材料基因思想在瀝青路面材料領(lǐng)域的應(yīng)用展望

譚憶秋，呂慧杰，徐慧寧

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150090；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150090）

0 引言

為適應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展、滿足人民日益增長(zhǎng)的美好生活需要、積極踐行《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》，建設(shè)經(jīng)濟(jì)耐久、綠色環(huán)保、智能安全的長(zhǎng)壽命路面已是我國(guó)路面發(fā)展的重大需求和必然趨勢(shì)，長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)理論的創(chuàng)新和高性能路面材料的研發(fā)在道路工程領(lǐng)域受到愈加廣泛的關(guān)注。然而，現(xiàn)階段我國(guó)瀝青路面的設(shè)計(jì)壽命與實(shí)際使用壽命均與人們對(duì)長(zhǎng)壽命路面的期望存在差距[1]。性能優(yōu)異的路面材料是保證長(zhǎng)壽命路面性能的基礎(chǔ)。雖然多年來各國(guó)學(xué)者致力于瀝青混合料設(shè)計(jì)方法的研究，然而現(xiàn)階段瀝青混合料主要設(shè)計(jì)方法——馬歇爾設(shè)計(jì)法和Superpave設(shè)計(jì)法仍屬于傳統(tǒng)試錯(cuò)法。這樣的設(shè)計(jì)模式盡管可在一定程度上擺脫由未知物理機(jī)理帶來的限制，但存在性能驗(yàn)證試驗(yàn)工作量大卻無(wú)法保證其實(shí)際使用性能的不足，造成社會(huì)資源和自然資源的浪費(fèi)。另外，在瀝青混合料性能研究方面存在瀝青的微觀組成結(jié)構(gòu)不確定、瀝青與礦料的交互作用機(jī)理不明確、材料的損傷機(jī)理不明確等關(guān)鍵科學(xué)問題，成為高性能路面材料設(shè)計(jì)研究的攔路虎。這些設(shè)計(jì)和性能表征方面的難題嚴(yán)重制約了高性能瀝青路面材料的研發(fā)。為了推動(dòng)長(zhǎng)壽命路面的建設(shè)發(fā)展，路面材料的設(shè)計(jì)和研究亟需引入新的理念和方法。

瀝青混合料的設(shè)計(jì)模式是傳統(tǒng)材料設(shè)計(jì)模式的真實(shí)寫照，這種主要憑借試錯(cuò)方法的材料設(shè)計(jì)模式已難以滿足科技進(jìn)步與社會(huì)發(fā)展的需要。為有效提升材料性能、節(jié)約材料研發(fā)的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本，材料基因組計(jì)劃（Materials Genome Initia?tive,MGI）應(yīng)運(yùn)而生。MGI 是以生物學(xué)中的基因工程技術(shù)的成功經(jīng)驗(yàn)為參考，高度融合高通量材料計(jì)算設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)庫(kù)三方面先進(jìn)技術(shù)，在建立材料基因參數(shù)與材料性能關(guān)系的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)材料從設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)、優(yōu)化改進(jìn)到生產(chǎn)應(yīng)用的全流程加速，最終縮短研發(fā)周期并降低成本[2-3]。材料基因組技術(shù)作為一種高效的材料開發(fā)模式，為瀝青混合料的設(shè)計(jì)和性能研究提供了新的思路。瀝青混合料作為道路基礎(chǔ)設(shè)施中的重要材料，其設(shè)計(jì)過程涉及不同尺度原材料特性、組成設(shè)計(jì)方法、顆粒組成結(jié)構(gòu)和組成材料間的交互作用等，與材料基因組研究對(duì)象高度契合。而且應(yīng)用于瀝青路面材料設(shè)計(jì)與研究的先進(jìn)測(cè)試技術(shù)、分析方法和計(jì)算手段不斷更新，為應(yīng)用材料基因思想進(jìn)行長(zhǎng)壽命路面材料研究提供了可能。以材料基因組方法為基本參考，結(jié)合瀝青路面材料發(fā)展的具體情況改革瀝青路面材料的設(shè)計(jì)模式，基于大數(shù)據(jù)解析原材料、細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)瀝青混合料功能的影響，根據(jù)功能要求進(jìn)行原材料選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為最終實(shí)現(xiàn)材料、結(jié)構(gòu)及混合料功能的可設(shè)計(jì)提供了有效途徑。

