一种获取沥青微观表面分布信息的方法及系统与流程

本发明涉及沥青力学性能分析的技术领域，特别是涉及一种获取沥青微观表面分布信息的方法及系统。

背景技术：

沥青路面作为一种优良的路面结构广泛应用于高速公路，但是由于自然环境复杂，环境、行车荷载等因素的影响，沥青路面出现不同程度的破坏。因此，现阶段需要全面了解沥青性能以降低沥青路面破损程度。

多年来，研究人员受到分析手段的限制，主要将沥青简化为均质体并通过宏观性能试验分析路面破坏产生的原因，但是沥青路面由于受到外界多种因素的作用，其力学行为较为复杂，宏观力学试验无法将沥青内部不同结构区别分析，将沥青简化为均质体的研究已经不符合实际要求。

物质的宏观行为由微观性能所决定，沥青微观力学性能从本质上影响沥青的宏观力学性质。因此，随着研究的深入发展，急需全面了解认知沥青微观性质，进一步研究沥青微观表面力学特性的差异，为沥青使用性能的研究提供一种新的有效途径。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种获取沥青微观表面分布信息的方法及系统，通过研究沥青微观表面杨氏模量分布信息，全面了解沥青微观性能，为沥青使用性能的研究提供一种新的有效途径。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种获取沥青微观表面分布信息的方法，其特征在于，所述方法包括：

获取力曲线，所述力曲线表示原子力显微镜探针与样品表面之间的相互作用；

根据所述力曲线，生成沥青样品微观表面的杨氏模量分布图；

根据所述杨氏模量分布图，提取杨氏模量分布图的三维数据，其中所述三维数据中的每个扫描点均有X、Y、Z三个方向数据，X、Y方向数据代表扫描点平面坐标，Z方向数据代表杨氏模量值；

根据所述三维数据，统计分析沥青样品微观表面的杨氏模量分布信息。

可选的，所述获取沥青样品的力曲线，包括：

根据沥青样品的性质，选择相应的探针、相应的扫描范围以及相应的扫描点阵；

根据所述选择的相应的探针、相应的扫描范围以及相应的扫描点阵，采用定量纳米力学测量模式，获取沥青样品的力曲线。

可选的，所述生成沥青样品微观表面的杨氏模量分布图，具体包括：

根据所述力曲线，采用Derjaguin-Muler-Toporov模型，根据公式(1)和(2)：

生成沥青样品微观表面的杨氏模量分布图；式中：F—探针对样品施加的峰值力，F_adhesion—探针与样品之间的粘附力，E^*—折算模量，R—探针曲率半径，δ—样品形变量，V_s,V_tip—样品、探针的泊松比，E_s,E_tip—样品、探针的杨氏模量。

可选的，所述提取沥青样品微观表面杨氏模量分布图的三维数据，包括：

将杨氏模量分布图源文件的数据转化为.txt格式文件的数据；

根据所述.txt格式文件的数据，提取杨氏模量分布图的三维数据。

可选的，所述统计分析沥青样品微观表面的杨氏模量分布信息，包括：

根据所述提取的三维数据，计算三维数据中Z方向数据的平均值、标准差以及标准差变异系数；

根据所述三维数据中Z方向数据的平均值、标准差以及标准差变异系数，统计分析沥青样品微观表面的杨氏模量分布信息。

本发明还提供一种获取沥青微观表面分布信息的系统，其特征在于，所述系统包括：

力曲线获取模块，用于获取沥青样品的力曲线；所述力曲线表示原子力显微镜探针与所述沥青样品表面之间的相互作用力；

杨氏模量分布图生成模块，用于根据所述力曲线，生成沥青样品微观表面的杨氏模量分布图；

三维数据提取模块，用于根据所述杨氏模量分布图，提取杨氏模量分布图的三维数据，其中所述三维数据中的每点均有X、Y、Z三个方向数据，X、Y方向数据代表扫描点平面坐标，Z方向数据代表杨氏模量值；

