瀝青混合料界面區(qū)微米劃痕試驗(yàn)與參數(shù)分析

付 軍， 熊定邦， 李忠杰， 丁慶軍， 賈大偉

（1.武漢理工大學(xué) 交通與船海學(xué)部，湖北 武漢 430063；2.武漢理工大學(xué) 硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430063）

瀝青混合料各相材料被混合和壓實(shí)過程中，瀝青膠漿與集料之間可能發(fā)生物理吸附、化學(xué)反應(yīng)和機(jī)械互鎖作用［1］，導(dǎo)致集料顆粒周圍一定范圍內(nèi)形成狹窄致密區(qū)域，該區(qū)域被稱為瀝青混合料界面過渡區(qū)（ITZ）.近年來，隨著原子力顯微鏡、掃描電鏡、納米壓痕等微觀測(cè)試新技術(shù)的出現(xiàn)，部分學(xué)者利用其對(duì)ITZ形貌［2-3］、厚度［4-7］及黏附性［8］等進(jìn)行了探索，但瀝青混合料ITZ界面特性尤其是微觀斷裂參數(shù)，仍需要更為高效、簡(jiǎn)潔的微觀測(cè)試研究.微米劃痕技術(shù)通常用于表征薄膜材料表面鍍層和基體材料的黏結(jié)強(qiáng)度、摩擦系數(shù)及斷裂韌性等微細(xì)觀力學(xué)性能［9］，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也借助微米劃痕技術(shù)對(duì)聚合物復(fù)合材料［10］與混凝土［11］等材料的界面區(qū)區(qū)域范圍及力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究.相比于納米壓痕技術(shù)的單點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取，微米劃痕技術(shù)不間斷實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)反饋，能提供更為完備的測(cè)試屬性描述，探索材料界面失效機(jī)理［12］.

本文通過微米劃痕技術(shù)識(shí)別瀝青混合料ITZ區(qū)域，探討瀝青混合料ITZ區(qū)域微觀力學(xué)特性和斷裂韌度，并用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)及納米壓痕試驗(yàn)來對(duì)比驗(yàn)證其可行性，同時(shí)定量分析了瀝青混合料ITZ的微觀基本參數(shù)，以期為瀝青混合料的多尺度認(rèn)知與響應(yīng)預(yù)測(cè)分析提供更多佐證.

1 試驗(yàn)

1.1 試件制備

試件制備所需的原材料為集料、瀝青和礦粉等，其中集料對(duì)試件性能影響較大.篩選粒徑為4～15 mm連續(xù)級(jí)配的石灰?guī)r集料進(jìn)行試驗(yàn)，其密度比為2.78，吸水率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，本文涉及的吸水率、油石比等除特殊說明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比）為2%.瀝青混合料油石比為4.5%，空隙率（體積分?jǐn)?shù)）為4.2%，其設(shè)計(jì)級(jí)配見表1.

表1 瀝青混合料的設(shè)計(jì)級(jí)配Table1 Designed gradation of asphalt mixture

將馬歇爾試件切成尺寸為12 mm×12 mm×12 mm的立方體，并進(jìn)行分組標(biāo)號(hào).由于微米劃痕試驗(yàn)對(duì)樣品表面粗糙度要求較高，為得到較好的表面性能，針對(duì)瀝青混合料本身材料的特殊性，表面處理難以達(dá)到光滑，同時(shí)為減小瀝青混合料因化學(xué)成分改變及物理打磨擾動(dòng)的影響，綜合考慮試驗(yàn)成本及誤差范圍，選取打磨拋光法對(duì)試件進(jìn)行表面處理.將試件在砂紙上逐一研磨，并在拋光布上進(jìn)一步拋光.試件打磨完成后，將其置于無水乙醇清洗儀2 min后進(jìn)行清洗，晾干后密封保存，并盡快完成后續(xù)微細(xì)觀試驗(yàn)，以防試件表面瀝青相產(chǎn)生變形，影響后續(xù)試驗(yàn)結(jié)果.打磨過程中各階段需要對(duì)試件表面進(jìn)行清洗，防止表面污染，獲取清潔表面.另外，考慮到混合料可能發(fā)生水化作用，打磨時(shí)采用無水乙醇作為潤(rùn)滑劑.

