路用改性沥青及沥青-砂浆界面微观研究

喻金楼，罗雪平

(广州大学 土木工程学院， 广东 广州 510006)

0 引言

随着经济发展和社会进步，重载车辆越来越多。某些特殊路段容易出现各种路面损伤，如爬坡路段、公交车停靠站、红绿灯路口等。半柔性路面以其优良的承重性能和抗水损害性能受到了广泛关注，但作为大孔隙沥青混合料灌入砂浆凝固成的复合路面，硬度较大，易产生裂缝，路面使用寿命受到很大限制。

沥青与后介入砂浆的接触面作为半柔性路面的薄弱面是引发裂缝的主要原因。受技术条件限制，以往对路面微观研究主要集中在沥青上。例如，1996年Loeber[1]就使用原子力显微镜(AFM)对沥青进行了观测，并发现了沥青表面特有的“蜂状结构”；国内学者杨军[2]、关泊[3]、张海涛[4]、张兴军等[5]均利用AFM对沥青进行了相关研究。

近年来随着AFM技术进一步发展，越来越多人开始使用此项技术研究复合材料界面的微观物理力学性能。王双等[6]使用AFM中的QNM模式研究了碳纳米管/溶聚丁苯橡胶复合材料的界面过渡区厚度和界面区纳米力学表征。Hartley等[7]使用AFM测量了烃水界面与二氧化硅胶体颗粒的相互作用力。Ren等[8]使用PF-QNM技术对水泥与砂颗粒之间界面进行了测试。Dong等[9]使用分子动力学(MD)模拟和PeakForce定量纳米力学原子力显微镜(PFQN-AFM)研究了沥青-骨料界面的纳米结构。目前尚无对于沥青接触面表面以及半柔性路面中沥青-砂浆界面的微观研究，为给后续灌入式复合路面在微观尺度下的研究提供参考，很有必要对其沥青-砂浆界面情况进行研究。

1 试验材料

1.1 沥青

试验所采用沥青为壳牌克裂王S-HV改性沥青，其相关性能见表1.

表1 沥青性能表软化点,(环球法)/℃延度(5 ℃)/cm针入度(25℃)/dmm弹性恢复(25℃)/%闪点(COC)/℃溶解度/%离析(163 ℃,48 h软化点差)/℃动力粘度(60 ℃)/(Pa·s)质量损失/%针入度比/%延度(5 ℃)/cm9331.548.1>90>230>991.5>200 0000.18018.5

1.2 砂浆

使用由实验室配置的半柔性路面专用砂浆，根据《日本道路协会半柔性路用砂浆规范》中专用V型漏斗测定，其基本性能见表2。

表2 专用半柔性砂浆基本性能水灰比含砂量/%流动度/s灌浆效果109.9好0.202014.1好3019.2差109.5好0.212012.8好3018.3差109.2好0.222011.4良好3017.2差108.6好0.232010.6良好3016.8差108.1好0.242010.1良好3016.3差

根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30—2005)水泥胶浆测试方法，测得砂浆标准试件力学性能，如表3所示。

表3 专用半柔性砂浆力学性能试验结果水灰比养护时间/d抗折强度/MPa抗压强度/MPa干缩率/%39.643.60.0650.22710.972.80.0871412.181.60.1142813.591.80.13839.543.20.0680.23710.771.80.0941411.880.70.1222813.391.30.14439.242.40.0730.24710.070.60.0921411.179.30.1182812.689.20.148

综合考虑流动性、抗压强度、干缩率，试验所使用砂浆水灰比为0.22，砂率为20%，试件在湿度98%的恒温养护箱中养护7 d。

2 界面微观力学性能的分析

使用Bruker公司推出的PF-QNM测试模式对沥青-砂浆试件进行微观研究,这是一种全新的物品表面成像模式，即使用标准探针在所需测试物体的表面以0.5～2 kHz的频率做力曲线，识别其峰值力，该方法可测得物品表面的微观力学信息。探针由针尖和悬臂组成，针尖可由不同种类的晶体制作而成。测试结束后，使用专用软件进行分析。