杨氏模量分布信息统计模块，用于根据所述三维数据，统计分析沥青样品微观表面的杨氏模量分布信息。

可选的，所述力曲线获取模块，包括：

探针、扫描范围以及扫描点阵选择子模块，用于根据沥青样品的性质，选择相应的探针、相应的扫描范围以及相应的扫描点阵；

力曲线获取子模块，用于根据所述选择的相应的探针、相应的扫描范围以及相应的扫描点阵，采用定量纳米力学测量模式，获取沥青样品的力曲线。

可选的，所述杨氏模量分布图生成模块，具体包括：

杨氏模量分布图子生成模块，根据所述力曲线，采用Derjaguin-Muler-Toporov模型，生成沥青样品微观表面的杨氏模量分布图。

可选的，所述三维数据提取模块，包括：

数据转化子模块，用于将杨氏模量分布图源文件的数据转化为.txt格式文件的数据；

三维数据提取子模块，用于根据所述.txt格式文件的数据，提取杨氏模量分布图的三维数据。

可选的，所述杨氏模量分布信息统计模块，包括：

平均值、标准差以及标准差变异系数计算子模块，用于根据提取的三维数据，计算三维数据中Z方向数据的平均值、标准差以及标准差变异系数；

杨氏模量分布信息统计子模块，用于根据所述三维数据中Z方向数据的平均值、标准差以及标准差变异系数，统计分析沥青样品微观表面的杨氏模量分布信息。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供一种获取沥青微观表面分布信息的方法及系统，通过原子力显微镜探针与沥青样品之间的相互作用从微观层面获取沥青微观表面杨氏模量，结合统计分析可以提出三维数据技术指标以分析沥青微观表面杨氏模量分布情况，全面了解认知沥青微观性质，研究沥青微观表面力学特性的差异，为沥青使用性能的研究提供一种新的科学参考依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中的获取沥青微观表面分布信息的方法流程图；

图2为本发明实施例中的获取沥青微观表面分布信息的系统结构图；

图3为本发明实施例中的用于原子力显微镜测试的沥青试样；

图4是本发明实施例中原子力显微镜探针与样品之间作用力曲线；

图5是本发明实施例中30#沥青原样微观表面杨氏模量分布图；

图6是本发明实施例中30#沥青长期老化后样品微观表面杨氏模量分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

本发明提供了获取沥青微观表面分布信息的方法，如图1所示，该方法包括：

步骤101：获取力曲线；

步骤102：生成沥青样品微观表面的杨氏模量分布图；

步骤103：提取杨氏模量分布图的三维数据；

步骤104：统计分析沥青样品微观表面的杨氏模量分布信息。

其中，所述步骤101具体包括：在获取沥青样品的力曲线之前，首先要制备原子力显微镜沥青样品；其中，原子力显微镜作为一种微观分析仪器主要通过探针与样品之间作用力精准探测样品表面形貌以及定量测定样品表面力学特性，已广泛应用到各个研究领域中；所述制备原子力显微镜下沥青样品步骤包括：

将装有沥青的烧杯放入烘箱中，按照规范调整烘箱温度，烘箱时间为2～3h，直至沥青呈流动态；

取出烘箱内所述装有沥青的烧杯，采用样品转移装置转移沥青样品至基底中央的样品存储装置内，直到所述沥青样品与所述存储装置高度齐平后，停止添加；其中，所述基底与所述样品存储装置通过沥青的粘附性相粘结得到原子力显微镜沥青样品；

将所述制备好的原子力显微镜沥青样品继续放入烘箱内，待所述沥青样品表面完全光滑平整后取出，所述样品后放入培养皿中并冷却至室温，同时将培养皿放入干燥箱中；

检测前，样品需退火时间24小时以上。

然后，将制备完成的沥青样品放在原子力显微镜下，所述的原子力显微镜沥青微观表面杨氏模量检测选用PeakForce QNM检测模式，根据样品性质不同选用不同探针，扫描范围与扫描点阵根据需求选取。通过保证样品在探针作用下的形变为弹性形变的基础上，获取沥青样品的力曲线。

所述步骤102具体包括：根据所述力曲线，采用Derjaguin-Muler-Toporov模型，根据公式(1)和(2)：

生成沥青样品微观表面的杨氏模量分布图；式中：F—探针对样品施加的峰值力，F_adhesion—探针与样品之间的粘附力，E^*—折算模量，R—探针曲率半径，δ—样品形变量，V_s,V_tip—样品、探针的泊松比，E_s,E_tip—样品、探针的杨氏模量。

