基于原子力显微镜技术的温拌沥青与集料体系粘附性的微观机理研究

Warm mix asphalt (WMA) is a green pavement construction material which is helpful to energy saving in addition to minimizing the emission of greenhouse gas. There is a greater challenge for its moisture susceptibility because the construction temperature is cut down. However, microscopic mechanism of adhesion in warm asphalt and aggregate system is not yet clear. It has become the main restrict bottlenecks to popularize and apply this technology. The basic scientific research on microscopic mechanism of adhesion in warm asphalt and aggregate system will be carried out by atomic force microscopy technique (AFM) based on the microstructure characteristic and quantitative description of adhesive forces and cohesive forces. There are three main themes in the project. Firstly, test methods will be developed in AFM image scanning and force spectrum experiments for warm asphalt. Secondly, adhesive & cohesive force in warm asphalt and aggregate system will be determined quantitatively in dry and wet conditions by force spectroscopy experiments. Finally, the effect mechanisms of microstructure distribution on adhesive forces and cohesive forces in warm asphalt and aggregate system will analyzed based on the microstructure shape in warm asphalt and adhesion distribution characteristics in different regions of morphology. The project aims to reveal influence mechanism of microstructure distribution in warm asphalt on adhesive & cohesive force in warm mix asphalt and aggregate system. It can provide theoretical and experimental evidence to evaluate objectively moisture susceptibility of WMA. And it is has important theoretical significance and reference value to control effectively moisture damage for WMA.

温拌沥青混合料（WMA）是一种节能减排的绿色筑路材料，其降低施工温度的技术特点使其水稳定性受到了很大的挑战，然而，温拌沥青与集料体系粘附性的微观机理尚未明确，成为制约该项技术推广应用的主要瓶颈。本项目利用原子力显微镜技术（AFM），以温拌沥青微观结构特征及其粘附力和粘聚力的定量描述为研究对象，对温拌沥青与集料体系粘附性的微观机理进行基础科学研究。具体内容包括：构建温拌沥青AFM图像扫描和力谱试验方法；采用力谱试验从纳米尺度定量表征干湿条件下温拌沥青与集料体系的粘附力与粘聚力；结合温拌沥青微观结构形态及其不同区域的粘附力分布特征分析温拌沥青微观结构对其粘附性的影响机制。本项目旨在揭示不同条件下温拌沥青的微观结构分布规律及其对沥青粘附力和粘聚力的影响机理，为客观评价WMA的水稳定性提供理论与实验依据，对有效控制WMA水损害具有重要的理论意义与参考价值。

温拌沥青混合料（WMA）是一种节能减排的绿色筑路材料，其降低施工温度的技术特点使其水稳定性受到了很大的挑战。然而，采用水煮法、浸水法为代表的物理方法和劈裂试验、AASHTO T283、浸水汉堡车辙试验为代表的力学方法来评价温拌沥青或沥青混合料的水稳定性，不能区分WMA体系内的粘附破坏和粘聚破坏，从而导致了很多研究得出了不同的结论。基于表面能理论研究沥青与集料粘附性的方法虽然能够获取WMA体系内的粘附功和粘聚功，但是，该方法仍是间接获取沥青的粘附性能，且无法与沥青的微观结构与性能建立直接联系。本项目以温拌沥青与集料体系的粘附性为研究对象，采用新的研究手段——原子力显微镜（AFM）在以下几个方面开展了系列研究并取得了一些原创性成果：1）基于AFM技术建立了温拌沥青与集料体系纳观粘附性的实验测试方法，并与温拌沥青水敏感性的宏观指标做了比较分析，证实了温拌沥青的纳观粘附性与表面能结果和温拌沥青混合料的浸水马歇尔残留稳定度具有较好的相关性；2）研究了温拌剂类型与掺量、基质沥青类型、SBS改性剂类型与掺量、相容剂掺量、稳定剂掺量等原材料因素对基质沥青和改性沥青纳观粘附特性的影响，发现原材料对沥青的纳观粘附性具有决定性影响，其与车辙因子具有相类似的变化规律；3）从纳观尺度验证了NCHRP(9-49)的最新研究成果，并系统研究了短期老化与长期老化对温拌结合料纳观粘附性的影响，发现一定的短期老化条件可以降低温拌沥青的水敏感性并推荐了温拌沥青混合料最佳的短期老化条件；4）获取了温拌沥青的粗糙度、形貌图和相图等微观结构信息，并建立了温拌沥青内部的微观结构形态分布特征与其粘附性能的内在联系，揭示了温拌沥青在纳米尺度上的微观结构分布机制及其对沥青粘附力和粘聚力的影响机理。本项目的成功实施为本学科研究发展开拓了新的思路和方法，为客观评价温拌沥青混合料的水稳定性提供了理论和实验依据，对减少温拌沥青混合料水损害问题具有重要的理论意义和参考价值。