高岭土改性沥青混合料路用性能研究

包惠明，张亦敏，吕总威，傅涛，黄显顺

（桂林理工大学 土木与建筑工程学院，广西 桂林 541004）

0 引言

高岭土是层状八面体硅酸盐矿物，基本组成单元是硅氧四面体和铝氧八面体，层间由氢键和范德华力粘结在一起，由于其良好的可塑性、耐火性、抗酸溶性和比表面积大等理化性质，被用于陶瓷橡胶、化工、医药、国防等专业领域[1]。高岭土质地较软易分散悬浮，不容易形成沉淀，根据这一性质可以将其掺入到沥青材料中[2]，并通过试验探究高岭土对沥青性能的影响。

由于高岭土产业产品过于集中，面临某些领域竞争激烈不利于市场有序运作，因此，研究开拓新的领域意义重大，可以更高效充分利用这一资源[3]。桂林地区高岭土分布广泛，其中主要成分铝硅酸盐经验证对于沥青稠度、粘度以及抗变形能力都有一定的改善作用。本文通过在沥青中掺入不同比例的高岭土，研究高岭土改性沥青混合料的高温稳定性、水稳定性等路用性能，确定高岭土的最佳用量，最大程度地改善沥青的性能。

1 试验材料

（1）基质沥青：中国石化股份有限公司茂名分公司产的“东海牌”70#A级道路石油沥青[4]。该沥青在25℃下较硬，符合JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的要求，指标测试结果见表1。

（2）高岭土：广西岑溪高岭土有限公司提供的煅烧高岭土，呈白色软泥状，颗粒细腻，状似面粉，化学成分稳定，铝硅酸盐成分高达18%，含大量的二氧化硅。分别以3%、5%、7%、9%、11%的高岭土含量制备出5组改性沥青混合料。（3）集料：采用广西某采石场棱角性、压碎值较高，表面纹理较好、片状较低的石灰岩作为矿质集料。根据JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》与JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求对集料进行了10个档次的筛分试验，测试结果见表2。

表1 基质沥青的基本技术指标

（4）矿粉：取自广西某矿粉厂生产的石灰石，符合JTG E42—2005的要求，主要技术指标见表3。

表2 石灰岩集料的筛分结果

表3 矿粉的技术指标

本试验采用AC-13型沥青混合料矿料级配，9.5～13.2 mm颗粒占比30%，4.75～9.5 mm颗粒占比26%、2.36～4.75 mm颗粒占比11%、石屑占比27%、矿粉占比6%。合成级配见表4。

表4 AC-13型沥青混合料矿料级配

2 高岭土改性沥青混合料路用性能试验

2.1 混合料马歇尔试验

2.1.1 确定最佳沥青用量

按照JTG E20—2011进行马歇尔试验配合比设计[5]。结合相关实例，预估4%为基质沥青的油石比中值，按0.5%间隔，取3.0%～5.0%五组不同油石比的试件用于沥青混合料指标测试，基质沥青混合料马歇尔试验结果见表5。

表5 基质沥青混合料的马歇尔试验结果

由表5可见，随着沥青用量的增加，混合料的毛体积密度、沥青饱和度和流值均逐渐增大，空隙率、矿料间隙率和稳定度逐渐减小。本试验中目标空隙率为4%对应的OAC1=4.03%，根据JTG F40—2004中表5.3.3-1确定沥青用量范围OACmin～OACmax的中值作为 OAC2，确定 OAC2=3.96%，最佳沥青用量OAC=3.99%。

以同样方法确定不同掺量高岭土5组混合料的最佳沥青用量（OAC）见表6。

由表6可见，随着高岭土掺量的增加，沥青混合料的最佳沥青用量并没有呈现明显的变化规律，相较于基质沥青，掺3%、5%、7%、9%高岭土改性沥青混合料的最佳沥青用量都相应减少，高岭土掺量为9%时OAC最小。

表6 不同高岭土掺量沥青混合料的最佳沥青用量

2.2 高岭土改性沥青混合料的高温稳定性试验

根据JTG E20—2011中T0719—2011试验方法，采用轮碾法制备尺寸为300 mm×300 mm×50 mm的车辙试件；碾压成型后，在室温下冷却6 h以上，然后将试件放入60℃恒温干燥箱中保温7 h。在试验温度60℃，轮压为0.7 MPa下进行车辙试验，不同高岭土掺量改性沥青混合料的车辙试验结果见表7。

