纳米CT揭示沥青砂浆中热疲劳引起的沥青-填料界面约束劣化

《Powder Technology》：Nano-CT reveals thermal-fatigue-induced degradation of asphalt-filler interfacial constraints in asphalt mastic

　　

• •
  热循环逐步松弛填料的近邻场并降低颗粒配位数。
• •
  Set-Voronoi式镶嵌揭示了颗粒相关沥青空间中的垂直方向非均质性。
• •
  颗粒重排和沥青空间再分配表明界面约束的逐步退化。
• •
  颗粒尺度的重构与宏观流变性能退化在统计上相关联。

引言

沥青路面承受反复的昼夜和季节性温度波动，这些波动改变了沥青结合料的粘弹性并引发循环热变形[1]。沥青砂浆在沥青混合料中充当粘结相，其中沥青-填料界面控制着应力传递、颗粒约束和变形协调[2]。在结构约束下，反复的热胀冷缩产生循环热应力，逐步削弱界面约束并促进热疲劳损伤的累积[3]。因此，阐明沥青-填料界面邻域的演化规律对于理解沥青砂浆的热疲劳退化以及提高大温差条件下路面材料的耐久性至关重要。

沥青基材料的热疲劳退化引起了关注[4]。先前的研究表明，热循环可降低粘性响应、增强弹性行为、削弱低温应力松弛、破坏微观结构稳定性并促进缺陷累积[5]。同时，沥青复合材料的热响应也受到矿物特性的影响，表明矿物相可以影响沥青基材料对温度变化的响应[6]。这些发现表明，热循环不仅仅是热胀冷缩的可逆过程，而是逐步改变沥青基材料的粘弹性响应和内部结构状态。此类退化通常采用连续介质方法和流变学方法表征，以复数模量、相位角、疲劳损伤参数和蠕变恢复等整体响应作为指标[7]、[8]、[9]。然而，这些指标主要反映材料的整体响应，对于颗粒-基体区域内部损伤的发展和累积提供有限信息[10]。特别是，沥青-填料界面效应很少被明确考虑，界面约束的逐步削弱与沥青砂浆热疲劳退化之间的关系尚未得到充分理解。

表征沥青-填料界面状态的方法可分为局部实验表征、基于流变学的评价和数值模拟三类。表面自由能分析、接触角测量、AFM、SEM、FTIR和纳米压痕已被用于表征粘附性、形貌、化学相互作用和局部力学性能[11]、[12]。在分子尺度上，MD模拟通过研究分子吸附和界面构型进一步揭示了沥青-矿物相互作用[13]。Long等[14]将AFM与MD模拟相结合，揭示了沥青-硅胶界面上的粘附力损失、粘附梯度区和沥青组分再分配。这些方法提供了局部界面行为的详细信息，但通常受限于试样制备、观测尺度和局部或二维表征，而MD模拟依赖于简化的分子模型、理想化的矿物表面和受限的时空尺度。基于流变学的方法通过Faheem-Bahia模型[15]、界面厚度参数[16]、Palierne C值、ΔG^?、Einstein系数、Δη^?和Ziegel-B[17]、[18]、[19]从整体响应推断沥青-填料相互作用，但这些参数主要代表复合系统的平均相互作用状态。有限元分析可识别热载荷下沥青-填料界面附近的热应力累积和潜在损伤区域[20]，尽管结果依赖于理想化的微观结构和预设的界面或损伤假设。因此，尽管现有方法从不同尺度揭示了沥青-填料相互作用，但真实颗粒结构中界面邻域的实际三维演化仍然难以捕捉。

X射线CT、显微CT、同步辐射层析成像、Nano-CT、数字体积相关技术和图像分析的发展使得在循环载荷和热疲劳条件下对界面相关损伤进行三维表征成为可能[21]、[22]。在纤维复合材料和水泥基粒状材料中，μ-CT和XCT-DVC已被用于追踪裂纹网络、体积应变场和界面过渡区粘结[23]、[24]，将界面相关表征从局部二维观测扩展到三维结构和变形场。同步辐射4D-CT将橡胶纳米复合材料中的损伤演化与空洞化、颗粒间距、团聚体尺寸和低密度区域联系起来[25]。在热循环焊点和填充固体推进剂中，3D层析成像结合图像分割、DVC、颗粒追踪和数值模拟将疲劳裂纹和颗粒-基体脱粘与孔隙或裂纹演化、颗粒形貌、间距和局部应变场联系起来[26]、[27]。胶体和软界面研究表明，界面变化可以通过动态响应、颗粒间距、取向、壳厚度和毛细相互作用来反映[28]、[29]、[30]。这些研究表明，颗粒排列、表面接近度和基体空间再分配可以作为局部界面约束演化的间接指标。

