路用改性瀝青及瀝青-砂漿界面微觀研究

喻金樓，羅雪平

(廣州大學 土木工程學院， 廣東 廣州 510006)

0 引言

隨著經(jīng)濟發(fā)展和社會進步，重載車輛越來越多。某些特殊路段容易出現(xiàn)各種路面損傷，如爬坡路段、公交車停靠站、紅綠燈路口等。半柔性路面以其優(yōu)良的承重性能和抗水損害性能受到了廣泛關(guān)注，但作為大孔隙瀝青混合料灌入砂漿凝固成的復合路面，硬度較大，易產(chǎn)生裂縫，路面使用壽命受到很大限制。

瀝青與后介入砂漿的接觸面作為半柔性路面的薄弱面是引發(fā)裂縫的主要原因。受技術(shù)條件限制，以往對路面微觀研究主要集中在瀝青上。例如，1996年Loeber[1]就使用原子力顯微鏡(AFM)對瀝青進行了觀測，并發(fā)現(xiàn)了瀝青表面特有的“蜂狀結(jié)構(gòu)”；國內(nèi)學者楊軍[2]、關(guān)泊[3]、張海濤[4]、張興軍等[5]均利用AFM對瀝青進行了相關(guān)研究。

近年來隨著AFM技術(shù)進一步發(fā)展，越來越多人開始使用此項技術(shù)研究復合材料界面的微觀物理力學性能。王雙等[6]使用AFM中的QNM模式研究了碳納米管/溶聚丁苯橡膠復合材料的界面過渡區(qū)厚度和界面區(qū)納米力學表征。Hartley等[7]使用AFM測量了烴水界面與二氧化硅膠體顆粒的相互作用力。Ren等[8]使用PF-QNM技術(shù)對水泥與砂顆粒之間界面進行了測試。Dong等[9]使用分子動力學(MD)模擬和PeakForce定量納米力學原子力顯微鏡(PFQN-AFM)研究了瀝青-骨料界面的納米結(jié)構(gòu)。目前尚無對于瀝青接觸面表面以及半柔性路面中瀝青-砂漿界面的微觀研究，為給后續(xù)灌入式復合路面在微觀尺度下的研究提供參考，很有必要對其瀝青-砂漿界面情況進行研究。

1 試驗材料

1.1 瀝青

試驗所采用瀝青為殼牌克裂王S-HV改性瀝青，其相關(guān)性能見表1.

表1 瀝青性能表軟化點,(環(huán)球法)/℃延度(5 ℃)/cm針入度(25℃)/dmm彈性恢復(25℃)/%閃點(COC)/℃溶解度/%離析(163 ℃,48 h軟化點差)/℃動力粘度(60 ℃)/(Pa·s)質(zhì)量損失/%針入度比/%延度(5 ℃)/cm9331.548.1>90>230>991.5>200 0000.18018.5

1.2 砂漿

使用由實驗室配置的半柔性路面專用砂漿，根據(jù)《日本道路協(xié)會半柔性路用砂漿規(guī)范》中專用V型漏斗測定，其基本性能見表2。

表2 專用半柔性砂漿基本性能水灰比含砂量/%流動度/s灌漿效果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

根據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTG E30—2005)水泥膠漿測試方法，測得砂漿標準試件力學性能，如表3所示。

表3 專用半柔性砂漿力學性能試驗結(jié)果水灰比養(yǎng)護時間/d抗折強度/MPa抗壓強度/MPa干縮率/%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

綜合考慮流動性、抗壓強度、干縮率，試驗所使用砂漿水灰比為0.22，砂率為20%，試件在濕度98%的恒溫養(yǎng)護箱中養(yǎng)護7 d。

2 界面微觀力學性能的分析

使用Bruker公司推出的PF-QNM測試模式對瀝青-砂漿試件進行微觀研究,這是一種全新的物品表面成像模式，即使用標準探針在所需測試物體的表面以0.5～2 kHz的頻率做力曲線，識別其峰值力，該方法可測得物品表面的微觀力學信息。探針由針尖和懸臂組成，針尖可由不同種類的晶體制作而成。測試結(jié)束后，使用專用軟件進行分析。

PF-QNM的原理示意如圖1所示。探針在物體表面進行掃描時，對每個像素點都將進行一次完整的距離-力曲線測試，同時物體表面成像的反饋信號為力曲線的峰值，從而獲得物體表面的相關(guān)信息，如圖1a所示,每個測試點的測試分為前進和后退2個過程。首先針尖朝樣品表面靠近(A點),隨著針尖與物體表面的不斷接近，物體表面范德華力開始對探針產(chǎn)生吸引力，直至針尖與樣品表面接觸(B點)；隨著探針針尖進一步的前進，探針針尖與物體表面的分子之間開始產(chǎn)生斥力，直至點C；隨后針尖上升,這時由于針尖與物體表面分子之間的相互作用，針尖和樣品產(chǎn)生黏附力(D點)，最后探針恢復原位，一個點的測試結(jié)束。圖1b為距離-力曲線圖，圖中距離Z軸遠的曲線為前進距離-力曲線，近的曲線為后退距離-力曲線。

a)時間-力曲線圖

b)距離-力曲線圖圖1 PF-QNM的原理示意

物體表面楊氏模量根據(jù)DMT(Derjagirn Muller Toropov)模型以及后退曲線計算得到。其計算公式如式(1):