所述步骤103具体包括：通过自编软件，将通过原子力显微镜获取的.000格式的杨氏模量分布图源文件的数据转化为.txt格式文件的数据，并根据转化后的txt格式文件的数据，提取杨氏模量分布图的三维数据；其中将杨氏模量分布图中的数据源文件通过自编软件将.000格式文件转化为.txt格式文件，有利于数据的进一步数值化处理。所述三维数据每点均有X、Y、Z三个方向数据，X、Y方向数据代表扫描点平面坐标，Z方向数据代表杨氏模量值。

所述步骤104具体包括：采用统计软件对数据进行统计分析，利用平均值、标准差、变异系数等统计指标，统计分析沥青样品微观表面杨氏模量的分布信息。

本发明采用以上实施例，具有以下优点：1、通过原子力显微镜探针与样品之间的相互作用从微观层面获取沥青样品力曲线；2根据获取的力曲线，结合Derjaguin-Muler-Toporov模型，获取沥青样品微观表面杨氏模量分布图；3、结合统计分析可以提出相关技术指标以分析沥青微观表面杨氏模量分布情况，帮助全面了解认知沥青微观性质，研究沥青微观表面力学特性的差异，为沥青使用性能的研究提供一种新的科学参考依据。

实施例2

本发明还提供了一种获取沥青微观表面分布信息的系统，如图2所示，包括力曲线获取模块201、杨氏模量分布图生成模块202、三维数据提取模块203以及杨氏模量分布信息统计模块204。

所述力曲线获取模块201，用于获取力曲线；所述力曲线表示原子力显微镜探针与所述样品表面之间的相互作用，其中，原子力显微镜作为一种微观分析仪器主要通过探针与样品之间作用力精准探测样品表面形貌以及定量测定样品表面力学特性，已广泛应用到各个研究领域中，具体包括：

探针、扫描范围以及扫描点阵选择子模块，用于根据沥青样品的性质，选择相应的探针、相应的扫描范围以及相应的扫描点阵；

力曲线获取子模块，用于根据所述选择的相应的探针、相应的扫描范围以及相应的扫描点阵，采用原子力显微镜中的PeakForce QNM检测模式，获取沥青样品的力曲线。

杨氏模量分布图生成模块202，用于根据所述力曲线，生成沥青样品微观表面的杨氏模量分布图，具体包括：

杨氏模量分布图子生成模块，根据所述力曲线，采用Derjaguin-Muler-Toporov模型，生成沥青样品微观表面的杨氏模量分布图。

三维数据提取模块203，用于根据所述杨氏模量分布图，提取杨氏模量分布图的三维数据，其中所述三维数据中的每点均有X、Y、Z三个方向数据，X、Y方向数据代表扫描点平面坐标，Z方向数据代表杨氏模量值，具体包括：

数据转化子模块，用于将.000格式的杨氏模量分布图源文件的数据转化为.txt格式文件的数据；

三维数据提取子模块，用于根据所述.txt格式文件的数据，提取杨氏模量分布图的三维数据。

杨氏模量分布信息统计模块204，用于根据所述三维数据，统计分析沥青样品微观表面的杨氏模量分布信息，具体包括：

平均值、标准差以及标准差变异系数计算子模块，用于根据提取的三维数据，计算三维数据中各个扫描点Z方向数据的平均值、标准差以及标准差变异系数；

杨氏模量分布信息统计子模块，用于根据所述三维数据中Z方向数据的平均值、标准差以及标准差变异系数，统计分析沥青样品微观表面的杨氏模量分布信息。

本发明采用以上实施例中的系统，具有以下优点：仅通过力曲线获取模块、杨氏模量分布图生成模块、三维数据提取模块以及杨氏模量分布信息统计模块就能统计分析出沥青微观表面杨氏模量分布情况，进而根据统计出的杨氏模量分布情况，全面了解认知沥青微观性质，为沥青使用性能的研究提供一种新的科学参考依据。

