采用原子力显微镜评价集料的微纳观特征

季 节， 郑文华， 翟 鹏， 索 智， 许 鹰

(1.北京建筑大学 土木与交通工程学院， 北京 100044; 2.北京未来城市设计高精尖创新中心， 北京 100044; 3.首都世界城市顺畅交通协同创新中心， 北京 100044)

在沥青混合料中，集料的形状以及表面纹理特征对于混合料的路用性能具有非常显著的影响[1-3].集料表面纹理是影响其吸附沥青膜厚度的主要因素之一，集料表面纹理越粗糙，吸附的沥青膜越厚，沥青-集料之间的黏结力也越大[4].

目前，国内外大多采用分形理论、图像显微等技术手段进行集料表面纹理的研究.Florková等[5]发现了使用立体显微镜扫描集料颗粒来研究集料表面纹理的方法，输出三维数据导入Micro SYS软件来确定三维纹理评价参数，并以集料轮廓平面体积差异(Z-plane volume difference，Zvd)来表征集料表面纹理.原子力显微镜(AFM)作为纳米科技研究中的主要工具，在新一代微电子芯片、光学系统、新材料以及生物工程等领域有了广泛的应用[6-8].Yang等[9]利用一种基于体素的三维方法来量化集料的表面纹理，提出了三维棱角指数(three-dimensional angularity index，3D AI)作为集料表面纹理指标，即三维表面纹理指数(three-dimensional surface texture index，3D STI)，经验证该三维方法所得的数据变异性较二维方法小，可以作为一种可靠的技术来量化集料表面纹理.而在集料黏附力的研究中，研究者大多选择了集料-沥青界面的黏附力作为研究对象，Dong等[10]采用AFM研究沥青-集料界面的纳米结构，发现沥青-集料界面中一部分区域的表面黏附力小于周围区域，这些区域的边界都聚集着极性分子，而水中极性分子的溶解会导致纳米结构的瓦解，进一步诱发沥青-集料界面的脱黏.

综上，采用分形理论进行集料表面纹理的研究不是很直观，这种方法的准确性也非常依赖于将表面纹理曲线转化成特征粗糙度时所用分析方法的准确性，而无论通过哪种方法整合集料表面纹理曲线，都会产生一定的误差[11].采用AFM测试集料表面纹理的研究目前相对较少，且通常是定性分析集料微纳观形貌，对集料表面粗糙度数据的分析十分有限，而对于集料表面黏附力方面的研究，研究者极少涉足.

为了研究集料的微纳观特征，本文利用AFM测试集料表面纹理与黏附力，并导入SPSS软件校验数据的稳定性和区分度，验证了AFM测试集料微纳观特性的可行性.进而分析集料的表面形貌特征、粗糙度及其黏附形式，以期为从机理角度揭示集料与沥青之间的黏附性提供理论依据.

1 试验方法与材料

1.1 AFM技术

AFM是具有原子级分辨率的仪器，其微悬臂上的针尖为仪器的核心部分，在针尖与试件接触的过程中，会产生微弱的作用力，此时针尖发生小幅度的弹性形变，主要为弯曲.针尖弯曲的程度通过光学或电流的形式被捕捉传输，形成AFM的数据来源.本文采用德国布鲁克公司的Demension icon型AFM，其仪器指标见表1.

表1 Demension icon型AFM仪器参数

利用AFM中的轻敲(tapping)模式进行集料表面纹理与黏附力的测试，选取的探针型号及测试参数见表2，3.表2中K值为胡克定律当中的劲度系数，代表探针的回弹性能.

表2 探针型号及参数

表3 AFM测试参数

将AFM测试所得三维坐标信息通过NanoScape Analysis软件导出，再采用SPSS软件进行处理与分析.参考GB/T 1031—2009《产品几何技术规范(GPS) 表面结构轮廓法 表面粗糙度参数及其数值》和GB/T 3505—2000《产品几何技术规范(GPS) 表面结构轮廓法 表面结构的术语、定义及参数》，分别取轮廓算数平均偏差Ra值和黏附力分布图中黏附力平均值作为评价集料表面纹理和黏附力的主要指标.

