高嶺土改性瀝青混合料路用性能研究

包惠明，張亦敏，呂總威，傅濤，黃顯順

（桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引言

高嶺土是層狀八面體硅酸鹽礦物，基本組成單元是硅氧四面體和鋁氧八面體，層間由氫鍵和范德華力粘結(jié)在一起，由于其良好的可塑性、耐火性、抗酸溶性和比表面積大等理化性質(zhì)，被用于陶瓷橡膠、化工、醫(yī)藥、國(guó)防等專業(yè)領(lǐng)域[1]。高嶺土質(zhì)地較軟易分散懸浮，不容易形成沉淀，根據(jù)這一性質(zhì)可以將其摻入到瀝青材料中[2]，并通過試驗(yàn)探究高嶺土對(duì)瀝青性能的影響。

由于高嶺土產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品過于集中，面臨某些領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)激烈不利于市場(chǎng)有序運(yùn)作，因此，研究開拓新的領(lǐng)域意義重大，可以更高效充分利用這一資源[3]。桂林地區(qū)高嶺土分布廣泛，其中主要成分鋁硅酸鹽經(jīng)驗(yàn)證對(duì)于瀝青稠度、粘度以及抗變形能力都有一定的改善作用。本文通過在瀝青中摻入不同比例的高嶺土，研究高嶺土改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性等路用性能，確定高嶺土的最佳用量，最大程度地改善瀝青的性能。

1 試驗(yàn)材料

（1）基質(zhì)瀝青：中國(guó)石化股份有限公司茂名分公司產(chǎn)的“東海牌”70#A級(jí)道路石油瀝青[4]。該瀝青在25℃下較硬，符合JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的要求，指標(biāo)測(cè)試結(jié)果見表1。

（2）高嶺土：廣西岑溪高嶺土有限公司提供的煅燒高嶺土，呈白色軟泥狀，顆粒細(xì)膩，狀似面粉，化學(xué)成分穩(wěn)定，鋁硅酸鹽成分高達(dá)18%，含大量的二氧化硅。分別以3%、5%、7%、9%、11%的高嶺土含量制備出5組改性瀝青混合料。（3）集料：采用廣西某采石場(chǎng)棱角性、壓碎值較高，表面紋理較好、片狀較低的石灰?guī)r作為礦質(zhì)集料。根據(jù)JTG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》與JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求對(duì)集料進(jìn)行了10個(gè)檔次的篩分試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見表2。

表1 基質(zhì)瀝青的基本技術(shù)指標(biāo)

（4）礦粉：取自廣西某礦粉廠生產(chǎn)的石灰石，符合JTG E42—2005的要求，主要技術(shù)指標(biāo)見表3。

表2 石灰?guī)r集料的篩分結(jié)果

表3 礦粉的技術(shù)指標(biāo)

本試驗(yàn)采用AC-13型瀝青混合料礦料級(jí)配，9.5～13.2 mm顆粒占比30%，4.75～9.5 mm顆粒占比26%、2.36～4.75 mm顆粒占比11%、石屑占比27%、礦粉占比6%。合成級(jí)配見表4。

表4 AC-13型瀝青混合料礦料級(jí)配

2 高嶺土改性瀝青混合料路用性能試驗(yàn)

2.1 混合料馬歇爾試驗(yàn)

2.1.1 確定最佳瀝青用量

按照J(rèn)TG E20—2011進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)[5]。結(jié)合相關(guān)實(shí)例，預(yù)估4%為基質(zhì)瀝青的油石比中值，按0.5%間隔，取3.0%～5.0%五組不同油石比的試件用于瀝青混合料指標(biāo)測(cè)試，基質(zhì)瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 基質(zhì)瀝青混合料的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由表5可見，隨著瀝青用量的增加，混合料的毛體積密度、瀝青飽和度和流值均逐漸增大，空隙率、礦料間隙率和穩(wěn)定度逐漸減小。本試驗(yàn)中目標(biāo)空隙率為4%對(duì)應(yīng)的OAC1=4.03%，根據(jù)JTG F40—2004中表5.3.3-1確定瀝青用量范圍OACmin～OACmax的中值作為 OAC2，確定 OAC2=3.96%，最佳瀝青用量OAC=3.99%。

以同樣方法確定不同摻量高嶺土5組混合料的最佳瀝青用量（OAC）見表6。

由表6可見，隨著高嶺土摻量的增加，瀝青混合料的最佳瀝青用量并沒有呈現(xiàn)明顯的變化規(guī)律，相較于基質(zhì)瀝青，摻3%、5%、7%、9%高嶺土改性瀝青混合料的最佳瀝青用量都相應(yīng)減少，高嶺土摻量為9%時(shí)OAC最小。

表6 不同高嶺土摻量瀝青混合料的最佳瀝青用量

2.2 高嶺土改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)

根據(jù)JTG E20—2011中T0719—2011試驗(yàn)方法，采用輪碾法制備尺寸為300 mm×300 mm×50 mm的車轍試件；碾壓成型后，在室溫下冷卻6 h以上，然后將試件放入60℃恒溫干燥箱中保溫7 h。在試驗(yàn)溫度60℃，輪壓為0.7 MPa下進(jìn)行車轍試驗(yàn)，不同高嶺土摻量改性瀝青混合料的車轍試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 不同高嶺土摻量瀝青混合料的車轍試驗(yàn)結(jié)果