為了更好地基于材料基因思想開展瀝青混合料的設(shè)計(jì)和研究，促進(jìn)高性能瀝青路面材料的研發(fā)，本文將介紹材料基因組技術(shù)的核心理念，歸納和總結(jié)利用基因思想進(jìn)行瀝青混合料研發(fā)的技術(shù)基礎(chǔ)，綜述材料基因思想在瀝青混合料研究與設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，最后提出材料基因思想在瀝青混合料研發(fā)中的應(yīng)用構(gòu)想。

1 材料基因組技術(shù)

材料基因組技術(shù)為未來先進(jìn)材料的研發(fā)提供了一種嶄新的模式，是充分體現(xiàn)數(shù)字化和智能化的先進(jìn)材料科學(xué)與工程技術(shù)。繼美國(guó)2011年提出MGI 之后，歐盟、日本、俄羅斯和中國(guó)也相繼發(fā)布了材料基因組研究計(jì)劃。部分學(xué)者將材料基因定義為能保持材料本征特性的基本結(jié)構(gòu)單元，材料基因組則是指一類保持材料物理或化學(xué)特性的基因的集合[4]。材料基因組學(xué)的核心是建立材料配方、加工工藝與產(chǎn)品性質(zhì)的定量聯(lián)系，該定量關(guān)系便可在材料設(shè)計(jì)初期進(jìn)行產(chǎn)品性能指標(biāo)預(yù)測(cè)。

美國(guó)的MGI 概況如圖1 所示，處于圓環(huán)中心的計(jì)算工具、實(shí)驗(yàn)工具、數(shù)據(jù)庫(kù)三部分為MGI 的核心三要素[2]。在材料基因組技術(shù)中，計(jì)算工具扮演著材料結(jié)構(gòu)預(yù)設(shè)計(jì)和性能預(yù)驗(yàn)證的角色，高通量實(shí)驗(yàn)發(fā)揮著大量樣品快速制造和快速表征分析的功能，數(shù)據(jù)庫(kù)主要功能為收集計(jì)算工具和實(shí)驗(yàn)工具獲取的大量數(shù)據(jù)，為新材料的開發(fā)奠定基礎(chǔ)[5]。MGI 的主要研究思路包括建立數(shù)據(jù)集、建立描述符集合、構(gòu)建預(yù)測(cè)模型以及模型的可靠性檢驗(yàn)與應(yīng)用[6]；主要措施包括開發(fā)高通量材料計(jì)算工具和方法，發(fā)展和推廣高通量材料實(shí)驗(yàn)工具，發(fā)展和完善材料數(shù)據(jù)庫(kù)和培養(yǎng)開發(fā)/協(xié)作的新型模式[7]。MGI 的成果主要集中在建模工具、先進(jìn)算法及大數(shù)據(jù)應(yīng)用等方面，包括材料建模和仿真示范、材料創(chuàng)新平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫(kù)、材料測(cè)量方法等[8]。

圖1 美國(guó)材料基因組計(jì)劃概況

2 材料基因思想應(yīng)用于瀝青路面材料研究的技術(shù)基礎(chǔ)

材料基因組方法的應(yīng)用是材料領(lǐng)域的一場(chǎng)變革。一場(chǎng)成功的科技變革是以科技的進(jìn)步為驅(qū)動(dòng)力，以先進(jìn)技術(shù)和方法的積淀為重要保障。MGI的提出正是建立在先進(jìn)材料研發(fā)實(shí)驗(yàn)工具和計(jì)算方法等取得巨大成就的基礎(chǔ)之上[8]。若要有效地將材料基因思想應(yīng)用于瀝青路面材料研發(fā)中，先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)工具、豐富的數(shù)值模擬手段及可應(yīng)用的數(shù)據(jù)挖掘方法是必不可少的。為明晰瀝青路面材料研發(fā)應(yīng)用材料基因思想的技術(shù)基礎(chǔ)，提出適用于瀝青路面材料研發(fā)的基因組計(jì)劃，首先需分析現(xiàn)階段應(yīng)用于瀝青混合料設(shè)計(jì)與性能研究中的材料測(cè)試手段、分析方法和計(jì)算理論。