在砂浆尺度上，沥青-填料界面行为与填料形貌、颗粒间距、局部团聚和沥青相分布相关。Gong等[31]采用基于CT的图像分割来区分填料和沥青相，并建立了多级分散和数字孪生框架来表征沥青混合料中的界面区域。Zhan等[32]采用3D Nano-CT揭示了热循环下填料颗粒的迁移和旋转，证明反复热循环可逐步重组三维填料结构。然而，有限的分辨率、不足的灰度对比度和分割不确定性使Nano-CT无法直接分辨沥青-填料界面的粘附力损失和脱粘[33]。因此，当界面本身无法被直接分辨时，Nano-CT可检测到的结构变化为间接表征热疲劳下界面约束演化提供了潜在基础。

为解决上述局限性，本研究建立了一个整合Nano-CT结构表征与DSR流变评价的多级框架。最近表面距离和Set-Voronoi式镶嵌量化了填料近邻重排和颗粒相关沥青空间再分配，而DSR测试表征了粘弹性响应、应力松弛、Payne效应和触变恢复。进一步考察了它们之间的跨尺度关联，以间接表征热疲劳引起的沥青-填料界面约束退化。

各章节摘要

原材料和沥青砂浆制备流程

沥青砂浆采用70#道路石油沥青（针入度等级60/80）和干燥洁净的石灰石填料（表观相对密度为2.63）制备，符合JTG F40–2004的要求。制备前，填料通过0.075 mm方孔筛筛分，填料与沥青的质量比设为1.1:1。筛分后的填料在160 °C下预热2小时，沥青加热至160 °C以确保足够的流动性。然后将填料逐步加入

填料近邻重排的最近表面距离表征

本节利用Nano-CT重建的最近表面距离（NSD）描述符来表征热循环引起的填料近邻结构重排。由于Nano-CT无法直接分辨沥青-填料界面的脱粘或断裂，"界面损伤"指的是根据微观结构重排和流变性能退化推断的沥青-填料界面约束的逐步削弱。

沥青-填料界面约束退化的表征框架

前述分析通过近邻场的演化揭示了热循环引起的沥青砂浆中填料颗粒的重排，表现为近接触状态的退化和松弛区域的扩展。然而，这些颗粒尺度的几何描述符主要表征填料的空间组织，对于捕捉颗粒邻域内沥青相的分配和再分配仍显不足。

为克服这一局限，

基于流变学的沥青-填料界面损伤验证

本节考察沥青砂浆的线性粘弹性响应、应力松弛能力以及Payne效应/ITT相关的结构扰动，并将这些流变响应与Nano-CT推导的沥青-填料界面约束退化指标进行关联。

结论与未来工作

本研究结合3D Nano-CT重建、最近表面距离分析、Set-Voronoi式镶嵌和DSR测试，研究了热疲劳引起的沥青-填料界面约束退化。通过将填料近邻重排和颗粒相关沥青空间再分配与流变性能演化联系起来，建立了间接识别界面热疲劳损伤的多级框架。主要结论总结如下

CRediT作者贡献声明

He Zhan：撰写——初稿撰写、方法论、形式分析。Huining Xu：撰写——审阅与编辑、指导、经费获取。Luis Guilherme de Picado-Santos：撰写——审阅与编辑。Lin Li：方法论、概念设计。Iran Rocha Segundo：撰写——审阅与编辑。Weidong Ji：调查研究。Yiqiu Tan：概念设计。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（资助编号：52278449）；黑龙江省自然科学基金重点项目（资助编号：ZD2023E003）；山东省自然科学基金（资助编号：ZR2024LZN018）；宁夏回族自治区自然科学基金（资助编号：2026AAC050065）的支持。Luis Guilherme de Picado-Santos和Iran Rocha Segundo感谢科学与技术创新基金会（FCT，//ror.org/00snfqn58）的部分资助。

He Zhan|Huining Xu|Luis Guilherme de Picado-Santos|Lin Li|Iran Rocha Segundo|Weidong Ji|Yiqiu Tan