由表7可知，隨著高嶺土摻量的增加，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度先增大后減小。高嶺土摻量分別為3%、5%、7%、9%、11%時(shí)，改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度較基質(zhì)瀝青混合料分別提高了 108.32%、148.89%、186.93%、130.49%、74.35%。這說明高嶺土作為改性劑使得瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性得到了一定程度的增強(qiáng)[6-7]。高嶺土摻量為0～7%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度隨高嶺土摻量的增加不斷增大，當(dāng)高嶺土摻量達(dá)到7%時(shí)，混合料的動(dòng)穩(wěn)定度最大。這是由于高嶺土本身具有良好的膠結(jié)性和較大的比表面積，且高溫煅燒后的高嶺土具有良好的熱穩(wěn)定性，可以從周圍介質(zhì)中吸附各種離子，能夠很好地分散在混合料中，通過吸附瀝青形成膠漿增強(qiáng)了混合料骨架的穩(wěn)定性。高嶺土摻量在7%～11%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度隨高嶺土摻量的增加呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)楦邘X土中主要成分鋁硅酸鹽呈正四面體結(jié)構(gòu)，隨著其含量的增加，改性劑整體結(jié)構(gòu)趨向正四面體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致吸附瀝青量減少。

2.3 高嶺土改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性試驗(yàn)

2.3.1 瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)

在最佳瀝青用量下，用馬歇爾擊實(shí)儀制備出正反雙面擊實(shí)各50次的馬歇爾試件，試件數(shù)目不少于8個(gè)，依據(jù)JTG E20—2011凍融劈裂試驗(yàn)規(guī)程將試件分為2組，放入60℃的恒溫水箱中保溫24 h以上。最后將2組試樣放入25℃的恒溫水槽中不少于2 h[6]。之后對(duì)2組試件用50 mm/min加載速率的瀝青混合料穩(wěn)定度儀進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，結(jié)果見表8。

表8 不同高嶺土摻量瀝青混合料的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知，隨著高嶺土摻量的增加，混合料的TSR先增大后減小，在高嶺土摻量為5%時(shí)TSR達(dá)到最大。高嶺土摻量分別為3%、5%、7%、9%、11%時(shí)，改性瀝青混合料的TSR較基質(zhì)瀝青混合料分別提高了 8.02%、18.30%、17.36%、9.80%和7.94%。說明把高嶺土作為改性劑加入基質(zhì)瀝青中，使瀝青與集料、集料與集料之間的粘結(jié)力提高，增強(qiáng)了瀝青混合料的抗流動(dòng)變形能力，高嶺土良好的粘性和觸變性使得改性瀝青混合料內(nèi)部產(chǎn)生一定的摩擦相互作用并阻礙其流動(dòng)，在馬歇爾試件擊實(shí)過程中，有效地防止其塌軟、變形，從而提高了瀝青混合料抗水損害的能力[8-9]。

2.3.2 瀝青混合料的浸水馬歇爾試驗(yàn)

浸水馬歇爾穩(wěn)定試驗(yàn)是瀝青混合料水穩(wěn)定性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)之一，以浸水馬歇爾試驗(yàn)殘留穩(wěn)定度指標(biāo)來評(píng)價(jià)。將試件在60℃的恒溫水箱中保溫時(shí)間為48 h，其余步驟與馬歇爾試驗(yàn)方法一致[10]，試驗(yàn)結(jié)果見表9。

表9 不同高嶺土摻量瀝青混合料的浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由表9可見，隨高嶺土摻量的增加，混合料的浸水殘留穩(wěn)定度先增大后減小，高嶺土摻量分別為3%、5%、7%、9%、11%時(shí)，改性瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度較基質(zhì)瀝青混合料分別提高了4.64%、5.20%、6.56%、2.79%、2.17%；但不同的是在高嶺土摻量為7%時(shí)試件的浸水殘留穩(wěn)定度增量最大。摻量小于7%時(shí)，浸水馬歇爾試驗(yàn)殘留穩(wěn)定度一直增大，7%作為拐點(diǎn)，摻量在7%～11%時(shí)增量不斷減少。說明加入高嶺土后對(duì)浸水殘留穩(wěn)定度提高有一定的作用，可以用高嶺土來改善基質(zhì)瀝青的水穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

（1）高嶺土自身易分散懸浮、良好的膠結(jié)性和較大的比表面積使得其與瀝青混合料很好的結(jié)合，且有效地增強(qiáng)了瀝青混合料的粘結(jié)特性，為其成為改性劑提供了條件。

（2）高嶺土摻量為7%時(shí)，改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度較基質(zhì)瀝青混合料提高了186.93%，這說明將高嶺土作為改性劑加入，使得瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性得到了一定程度的增強(qiáng)。

（3）高嶺土摻量為5%時(shí)，改性瀝青混合料的凍融劈裂試驗(yàn)殘留強(qiáng)度比TSR最大，達(dá)到94.20%；高嶺土摻量為7%時(shí)，改性瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度最大，達(dá)到95.56%。對(duì)比基質(zhì)瀝青混合料結(jié)果說明高嶺土的加入使得瀝青混合料的水穩(wěn)定性得到了改善。

（4）高嶺土改性劑的摻加很大程度上提高了瀝青混合料的路用性能，為高嶺土作為無機(jī)礦物改性劑應(yīng)用到路面材料中提供了一個(gè)新的方向。