原位纳米力学可视化技术发现老化沥青在应力松弛过程中存在纳米裂纹

《CARBON》：In situ nanomechanical visualization reveals nanocracks in aged asphalt during stress relaxation

　　

郑武龙|刘凌云|谢会军|徐福|李贤文|刘一洲

华中科技大学土木与水利工程学院，中国武汉430074

摘要

本研究利用原子力显微镜（AFM）与自设计的微变形原位加载装置相结合，成功观察了老化沥青在原位拉伸载荷作用下的局部纳米裂纹形成过程。结合先进的化学表征和分子模拟技术，研究了老化沥青在应力松弛过程中纳米裂纹形成的机制及其演变规律。结果表明，极性官能团（如亚砜和羰基）的产生、芳香环结构的增加以及沥青老化过程中成分的变化增强了分子间的π-π堆叠和氢键作用。这些变化增加了表面静电潜力的异质性，促进了沥青质聚集体的形成以及胶体结构的凝胶化过程，从而改变了沥青的微观结构。老化作用减少了沥青表面的“蜂状结构”数量，但增大了其尺寸，加剧了微观结构的异质性，导致应力松弛过程中应力分布不均，从而引发了纳米裂纹的形成。在应力松弛过程中，老化沥青的粘弹性响应从主要受“蜂状结构”尺寸支配转变为以白色明亮区域的局部变形为主导的模式。高度老化的沥青倾向于形成纳米裂纹，而原始沥青则主要表现出局部变形。

章节片段

引言

作为一种常见的粘弹性碳基工程材料，沥青因其优异的粘合性和密封性能而被广泛用于路面建设、屋顶防水材料、水力结构以及建筑基础等方面。然而，随着使用寿命的增加，沥青材料在温度变化和紫外线辐射等环境因素的共同作用下逐渐老化[1]、[2]、[3]。同时，

材料与方法

**老化沥青样品的制备。** 本研究中使用的原始沥青是中国石化茂名分公司生产的70号道路石油沥青。首先，将原始沥青放入旋转薄膜烘箱（RTFO）中，在163°C下加热85分钟，制备RTFO老化沥青（短期老化模拟）。随后，将RTFO老化沥青放入压力老化容器（PAV）中，在90°C的温度和2.1 MPa的压力下处理20小时，以

结果与讨论

为了深入研究老化沥青在原位拉伸载荷作用下的纳米尺度裂纹的形成与演变机制，本研究精心设计并独立制造了一种可与原子力显微镜耦合的微变形原位加载装置（如图1所示）。基于不同老化状态的沥青，在恒定拉伸应变条件下，研究了应力松弛过程中微观结构和粘弹性变化的原位演变过程

讨论

在原子力显微镜形貌图像中观察到的“蜂状结构”被广泛认为是富含沥青质和极性氧化产物的纳米尺度区域[27]、[74]。这些结构的形成是由芳香层之间的π-π堆叠和偶极-偶极相互作用驱动的自组装过程引起的[75]。随着老化过程的进行，沥青质含量的增加和极性的增强增强了分子间的内聚力，导致纳米区域的规模变大而数量密度降低，

结论

本研究利用原子力显微镜与自设计的微变形原位加载装置相结合，成功观察了老化沥青在原位拉伸载荷作用下的局部纳米裂纹形成过程。结合先进的化学表征和分子模拟技术，研究了老化沥青在应力松弛过程中纳米裂纹形成的机制及其演变规律。结果表明，纳米裂纹的形成

作者贡献声明

郑武龙：撰写——初稿撰写、可视化处理、数据验证、软件应用、方法设计、实验实施、数据整理、概念构思。刘一洲：可视化处理、数据验证、软件应用、方法设计、数据整理。徐福：撰写——审稿与编辑、项目监督、资源协调、方法设计、实验实施、资金申请、概念构思。李贤文：可视化处理、数据验证、软件应用。刘凌云：撰写——审稿与编辑、项目监督、资源协调，

数据获取

? 作者声明他们没有已知的可能影响本文研究工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了武汉市重点研发计划（2025050102030009）和中国国家重点研发计划（2023YFC3804502）的资助。计算工作在华中科技大学的超级计算平台上完成。作者对Scientific Compass公司的Wenxin Wang女士（www.shiyanjia.com）在FTIR和TOF-SIMS分析方面提供的宝贵帮助表示衷心的感谢。