1.2 試驗(yàn)方法

用Keysight technologie G200納米壓痕/劃痕儀進(jìn)行劃痕測(cè)試，采用應(yīng)用最為廣泛［13］的Rockwell C金剛石錐壓頭，其半徑R=100 μm，半頂角θ=60°.試驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和室溫下進(jìn)行，采樣頻率為30 Hz.考慮到瀝青混合料的彈塑性特性，為防止劃痕間相互影響以及確保劃痕周圍環(huán)境的一致性，劃痕間隔為100 μm.劃痕試驗(yàn)參數(shù)包括劃痕速率V、劃痕長(zhǎng)度ds和荷載F，其設(shè)置見表2.每個(gè)試件均采用3種荷載進(jìn)行劃痕試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)取平均值，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差分析.

表2 劃痕試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置Table 2 Parameters setting of micro-scratch test

對(duì)瀝青混合料的ITZ區(qū)域，通過劃痕儀所搭載的光學(xué)顯微鏡選定合適區(qū)域，基于設(shè)定的試驗(yàn)參數(shù)，壓頭在試件表面進(jìn)行刻劃，并實(shí)時(shí)記錄相關(guān)劃痕數(shù)據(jù).其中直接可測(cè)量的數(shù)據(jù)為法向力FV、切向力FT、殘余劃痕寬度；間接可測(cè)量的數(shù)據(jù)為刻劃硬度、摩擦系數(shù)μ和斷裂韌度Kc等.

根據(jù)文獻(xiàn)［14］，對(duì)應(yīng)本文使用的錐形壓頭，材料與試件之間的摩擦系數(shù)μ為：

為計(jì)算斷裂韌度Kc，先通過J積分方法求解系統(tǒng)的應(yīng)變能釋放率G：

式中：E為楊氏模量；v為泊松比；2pA為劃痕探頭的形函數(shù)，其中p為探針與試件接觸部位在x軸方向上投影的邊長(zhǎng)之和，A為探針與試件接觸表面在x軸方向上的投影面積；Feq為切向力FT或垂直力FV的等效力，其值由探針中線與垂線的夾角決定，當(dāng)探針的中線與垂線的夾角為0°時(shí)，F(xiàn)eq=FT，當(dāng)探針的中線與垂線的夾角大于0°時(shí)由此可以根據(jù)斷裂準(zhǔn)則（G等于臨界能量釋放率Gf），計(jì)算斷裂韌性Kc：

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀形貌分析

為了更直觀地觀察微米劃痕試驗(yàn)在集料-ITZ-瀝青膠漿的刻劃情況和劃痕形貌，采用掃描電鏡（SEM）對(duì)瀝青混合料、集料、ITZ和瀝青膠漿的劃痕形貌進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果見圖1.由圖1可見：集料區(qū)域劃痕軌跡較為平滑，邊緣無明顯裂紋，隨著壓頭的前移，集料碎屑發(fā)生轉(zhuǎn)移并不斷向四周堆積、隆起；到ITZ區(qū)域時(shí)，劃痕寬度增加，且伴隨些許集料邊緣破碎，形成較大的破裂面；探頭進(jìn)一步刻劃到瀝青膠漿區(qū)域后，劃痕深度明顯增加，且軌跡兩側(cè)幾乎沒有產(chǎn)生微觀裂紋和剝落的碎屑，這是由于瀝青膠漿在刻劃過程中發(fā)生變形和塑性流動(dòng)，向兩邊擠壓.

圖1 劃痕形貌的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM images of scratch（F=100 mN）

2.2 ITZ厚度分析

2.2.1 微米劃痕試驗(yàn)ITZ厚度分析

瀝青混合料的劃痕距離-壓入深度曲線見圖2.由圖2可見：壓入深度排序?yàn)榧希糏TZ＜瀝青膠漿，且瀝青膠漿的壓入深度遠(yuǎn)大于集料和ITZ，與材料的實(shí)際硬度相符；在不同荷載作用下，當(dāng)探頭經(jīng)過ITZ區(qū)域時(shí)，壓入深度均有一段線性變化的過程，且越靠近集料邊緣ITZ硬度越大.

