗层，其特点得到了极大的发挥。建国后我国的第一批沥青混凝土防渗工程于八十年代初开始建设，由于当时建设水平的限制，目前第一批沥青混凝土防护工程均已进行了翻修。

我国在上世纪末、新世纪初建设的一批沥青混凝土防渗工程至今已运行了十几年，沥青混凝土材料的老化程度如何，是否会影响电站的正常运行等，均需要开展相应的研究与寿命预测工作，从而为电站的安全运行提供科学判断。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种水工沥青混凝土运行寿命预测方法，以解决水工沥青混凝土寿命预测难的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种水工沥青混凝土运行寿命预测方法，其特征在于：

收集水工沥青混凝土所在处不同时刻的紫外辐射强度；

通过老化公式计算t时刻的水工沥青混凝土中沥青针入度，老化公式为

其中A为第一常数，C为速率常数，α为第二常数，U为紫外辐射强度，P0是指沥青初始性能指标(此处为针入度指标)；

根据老化公式计算得到沥青针入度随时间的变化曲线；

当经过t₁时间后沥青针入度随时间的变化趋于平稳时，说明水工沥青混凝土的寿命为t₁。

从水工沥青混凝土中提取沥青，并在多种紫外辐射强度和温度环境下进行加速老化试验；

记录多组试验中不同紫外辐射强度下时间、针入度数据，并根据记录的数据绘制不同紫外辐射强度下针入度随时间变化的试验结果图表；

取f(P)＝kt，其中f(P)为物性函数，k为反应速率，t为老化时间；

取其中C为速率常数，U为紫外辐射强度，Eu为紫外活化能，R为普适气体常数，T为绝对温度；

温度小于80℃时，Eu/R≈0，则k≈CU^α，f(P)＝kt＝CU^αt；

取f(P)＝ln(a·P+b)，其中a、b为系数，P为针入度；

f(P)＝ln(a·P+b)＝CU^αt，得P＝Aexp(CU^αt)+B；

k＝CU^α，得lnk＝α·lnU+lnC；

根据试验结果图表，通过曲线拟合得到lnk与lnU的直线关系，计算出C和α的值；A、B取多种紫外辐射强度下的平均值。

加速老化试验的紫外辐射强度为1.55w/m²、0.68w/m²和0.35w/m²，温度为45℃、50℃和55℃。

本发明的有益效果是：本发明结合水工沥青混凝土的性能特点及实际工程运行情况，开展水工沥青混凝土的试验研究，进而推导出水工沥青混凝土的老化公式。本发明通过老化公式结合水工沥青混凝土的性能特点及实际工程运行情况可以科学准确的预测水工沥青混凝土寿命，从而为电站的安全运行提供科学判断。

附图说明

图1是实施例中老化试验得出的沥青性能指标～光照强度～时间的关系曲线。

图2是实施例中Lnk与lnU关系拟合曲线。

图3是实施例中沥青逐年针入度计算值。

具体实施方式

本实施例通过现场取样并进行老化试验后推导出老化公式，通过老化公式结合水工沥青混凝土的性能特点及实际工程运行情况预测水工沥青混凝土的寿命。

本实施例中老化公式的推导步骤如下：

a.现场取芯：对水工沥青混凝土防渗工程而言，要想深入研究和预测沥青混凝土的寿命，需要现场取芯，针对沥青混凝土的运行年限和性能状态，研究沥青混凝土目前的性状，进而根据沥青混凝土的运行时间来推断其寿命。

