一種獲取瀝青微觀表面分布信息的方法及系統與流程

本發明涉及瀝青力學性能分析的技術領域，特別是涉及一種獲取瀝青微觀表面分布信息的方法及系統。

背景技術：

瀝青路面作為一種優良的路面結構廣泛應用于高速公路，但是由于自然環境復雜，環境、行車荷載等因素的影響，瀝青路面出現不同程度的破壞。因此，現階段需要全面了解瀝青性能以降低瀝青路面破損程度。

多年來，研究人員受到分析手段的限制，主要將瀝青簡化為均質體并通過宏觀性能試驗分析路面破壞產生的原因，但是瀝青路面由于受到外界多種因素的作用，其力學行為較為復雜，宏觀力學試驗無法將瀝青內部不同結構區別分析，將瀝青簡化為均質體的研究已經不符合實際要求。

物質的宏觀行為由微觀性能所決定，瀝青微觀力學性能從本質上影響瀝青的宏觀力學性質。因此，隨著研究的深入發展，急需全面了解認知瀝青微觀性質，進一步研究瀝青微觀表面力學特性的差異，為瀝青使用性能的研究提供一種新的有效途徑。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種獲取瀝青微觀表面分布信息的方法及系統，通過研究瀝青微觀表面楊氏模量分布信息，全面了解瀝青微觀性能，為瀝青使用性能的研究提供一種新的有效途徑。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：

一種獲取瀝青微觀表面分布信息的方法，其特征在于，所述方法包括：

獲取力曲線，所述力曲線表示原子力顯微鏡探針與樣品表面之間的相互作用；

根據所述力曲線，生成瀝青樣品微觀表面的楊氏模量分布圖；

根據所述楊氏模量分布圖，提取楊氏模量分布圖的三維數據，其中所述三維數據中的每個掃描點均有X、Y、Z三個方向數據，X、Y方向數據代表掃描點平面坐標，Z方向數據代表楊氏模量值；

根據所述三維數據，統計分析瀝青樣品微觀表面的楊氏模量分布信息。

可選的，所述獲取瀝青樣品的力曲線，包括：

根據瀝青樣品的性質，選擇相應的探針、相應的掃描范圍以及相應的掃描點陣；

根據所述選擇的相應的探針、相應的掃描范圍以及相應的掃描點陣，采用定量納米力學測量模式，獲取瀝青樣品的力曲線。

可選的，所述生成瀝青樣品微觀表面的楊氏模量分布圖，具體包括：

根據所述力曲線，采用Derjaguin-Muler-Toporov模型，根據公式(1)和(2)：

生成瀝青樣品微觀表面的楊氏模量分布圖；式中：F—探針對樣品施加的峰值力，F_adhesion—探針與樣品之間的粘附力，E^*—折算模量，R—探針曲率半徑，δ—樣品形變量，V_s,V_tip—樣品、探針的泊松比，E_s,E_tip—樣品、探針的楊氏模量。

可選的，所述提取瀝青樣品微觀表面楊氏模量分布圖的三維數據，包括：

將楊氏模量分布圖源文件的數據轉化為.txt格式文件的數據；

根據所述.txt格式文件的數據，提取楊氏模量分布圖的三維數據。

可選的，所述統計分析瀝青樣品微觀表面的楊氏模量分布信息，包括：

根據所述提取的三維數據，計算三維數據中Z方向數據的平均值、標準差以及標準差變異系數；

根據所述三維數據中Z方向數據的平均值、標準差以及標準差變異系數，統計分析瀝青樣品微觀表面的楊氏模量分布信息。

本發明還提供一種獲取瀝青微觀表面分布信息的系統，其特征在于，所述系統包括：

力曲線獲取模塊，用于獲取瀝青樣品的力曲線；所述力曲線表示原子力顯微鏡探針與所述瀝青樣品表面之間的相互作用力；

楊氏模量分布圖生成模塊，用于根據所述力曲線，生成瀝青樣品微觀表面的楊氏模量分布圖；

三維數據提取模塊，用于根據所述楊氏模量分布圖，提取楊氏模量分布圖的三維數據，其中所述三維數據中的每點均有X、Y、Z三個方向數據，X、Y方向數據代表掃描點平面坐標，Z方向數據代表楊氏模量值；