表7 不同高岭土掺量沥青混合料的车辙试验结果

由表7可知，随着高岭土掺量的增加，沥青混合料的动稳定度先增大后减小。高岭土掺量分别为3%、5%、7%、9%、11%时，改性沥青混合料的动稳定度较基质沥青混合料分别提高了 108.32%、148.89%、186.93%、130.49%、74.35%。这说明高岭土作为改性剂使得沥青混合料的高温稳定性得到了一定程度的增强[6-7]。高岭土掺量为0～7%时，动稳定度随高岭土掺量的增加不断增大，当高岭土掺量达到7%时，混合料的动稳定度最大。这是由于高岭土本身具有良好的胶结性和较大的比表面积，且高温煅烧后的高岭土具有良好的热稳定性，可以从周围介质中吸附各种离子，能够很好地分散在混合料中，通过吸附沥青形成胶浆增强了混合料骨架的稳定性。高岭土掺量在7%～11%时，动稳定度随高岭土掺量的增加呈下降趋势，这是因为高岭土中主要成分铝硅酸盐呈正四面体结构，随着其含量的增加，改性剂整体结构趋向正四面体结构，导致吸附沥青量减少。

2.3 高岭土改性沥青混合料的水稳定性试验

2.3.1 沥青混合料冻融劈裂试验

在最佳沥青用量下，用马歇尔击实仪制备出正反双面击实各50次的马歇尔试件，试件数目不少于8个，依据JTG E20—2011冻融劈裂试验规程将试件分为2组，放入60℃的恒温水箱中保温24 h以上。最后将2组试样放入25℃的恒温水槽中不少于2 h[6]。之后对2组试件用50 mm/min加载速率的沥青混合料稳定度仪进行劈裂试验，结果见表8。

表8 不同高岭土掺量沥青混合料的冻融劈裂试验结果

由表8可知，随着高岭土掺量的增加，混合料的TSR先增大后减小，在高岭土掺量为5%时TSR达到最大。高岭土掺量分别为3%、5%、7%、9%、11%时，改性沥青混合料的TSR较基质沥青混合料分别提高了 8.02%、18.30%、17.36%、9.80%和7.94%。说明把高岭土作为改性剂加入基质沥青中，使沥青与集料、集料与集料之间的粘结力提高，增强了沥青混合料的抗流动变形能力，高岭土良好的粘性和触变性使得改性沥青混合料内部产生一定的摩擦相互作用并阻碍其流动，在马歇尔试件击实过程中，有效地防止其塌软、变形，从而提高了沥青混合料抗水损害的能力[8-9]。

2.3.2 沥青混合料的浸水马歇尔试验

浸水马歇尔稳定试验是沥青混合料水稳定性能评价试验之一，以浸水马歇尔试验残留稳定度指标来评价。将试件在60℃的恒温水箱中保温时间为48 h，其余步骤与马歇尔试验方法一致[10]，试验结果见表9。

表9 不同高岭土掺量沥青混合料的浸水马歇尔试验结果

由表9可见，随高岭土掺量的增加，混合料的浸水残留稳定度先增大后减小，高岭土掺量分别为3%、5%、7%、9%、11%时，改性沥青混合料的浸水残留稳定度较基质沥青混合料分别提高了4.64%、5.20%、6.56%、2.79%、2.17%；但不同的是在高岭土掺量为7%时试件的浸水残留稳定度增量最大。掺量小于7%时，浸水马歇尔试验残留稳定度一直增大，7%作为拐点，掺量在7%～11%时增量不断减少。说明加入高岭土后对浸水残留稳定度提高有一定的作用，可以用高岭土来改善基质沥青的水稳定性。

3 结论

（1）高岭土自身易分散悬浮、良好的胶结性和较大的比表面积使得其与沥青混合料很好的结合，且有效地增强了沥青混合料的粘结特性，为其成为改性剂提供了条件。

（2）高岭土掺量为7%时，改性沥青混合料的动稳定度较基质沥青混合料提高了186.93%，这说明将高岭土作为改性剂加入，使得沥青混合料的高温稳定性得到了一定程度的增强。

（3）高岭土掺量为5%时，改性沥青混合料的冻融劈裂试验残留强度比TSR最大，达到94.20%；高岭土掺量为7%时，改性沥青混合料的浸水残留稳定度最大，达到95.56%。对比基质沥青混合料结果说明高岭土的加入使得沥青混合料的水稳定性得到了改善。

（4）高岭土改性剂的掺加很大程度上提高了沥青混合料的路用性能，为高岭土作为无机矿物改性剂应用到路面材料中提供了一个新的方向。