本文旨在向您介绍一篇发表于期刊 Materials & Design 2020年第185卷（文章编号：108272）的研究论文。该论文题为“Relationship among cohesion, adhesion, and bond strength: From multi-scale investigation of asphalt-based composites subjected to laboratory-simulated aging”（内聚力、粘附力与粘结强度之间的关系：基于实验室模拟老化的沥青基复合材料多尺度研究）。本研究由同济大学教育部道路与交通工程重点实验室的袁颖（Ying Yuan）和朱兴一（Xingyi Zhu）*（通讯作者）以及上海浦东建筑设计研究院有限公司的陈龙（Long Chen）合作完成。
一、 学术背景
本研究的科学领域属于道路工程与材料科学，具体聚焦于沥青混合料的界面性能与老化行为。沥青混合料是由沥青结合料（binder）和集料（aggregate）构成的复合材料，其性能很大程度上取决于沥青与集料之间的界面粘结性能。评价这种性能的关键宏观指标是粘结强度（bond strength），而它本质上受两个基本力学因素控制：沥青材料自身的内聚力（cohesion）以及沥青与集料之间的粘附力（adhesion）。在实际路面服役过程中，沥青会经历老化过程，导致其化学组成和物理力学性质发生变化，进而影响内聚力和粘附力，最终改变混合料的整体粘结强度和路用性能。
然而，关于老化如何影响沥青粘结强度，现有文献中存在不一致甚至矛盾的结论。一些研究发现粘结强度随老化时间持续增加，另一些则观察到先增加后降低的趋势。这种分歧背后的机理尚不明确。具体而言，老化过程中内聚力与粘附力各自如何演变，它们如何共同作用决定最终的宏观粘结强度，以及微观尺度上的粘附行为变化与宏观性能之间的关联，都是亟待厘清的科学问题。因此，本研究旨在通过多尺度（宏观与微观）实验方法，系统研究实验室模拟老化对沥青结合料粘结性能的影响，揭示其变化的内在机理，明确内聚力、粘附力与宏观粘结强度三者之间的关系。
二、 详细研究流程
本研究设计了一个系统、多尺度的实验流程，包含材料制备、表征、宏观性能测试和微观性能测试四个主要环节，并对数据进行了综合分析。
1. 材料准备与表征： * 研究对象： 研究选用了四种不同针入度等级（Pen30, Pen50, Pen70, Pen90）的基质沥青，以涵盖不同的化学组成（尤其是沥青质含量）。 * 老化处理： 对每种沥青进行了三种状态处理：原样沥青（Virgin）、短期老化（RTFO，模拟拌和与铺筑过程）和长期老化（PAV，模拟路面长期使用过程）。共计12组样品。 * 化学表征： * 傅里叶变换红外光谱（FTIR）： 使用Bruker Tensor 27仪器，通过衰减全反射（ATR）模式获取红外光谱。计算羰基指数（ICO = 羰基峰面积 / (甲基+亚甲基)峰面积），以定量评估老化程度。结果显示，长期老化后羰基指数显著增加，且Pen70和Pen90的增长速率高于Pen30和Pen50，表明它们经历了更严重的老化。 * 薄层色谱-火焰离子化检测（TLC-FID）： 测定沥青的四组分（饱和分、芳香分、胶质、沥青质）含量。数据表明，老化导致沥青质含量增加，沥青质与软沥青质（maltenes，即饱和分、芳香分、胶质之和）的比值上升。同样，Pen70和Pen90的比值增长率远高于Pen30和Pen50。
2. 宏观粘结强度测试： * 测试方法： 采用粘结强度测试（Binder Bond Strength Test, BBS Test），遵循AASHTO T361-16标准。该方法通过液压装置将粘在集料基底上的拉拔头（pull-off stub）拉开，记录最大拉拔力（即粘结强度），并观察破坏模式（内聚破坏、粘附破坏或混合破坏）。 * 样品制备与测试： 将加热的沥青注入模具并压入预热的拉拔头，粘附在玄武岩集料基底上。固化24小时后进行测试。每种沥青-老化状态组合制备20个平行试样，总计测试240个样本。
3. 微观粘附力测试： * 测试方法： 使用原子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM），在PeakForce QNM（定量纳米力学图谱）模式下进行测试。该模式可同时获取样品表面形貌图和粘附力分布图。 * 样品制备： 采用热浇铸法（heat casting method）制备AFM测试用沥青薄膜样品，以避免溶剂对沥青组成的影响。 * 测试过程： 使用标准硅探针（MPP-12120-10），在环境条件下对样品进行扫描。扫描尺寸为10×10微米，像素分辨率512×512。通过分析力-距离曲线，获得每个像素点的粘附力数值。 * 数据分析： 使用显微镜分析软件从粘附力分布图中提取数据，进行统计分析，并分别提取沥青微观结构中三个特征相（蜂相 Catana phase、peri相、para相）的粘附力值进行对比。