实施例三

本发明提供了一种获取30#沥青与30#沥青经长期老化后样品微观表面分布信息的方法，具体包括：

1)制备原子力显微镜30#沥青样品和30#沥青经长期老化后样品；所述制备原子力显微镜30#沥青样品和30#沥青经长期老化后样品，其中，原子力显微镜作为一种微观分析仪器主要通过探针与样品之间作用力精准探测样品表面形貌以及定量测定样品表面力学特性，已广泛应用到各个研究领域中，具体包括：

(1)将装有30#沥青与30#沥青经长期老化后样品的烧杯放入烘箱中，并按照规范调整烘箱温度至160℃，保持烘箱温度2～3h直至沥青呈流动态；

(2)将样品存储装置置于基底中央；

(3)采用样品转移装置搅拌烧杯内沥青并转移少量沥青至基底上的样品存储装置内直到沥青样品与存储装置高度齐平，基底与样品存储装置通过沥青的粘附性相粘结；

(4)样品制备装置继续放入烘箱内约10min，待沥青样品表面完全光滑平整后取出，放入培养皿中冷却至室温，同时将培养皿放入干燥箱中，样品在观测前需经历24h以上的退火过程，进而获取如图3所示的，原子力显微镜30#沥青样品和30#沥青经长期老化后样品。

2)采用原子力显微镜扫描选定沥青微观表面区域，根据沥青探针与样品之间的相互作用，获取沥青样品力曲线，参见图4所示；并根据沥青探针与样品之间力曲线对其微观表面力学性能进行测量，生成沥青样品微观表面杨氏模量分布图。本实施例探针选用布鲁克公司生产的TAP150探针，探针的弹性系数5.38N/m，悬臂偏转灵敏度为38.16nm/v，扫描区域选定为10×10μm，扫描采用256×256矩阵扫描，共采集65536个数据点。查阅相关文献，本实施例中沥青泊松比采用0.4，杨氏模量采用Derjaguin-Muler-Toporov模型计算，根据公式(3)和(4)计算杨氏模量：

式中：F—探针对样品施加的峰值力；

F_adhesion—探针与样品之间的粘附力；

E^*—折算模量；

R—探针曲率半径；

δ—样品形变量；

V_s,V_tip—样品、探针的泊松比；

E_s,E_tip—样品、探针的杨氏模量；

生成沥青样品微观表面的杨氏模量分布图，30#沥青原样微观表面杨氏模量分布图，如图5所示；30#沥青长期老化后样品微观表面杨氏模量分布图，如图6所示。

3)利用自编软件将.000格式的沥青微观表面杨氏模量分布数据源文件转化为.txt格式文件，并根据转化后的.txt格式文件，提取沥青样品杨氏模量分布图的三维数据。本案例杨氏模量分布数据共有65536个数据点，每个数据点均有X、Y、Z三个方向的三维数据，X、Y代表扫描点平面坐标，Z方向数据代表杨氏模量值。

4)根据步骤3)中提取的三维数据，采用统计软件统计沥青微观表面杨氏模量的分布信息，分析指标采用平均值标准差σ_z以及标准差变异系数V_σ，其分别定义为：

式中：n是数据点个数；Z_i是各数据点值；Z是平均值；σ_z是标准差；V_σ是标准差变异系数

其中，表1为30#沥青与30#沥青经长期老化后样品微观表面杨氏模量分布情况统计结果

表1 30#沥青与30#沥青经长期老化后样品微观表面杨氏模量分布情况统计结果

本实施例通过统计30#沥青与30#沥青经长期老化后样品微观表面杨氏模量分布情况，表明30#沥青经过长期老化后微观表面杨氏模量增加，沥青变硬，这是由于老化导致沥青分子量增大，羰基以及亚砜基等含量增加所导致；然而标准差以及标准差变异系数减小，说明老化后沥青微观表面杨氏模量分布更加均匀，这是由于老化导致饱和分、芳香分等分散介质减少，沥青的胶体结构更加趋向于凝胶型，胶团增大且胶团之间相互吸引，从而致使沥青在经过老化后微观表面杨氏模量分布更加均匀化。因此，根据上述统计结果，能够全面了解认知沥青微观性质及其变化过程，并研究沥青微观表面力学特性的差异，为沥青使用性能的研究提供一种新的科学参考依据。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。