PF-QNM的原理示意如图1所示。探针在物体表面进行扫描时，对每个像素点都将进行一次完整的距离-力曲线测试，同时物体表面成像的反馈信号为力曲线的峰值，从而获得物体表面的相关信息，如图1a所示,每个测试点的测试分为前进和后退2个过程。首先针尖朝样品表面靠近(A点),随着针尖与物体表面的不断接近，物体表面范德华力开始对探针产生吸引力，直至针尖与样品表面接触(B点)；随着探针针尖进一步的前进，探针针尖与物体表面的分子之间开始产生斥力，直至点C；随后针尖上升,这时由于针尖与物体表面分子之间的相互作用，针尖和样品产生黏附力(D点)，最后探针恢复原位，一个点的测试结束。图1b为距离-力曲线图，图中距离Z轴远的曲线为前进距离-力曲线，近的曲线为后退距离-力曲线。

a)时间-力曲线图

b)距离-力曲线图图1 PF-QNM的原理示意

物体表面杨氏模量根据DMT(Derjagirn Muller Toropov)模型以及后退曲线计算得到。其计算公式如式(1):

(1)

式中:Finteraction为针尖峰值力，E*为约化弹性模量，R为针尖的曲率半径，d为扫描管位移，d0为悬臂变形，Fadh为黏附力。

材料的杨氏模量由式(2)求得：

(2)

式中：νs、vtip为试样和针尖的泊松比，Es、Etip为试样和针尖的弹性模量。

黏附力为后退曲线中最低点对应值与基线(水平虚线)之差，表示分开2种分子所需要的力。耗散能为前进曲线和后退曲线所包围面积的值。

本次试验使用仪器为德国Bruker公司的Dimension ICON 原子力显微镜(见图2)。使用探针为P/N MPP-11120-10型，材质为Si，悬臂名义弹性模量为40 N/m，针尖高度10～15 μm，曲率半径为8 nm。试验时需对探针偏转系数校准，并校准针尖的曲率半径和悬臂的弹性系数。校准结束后，设置扫描分辨率为256×256，扫描频率为0.5Hz，按照相关需要设置扫描区域的大小。

图2 Dimension ICON 原子力显微镜

2.1 沥青微观分析

2.1.1沥青试样的PF-QNM成像及力学分析

为确保沥青-砂浆界面高度差符合测试要求，使用载玻片制作试件，同时设定沥青的扫描区域为10 μm×10 μm。图3为沥青试样的AFM成像图，其中图3a为沥青表面二维高分辨率图像，浅色表示凸起，深色表示凹陷；图3b为物体表面的三维结构图，根据统计数据可知，该沥青表面粗糙度为148 nm；图3c为材料表面压痕分布图。

从图3a可以发现，与由小蜜蜂结构自由流淌形成正常沥青表面不同的是，本次扫描图片没有小蜜蜂结构，这是由于试验试件制作方法的差异而造成；从图3b可以得出沥青表面最高峰为293.3 nm，最低谷为-40.1 nm，其高差为333.4 nm，在5 μm以内，符合测试标准。从图3c可以求得沥青表面平均变形量为106 nm，标准差为8.11。

a)沥青表面二维高分辨率图像

b)表面三维结构图

c) 材料表面压痕分布图图3 沥青试样AFM成像图

2.1.2沥青模量、黏附力、耗散能分布图分析

图4a为本试验所使用的改性沥青杨氏模量分布图，经过数据统计分析可知，虽然沥青材料在宏观力学性能上显示为一个统一的确定值，但从微纳观层面上来看，每一个点所测的力学数据都有差异，从图中可以看出，模量的变化呈现出波浪式；图4b为杨氏模量数值的统计分布图，图中曲线由256个点组成，每个点的值是一帧图像所有值的平均值；将杨氏模量的大小进行统计得出结果如图4c，将统计数据进行拟合可以看出，本数据符合正态分布，其模量值绝大部分集中在50～100 MPa区域。可得本试验所使用改性沥青的杨氏模量为74.74 MP，标准差16.52，变异系数为0.22。

a)AFM成像杨氏模量分布图

b)水平分布图

c) 统计分布图图4 微米尺度下沥青试样弹性模量分析

图5a为沥青表层与硅探针针尖之间黏附力分布图，PF-QNM模式能够在纳米尺度下测量探针与材料表面的黏附力，从图中可以看出黏附力分布图与杨氏模量分布图具有相似和一致性，图像呈波浪状变化，颜色深则黏附力小、颜色浅则黏附力大；从图5b可以看出其黏附力的变化幅度较杨氏模量小，且分布呈现波浪形,与原二维图像有较好的一致性；从图5c可以得出黏附力的分布数据非常契合正态分布，其均值为1.45 kN，标准差为0.17，变异系数为0.11。