2.1 先進(jìn)的材料測(cè)試技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，一系列高精尖的材料測(cè)試技術(shù)被應(yīng)用于瀝青路面材料研究中，使研究者能有效獲取瀝青、集料和瀝青混合料的細(xì)微觀結(jié)構(gòu)和物質(zhì)成分，進(jìn)一步揭示瀝青路面材料性能的本征機(jī)理。為了明確瀝青組成與其性能的關(guān)系，諸多先進(jìn)的細(xì)微觀測(cè)試技術(shù)被應(yīng)用于瀝青的組成和結(jié)構(gòu)的研究中。元素分析法用于微量元素和碳?xì)湓睾康臏y(cè)量[9]；紅外光譜法基于不同功能性的分子官能團(tuán)、分子間作用力及超分子組裝體具有的特征性吸收峰進(jìn)行瀝青官能團(tuán)識(shí)別[10]；核磁共振法可用于不同種類的原子歸屬確定并定量分析各類原子的含量；小角散射技術(shù)能有效測(cè)量瀝青質(zhì)聚集體的尺寸[11-12]；光電顯微技術(shù)，包括原子力顯微鏡、掃描電鏡等，主要用于瀝青微觀形貌的有效表征[13-15]。

集料的礦物組成和表觀形貌特性是影響集料性能的重要特征因素，針對(duì)集料形貌特征和礦物組成的分析手段應(yīng)用而生。X-射線衍射儀、光譜分析儀、激光粒度儀和Aims等測(cè)試手段被用于集料礦物組成、化學(xué)組成及集料的顆粒形態(tài)等檢測(cè)分析。瀝青混合料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征是影響瀝青混合料性能的關(guān)鍵因素，許多學(xué)者先后應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)手段對(duì)瀝青混合料內(nèi)部的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究，如空隙大小與形貌、集料分布狀態(tài)及骨料搭接情況等。目前應(yīng)用于瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性獲取與量化評(píng)價(jià)的主要技術(shù)手段多種多樣，應(yīng)用較多的包括CCD 數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)、X-ray CT 技術(shù)及3D 激光掃描技術(shù)等。基于CCD 數(shù)字圖像的模型提取法可有效提取出混合料斷面中骨料分布[16]；X-ray CT 技術(shù)是目前主流的細(xì)觀結(jié)構(gòu)探測(cè)方法，廣泛應(yīng)用于瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的探測(cè)和模型的提取中[17-20]；3D 激光掃描技術(shù)對(duì)混合料表面紋理和骨料模型的構(gòu)建具有較高的適用性[21]。

2.2 豐富的分析方法

在瀝青混合料材料研究過程中，圖像處理技術(shù)、數(shù)值模擬技術(shù)及聚類分析技術(shù)等得到了不同程度的應(yīng)用，豐富了瀝青混合料性能研究的途徑。作為瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性表征的重要手段，數(shù)字圖像技術(shù)在道路工程領(lǐng)域的應(yīng)用為瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精確化、數(shù)字化研究提供了幫助。數(shù)字圖像技術(shù)的應(yīng)用包括集料形狀及分布研究、集料接觸特性評(píng)定及瀝青混合料空隙特征等研究[19,22-23]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，多尺度數(shù)值模擬與分析方法在瀝青路面材料研究中的應(yīng)用愈發(fā)重要。在瀝青路面材料研究中應(yīng)用較為廣泛的數(shù)值模擬方法有分子動(dòng)力學(xué)模擬、有限元分析及離散元法，同時(shí)這些方法的聯(lián)合作業(yè)也逐漸引起學(xué)者的關(guān)注。分子動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)是材料科學(xué)廣泛使用的數(shù)值實(shí)驗(yàn)方法，在道路工程領(lǐng)域主要應(yīng)用于瀝青分子層面的研究，主要集中在分子擴(kuò)散[24-25]、改性機(jī)理[26-28]、瀝青分子老化[29]及瀝青與集料黏附機(jī)理[30-31]等方面。有限元法是一種在路面材料多尺度模擬中應(yīng)用最廣泛的方法，分別用于瀝青-集料界面黏附、瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)及瀝青路面動(dòng)力響應(yīng)等多個(gè)尺度的研究[32]。離散元法在分析復(fù)合材料接觸的非連續(xù)問題方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，是從細(xì)觀尺度開展瀝青混合料宏觀力學(xué)性質(zhì)研究的重要手段，被廣泛用于瀝青混合料的細(xì)觀力學(xué)特性研究中[33-34]。

