瀝青混合料界面區微米劃痕試驗與參數分析

付 軍， 熊定邦， 李忠杰， 丁慶軍， 賈大偉

（1.武漢理工大學 交通與船海學部，湖北 武漢 430063；2.武漢理工大學 硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，湖北 武漢 430063）

瀝青混合料各相材料被混合和壓實過程中，瀝青膠漿與集料之間可能發生物理吸附、化學反應和機械互鎖作用［1］，導致集料顆粒周圍一定范圍內形成狹窄致密區域，該區域被稱為瀝青混合料界面過渡區（ITZ）.近年來，隨著原子力顯微鏡、掃描電鏡、納米壓痕等微觀測試新技術的出現，部分學者利用其對ITZ形貌［2-3］、厚度［4-7］及黏附性［8］等進行了探索，但瀝青混合料ITZ界面特性尤其是微觀斷裂參數，仍需要更為高效、簡潔的微觀測試研究.微米劃痕技術通常用于表征薄膜材料表面鍍層和基體材料的黏結強度、摩擦系數及斷裂韌性等微細觀力學性能［9］，國內外學者也借助微米劃痕技術對聚合物復合材料［10］與混凝土［11］等材料的界面區區域范圍及力學性質進行了研究.相比于納米壓痕技術的單點數據獲取，微米劃痕技術不間斷實時的數據反饋，能提供更為完備的測試屬性描述，探索材料界面失效機理［12］.

本文通過微米劃痕技術識別瀝青混合料ITZ區域，探討瀝青混合料ITZ區域微觀力學特性和斷裂韌度，并用三點彎曲試驗及納米壓痕試驗來對比驗證其可行性，同時定量分析了瀝青混合料ITZ的微觀基本參數，以期為瀝青混合料的多尺度認知與響應預測分析提供更多佐證.

1 試驗

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，其中集料對試件性能影響較大.篩選粒徑為4～15 mm連續級配的石灰巖集料進行試驗，其密度比為2.78，吸水率（質量分數，本文涉及的吸水率、油石比等除特殊說明外均為質量分數或質量比）為2%.瀝青混合料油石比為4.5%，空隙率（體積分數）為4.2%，其設計級配見表1.

表1 瀝青混合料的設計級配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，并進行分組標號.由于微米劃痕試驗對樣品表面粗糙度要求較高，為得到較好的表面性能，針對瀝青混合料本身材料的特殊性，表面處理難以達到光滑，同時為減小瀝青混合料因化學成分改變及物理打磨擾動的影響，綜合考慮試驗成本及誤差范圍，選取打磨拋光法對試件進行表面處理.將試件在砂紙上逐一研磨，并在拋光布上進一步拋光.試件打磨完成后，將其置于無水乙醇清洗儀2 min后進行清洗，晾干后密封保存，并盡快完成后續微細觀試驗，以防試件表面瀝青相產生變形，影響后續試驗結果.打磨過程中各階段需要對試件表面進行清洗，防止表面污染，獲取清潔表面.另外，考慮到混合料可能發生水化作用，打磨時采用無水乙醇作為潤滑劑.

1.2 試驗方法

用Keysight technologie G200納米壓痕/劃痕儀進行劃痕測試，采用應用最為廣泛［13］的Rockwell C金剛石錐壓頭，其半徑R=100 μm，半頂角θ=60°.試驗在標準大氣壓和室溫下進行，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境的一致性，劃痕間隔為100 μm.劃痕試驗參數包括劃痕速率V、劃痕長度ds和荷載F，其設置見表2.每個試件均采用3種荷載進行劃痕試驗，對試驗后的數據取平均值，并進行標準差分析.

表2 劃痕試驗參數設置Table 2 Parameters setting of micro-scratch test

對瀝青混合料的ITZ區域，通過劃痕儀所搭載的光學顯微鏡選定合適區域，基于設定的試驗參數，壓頭在試件表面進行刻劃，并實時記錄相關劃痕數據.其中直接可測量的數據為法向力FV、切向力FT、殘余劃痕寬度；間接可測量的數據為刻劃硬度、摩擦系數μ和斷裂韌度Kc等.