(1)

式中:Finteraction為針尖峰值力，E*為約化彈性模量，R為針尖的曲率半徑，d為掃描管位移，d0為懸臂變形，F(xiàn)adh為黏附力。

材料的楊氏模量由式(2)求得：

(2)

式中：νs、vtip為試樣和針尖的泊松比，Es、Etip為試樣和針尖的彈性模量。

黏附力為后退曲線中最低點對應值與基線(水平虛線)之差，表示分開2種分子所需要的力。耗散能為前進曲線和后退曲線所包圍面積的值。

本次試驗使用儀器為德國Bruker公司的Dimension ICON 原子力顯微鏡(見圖2)。使用探針為P/N MPP-11120-10型，材質(zhì)為Si，懸臂名義彈性模量為40 N/m，針尖高度10～15 μm，曲率半徑為8 nm。試驗時需對探針偏轉(zhuǎn)系數(shù)校準，并校準針尖的曲率半徑和懸臂的彈性系數(shù)。校準結(jié)束后，設(shè)置掃描分辨率為256×256，掃描頻率為0.5Hz，按照相關(guān)需要設(shè)置掃描區(qū)域的大小。

圖2 Dimension ICON 原子力顯微鏡

2.1 瀝青微觀分析

2.1.1瀝青試樣的PF-QNM成像及力學分析

為確保瀝青-砂漿界面高度差符合測試要求，使用載玻片制作試件，同時設(shè)定瀝青的掃描區(qū)域為10 μm×10 μm。圖3為瀝青試樣的AFM成像圖，其中圖3a為瀝青表面二維高分辨率圖像，淺色表示凸起，深色表示凹陷；圖3b為物體表面的三維結(jié)構(gòu)圖，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，該瀝青表面粗糙度為148 nm；圖3c為材料表面壓痕分布圖。

從圖3a可以發(fā)現(xiàn)，與由小蜜蜂結(jié)構(gòu)自由流淌形成正常瀝青表面不同的是，本次掃描圖片沒有小蜜蜂結(jié)構(gòu)，這是由于試驗試件制作方法的差異而造成；從圖3b可以得出瀝青表面最高峰為293.3 nm，最低谷為-40.1 nm，其高差為333.4 nm，在5 μm以內(nèi)，符合測試標準。從圖3c可以求得瀝青表面平均變形量為106 nm，標準差為8.11。

a)瀝青表面二維高分辨率圖像

b)表面三維結(jié)構(gòu)圖

c) 材料表面壓痕分布圖圖3 瀝青試樣AFM成像圖

2.1.2瀝青模量、黏附力、耗散能分布圖分析

圖4a為本試驗所使用的改性瀝青楊氏模量分布圖，經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析可知，雖然瀝青材料在宏觀力學性能上顯示為一個統(tǒng)一的確定值，但從微納觀層面上來看，每一個點所測的力學數(shù)據(jù)都有差異，從圖中可以看出，模量的變化呈現(xiàn)出波浪式；圖4b為楊氏模量數(shù)值的統(tǒng)計分布圖，圖中曲線由256個點組成，每個點的值是一幀圖像所有值的平均值；將楊氏模量的大小進行統(tǒng)計得出結(jié)果如圖4c，將統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行擬合可以看出，本數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，其模量值絕大部分集中在50～100 MPa區(qū)域?？傻帽驹囼炈褂酶男詾r青的楊氏模量為74.74 MP，標準差16.52，變異系數(shù)為0.22。

a)AFM成像楊氏模量分布圖

b)水平分布圖

c) 統(tǒng)計分布圖圖4 微米尺度下瀝青試樣彈性模量分析

圖5a為瀝青表層與硅探針針尖之間黏附力分布圖，PF-QNM模式能夠在納米尺度下測量探針與材料表面的黏附力，從圖中可以看出黏附力分布圖與楊氏模量分布圖具有相似和一致性，圖像呈波浪狀變化，顏色深則黏附力小、顏色淺則黏附力大；從圖5b可以看出其黏附力的變化幅度較楊氏模量小，且分布呈現(xiàn)波浪形,與原二維圖像有較好的一致性；從圖5c可以得出黏附力的分布數(shù)據(jù)非常契合正態(tài)分布，其均值為1.45 kN，標準差為0.17，變異系數(shù)為0.11。

a)AFM成像黏附力分布圖

b)水平分布圖

c)統(tǒng)計分布圖圖5 微米尺度下瀝青試樣黏附力分析

探針從開始與物體表面相互作用到接觸樣品，再到撤離樣品表面所做功的總和被定義為耗散能。從上文可知耗散能的值是圖1b中前進曲線和后退曲線所圍部分面積。圖6a為耗散能二維分布圖，圖像整體顏色偏深。對其數(shù)據(jù)進行數(shù)理統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)其柱狀圖的分布較符合對數(shù)正態(tài)分布,其均值為0.55 keV，標準差為0.177，其變異系數(shù)為0.32。

c)統(tǒng)計分布圖圖6 微米尺度下瀝青試樣耗散能分析

分析楊氏模量、黏附能和耗散能3個指標的變異系數(shù)可以得出，耗散能分散性最大，楊氏模量次之，黏附能最小。楊氏模量和黏附能符合所測數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，耗散能的數(shù)據(jù)符合對數(shù)正態(tài)分布。