2.3 先進(jìn)的計(jì)算理論

瀝青路面在百余年的發(fā)展歷程中積累了大量的數(shù)據(jù)，加之?dāng)?shù)值模擬手段的應(yīng)用，使得行業(yè)內(nèi)的數(shù)據(jù)量規(guī)模呈現(xiàn)極速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析挖掘和高效利用，將成為瀝青路面材料研發(fā)的變革型手段，極大程度推動(dòng)行業(yè)的快速發(fā)展和升級(jí)轉(zhuǎn)型。數(shù)據(jù)挖掘是從大量的、不完全的、有噪聲的、隨機(jī)的數(shù)據(jù)中，提取隱含在其中的未知的信息以及概念、規(guī)則、規(guī)律和模式等的過程。數(shù)據(jù)挖掘本身并不具備材料機(jī)制分析能力，但通過對(duì)大量數(shù)據(jù)中隱含的、潛在的信息的提取，可形成對(duì)數(shù)據(jù)所描述的問題的本質(zhì)認(rèn)識(shí)[35]。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)常用的方法有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、決策樹等。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在瀝青混合料的性能預(yù)測(cè)中已有諸多應(yīng)用，主要包括以下幾個(gè)方面：（1）病害識(shí)別；（2）力學(xué)性能預(yù)測(cè)；（3）細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析[36-39]。

3 材料基因思想在瀝青混合料設(shè)計(jì)研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀

影響瀝青混合料性能的細(xì)微觀結(jié)構(gòu)單元被稱為瀝青混合料的基因參數(shù)。瀝青混合料是由瀝青、集料和空隙組成的多相離散復(fù)合材料，其性能既繼承了組成物質(zhì)的基本屬性，又與自身的細(xì)觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。瀝青混合料的基因參數(shù)包括相基因（瀝青基因和礦料基因）和結(jié)構(gòu)基因。下文將從瀝青混合料相基因和結(jié)構(gòu)基因兩方面綜述材料基因思想在瀝青混合料設(shè)計(jì)研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀。

3.1 瀝青混合料相基因研究現(xiàn)狀

作為瀝青混合料的重要組成部分，瀝青的諸多性能直接影響著瀝青混合料的物理力學(xué)性能，如溫度敏感性、黏彈性等。隨著現(xiàn)代細(xì)微觀測(cè)試手段的應(yīng)用，瀝青微觀結(jié)構(gòu)的研究引起學(xué)者的普遍關(guān)注。瀝青的細(xì)微觀組成研究主要包括元素組成分析、化學(xué)族組成分析及微觀相態(tài)組成研究。王佳妮利用紅外光譜分析法開展了瀝青紫外老化機(jī)理研究，發(fā)現(xiàn)飽和分的含量對(duì)瀝青老化程度影響顯著，并提出瀝青紫外老化過程中會(huì)由于瀝青膠體結(jié)構(gòu)的變化和瀝青質(zhì)的形態(tài)改變而產(chǎn)生聚焦態(tài)變化[40-41]。董雨明等人以不同油源硬質(zhì)瀝青為研究對(duì)象，分析了瀝青組分對(duì)瀝青性能的影響，結(jié)果表明瀝青質(zhì)和膠質(zhì)顯著影響硬質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)、針入度、動(dòng)力黏度及低溫性能[42]。譚憶秋和郭猛等人均開展了瀝青組分對(duì)瀝青-礦料交互作用能力的影響研究，發(fā)現(xiàn)膠質(zhì)含量和瀝青質(zhì)含量顯著影響瀝青與礦料吸附作用[43-44]。徐洪亮借助分子動(dòng)力學(xué)模擬手段從分子層面研究了瀝青自愈合機(jī)理，發(fā)現(xiàn)具有較長(zhǎng)分子鏈的瀝青的自愈合性能較優(yōu)[45]。王鵬等人基于分子模擬手段探究了瀝青蜂狀結(jié)構(gòu)的成因，發(fā)現(xiàn)瀝青蜂狀結(jié)構(gòu)尺寸大小、高度分布取決于瀝青的化學(xué)組成，蜂狀結(jié)構(gòu)的分布受瀝青質(zhì)、硫化物、稠環(huán)芳香烴等的影響[46]。郭猛和Shan 等人分別基于分子動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)和小角散射技術(shù)證明了瀝青中存在以瀝青質(zhì)為膠核、以膠質(zhì)為殼的膠體結(jié)構(gòu)[44,47]。Shan 等人采用小角散射技術(shù)開展了基質(zhì)瀝青、SBS 改性瀝青及SBS 改性劑的微觀結(jié)構(gòu)研究，發(fā)現(xiàn)SBS 主要是對(duì)瀝青納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行物理改性[47]。由以上研究可知，瀝青的官能團(tuán)、瀝青分子結(jié)構(gòu)以及瀝青微觀結(jié)構(gòu)和形貌已被較明晰地呈現(xiàn)出來，并且與瀝青的宏觀性能建立了聯(lián)系。因此，這些影響瀝青宏觀性能的官能團(tuán)、瀝青分子結(jié)構(gòu)及瀝青微觀結(jié)構(gòu)和形貌均具備“瀝青基因”的潛力。