楊氏模量分布信息統計模塊，用于根據所述三維數據，統計分析瀝青樣品微觀表面的楊氏模量分布信息。

可選的，所述力曲線獲取模塊，包括：

探針、掃描范圍以及掃描點陣選擇子模塊，用于根據瀝青樣品的性質，選擇相應的探針、相應的掃描范圍以及相應的掃描點陣；

力曲線獲取子模塊，用于根據所述選擇的相應的探針、相應的掃描范圍以及相應的掃描點陣，采用定量納米力學測量模式，獲取瀝青樣品的力曲線。

可選的，所述楊氏模量分布圖生成模塊，具體包括：

楊氏模量分布圖子生成模塊，根據所述力曲線，采用Derjaguin-Muler-Toporov模型，生成瀝青樣品微觀表面的楊氏模量分布圖。

可選的，所述三維數據提取模塊，包括：

數據轉化子模塊，用于將楊氏模量分布圖源文件的數據轉化為.txt格式文件的數據；

三維數據提取子模塊，用于根據所述.txt格式文件的數據，提取楊氏模量分布圖的三維數據。

可選的，所述楊氏模量分布信息統計模塊，包括：

平均值、標準差以及標準差變異系數計算子模塊，用于根據提取的三維數據，計算三維數據中Z方向數據的平均值、標準差以及標準差變異系數；

楊氏模量分布信息統計子模塊，用于根據所述三維數據中Z方向數據的平均值、標準差以及標準差變異系數，統計分析瀝青樣品微觀表面的楊氏模量分布信息。

根據本發明提供的具體實施例，本發明公開了以下技術效果：

本發明提供一種獲取瀝青微觀表面分布信息的方法及系統，通過原子力顯微鏡探針與瀝青樣品之間的相互作用從微觀層面獲取瀝青微觀表面楊氏模量，結合統計分析可以提出三維數據技術指標以分析瀝青微觀表面楊氏模量分布情況，全面了解認知瀝青微觀性質，研究瀝青微觀表面力學特性的差異，為瀝青使用性能的研究提供一種新的科學參考依據。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例中的獲取瀝青微觀表面分布信息的方法流程圖；

圖2為本發明實施例中的獲取瀝青微觀表面分布信息的系統結構圖；

圖3為本發明實施例中的用于原子力顯微鏡測試的瀝青試樣；

圖4是本發明實施例中原子力顯微鏡探針與樣品之間作用力曲線；

圖5是本發明實施例中30#瀝青原樣微觀表面楊氏模量分布圖；

圖6是本發明實施例中30#瀝青長期老化后樣品微觀表面楊氏模量分布圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。

實施例1

本發明提供了獲取瀝青微觀表面分布信息的方法，如圖1所示，該方法包括：

步驟101：獲取力曲線；

步驟102：生成瀝青樣品微觀表面的楊氏模量分布圖；

步驟103：提取楊氏模量分布圖的三維數據；

步驟104：統計分析瀝青樣品微觀表面的楊氏模量分布信息。

其中，所述步驟101具體包括：在獲取瀝青樣品的力曲線之前，首先要制備原子力顯微鏡瀝青樣品；其中，原子力顯微鏡作為一種微觀分析儀器主要通過探針與樣品之間作用力精準探測樣品表面形貌以及定量測定樣品表面力學特性，已廣泛應用到各個研究領域中；所述制備原子力顯微鏡下瀝青樣品步驟包括：

將裝有瀝青的燒杯放入烘箱中，按照規范調整烘箱溫度，烘箱時間為2～3h，直至瀝青呈流動態；

取出烘箱內所述裝有瀝青的燒杯，采用樣品轉移裝置轉移瀝青樣品至基底中央的樣品存儲裝置內，直到所述瀝青樣品與所述存儲裝置高度齊平后，停止添加；其中，所述基底與所述樣品存儲裝置通過瀝青的粘附性相粘結得到原子力顯微鏡瀝青樣品；

將所述制備好的原子力顯微鏡瀝青樣品繼續放入烘箱內，待所述瀝青樣品表面完全光滑平整后取出，所述樣品后放入培養皿中并冷卻至室溫，同時將培養皿放入干燥箱中；

檢測前，樣品需退火時間24小時以上。

然后，將制備完成的瀝青樣品放在原子力顯微鏡下，所述的原子力顯微鏡瀝青微觀表面楊氏模量檢測選用PeakForce QNM檢測模式，根據樣品性質不同選用不同探針，掃描范圍與掃描點陣根據需求選取。通過保證樣品在探針作用下的形變為彈性形變的基礎上，獲取瀝青樣品的力曲線。

所述步驟102具體包括：根據所述力曲線，采用Derjaguin-Muler-Toporov模型，根據公式(1)和(2)：

生成瀝青樣品微觀表面的楊氏模量分布圖；式中：F—探針對樣品施加的峰值力，F_adhesion—探針與樣品之間的粘附力，E^*—折算模量，R—探針曲率半徑，δ—樣品形變量，V_s,V_tip—樣品、探針的泊松比，E_s,E_tip—樣品、探針的楊氏模量。