2.2 瀝青-砂漿界面微觀分析

2.2.1瀝青-砂漿界面區(qū)域PF-QNM成像

為確保掃描區(qū)域包含整個瀝青-砂漿界面過渡區(qū)，經(jīng)預測其范圍，選定測試區(qū)域為30 μm×30 μm。圖7為瀝青-砂漿試樣AFM成像圖，從圖中可以看出有明顯的黑白分界區(qū)，以圖7a為例，制作原因?qū)е伦髠?cè)瀝青起伏波動大，右側(cè)砂漿測得表面較為平坦，中間為界面過渡區(qū)。過渡區(qū)粗糙度為785 nm，大于瀝青表面的粗糙度148 nm，這是因為過渡區(qū)表面起伏大，且過渡區(qū)掃描區(qū)域遠大于瀝青掃描區(qū)。圖7c中瀝青部分比砂漿和界面處都亮，說明瀝青較軟，能產(chǎn)生較大壓痕。由此可推斷瀝青砂漿界面過渡區(qū)在處于砂漿一側(cè)。

a)瀝青表面二維高分辨率圖像

b)表面三維結(jié)構(gòu)圖

c) 材料表面壓痕分布圖圖7 瀝青-砂漿試樣AFM成像圖

2.2.2瀝青砂漿界面區(qū)域楊氏模量、黏附力、耗散能分布圖分析

圖8為微觀尺度下瀝青-砂漿試樣模量分析圖，從圖8a中可以明顯看出，顏色從左至右逐漸變淡，這說明圖片左側(cè)為模量較小的瀝青，逐漸過渡到右側(cè)模量較大的砂漿區(qū)域。經(jīng)過分析統(tǒng)計，可以得出在圖片從左往右0～4 μm范圍內(nèi)為瀝青，4～25 μm區(qū)域范圍屬于過渡區(qū)，25～30 μm區(qū)域范圍為砂漿。瀝青模量范圍與前文所測得瀝青模量(平均值74.74 MPa)吻合，過渡區(qū)楊氏模量呈現(xiàn)對數(shù)型曲線增長趨勢，最后在25～30 μm范圍內(nèi)穩(wěn)定在175～200 MPa之間。

a)AFM成像楊氏模量分布圖

b)水平分布圖圖8 微觀尺度下瀝青-砂漿試樣模量分析

圖9為微觀尺度下瀝青-砂漿試樣黏附力分析圖，從圖中可以得出黏附力變化趨勢與楊氏模量變化趨勢基本一致，從左往右0～4 μm區(qū)域與瀝青區(qū)域吻合，但4～30 μm區(qū)域都處于上升趨勢，曲線在25～30 μm開始趨于平緩。這與過渡區(qū)范圍為4～25 μm的結(jié)論相互印證。

a)黏附力

b)水平分布圖圖9 微觀尺度下瀝青-砂漿試樣黏附力分析

圖10為微觀尺度下瀝青-砂漿試樣耗散能分析圖。從圖10a可以看出，在左側(cè)約0～4 μm范圍內(nèi)有大量亮點出現(xiàn)，說明該區(qū)域耗散能較大，且變化較為劇烈，隨后圖像到達一個較暗區(qū)域，距離越大圖像越明亮，從圖10b可以看出相距不大。這再一次印證了過渡區(qū)在砂漿一側(cè)的結(jié)論。

a)AFM成像耗散能分布圖

b)水平分布圖圖10 微觀尺度下瀝青-砂漿試樣耗散能分析

3 結(jié)論

為研究灌入式復合路面瀝青-砂漿界面微觀尺度下的物理力學性能，使用原子力顯微鏡的PF-QNM測試模式對改性瀝青表面以及改性瀝青-砂漿過渡區(qū)的表面進行了掃描，掃描區(qū)域分別為10 μm×10 μm和30 μm×30 μm，測量并分析了其楊氏模量、黏附能、耗散能等指標。

1)瀝青表面所測的楊氏模量和黏附能的柱狀統(tǒng)計圖呈正態(tài)分布，耗散能柱狀統(tǒng)計圖呈對數(shù)正態(tài)分布；測得瀝青的楊氏模量為74.74 MPa，標準差16.52，變異系數(shù)為0.22，標準硅探針測得黏附力均值為1.45 keV，標準差為0.17，變異系數(shù)為0.11，耗散能均值為0.55 keV，標準差為0.177，其變異系數(shù)為0.32。

2)瀝青-砂漿過渡區(qū)楊氏模量呈現(xiàn)對數(shù)型曲線增長趨勢，瀝青-砂漿界面過渡區(qū)范圍大小為21 μm。