影響礦料性能的細(xì)微觀參數(shù)包括礦物組成、表面紋理、棱角性及形狀等。先進(jìn)的集料細(xì)微觀檢測(cè)手段的使用幫助研究人員逐漸了解影響集料性能的因素。谷彩紅和Yin 等人通過對(duì)集料礦物組成的影響研究發(fā)現(xiàn)，集料的礦物組成對(duì)集料自身的力學(xué)性能、與瀝青的黏附強(qiáng)度及耐磨耗性能有較大影響，其中堿性集料與瀝青的黏附作用較強(qiáng)，方解石和石英是影響集料磨光值的主要礦物[48-49]。郭猛研究了礦料成分對(duì)礦料與瀝青界面交互能力的影響，發(fā)現(xiàn)氧化鈣、氧化鎂、二氧化硅、氧化鋁和三氧化二鐵對(duì)黏附功的影響程度依次遞減，且吸附層的厚度也受到礦物組成的影響[44]。邵顯智、吳建濤等人均開展了礦料微觀形貌和礦物組成對(duì)瀝青膠漿微觀界面影響的研究，發(fā)現(xiàn)膠漿界面性狀的優(yōu)劣與礦粉微觀形貌和礦物組成均顯著相關(guān)[50-51]。王大慶著重研究了細(xì)集料幾何特征，并提出優(yōu)質(zhì)細(xì)集料具備的形狀特征和棱角特征[52]。姚形傲等人提出細(xì)集料形貌特征可以通過分維數(shù)進(jìn)行表征，并以此為指標(biāo)研究了細(xì)集料形貌對(duì)瀝青混合料性能的影響[53]。周純秀、陳國(guó)明和譚憶秋等人利用激光輪廓儀測(cè)試集料表觀形貌，建立了集料形貌的表征指標(biāo)，分析了集料形貌的影響因素并開展了集料形貌對(duì)混合料性能影響的研究[54-57]。李曉琳等人分析了花崗巖石料的物理力學(xué)性能、化學(xué)性能、巖相組成對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，結(jié)果顯示巖相組成對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性影響較大[58]。

3.2 瀝青混合料結(jié)構(gòu)基因研究現(xiàn)狀

利用細(xì)觀結(jié)構(gòu)的探測(cè)方法，學(xué)者們從不同的角度建立了大量有效描述瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的指標(biāo)，包括空隙的體積分布特征、集料的空間分布特征等，并嘗試建立瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性與瀝青混合料性能之間的關(guān)系。徐慧寧等人基于X-ray CT 技術(shù)及圖像處理方法開展了瀝青混合料三維空隙結(jié)構(gòu)研究，提出以垂面內(nèi)方向角和相鄰垂面夾角表征空隙骨架特征，以圓度和豐度評(píng)價(jià)空隙斷面特征指標(biāo)；空隙的形態(tài)結(jié)構(gòu)受成型方式及成型壓實(shí)程度影響較小，受級(jí)配類型影響較大[59]。姚形傲采用空隙率、空隙比表面積、空隙數(shù)量、空隙等效半徑、迂曲度和有效空隙率表征瀝青混合料空隙細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征，并分析了其沿深度方向和直徑方向的變化情況[60]。邢超以干涉系數(shù)為結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)研究了不同級(jí)配類型、不同壓實(shí)方式下空隙在瀝青混合料中的分布情況[61]。任俊達(dá)基于X-ray CT 技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)分析了不同類型瀝青混合料骨架特性，研究了集料接觸點(diǎn)數(shù)量的分布情況，分析了劈裂試驗(yàn)過程中集料趨向和長(zhǎng)軸取向的變化情況[62]。綜上可知，空隙對(duì)瀝青混合料結(jié)構(gòu)特性的影響主要體現(xiàn)在空隙體積、空間分布及形態(tài)特性，集料在瀝青混合料中的堆積特性可通過顆粒接觸特征、分布特征等描述。

