基于AFM微观尺度表面构造与粘附力学特性分析的沥青与集料界面粘附失效机理研究

Adhesion between asphalt and aggregate is critical for the durability of asphalt pavement. The adhesive failure can induce moisture damage, fatigue cracks etc. By utilizing the Atomic Force Microscope (AFM), this project analyzes the interaction mechanism between micro-structural properties of asphalt materials and adhesion of asphalt/aggregate system. Firstly through the systematical stability analysis to the AFM test results, the micro-structural analysis test method including the samples preparation procedure can be built. Then the micro-scale surface texture and adhesive mechanical properties are investigated with this method. The two-dimensional and three-dimensional micro surface texture can be obtained and characterized using the tapping mode of AFM. With the application of phase detection microscopy and force curve modes, the chemical compositions and their adhesive properties for asphalt materials under micro-scale can be also characterized. Then comprehensive studies will be conducted to analyze the factors which may influence the micro-structural properties of asphalt materials. The interaction mechanisms among these influencing factors (temperatures, aging, crude oil source and penetration grade) and micro, macro-mechanical adhesive behaviors are finally studied. All those findings will be helpful to determine the adhesive failure mechanism of asphalt/aggregate system, and provide guidance to the materials selection and design which is in accordance with the adhesion modification requirements.

沥青与集料的界面粘附性能是影响沥青路面耐久性的重要因素之一，其粘附失效将导致水损害、疲劳开裂等病害。项目利用原子力显微镜技术，系统分析沥青材料微观结构属性与宏观沥青/集料粘附性能之间的内在联系与相互作用机制。通过AFM进行沥青材料微观结构分析的系统稳定性研究，建立了分析和评价沥青材料微观结构属性的试验方法。以材料的微观结构为分析对象，采用轻敲模式得到沥青材料表面微观构造的二维与三维信息，并以统计物理值描述其构造特征；采用相位图像模式进行沥青材料在微观尺度的成分分组，结合力曲线模式，开展不同组分的粘附力学特性分析。进而考虑温度、老化状态、油源、针入度等级等影响沥青材料微观结构属性的各项因素，结合相应沥青材料与集料的宏观粘附力学性能试验，分析各项因素对于宏微观粘附力学性能的作用原理与规律。研究有助于从微观尺度明确沥青与集料界面粘附失效机理，对基于粘附性能改善的材料选择与设计具有重要指导意义。

沥青与集料在微观尺度下的形貌构造与粘附力学行为是影响两者之间界面粘附性能的主要因素，进而对沥青路面的抗水损害、疲劳开裂、低温开裂等也都有较大的影响。本课题主要基于原子力显微镜技术（AFM），对沥青路面最重要的原材料——沥青和集料的微观形貌属性和微观力学特征与宏观尺度下沥青/集料粘附性能之间的内在联系与相互作用机制开展研究。首先，借助AFM开展了沥青材料微观形貌构造的重复性和复现性测试，建立了分析和评价沥青材料和集料微观形貌特征和微观力学特性的试验方法和理论基础。然后，对不同油源、标号、老化条件和温度环境处理等的沥青和不同种类的集料开展了表面微观形貌构造测试，分析了各种影响因素的作用规律。根据沥青与集料的表观形貌测试结果，定性的评价和表征了沥青与集料的表面微观构造特点。同时，在AFM不同测试模式下测得了集料与沥青表面微观尺度的力曲线，结合选定的表面能模型与相关计算理论，确定了集料与沥青表面各微观区域的粘附力和表面能，并进一步计算得到了沥青材料纳米尺度下的纳米硬度和弹性模量。最后开展了不同沥青和集料组合体系的宏观拉拔和剥离试验，并与沥青与集料的微观形貌特性与微观粘附力学行为建立了联系，分析了宏微观尺度材料物化属性与力学特性间的相互影响机制。研究从微观尺度揭示了沥青与集料的界面粘附机理，对建设长寿命耐久型沥青路面的材料选择与设计优化提供基础数据和理论支撑。