圖2 瀝青混合料的劃痕距離-壓入深度曲線Fig.2 Scratch distance-compression depth curves of asphalt mixture

為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，舍棄劃痕前后各100 μm的數(shù)據(jù)，在劃痕中間段200 μm范圍內(nèi)選取ITZ附近的劃痕段進(jìn)行分析計(jì)算.由于不同荷載下ITZ所在劃痕段存在差異，因此在數(shù)據(jù)處理過程中，將ITZ所在劃痕段距離統(tǒng)一為0～50 μm，選取相對(duì)穩(wěn)定的測(cè)試段進(jìn)行分析計(jì)算，得到瀝青混合料的摩擦系數(shù)，結(jié)果見圖3. 由圖3可見：從集料往瀝青膠漿刻劃的過程中，探頭剛接觸到ITZ時(shí)，摩擦系數(shù)迅速變小，直至接近為0，這是因?yàn)樵诓牧蠈傩酝蛔兦闆r下，摩擦系數(shù)發(fā)生跳躍式變動(dòng)；隨著探頭的進(jìn)一步刻劃，摩擦系數(shù)呈線性增加，當(dāng)探頭離開ITZ到達(dá)表面相對(duì)粗糙的瀝青膠漿后，摩擦系數(shù)達(dá)到最大值后趨于穩(wěn)定；在測(cè)試的每1條劃痕中，不同階段摩擦系數(shù)均出現(xiàn)不規(guī)則的鋸齒形波動(dòng)，這與Gao等［15］的研究結(jié)果相同，證明了劃痕試驗(yàn)的合理性.

圖3 瀝青混合料的摩擦系數(shù)Fig.3 Friction coefficient of asphalt mixture

通過摩擦系數(shù)分布圖中的突變點(diǎn)，證明了瀝青混合料中ITZ區(qū)域的存在，且能粗略識(shí)別ITZ的厚度.為了更精確地識(shí)別ITZ的厚度，計(jì)算了瀝青混合料的斷裂韌度Kc，結(jié)果見圖4.由圖4可見：由于多組分特征，劃痕L2和L3的斷裂韌度曲線出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)特征，從集料到瀝青膠漿在ITZ邊緣跳躍式走低，從曲線圖可以很好地識(shí)別集料、ITZ和瀝青膠漿；L1的法向荷載較小，壓入深度較淺，數(shù)值不具備代表性；L3曲線中有2次明顯的跳躍，由此可近似得到其ITZ厚度為30 μm；同理得到劃痕L2的ITZ厚度為15 μm.綜上，在集料、ITZ和瀝青膠漿的界面處，斷裂韌度會(huì)發(fā)生突變，ITZ厚度近似為15～30 μm.

圖4 瀝青混合料的斷裂韌度Fig.4 Fracture toughness distribution of asphalt mixture

2.2.2 納米壓痕試驗(yàn)ITZ厚度分析

為了驗(yàn)證微米劃痕試驗(yàn)ITZ識(shí)別的準(zhǔn)確性，利用納米壓痕試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析.通過對(duì)ITZ區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)陣布局［5］，并對(duì)納米壓痕試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到測(cè)試區(qū)域彈性模量分布散點(diǎn)圖，結(jié)果見圖5.由圖5可見：集料區(qū)域的彈性模量集中分布在75.00～95.00 GPa；ITZ區(qū)域的彈性模量集中分布在1.00～15.00 GPa；瀝青膠漿區(qū)域的彈性模量集中分布在0.20～0.50 GPa.由于瀝青混合料的離散性，有部分壓痕點(diǎn)模量偏離集中區(qū)域，但該部分?jǐn)?shù)據(jù)較少，對(duì)整體數(shù)據(jù)影響不大，因此不做討論.根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，剔除部分無效離散點(diǎn)數(shù)據(jù)，以集料、ITZ和瀝青膠漿彈性模量集中分布的3個(gè)區(qū)間數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，得到納米壓痕試驗(yàn)各相彈性模量均值Eav及其標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果見表3.結(jié)合圖5及表3可見：ITZ區(qū)域的彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于瀝青膠漿區(qū)域，推測(cè)原因可能是由于物理吸附、化學(xué)反應(yīng)和機(jī)械互鎖等作用，使得集料周圍形成更為致密的結(jié)構(gòu)，這一結(jié)果表明ITZ的力學(xué)性能受到集料的影響；彈性模量均值排序?yàn)榧希綢TZ＞瀝青膠漿，這與Zhu等［16］的研究結(jié)論相符.