4 材料基因思想在瀝青混合料材料研發(fā)中的應(yīng)用構(gòu)想

材料基因組方法是一種“理論模擬和預(yù)測(cè)優(yōu)先、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在后”的新研發(fā)思路，在不久的將來可有效取代現(xiàn)有的以經(jīng)驗(yàn)和重復(fù)實(shí)驗(yàn)為主的材料研發(fā)理念。將材料基因思想應(yīng)用于瀝青路面材料的研發(fā)中，不僅有利于材料研發(fā)周期的縮減和研發(fā)成本的降低，還能為實(shí)現(xiàn)瀝青路面材料的按需設(shè)計(jì)提供有效途徑。參考材料基因組方法，以揭示路面材料組成特征與破壞機(jī)理、實(shí)現(xiàn)按結(jié)構(gòu)/功能要求的材料可設(shè)計(jì)性為目標(biāo)，以虛擬設(shè)計(jì)、虛擬制造和人工智能等技術(shù)為有效手段，逐步構(gòu)建瀝青路面材料預(yù)測(cè)平臺(tái)、測(cè)試平臺(tái)和設(shè)計(jì)平臺(tái)，可加速和優(yōu)化瀝青路面材料的研發(fā)，提升長(zhǎng)壽命瀝青路面設(shè)計(jì)與服務(wù)水平，引領(lǐng)瀝青路面材料相關(guān)理論發(fā)展。路面材料基因組計(jì)劃構(gòu)想如圖2 所示。材料基因組思想在瀝青路面材料研發(fā)中應(yīng)用的主要內(nèi)容應(yīng)包括瀝青混合料基因特征參數(shù)的確定、瀝青混合料數(shù)字化數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、瀝青混合料數(shù)字化性能預(yù)測(cè)平臺(tái)的建立和瀝青混合料智能化按需設(shè)計(jì)平臺(tái)的建立。下文將具體論述材料基因思想在瀝青路面材料研發(fā)中應(yīng)用的主要內(nèi)容。

圖2 路面材料基因組計(jì)劃構(gòu)想

4.1 瀝青混合料基因特征參數(shù)的確定

瀝青混合料是一種材料組成和結(jié)構(gòu)組成非常復(fù)雜的材料，瀝青膠結(jié)料復(fù)雜的化學(xué)組分和礦料多樣的礦物成分及表面形貌決定了瀝青混合料的物質(zhì)組成是復(fù)雜的，集料和空隙在混合料中三維空間的隨機(jī)分布導(dǎo)致瀝青混合料的幾何結(jié)構(gòu)是不規(guī)則的、無(wú)序的。瀝青混合料在宏觀尺度上表現(xiàn)出的性能差異也正是這些復(fù)雜物質(zhì)和結(jié)構(gòu)的差異性造成的。確定瀝青混合料的基因組數(shù)據(jù)需從這些復(fù)雜的物質(zhì)組成和細(xì)觀結(jié)構(gòu)中尋求答案。已有的研究發(fā)現(xiàn)了眾多能有效表征瀝青混合料性能的特征參數(shù)，但哪些特征參數(shù)能作為瀝青混合料“基因參數(shù)”還需開展進(jìn)一步研究。另外，受當(dāng)前測(cè)試設(shè)備和分析技術(shù)的限制，還需對(duì)瀝青的基因參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新和補(bǔ)充。

類比生物基因的遺傳和變異，瀝青混合料基因存在同樣的特性。通過對(duì)瀝青混合料基因參數(shù)遺傳性和變異性的研究有利于材料識(shí)別和病害預(yù)防。研究表明，瀝青的信息遺傳于生產(chǎn)瀝青的原油，同種油源的瀝青具有相似的化學(xué)組成[63]。在不同的服役環(huán)境中，瀝青發(fā)生不同程度的老化，四組分含量、氧元素含量和含氧極性官能團(tuán)在氧化過程中容易發(fā)生變化，體現(xiàn)了瀝青基因的環(huán)境變異。礦料的基因信息遺傳于母巖，同一料源的礦料的礦物組成具有高度的相似性。由于破碎方式和磨損程度等的不同，集料的紋理、棱角和形狀各異，體現(xiàn)了集料基因的變異。瀝青混合料的性能遺傳于瀝青、礦料的物質(zhì)特性，其抗老化性能與瀝青的抗老化性能密切相關(guān)。瀝青混合料的變異性體現(xiàn)在不同級(jí)配類型的瀝青混合料的不同結(jié)構(gòu)特性，如集料分布和空隙分布的差異。