1.2 集料试件的制备

集料选用北京市政路桥建材集团有限公司生产的石灰岩与河北省张家口市蔚县路驰碎石厂生产的玄武岩.集料表面纹理是由其矿物组分聚合形成的表面构造，在颗粒状态下，表面纹理受破碎方式、风化程度以及几何形状等因素的影响，在mm级尺度上的纹理有不同程度的变异性，因而须将集料切割，露出未风化的内部岩石，并用砂纸打磨，使其平整度相同.为了获得集料固有的表面纹理，将石灰岩和玄武岩分别切割成尺寸为5.0cm×5.0cm×0.5cm的试样，采用200#砂纸消除切割纹理，利用500#和1000#砂纸将集料试样打磨平整.对于AFM试样，由于10μm×10μm的测试范围仅为1000#砂纸磨料尺寸的1/25，因此其对集料原生表面纹理的影响微乎其微.石灰岩与玄武岩集料AFM试样见图1.

图1 石灰岩与玄武岩AFM试样Fig.1 AFM samples of limestone and basalt

2 结果与讨论

2.1 石灰岩与玄武岩的表面纹理

图2～4分别为10μm×10μm测试范围下石灰岩与玄武岩的二维形貌图、相位图以及三维形貌图.

图2 石灰岩与玄武岩集料的二维形貌图Fig.2 2D topography of limestone and basalt

图3 石灰岩与玄武岩集料的相位图Fig.3 Phase images of limestone and basalt

图4 石灰岩与玄武岩的三维形貌图Fig.4 3D topography of limestone and basalt

由图2～4可知：

(1)石灰岩的二维和三维形貌图与玄武岩有显著差别，石灰岩表面纹理比较丰富、粗糙(Ra最大值为48.00nm，最小值为36.11nm，平均值为42.70nm)，表面有很多大大小小的凹陷与突起，这些突起与凹陷连接在一起形成了石灰岩的表面纹理，其主要特点为突起与凹陷是连续的，没有明显的间断；而玄武岩表面的山脊状结构与沟渠结构较为明显，虽然表面粗糙度较小(Ra最大值为28.60nm，最小值为20.80nm，平均值为24.26nm)，其平均值只有石灰岩Ra平均值的57%，但其表面纹理更加尖锐，沟渠结构两侧出现了间断纹理，山脊状结构表面也具有微小的颗粒状突起.

(2)从岩石的成因上看，石灰岩属于沉积岩，成岩过程较慢，其主要成分为方解石，晶体结构较大，含量占总质量的70%以上，还有一些黏土和粉砂等物质，所以石灰岩表面纹理均匀而连续，并且较为粗糙；而玄武岩属于基性喷出岩，SiO2含量占总质量的45%～50%，其他碱性成分如Na2O，K2O，MgO等所占比例较大，且在成岩过程中，岩浆的流动使玄武岩内部产生了流纹结构，所以会形成山脊状和沟渠状结构，但其表面粗糙度较小，并有微小的杂质颗粒.

(3)相对于石灰岩，玄武岩表面间断纹理较多，颗粒状突起比较丰富，对路面抗滑性能有很大的提升；而石灰岩的表面粗糙度数值虽然比较大，但表面纹理连续，可以提供的摩擦力十分有限.另外，从矿物组成来看，石灰岩中含有大量方解石，在破碎时会沿着方解石晶体边缘开裂，形成的破碎面比较钝；而结构致密的玄武岩在破碎时，比较容易形成锐利的棱角.因此，在利用AFM进行集料表面纹理的观测时，玄武岩虽然表面粗糙度较小，但破碎后形成的锐利棱角更有利于为路面提供良好的抗滑性能.

对石灰岩和玄武岩Ra值进行有效性验证，结果见表4.

表4 石灰岩与玄武岩的Ra值

由表4可知，利用AFM测定石灰岩与玄武岩集料表面纹理的变异系数均小于15%，说明数据稳定性高，利用AFM测定集料表面纹理是可行的.

采用SPSS软件中的独立样本t检验对石灰岩与玄武岩集料表面粗糙度进行区分性验证，结果见表5.