圖5 測(cè)試區(qū)域彈性模量分布散點(diǎn)圖Fig.5 Scatter diagram of elastic modulus distribution in test area

表3 納米壓痕試驗(yàn)各相彈性模量均值及其標(biāo)準(zhǔn)差Table 3 Eav and its standard deviation of each phase by nano-indentation test

對(duì)納米壓痕彈性模量分布等高線圖邊界進(jìn)行拆分處理，可以得到測(cè)試區(qū)域集料、ITZ和瀝青膠漿的彈性模量均值、面積分?jǐn)?shù)及ITZ厚度，結(jié)果見圖6.由圖6可見：等高線中ITZ的形狀并不規(guī)則，厚度范圍在10～30 μm波動(dòng)，面積分?jǐn)?shù)達(dá)到26%，這與瀝青混合料的離散性和非均勻性有關(guān).

圖6 納米壓痕測(cè)試區(qū)域集料、ITZ、瀝青膠漿的彈性模量均值、面積分?jǐn)?shù)及ITZ厚度Fig.6 Eav， area ratio of aggregate， ITZ， asphalt mortar and the thickness of ITZ in nano-indentation test regions

綜上，納米壓痕試驗(yàn)測(cè)得的ITZ厚度為10～30 μm，與微米劃痕試驗(yàn)15～30 μm的結(jié)果相近，這證明了微米劃痕識(shí)別ITZ的可靠性.相較于微米劃痕試驗(yàn)，納米壓痕試驗(yàn)是通過彈性模量分布來識(shí)別ITZ區(qū)域，經(jīng)處理后得到的ITZ區(qū)域識(shí)別較為直觀，但微米劃痕試驗(yàn)沿著試件動(dòng)態(tài)滑動(dòng)取樣，得到的數(shù)據(jù)較為連續(xù).不同于納米壓痕試驗(yàn)的局部打點(diǎn)分析，微米劃痕試驗(yàn)的數(shù)據(jù)更能體現(xiàn)三相區(qū)域的線性變化，兩者結(jié)合一起分析對(duì)于識(shí)別ITZ區(qū)域更有幫助.

2.3 摩擦系數(shù)分析

為了進(jìn)一步了解各相摩擦系數(shù)的分布，從原始數(shù)據(jù)中提取每個(gè)區(qū)域更為典型的劃痕段進(jìn)行分析，得到其摩擦系數(shù)均值和標(biāo)準(zhǔn)差分布，結(jié)果見圖7.由圖7可見：荷載從10 mN增大到100 mN時(shí)，隨著荷載的增加，各區(qū)域的摩擦系數(shù)均值均在一定程度上有所增加，這是由于在較大荷載下，壓頭在試件表面的壓入深度較深，材料塑性變形的程度加劇，由犁溝效應(yīng)產(chǎn)生更多的碎屑在壓頭周圍聚集，堆積材料增大了試件與壓頭的接觸面積，進(jìn)而增加了兩者之間摩擦力，使材料的摩擦系數(shù)與荷載呈正相關(guān)；ITZ的摩擦系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差最大，結(jié)合其摩擦系數(shù)曲線（見圖3）的走向可見，ITZ表面粗糙度存在梯度變化；摩擦系數(shù)均值排序?yàn)闉r青膠漿＞ITZ＞集料，這說明靠近集料區(qū)域的界面性質(zhì)傾向于集料，遠(yuǎn)離集料區(qū)域的界面性質(zhì)與瀝青膠漿更為接近.

圖7 瀝青混合料的摩擦系數(shù)均值和標(biāo)準(zhǔn)差分布Fig.7 Mean value and standard deviation of friction coefficient of asphalt mixture

2.4 斷裂韌度分析

瀝青混合料的斷裂韌度均值和標(biāo)準(zhǔn)差見圖8.由圖8可見，劃痕的斷裂韌度在集料、ITZ和瀝青膠漿三相的表現(xiàn)不同：集料的斷裂韌度均值幾乎是ITZ的3倍；ITZ的斷裂韌度均值為瀝青膠漿的3～10倍，處于集料和瀝青膠漿之間，結(jié)合其斷裂韌度分布曲線（見圖4），說明ITZ的斷裂韌度受集料的影響較大，且由集料至瀝青膠漿非線性變化；此外，ITZ的斷裂韌度標(biāo)準(zhǔn)差比集料及瀝青膠漿稍大，表明ITZ的力學(xué)性能穩(wěn)定性較差，其斷裂韌度曲線波動(dòng)更大（見圖4）.