所述步驟103具體包括：通過自編軟件，將通過原子力顯微鏡獲取的.000格式的楊氏模量分布圖源文件的數據轉化為.txt格式文件的數據，并根據轉化后的txt格式文件的數據，提取楊氏模量分布圖的三維數據；其中將楊氏模量分布圖中的數據源文件通過自編軟件將.000格式文件轉化為.txt格式文件，有利于數據的進一步數值化處理。所述三維數據每點均有X、Y、Z三個方向數據，X、Y方向數據代表掃描點平面坐標，Z方向數據代表楊氏模量值。

所述步驟104具體包括：采用統計軟件對數據進行統計分析，利用平均值、標準差、變異系數等統計指標，統計分析瀝青樣品微觀表面楊氏模量的分布信息。

本發明采用以上實施例，具有以下優點：1、通過原子力顯微鏡探針與樣品之間的相互作用從微觀層面獲取瀝青樣品力曲線；2根據獲取的力曲線，結合Derjaguin-Muler-Toporov模型，獲取瀝青樣品微觀表面楊氏模量分布圖；3、結合統計分析可以提出相關技術指標以分析瀝青微觀表面楊氏模量分布情況，幫助全面了解認知瀝青微觀性質，研究瀝青微觀表面力學特性的差異，為瀝青使用性能的研究提供一種新的科學參考依據。

實施例2

本發明還提供了一種獲取瀝青微觀表面分布信息的系統，如圖2所示，包括力曲線獲取模塊201、楊氏模量分布圖生成模塊202、三維數據提取模塊203以及楊氏模量分布信息統計模塊204。

所述力曲線獲取模塊201，用于獲取力曲線；所述力曲線表示原子力顯微鏡探針與所述樣品表面之間的相互作用，其中，原子力顯微鏡作為一種微觀分析儀器主要通過探針與樣品之間作用力精準探測樣品表面形貌以及定量測定樣品表面力學特性，已廣泛應用到各個研究領域中，具體包括：

探針、掃描范圍以及掃描點陣選擇子模塊，用于根據瀝青樣品的性質，選擇相應的探針、相應的掃描范圍以及相應的掃描點陣；

力曲線獲取子模塊，用于根據所述選擇的相應的探針、相應的掃描范圍以及相應的掃描點陣，采用原子力顯微鏡中的PeakForce QNM檢測模式，獲取瀝青樣品的力曲線。

楊氏模量分布圖生成模塊202，用于根據所述力曲線，生成瀝青樣品微觀表面的楊氏模量分布圖，具體包括：

楊氏模量分布圖子生成模塊，根據所述力曲線，采用Derjaguin-Muler-Toporov模型，生成瀝青樣品微觀表面的楊氏模量分布圖。

三維數據提取模塊203，用于根據所述楊氏模量分布圖，提取楊氏模量分布圖的三維數據，其中所述三維數據中的每點均有X、Y、Z三個方向數據，X、Y方向數據代表掃描點平面坐標，Z方向數據代表楊氏模量值，具體包括：

數據轉化子模塊，用于將.000格式的楊氏模量分布圖源文件的數據轉化為.txt格式文件的數據；

三維數據提取子模塊，用于根據所述.txt格式文件的數據，提取楊氏模量分布圖的三維數據。

楊氏模量分布信息統計模塊204，用于根據所述三維數據，統計分析瀝青樣品微觀表面的楊氏模量分布信息，具體包括：

平均值、標準差以及標準差變異系數計算子模塊，用于根據提取的三維數據，計算三維數據中各個掃描點Z方向數據的平均值、標準差以及標準差變異系數；

楊氏模量分布信息統計子模塊，用于根據所述三維數據中Z方向數據的平均值、標準差以及標準差變異系數，統計分析瀝青樣品微觀表面的楊氏模量分布信息。

本發明采用以上實施例中的系統，具有以下優點：僅通過力曲線獲取模塊、楊氏模量分布圖生成模塊、三維數據提取模塊以及楊氏模量分布信息統計模塊就能統計分析出瀝青微觀表面楊氏模量分布情況，進而根據統計出的楊氏模量分布情況，全面了解認知瀝青微觀性質，為瀝青使用性能的研究提供一種新的科學參考依據。