为使研究成果更接近运行的实际，现场取芯过程中应分区进行，由于水工沥青混凝土的寿命与光照强度、运行环境有关系，因此取芯应根据上述影响因素的不同至少在三个区域提取芯样。

b.沥青回收：对于现场取芯样品，首先用三氯乙烯溶解，然后用高速离心分离器将矿粉过滤掉，采用旋转蒸发仪法回收沥青。

c.加速老化试验：为了研究太阳辐射对水工沥青混凝土老化的影响，在室内进行紫外光加速老化试验。

试验在美国Q-lab公司生产的Q-uv紫外老化试验机上进行。室内加速老化试验采用不同的试验温度与紫外光强度进行组合，以研究影响水工沥青混凝土老化速度的因素。一般夏季正午时分，地面接收到的紫外辐射强度为0.6～0.7w/m²(@340nm)，因此采用1.55w/m²(@340nm，约为2倍太阳辐射)、0.68w/m²(@340nm，夏季正午)、0.35w/m²(@340nm，相当于三/九月的日光)三种紫外辐射强度，并采用45℃、50℃、55℃三种温度组合进行试验。每一种组合试验条件下，老化一定时间后检测水工沥青各项指标的变化。

通过现场取芯、水工沥青提取及室内进行加速老化试验，得出水工沥青的性能指标～光照强度～时间的关系(见附图1)，此为水工沥青混凝土的老化公式推导奠定基础。

d.老化公式推导：一般老化过程中，材料的物性与老化速率之间存在如下关系：

f(P)＝kt (1)

f(P)-物性函数；k-反应速率；t-老化时间。

对于不同的材料性能指标，可能会有不同的物性函数f(P)，对于紫外老化，反应速率可以采用如下类似形式：

C-速率常数；U-紫外辐射强度；Eu-紫外活化能；R-普适气体常数；T-绝对温度。

由于在温度小于80℃时，温度对老化速率的影响很小，因此在温度小于80℃时，Eu/R≈0，则k≈CU^α，即紫外老化速率与紫外辐射强度之间为指数关系。

材料的物性函数f(P)一般采用指数或对数形式的经验公式，对于紫外老化，若取

f(P)＝ln(a·P+b) (3)

a，b-系数；P-性能指标(针入度)，则

ln(a·P+b)＝CU^αt (4)

即

P＝Aexp(CU^αt)+B (5)

对不同紫外辐射强度条件下的老化数据按上式拟合，可以得到不同紫外辐射条件下的老化速率k。

k＝CU^α (6)

lnk＝α·lnU+lnC (7)

将不同紫外辐射强度下的lnk与紫外辐射强度U按直线拟合即可得到指数α和常数C，从而得到老化公式。

基于(7)式，以某工程的水工沥青混凝土封闭层为例，来推导其老化方程。附图1为室内紫外光加速老化试验得出的性能指标(针入度)～光照强度～时间的关系，通过曲线拟合，得到lnk与紫外辐射强度lnU的直线关系如附图2，由此可以计算出，C＝-0.001516，α＝0.72808；对于参数A，B可取三种紫外辐射强度下的平均值，得到A＝90.099，B＝9.358。于是得到以针入度(35℃)为参数的封闭层老化方程为

P＝90.099exp(-0.001516U^0.72808t)+9.358 (8)

一般在户外实际老化过程中，沥青混凝土面板接受到的紫外辐射强度是随时间变化的。在t时刻，有

在t+Δt时间内，针入度变化为

ΔP＝A·CU_t^αexp(CU_t^αt)Δt (10)

按照叠加原理，则t时刻的针入度为

P0是指沥青初始性能指标(此处为针入度指标)

本实施例为一种水工沥青混凝土运行寿命预测方法，对具体工程而言，若能收集到工程所在处不同时刻的紫外辐射强度数据，就可以按照(11)式计算出t时刻的针入度，由于针入度为沥青主要的性能指标，此将直观的反应沥青混凝土的寿命，具体步骤如下：

以某工程沥青混凝土封闭层为例，根据紫外辐射强度、阳光到水工沥青混凝土面板的主要入射角度；

按照(11)式计算得到水工沥青封闭层的性能指标(针入度)～时间的变化曲线，如附图3所示；

从图3中可以看出，水工沥青封闭层的针入度在最初2-3年内迅速下降，老化速度很快；第3-8年仍在缓慢下降，8年后基本趋于平稳，则说明该水工沥青混凝土封闭层的寿命在8年左右时间。