根據文獻［14］，對應本文使用的錐形壓頭，材料與試件之間的摩擦系數μ為：

為計算斷裂韌度Kc，先通過J積分方法求解系統的應變能釋放率G：

式中：E為楊氏模量；v為泊松比；2pA為劃痕探頭的形函數，其中p為探針與試件接觸部位在x軸方向上投影的邊長之和，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，當探針的中線與垂線的夾角為0°時，Feq=FT，當探針的中線與垂線的夾角大于0°時由此可以根據斷裂準則（G等于臨界能量釋放率Gf），計算斷裂韌性Kc：

2 結果與分析

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）對瀝青混合料、集料、ITZ和瀝青膠漿的劃痕形貌進行觀測，結果見圖1.由圖1可見：集料區域劃痕軌跡較為平滑，邊緣無明顯裂紋，隨著壓頭的前移，集料碎屑發生轉移并不斷向四周堆積、隆起；到ITZ區域時，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；探頭進一步刻劃到瀝青膠漿區域后，劃痕深度明顯增加，且軌跡兩側幾乎沒有產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生變形和塑性流動，向兩邊擠壓.

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

2.2 ITZ厚度分析

2.2.1 微米劃痕試驗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：壓入深度排序為集料＜ITZ＜瀝青膠漿，且瀝青膠漿的壓入深度遠大于集料和ITZ，與材料的實際硬度相符；在不同荷載作用下，當探頭經過ITZ區域時，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

為了保證試驗結果的準確性，舍棄劃痕前后各100 μm的數據，在劃痕中間段200 μm范圍內選取ITZ附近的劃痕段進行分析計算.由于不同荷載下ITZ所在劃痕段存在差異，因此在數據處理過程中，將ITZ所在劃痕段距離統一為0～50 μm，選取相對穩定的測試段進行分析計算，得到瀝青混合料的摩擦系數，結果見圖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，摩擦系數迅速變小，直至接近為0，這是因為在材料屬性突變情況下，摩擦系數發生跳躍式變動；隨著探頭的進一步刻劃，摩擦系數呈線性增加，當探頭離開ITZ到達表面相對粗糙的瀝青膠漿后，摩擦系數達到最大值后趨于穩定；在測試的每1條劃痕中，不同階段摩擦系數均出現不規則的鋸齒形波動，這與Gao等［15］的研究結果相同，證明了劃痕試驗的合理性.

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

通過摩擦系數分布圖中的突變點，證明了瀝青混合料中ITZ區域的存在，且能粗略識別ITZ的厚度.為了更精確地識別ITZ的厚度，計算了瀝青混合料的斷裂韌度Kc，結果見圖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了明顯的波動特征，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別集料、ITZ和瀝青膠漿；L1的法向荷載較小，壓入深度較淺，數值不具備代表性；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，斷裂韌度會發生突變，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ITZ厚度分析

為了驗證微米劃痕試驗ITZ識別的準確性，利用納米壓痕試驗進行對比分析.通過對ITZ區域進行點陣布局［5］，并對納米壓痕試驗數據進行統計分析，得到測試區域彈性模量分布散點圖，結果見圖5.由圖5可見：集料區域的彈性模量集中分布在75.00～95.00 GPa；ITZ區域的彈性模量集中分布在1.00～15.00 GPa；瀝青膠漿區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，有部分壓痕點模量偏離集中區域，但該部分數據較少，對整體數據影響不大，因此不做討論.根據上述統計數據，剔除部分無效離散點數據，以集料、ITZ和瀝青膠漿彈性模量集中分布的3個區間數據為準，得到納米壓痕試驗各相彈性模量均值Eav及其標準差，結果見表3.結合圖5及表3可見：ITZ區域的彈性模量遠遠高于瀝青膠漿區域，推測原因可能是由于物理吸附、化學反應和機械互鎖等作用，使得集料周圍形成更為致密的結構，這一結果表明ITZ的力學性能受到集料的影響；彈性模量均值排序為集料＞ITZ＞瀝青膠漿，這與Zhu等［16］的研究結論相符.

圖5 測試區域彈性模量分布散點圖Fig.5 Scatter diagram of elastic modulus distribution in test area

表3 納米壓痕試驗各相彈性模量均值及其標準差Table 3 Eav and its standard deviation of each phase by nano-indentation test

對納米壓痕彈性模量分布等高線圖邊界進行拆分處理，可以得到測試區域集料、ITZ和瀝青膠漿的彈性模量均值、面積分數及ITZ厚度，結果見圖6.由圖6可見：等高線中ITZ的形狀并不規則，厚度范圍在10～30 μm波動，面積分數達到26%，這與瀝青混合料的離散性和非均勻性有關.