實施例三

本發明提供了一種獲取30#瀝青與30#瀝青經長期老化后樣品微觀表面分布信息的方法，具體包括：

1)制備原子力顯微鏡30#瀝青樣品和30#瀝青經長期老化后樣品；所述制備原子力顯微鏡30#瀝青樣品和30#瀝青經長期老化后樣品，其中，原子力顯微鏡作為一種微觀分析儀器主要通過探針與樣品之間作用力精準探測樣品表面形貌以及定量測定樣品表面力學特性，已廣泛應用到各個研究領域中，具體包括：

(1)將裝有30#瀝青與30#瀝青經長期老化后樣品的燒杯放入烘箱中，并按照規范調整烘箱溫度至160℃，保持烘箱溫度2～3h直至瀝青呈流動態；

(2)將樣品存儲裝置置于基底中央；

(3)采用樣品轉移裝置攪拌燒杯內瀝青并轉移少量瀝青至基底上的樣品存儲裝置內直到瀝青樣品與存儲裝置高度齊平，基底與樣品存儲裝置通過瀝青的粘附性相粘結；

(4)樣品制備裝置繼續放入烘箱內約10min，待瀝青樣品表面完全光滑平整后取出，放入培養皿中冷卻至室溫，同時將培養皿放入干燥箱中，樣品在觀測前需經歷24h以上的退火過程，進而獲取如圖3所示的，原子力顯微鏡30#瀝青樣品和30#瀝青經長期老化后樣品。

2)采用原子力顯微鏡掃描選定瀝青微觀表面區域，根據瀝青探針與樣品之間的相互作用，獲取瀝青樣品力曲線，參見圖4所示；并根據瀝青探針與樣品之間力曲線對其微觀表面力學性能進行測量，生成瀝青樣品微觀表面楊氏模量分布圖。本實施例探針選用布魯克公司生產的TAP150探針，探針的彈性系數5.38N/m，懸臂偏轉靈敏度為38.16nm/v，掃描區域選定為10×10μm，掃描采用256×256矩陣掃描，共采集65536個數據點。查閱相關文獻，本實施例中瀝青泊松比采用0.4，楊氏模量采用Derjaguin-Muler-Toporov模型計算，根據公式(3)和(4)計算楊氏模量：

式中：F—探針對樣品施加的峰值力；

F_adhesion—探針與樣品之間的粘附力；

E^*—折算模量；

R—探針曲率半徑；

δ—樣品形變量；

V_s,V_tip—樣品、探針的泊松比；

E_s,E_tip—樣品、探針的楊氏模量；

生成瀝青樣品微觀表面的楊氏模量分布圖，30#瀝青原樣微觀表面楊氏模量分布圖，如圖5所示；30#瀝青長期老化后樣品微觀表面楊氏模量分布圖，如圖6所示。

3)利用自編軟件將.000格式的瀝青微觀表面楊氏模量分布數據源文件轉化為.txt格式文件，并根據轉化后的.txt格式文件，提取瀝青樣品楊氏模量分布圖的三維數據。本案例楊氏模量分布數據共有65536個數據點，每個數據點均有X、Y、Z三個方向的三維數據，X、Y代表掃描點平面坐標，Z方向數據代表楊氏模量值。

4)根據步驟3)中提取的三維數據，采用統計軟件統計瀝青微觀表面楊氏模量的分布信息，分析指標采用平均值標準差σ_z以及標準差變異系數V_σ，其分別定義為：

式中：n是數據點個數；Z_i是各數據點值；Z是平均值；σ_z是標準差；V_σ是標準差變異系數

其中，表1為30#瀝青與30#瀝青經長期老化后樣品微觀表面楊氏模量分布情況統計結果

表1 30#瀝青與30#瀝青經長期老化后樣品微觀表面楊氏模量分布情況統計結果

本實施例通過統計30#瀝青與30#瀝青經長期老化后樣品微觀表面楊氏模量分布情況，表明30#瀝青經過長期老化后微觀表面楊氏模量增加，瀝青變硬，這是由于老化導致瀝青分子量增大，羰基以及亞砜基等含量增加所導致；然而標準差以及標準差變異系數減小，說明老化后瀝青微觀表面楊氏模量分布更加均勻，這是由于老化導致飽和分、芳香分等分散介質減少，瀝青的膠體結構更加趨向于凝膠型，膠團增大且膠團之間相互吸引，從而致使瀝青在經過老化后微觀表面楊氏模量分布更加均勻化。因此，根據上述統計結果，能夠全面了解認知瀝青微觀性質及其變化過程，并研究瀝青微觀表面力學特性的差異，為瀝青使用性能的研究提供一種新的科學參考依據。

本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。對于實施例公開的系統而言，由于其與實施例公開的方法相對應，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法部分說明即可。

本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。