4. 数据分析与机理关联： 将宏观BBS测试得到的粘结强度数据、破坏模式，与微观AFM测试得到的粘附力分布及变化，以及化学表征得到的老化程度、组分变化数据相结合，进行综合分析。通过对比不同老化程度、不同针入度沥青的表现，推断内聚力和粘附力在老化过程中的变化趋势，并基于粘附理论（机械互锁、分子间作用力、静电作用等）和沥青化学知识解释其机理。
三、 主要研究结果
1. 宏观粘结强度的变化趋势： * BBS测试结果表明，粘结强度随沥青针入度降低（粘度增加）而增加。 * 对于Pen30和Pen50，粘结强度随老化时间（原样→短期→长期）持续增加。 * 对于Pen70和Pen90，粘结强度在短期老化后增加，但在长期老化后下降。 * 这一结果验证了文献中存在的两种趋势，并表明：适度老化有助于提高粘结强度，但严重老化不一定能改善粘结强度。
2. 微观粘附力的变化： * AFM形貌图显示了沥青典型的微观结构：蜂相（bee-like structures）、peri相和para相。粘附力分布图与形貌图，特别是蜂相区域，显示出高度相似的形状，表明微观结构与粘附性能密切相关。 * 对所有四种沥青，长期老化均导致其整体粘附力显著下降。粘附力分布直方图清晰地显示了这一下降趋势。 * 进一步分析各微观相的粘附力发现，长期老化对蜂相、peri相和para相的粘附力均产生负面影响。例如，Pen30沥青蜂相的平均粘附力从15 nN降至5 nN（下降67%）；其para相的粘附力下降幅度甚至高达93%。这表明，老化引起的粘附力下降是整个沥青材料各相的共同行为，而非某一特定相所致。
3. 破坏模式与化学组分关联： * 破坏模式观察为内聚力变化提供了间接证据。对于原样沥青，Pen90、Pen70和Pen50（沥青质含量较低）均发生内聚破坏，而Pen30（沥青质含量较高）则发生粘附破坏。这表明，沥青质含量越高，内聚力可能越强，使得破坏更易发生在粘附较弱的界面。 * Pen50沥青在老化后，破坏模式从原样时的内聚破坏转变为老化后的粘附破坏。这暗示老化过程增强了沥青的内聚力，使得界面（粘附）成为更薄弱的环节。 * 化学分析（TLC-FID）证实，老化导致沥青质含量增加，沥青质/软沥青质比值上升。这支持了老化通过促进沥青质分子的缔合（association）来增强内聚力的推论。
4. 内聚力与粘附力变化机理： * 内聚力（Cohesion Force）： 研究推断，内聚力随老化时间持续增加。原因是老化过程中，芳香分等转化为胶质并进一步生成沥青质，导致沥青质含量及其与软沥青质的比值上升。当软沥青质不足以充分胶溶（peptize）沥青质时，沥青质分子会发生缔合，形成网络结构，从而增强了材料内部分子间的结合力，即内聚力。 * 粘附力（Adhesion Force）： 研究推断，粘附力随老化时间呈现先增加后降低的趋势。粘附力来源于分子间作用力（范德华力）、静电力和机械互锁作用。老化初期，极性且带电荷的沥青质含量增加，有利于增强分子间作用力和静电力，从而可能提升粘附力。然而，随着老化加剧，轻质组分（芳香分、饱和分）减少，导致沥青的润湿性（wettability）下降，削弱了其渗入集料表面微孔并形成机械互锁的能力。在严重老化阶段，润湿性下降带来的负面影响可能超过沥青质增加带来的正面影响，从而导致整体粘附力下降。
5. 综合机理解释两种粘结强度趋势： * 对于Pen30和Pen50，老化引起的化学组分变化相对温和。长期老化后，沥青质增加带来的内聚力增益是主导因素，而润湿性下降对粘附力的负面影响不显著，因此宏观粘结强度持续上升。 * 对于Pen70和Pen90，老化引起的化学组分变化更为剧烈。长期老化后，轻质组分大幅减少导致的润湿性严重下降，显著削弱了粘附力。此时，粘附力的下降成为主导因素，超过了内聚力增加带来的正面贡献，从而导致宏观粘结强度在长期老化后出现下降。
四、 研究结论
本研究通过多尺度实验，系统地阐明了老化过程中沥青粘结性能的变化机理，明确了内聚力、粘附力与宏观粘结强度之间的关系，主要结论如下： 1. 宏观粘结强度受老化影响呈现两种趋势，其根本原因在于内聚力与粘附力随老化的不同步变化。内聚力因沥青质分子缔合而随老化持续增强；粘附力则因初期沥青质增加和后期润湿性下降而呈现先增后减的趋势。 2. 微观上，长期老化对沥青所有相（蜂相、peri相、para相）的粘附力均产生负面影响。各相润湿性的降低是老化过程中粘附行为改变的重要原因。 3. 实践意义：适度的老化（如短期老化）对粘结性能有积极作用，但应避免在拌和与铺筑过程中产生严重老化。研究指出，通过适当增强老化沥青残留物中各相的润湿性，可能是延缓粘结强度劣化、提高路面耐久性的有效途径。
五、 研究亮点
六、 其他有价值内容
研究在讨论部分基于粘附理论（机械理论、静电理论等）对粘附力变化进行了解释，为观察到的现象提供了理论支撑。同时，作者指出了未来研究方向，包括定量评估粘结力、内聚力与粘附力之间的关系，以及分别测量分子间作用力、静电力和机械互锁力，并关注粘度与内聚力/粘附力的关系。这些都为后续研究提供了清晰的思路。