圖6 納米壓痕測試區域集料、ITZ、瀝青膠漿的彈性模量均值、面積分數及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，納米壓痕試驗測得的ITZ厚度為10～30 μm，與微米劃痕試驗15～30 μm的結果相近，這證明了微米劃痕識別ITZ的可靠性.相較于微米劃痕試驗，納米壓痕試驗是通過彈性模量分布來識別ITZ區域，經處理后得到的ITZ區域識別較為直觀，但微米劃痕試驗沿著試件動態滑動取樣，得到的數據較為連續.不同于納米壓痕試驗的局部打點分析，微米劃痕試驗的數據更能體現三相區域的線性變化，兩者結合一起分析對于識別ITZ區域更有幫助.

2.3 摩擦系數分析

為了進一步了解各相摩擦系數的分布，從原始數據中提取每個區域更為典型的劃痕段進行分析，得到其摩擦系數均值和標準差分布，結果見圖7.由圖7可見：荷載從10 mN增大到100 mN時，隨著荷載的增加，各區域的摩擦系數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，由犁溝效應產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，進而增加了兩者之間摩擦力，使材料的摩擦系數與荷載呈正相關；ITZ的摩擦系數標準差最大，結合其摩擦系數曲線（見圖3）的走向可見，ITZ表面粗糙度存在梯度變化；摩擦系數均值排序為瀝青膠漿＞ITZ＞集料，這說明靠近集料區域的界面性質傾向于集料，遠離集料區域的界面性質與瀝青膠漿更為接近.

圖7 瀝青混合料的摩擦系數均值和標準差分布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準差見圖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的斷裂韌度標準差比集料及瀝青膠漿稍大，表明ITZ的力學性能穩定性較差，其斷裂韌度曲線波動更大（見圖4）.

圖8 瀝青混合料的斷裂韌度均值和標準差Fig.8 Mean value and standard deviation of fracture toughness of asphalt mixture

綜上所述，微米劃痕試驗能夠較為簡便地識別ITZ區域的斷裂韌度.為了驗證采用微米劃痕試驗測量斷裂韌度的可靠性，通過三點彎曲試驗測試了瀝青混合料的斷裂韌度.考慮到微米劃痕試驗得到的結果為平面應變斷裂韌度，因此采用同一批材料，并制備單邊切口梁試件進行三點彎曲試驗.試件的尺寸為250 mm×30 mm×35 mm，跨度為200 mm，跨中處預制裂縫深度dc為12、15、18 mm，采用MTS萬能試驗機加載，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，當達到荷載峰值時，試件開始被破壞，且預制裂縫深度越大，試件的荷載峰值越小，相應加載點位移越小.通過觀察試件斷裂特征發現，裂紋沿ITZ發展或在瀝青膠漿內部產生，這說明瀝青膠漿和界面性能是影響瀝青混合料強度的重要因素［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

通過應力分析手冊三點彎曲試驗的應力強度因子公式［18］，計算得到試件的斷裂韌度及其與F=100 mN的微米劃痕試驗所測數據的誤差R，結果見表4.由表4可見：當預制裂縫深度增大時，試件的斷裂韌度Kc逐漸增大，材料更易斷裂；三點彎曲試驗與微米劃痕試驗所測斷裂韌度結果相近，誤差R最大為5.096%，這表明用F=100 mN微米劃痕試驗來測試計算瀝青混合料集料、ITZ和瀝青膠漿三相的斷裂韌度是一種簡便有效的測試和評估手段.

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

3 結論

（1）采用微米劃痕試驗聯合掃描電鏡技術，可以實現瀝青混合料ITZ初步特性分析的目標.ITZ區域由集料到瀝青膠漿之間摩擦系數呈現線性增加趨勢，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，靠近集料區域的彈性模量遠高于遠離集料區域，表明ITZ的力學性能受到集料的影響較大.

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

（3）與納米壓痕試驗相比，微米劃痕試驗僅需要控制壓力和速率，由集料部分往瀝青膠漿劃動即可，試驗操作更簡單，所用時間較短，能夠較為簡便地識別ITZ厚度，并得到斷裂韌度等相關力學性質.

（4）微米劃痕試驗得到瀝青膠漿區域測試結果與三點彎曲試驗測得的斷裂韌度接近，可見室溫下（15 ℃）微米劃痕試驗可以用于初步估算瀝青混合料的斷裂參數.對于溫度以及不同種類的瀝青和集料對瀝青混合料微米劃痕試驗的影響尚需進一步深入探討.