表5 石灰岩与玄武岩Ra值区分性验证

由表5可以看出，在方差方程的Levene检验中，假设方差不等的情况下显著性(Sig.)为0.156，大于0.050，可以假设石灰岩与玄武岩Ra值方差相等.在假设方差相等的情况下均值方程的t检验中，显著性为0，所以拒绝原假设，即石灰岩与玄武岩的Ra均值存在显著差异，说明利用AFM测试集料表面纹理时对不同集料具有良好的区分性，可以区分不同集料之间的差异.

2.2 石灰岩与玄武岩的表面黏附力

测试黏附力时通常采用分析力-距离曲线的方法，这种方法是根据探针与被测物体表面的作用力随着距离变化而变化的原理来得到力-距离曲线和黏附力[12]，但由于集料本身化学成分的分布并不均匀，仅测1个点的黏附力不能够表征整个集料试件，所以这种方法的测试结果可能不具有代表性.根据集料本身的特点，在测定集料表面黏附力时，将测点列阵形成测试面，利用Nanoscope Analysis 软件生成黏附力分布图，这样既可以得到集料表面的黏附力，又可以观察集料表面形貌和同一检测区域黏附力的分布情况.图5为10μm×10μm 测试范围下石灰岩与玄武岩的二维形貌图和黏附力分布图.

图5 石灰岩与玄武岩的二维形貌图和黏附力分布图Fig.5 2D topography and adhesion force distribution of limestone and basalt

由图5可以看出：

(1)石灰岩出现的黏附力峰值区域(即黏附力分布图中白色部分)比较随机，这些区域一般具有较高的黏附力(最大值为651.0nN)，会与沥青形成比较强的黏附，而在黏附力峰值区域周围出现的“暗区”往往意味着该区域的黏附力为负值(最小值为-89.4nN).石灰岩出现的负黏附力区域面积比较大，占整个黏附力分布图面积的56.62%.说明石灰岩对沥青的黏附主要依靠黏附力正值部分的峰值区域，呈现一种“散点式”分布.

(2)相对而言，玄武岩正黏附力区域占整个黏附力分布图面积的68.58%，且黏附力峰值区域分布比较均匀，周围基本上没有“暗区”.然而，玄武岩的黏附力峰值比较小(最大值为170.0nN)，仅约为石灰岩黏附力峰值的26%，结合玄武岩比较光滑的表面纹理构造，说明玄武岩与沥青之间的黏结呈现比较均匀的“整体式”分布.

(3)石灰岩与玄武岩集料黏附力峰值往往出现在集料表面凹陷的区域，说明集料表面粗糙度越大，其黏附力越大.

对石灰岩与玄武岩集料表面黏附力数据进行有效性检验，结果见表6.

表6 石灰岩与玄武岩表面黏附力数据有效性检验

由表6可知，AFM测定2种集料黏附力数据的有效性较差，如玄武岩黏附力的变异系数高达113.38%，数据波动较大，不具有统计学意义，因此采用AFM测定集料表面黏附力存在一定的误差.在分析AFM测定的集料黏附力数据时，不宜做定量分析，而比较适宜进行定性分析.

3 结论

(1)AFM用于测试集料表面纹理时，其数据稳定性强，区分度高，是一种比较直观精确的测试手段，但用于测试集料表面黏附力时，数据的稳定性较差，随机性较大，不宜进行定量分析.

(2)相对于玄武岩，石灰岩表面纹理粗糙而连续，这是因为石灰岩主要成分为方解石，晶体结构较大，在破碎时会沿着方解石晶体的边缘开裂，形成比较钝的破碎面；而玄武岩结构比较致密，在岩浆流动时产生流纹结构，杂质较多，形成的表面纹理细腻但不连续，表面有微小颗粒状突起，在破碎时比较容易形成锐利的棱角，从而为路面提供良好的抗滑性能.

(3)石灰岩黏附力峰值较高、分布比较随机，而玄武岩黏附力峰值较低、分布比较均匀.石灰岩与沥青之间的黏结形式为“散点式”，而玄武岩与沥青之间的黏结形式为“整体式”.相对于玄武岩，石灰岩与沥青“散点”处以外的黏结更容易脱落，造成其与沥青的黏附能力下降.