a)AFM成像黏附力分布图

b)水平分布图

c)统计分布图图5 微米尺度下沥青试样黏附力分析

探针从开始与物体表面相互作用到接触样品，再到撤离样品表面所做功的总和被定义为耗散能。从上文可知耗散能的值是图1b中前进曲线和后退曲线所围部分面积。图6a为耗散能二维分布图，图像整体颜色偏深。对其数据进行数理统计分析，发现其柱状图的分布较符合对数正态分布,其均值为0.55 keV，标准差为0.177，其变异系数为0.32。

c)统计分布图图6 微米尺度下沥青试样耗散能分析

分析杨氏模量、黏附能和耗散能3个指标的变异系数可以得出，耗散能分散性最大，杨氏模量次之，黏附能最小。杨氏模量和黏附能符合所测数据符合正态分布，耗散能的数据符合对数正态分布。

2.2 沥青-砂浆界面微观分析

2.2.1沥青-砂浆界面区域PF-QNM成像

为确保扫描区域包含整个沥青-砂浆界面过渡区，经预测其范围，选定测试区域为30 μm×30 μm。图7为沥青-砂浆试样AFM成像图，从图中可以看出有明显的黑白分界区，以图7a为例，制作原因导致左侧沥青起伏波动大，右侧砂浆测得表面较为平坦，中间为界面过渡区。过渡区粗糙度为785 nm，大于沥青表面的粗糙度148 nm，这是因为过渡区表面起伏大，且过渡区扫描区域远大于沥青扫描区。图7c中沥青部分比砂浆和界面处都亮，说明沥青较软，能产生较大压痕。由此可推断沥青砂浆界面过渡区在处于砂浆一侧。

a)沥青表面二维高分辨率图像

b)表面三维结构图

c) 材料表面压痕分布图图7 沥青-砂浆试样AFM成像图

2.2.2沥青砂浆界面区域杨氏模量、黏附力、耗散能分布图分析

图8为微观尺度下沥青-砂浆试样模量分析图，从图8a中可以明显看出，颜色从左至右逐渐变淡，这说明图片左侧为模量较小的沥青，逐渐过渡到右侧模量较大的砂浆区域。经过分析统计，可以得出在图片从左往右0～4 μm范围内为沥青，4～25 μm区域范围属于过渡区，25～30 μm区域范围为砂浆。沥青模量范围与前文所测得沥青模量(平均值74.74 MPa)吻合，过渡区杨氏模量呈现对数型曲线增长趋势，最后在25～30 μm范围内稳定在175～200 MPa之间。

a)AFM成像杨氏模量分布图

b)水平分布图图8 微观尺度下沥青-砂浆试样模量分析

图9为微观尺度下沥青-砂浆试样黏附力分析图，从图中可以得出黏附力变化趋势与杨氏模量变化趋势基本一致，从左往右0～4 μm区域与沥青区域吻合，但4～30 μm区域都处于上升趋势，曲线在25～30 μm开始趋于平缓。这与过渡区范围为4～25 μm的结论相互印证。

a)黏附力

b)水平分布图图9 微观尺度下沥青-砂浆试样黏附力分析

图10为微观尺度下沥青-砂浆试样耗散能分析图。从图10a可以看出，在左侧约0～4 μm范围内有大量亮点出现，说明该区域耗散能较大，且变化较为剧烈，随后图像到达一个较暗区域，距离越大图像越明亮，从图10b可以看出相距不大。这再一次印证了过渡区在砂浆一侧的结论。

a)AFM成像耗散能分布图

b)水平分布图图10 微观尺度下沥青-砂浆试样耗散能分析

3 结论

为研究灌入式复合路面沥青-砂浆界面微观尺度下的物理力学性能，使用原子力显微镜的PF-QNM测试模式对改性沥青表面以及改性沥青-砂浆过渡区的表面进行了扫描，扫描区域分别为10 μm×10 μm和30 μm×30 μm，测量并分析了其杨氏模量、黏附能、耗散能等指标。

1)沥青表面所测的杨氏模量和黏附能的柱状统计图呈正态分布，耗散能柱状统计图呈对数正态分布；测得沥青的杨氏模量为74.74 MPa，标准差16.52，变异系数为0.22，标准硅探针测得黏附力均值为1.45 keV，标准差为0.17，变异系数为0.11，耗散能均值为0.55 keV，标准差为0.177，其变异系数为0.32。

2)沥青-砂浆过渡区杨氏模量呈现对数型曲线增长趋势，沥青-砂浆界面过渡区范围大小为21 μm。