4.2 瀝青混合料數(shù)字化數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模式是材料研發(fā)的高級(jí)模式，以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)為手段，能極大程度縮短材料的研發(fā)周期。構(gòu)建含有豐富數(shù)據(jù)信息的材料數(shù)據(jù)庫(kù)是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模式的前提。建立瀝青混合料數(shù)字化數(shù)據(jù)庫(kù)是基于機(jī)器學(xué)習(xí)構(gòu)建材料基因—宏觀性能關(guān)系的關(guān)鍵。瀝青混合料數(shù)字化數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)包括材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)和材料基因數(shù)據(jù)庫(kù)。材料基因數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)包含相基因子庫(kù)和結(jié)構(gòu)基因子庫(kù)，性能數(shù)據(jù)庫(kù)包括原材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)和瀝青混合料性能數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建途徑包括收集已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建基礎(chǔ)庫(kù)和基于新實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬方法進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的豐富和補(bǔ)充。

建立瀝青混合料數(shù)字化數(shù)據(jù)庫(kù)非常重要的作用是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可發(fā)現(xiàn)、可訪問、可交互和可重復(fù)使用。傳統(tǒng)的瀝青混合料數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)多為最終的分析結(jié)果而缺乏源數(shù)據(jù)，或者有源數(shù)據(jù)但格式不統(tǒng)一，不方便重復(fù)使用。生產(chǎn)和研究中的重復(fù)性基礎(chǔ)試驗(yàn)工作浪費(fèi)了大量的人力和物力，數(shù)據(jù)的利用率很低。因此，為了實(shí)現(xiàn)材料基因思想在瀝青路面材料設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，瀝青混合料數(shù)字化數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)具備行業(yè)內(nèi)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)和優(yōu)良的存儲(chǔ)架構(gòu)，方便數(shù)據(jù)的上傳和調(diào)用。其次，要實(shí)現(xiàn)該數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、快速充實(shí)大量數(shù)據(jù)，需解放行業(yè)傳統(tǒng)思維、提升專業(yè)素養(yǎng)。另外，宣傳數(shù)據(jù)共享的重要性和瀝青混合料數(shù)字化數(shù)據(jù)庫(kù)建立的必要性也很重要。瀝青混合料數(shù)字化數(shù)據(jù)庫(kù)的建立需要原材料生產(chǎn)廠家、科研單位及施工單位等各方共同努力。

4.3 瀝青混合料數(shù)字化性能預(yù)測(cè)平臺(tái)的建立

瀝青混合料數(shù)字化數(shù)據(jù)庫(kù)的建立為以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模式開展瀝青混合料設(shè)計(jì)研究打下了基礎(chǔ)。當(dāng)真正能獲取大量數(shù)據(jù)的時(shí)候，如何從中提取有效信息成為關(guān)鍵。大數(shù)據(jù)挖掘方法以計(jì)算機(jī)分析為手段，以統(tǒng)計(jì)、擬合算法為基礎(chǔ)，可在高維參量中構(gòu)建關(guān)聯(lián)關(guān)系。建立瀝青混合料數(shù)字化性能預(yù)測(cè)平臺(tái)是要利用大數(shù)據(jù)挖掘方法構(gòu)建瀝青混合料基因參數(shù)和性能參數(shù)之間的映射關(guān)系，找出特征性參量，基于基因組成結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)瀝青混合料的力學(xué)、路用性能。瀝青混合料數(shù)字化性能預(yù)測(cè)平臺(tái)的重要功能之一是基于構(gòu)建的瀝青混合料基因參數(shù)和性能參數(shù)之間的映射關(guān)系，利用人工智能生成海量假想材料，建立虛擬材料數(shù)據(jù)庫(kù)。虛擬材料數(shù)據(jù)庫(kù)的建立可為瀝青混合料的快速、高效設(shè)計(jì)提供幫助。預(yù)測(cè)平臺(tái)的基本模塊和功能如圖3所示。