圖8 瀝青混合料的斷裂韌度均值和標(biāo)準(zhǔn)差Fig.8 Mean value and standard deviation of fracture toughness of asphalt mixture

綜上所述，微米劃痕試驗(yàn)?zāi)軌蜉^為簡(jiǎn)便地識(shí)別ITZ區(qū)域的斷裂韌度.為了驗(yàn)證采用微米劃痕試驗(yàn)測(cè)量斷裂韌度的可靠性，通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)試了瀝青混合料的斷裂韌度.考慮到微米劃痕試驗(yàn)得到的結(jié)果為平面應(yīng)變斷裂韌度，因此采用同一批材料，并制備單邊切口梁試件進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn).試件的尺寸為250 mm×30 mm×35 mm，跨度為200 mm，跨中處預(yù)制裂縫深度dc為12、15、18 mm，采用MTS萬能試驗(yàn)機(jī)加載，加載速率為1 mm/min.單邊切口梁試件的荷載-位移曲線見圖9.由圖9可見，當(dāng)達(dá)到荷載峰值時(shí)，試件開始被破壞，且預(yù)制裂縫深度越大，試件的荷載峰值越小，相應(yīng)加載點(diǎn)位移越小.通過觀察試件斷裂特征發(fā)現(xiàn)，裂紋沿ITZ發(fā)展或在瀝青膠漿內(nèi)部產(chǎn)生，這說明瀝青膠漿和界面性能是影響瀝青混合料強(qiáng)度的重要因素［17］.

圖9 單邊切口梁試件的荷載-位移曲線Fig.9 Load-displacement curves of beam specimen with unilateral notch

通過應(yīng)力分析手冊(cè)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的應(yīng)力強(qiáng)度因子公式［18］，計(jì)算得到試件的斷裂韌度及其與F=100 mN的微米劃痕試驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)的誤差R，結(jié)果見表4.由表4可見：當(dāng)預(yù)制裂縫深度增大時(shí)，試件的斷裂韌度Kc逐漸增大，材料更易斷裂；三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)與微米劃痕試驗(yàn)所測(cè)斷裂韌度結(jié)果相近，誤差R最大為5.096%，這表明用F=100 mN微米劃痕試驗(yàn)來測(cè)試計(jì)算瀝青混合料集料、ITZ和瀝青膠漿三相的斷裂韌度是一種簡(jiǎn)便有效的測(cè)試和評(píng)估手段.

表4 試件的斷裂韌度及其誤差Table 4 Fracture toughness and its deviation of specimen

3 結(jié)論

（1）采用微米劃痕試驗(yàn)聯(lián)合掃描電鏡技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)瀝青混合料ITZ初步特性分析的目標(biāo).ITZ區(qū)域由集料到瀝青膠漿之間摩擦系數(shù)呈現(xiàn)線性增加趨勢(shì)，且存在梯度變化.ITZ彈性模量均值介于集料與瀝青膠漿之間，靠近集料區(qū)域的彈性模量遠(yuǎn)高于遠(yuǎn)離集料區(qū)域，表明ITZ的力學(xué)性能受到集料的影響較大.

（2）微米劃痕試驗(yàn)得到的斷裂韌度可以較好地區(qū)分集料、ITZ和瀝青膠漿，ITZ厚度在15～30 μm之間，與納米壓痕試驗(yàn)彈性模量分布等高線圖測(cè)得的ITZ厚度范圍基本吻合.應(yīng)用微米劃痕試驗(yàn)分析瀝青混合料ITZ區(qū)域特性時(shí)，荷載取值100 mN更適宜.

（3）與納米壓痕試驗(yàn)相比，微米劃痕試驗(yàn)僅需要控制壓力和速率，由集料部分往瀝青膠漿劃動(dòng)即可，試驗(yàn)操作更簡(jiǎn)單，所用時(shí)間較短，能夠較為簡(jiǎn)便地識(shí)別ITZ厚度，并得到斷裂韌度等相關(guān)力學(xué)性質(zhì).

（4）微米劃痕試驗(yàn)得到瀝青膠漿區(qū)域測(cè)試結(jié)果與三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)得的斷裂韌度接近，可見室溫下（15 ℃）微米劃痕試驗(yàn)可以用于初步估算瀝青混合料的斷裂參數(shù).對(duì)于溫度以及不同種類的瀝青和集料對(duì)瀝青混合料微米劃痕試驗(yàn)的影響尚需進(jìn)一步深入探討.