Dynamics of filler particles in asphalt mastic under thermal cycling: A Nano-CT study of migration and rotation
詹贺，徐慧宁*，李霖，Luis Guilherme de Picado-Santos，Iran Rocha Segundo，冀卫东，冯金淇，谭忆秋
Keywords: Asphalt mastic; Thermal cycling; Nano-CT; Filler particle migration; Voronoi analysis; Reverse Brazil nut effect
DOI: 10.1016/j.partic.2026.02.018
现有研究多将沥青胶浆视为矿粉均匀分散的连续介质，并主要依赖宏观流变响应间接表征温度疲劳损伤。然而，该体系在热循环作用下可能会发生空间重构从而导致微结构稳定性劣化。本研究基于高分辨率三维Nano-CT成像，结合群体颗粒质心统计、取向分析及Voronoi分析，系统揭示温度循环作用下填料颗粒粒径依赖性的迁移与旋转特性，为理解大温差环境下沥青胶浆微结构劣化以及耐久性设计提供新的颗粒尺度依据。
相关研究成果发表于PARTICUOLOGY（Volume 111），欢迎感兴趣的读者扫描下方二维码或者点击文末“阅读原文”进入ScienceDirect官网阅读、下载！
亮点
1. 突破了传统基于连续介质假设和宏观流变响应的分析范式，依托高分辨率Nano-CT技术，建立了矿粉颗粒迁移、旋转及空间重排的三维可视化与定量表征方法，为温度循环下沥青胶浆颗粒动力学行为研究提供了直接的颗粒尺度手段。
2. 揭示了温度循环作用下沥青胶浆内部矿粉颗粒体系由近均匀分散向分层、团聚结构演化的过程，并基于反巴西果效应及Voronoi分析阐释了颗粒粒径选择性迁移与空间重构规律。
研究背景
温度疲劳是大温差地区沥青路面服役过程中的关键耐久性问题，反复温度变化引起的热胀冷缩失配会在沥青胶浆内部持续积累热应力。作为由沥青胶结料与矿物填料构成的黏弹性颗粒增强复合体系，沥青胶浆的微观分散状态直接影响其内部应力传递、界面作用及损伤演化。现有研究多聚焦于沥青或沥青胶浆整体宏观黏弹性能的退化，而对填料颗粒在热循环作用下的迁移、旋转及重新分布缺乏系统认识。事实上，随着热循环过程中沥青材料性质及其对颗粒约束作用的持续演变，颗粒体系可能发生空间重构并进一步导致微结构稳定性劣化。因此，有必要从颗粒尺度认识沥青胶浆的温度疲劳损伤机制。
要点精读
1. 温度循环削弱了沥青胶浆初始近均匀三级分散结构的稳定性
本文基于高分辨率三维Nano-CT表征，识别出沥青胶浆内部存在“填充-基体-骨架”三级分散结构。在温度循环作用下，矿粉颗粒呈现显著的纵向分异，且分层程度随循环次数增加不断加剧，反映出矿粉颗粒定向迁移过程具有明显的累积性和不可逆性，进而导致原始近均匀分散结构稳定性逐步削弱。
图1. 温度循环作用下沥青胶浆矿粉颗粒空间分布特征演变
2. 矿粉颗粒迁移呈现显著粒径选择性
温度循环诱发了典型的矿粉颗粒粒径选择性迁移行为：粗粒径颗粒（>30 μm）发生43–165 μm的净向下迁移，细粒径颗粒则优先向上富集，并在上部区域形成细颗粒富集层；中等粒径颗粒主要分布于上下分异之间的过渡区域，整体空间位置变化相对有限，重分布规律与反巴西果效应一致。
图2. 不同温度循环作用下不同粒径矿粉颗粒纵向质心迁移行为
3. Voronoi分析表明矿粉颗粒分布均匀性持续下降
Voronoi分析结果表明，温度循环推动颗粒堆积形态由近均匀分布向厚度方向分层和局部团聚显著发展的结构状态转变。其中，粗颗粒堆积的变异系数由63.3%增至135.4%，细颗粒由81.2%上升至124.3%，空间分布均匀性明显劣化。该类结构重组将持续放大胶浆内部聚集区与稀疏区之间的刚度差异，进而可能诱发局部应力集中并加剧微结构失稳。
图3. 不同粒径矿粉颗粒沿纵向截面的Voronoi图
主要结论
温度循环引发了沥青胶浆显著的粒径选择性与方向性微结构失稳，原始近均匀的三级分散体系逐步演化为“下部粗矿粉颗粒骨架-上部细矿粉颗粒聚集层”的分层结构，同时粗矿粉颗粒取向随机化增强、空间分布均匀性下降。矿粉颗粒的迁移与旋转是驱动沥青胶浆由均匀稳定结构向异质重构结构演化的关键机制。
作者简介
徐慧宁，哈尔滨工业大学教授、博导，国家自然基金优秀青年基金获得者，主要研究方向为寒区沥青路面耐久与安全，开展沥青混凝土材料与结构传热传质特性、多尺度沥青混凝土冻融/大温差损伤行为、及冻融/大温差主动防治技术等方面的研究。主持国家自然基金优秀青年项目、面上项目、青年项目，国家重点研发计划项目(共性关键技术)、战略性国际合作专项课题、黑龙江省“揭榜挂帅”攻关项目等国家/省部级课题30余项；入选交通行业重大科技成果11项，获国家技术发明二等奖1项、省部级一等奖6项、国家/省级专利奖2项。先后发表论文88篇，其中，ESI热点/高被引3篇；授权中国、国际发明专利共计47项，软著21项。
詹贺，哈尔滨工业大学交通运输专业博士研究生，研究方向为大温差环境下沥青基材料多尺度损伤行为，以第一作者/通讯作者发表SCI论文8篇。
供稿：原文作者
排版：《颗粒学报》编辑部
文章信息
Zhan, H., Xu, H., Li, L., de Picado-Santos, L. G., Segundo, I. R., Ji, W., . . . Tan, Y. (2026). Dynamics of filler particles in asphalt mastic under thermal cycling: A Nano-CT study of migration and rotation. Particuology, 111, 274-292. https://doi.org/10.1016/j.partic.2026.02.018