圖3 瀝青混合料數(shù)字化性能預(yù)測(cè)平臺(tái)構(gòu)想

4.4 瀝青混合料智能化按需設(shè)計(jì)平臺(tái)的建立

將材料基因組方法應(yīng)用到瀝青混合料設(shè)計(jì)中，終極目標(biāo)是為了達(dá)成“材料設(shè)計(jì)”向“設(shè)計(jì)材料”的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)瀝青混合料按結(jié)構(gòu)/功能設(shè)計(jì)。因此需構(gòu)建智能化按需設(shè)計(jì)平臺(tái)，高度集成原材料的基因參數(shù)、虛擬高通量實(shí)驗(yàn)工具，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的原材料選配、虛擬試件制作、性能預(yù)測(cè)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)瀝青混合料的智能化按需設(shè)計(jì)。

智能化按需設(shè)計(jì)平臺(tái)構(gòu)想如圖4所示。

圖4 路面材料智能化按需設(shè)計(jì)平臺(tái)構(gòu)想

4.5 材料基因組方法應(yīng)用于瀝青路面材料研制的主要流程和方法

相比其他材料，瀝青路面材料在基因組技術(shù)的三個(gè)核心要素方面的基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，差距也是寬譜的、全方位的。因此，完全復(fù)制材料基因組方法存在著巨大的挑戰(zhàn)和困難。材料基因組方法是一種高效、先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，為了將其有效應(yīng)用于高性能瀝青路面材料研發(fā)中，需基于實(shí)際國(guó)情與道路工程領(lǐng)域的發(fā)展情況，制定適用于瀝青路面材料研制的主要流程和方法。因此，建議其主要流程包括：根據(jù)材料基因工程化應(yīng)用流程并結(jié)合路面結(jié)構(gòu)對(duì)材料的需求及具體應(yīng)用中的功能導(dǎo)向提出材料的研制需求，根據(jù)需求并結(jié)合材料組分與最終性能之間的關(guān)系確定初步候選材料配方和加工工藝，通過理論模擬和計(jì)算完成材料配方的優(yōu)選，通過試驗(yàn)路段的鋪裝等最終研制成功、進(jìn)入服役應(yīng)用階段。

5 結(jié)論

（1）長(zhǎng)壽命路面的建設(shè)已成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的迫切需要。性能優(yōu)異的路面材料是確保長(zhǎng)壽命路面性能的基礎(chǔ)。然而，傳統(tǒng)試錯(cuò)模式的瀝青混合料設(shè)計(jì)方法存在諸多不足，一方面無(wú)法有效設(shè)計(jì)出具備優(yōu)異性能的路面材料，另一方面在一定程度上造成了資源浪費(fèi)。因此，路面材料的設(shè)計(jì)和研究亟需引入新的研究理念和方法。材料基因組方法充分利用超級(jí)計(jì)算機(jī)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，可對(duì)材料研究模式進(jìn)行全面改革，有效縮短材料的開發(fā)周期、降低材料研發(fā)成本。材料基因組技術(shù)作為一種新的研究思想和模式，為瀝青混合料的設(shè)計(jì)和性能研究提供了新的思路。

（2）為明晰瀝青路面材料應(yīng)用材料基因思想的技術(shù)基礎(chǔ)，以提出適用于瀝青路面材料研發(fā)的基因組計(jì)劃，本文總結(jié)分析了現(xiàn)階段應(yīng)用于瀝青混合料設(shè)計(jì)與性能研究中的材料測(cè)試手段、分析方法和計(jì)算理論。諸多已有的高精尖測(cè)試設(shè)備可有效表征瀝青混合料的多尺度特征，豐富完備的分析方法極大程度地優(yōu)化了繁瑣的分析過程，先進(jìn)高效的計(jì)算手段顯著降低了材料研發(fā)時(shí)間和成本。測(cè)試設(shè)備、分析方法及計(jì)算手段的更新為材料基因組思想應(yīng)用于瀝青混合料設(shè)計(jì)和研究提供了可能。

（3）基于我國(guó)道路工程領(lǐng)域發(fā)展的基本情況，建議從瀝青混合料基因特征參數(shù)的確定、瀝青混合料數(shù)字化數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、瀝青混合料數(shù)字化性能預(yù)測(cè)平臺(tái)的建立及瀝青混合料智能化按需設(shè)計(jì)平臺(tái)的建立四方面開展瀝青混合料基因組思想應(yīng)用研究，逐漸優(yōu)化完善高性能瀝青混合料的設(shè)計(jì)方法。