通过沥青路面热再生技术实现沥青混合料回收料(RAP)循环再生利用，不仅解决了大量固体废弃物处置问题，同时还节省了大量材料资金和资源^[1]。随着我国大量既有沥青路面接近使用年限、碎石骨料资源趋于紧缺以及环境压力和经济原因，提高再生沥青混合料中RAP掺量显得十分迫切。然而随RAP掺量的增加，旧料级配和老化沥青性能变异性的影响程度会增大，这将导致再生沥青混合料性能显著下降。因此，合理提高RAP掺量成为我国沥青路面热再生技术的重要研究课题^[2]。Shah等^[3]证明了较低RAP掺量(≤15%)下热再生沥青混合料的配合比设计不受RAP掺量的显著影响，但较高RAP掺量(＞25%)需详细进行配比设计，以此减小RAP变异性的影响，从而保障再生沥青混合料的质量。Ghabch等^[4]对0，25%和40%RAP掺量下再生沥青混合料进行汉堡车辙试验，发现其抗车辙能力和水损坏抗性随RAP掺量的增加而增加。何兆益等^[5]对0，10%，30%和50%RAP掺量下再生沥青混合料开展了路用性能试验，结果表明RAP掺量对再生沥青混合料高温稳定性起正相关作用，对低温抗裂性和疲劳耐久性起负相关作用。王明刚等^[6]通过劈裂强度试验和间接拉伸试验对比分析新料和30%RAP掺量下再生沥青混合料的力学性能，结果表明再生料具有更高的劲度模量而使其劈裂强度增大，但其抗疲劳开裂性能劣于新料。高磊等^[7]通过室内试验和试验路验证综合发现再生沥青混合料的高温性能随RAP掺量的增加而不断提升，而低温性能和水稳性能在30%RAP掺量达到最佳。尽管国内外学者对于不同RAP掺量下再生沥青混合料的路用性能开展了大量研究，但大部分学者仅针对少数几种RAP掺量情况或有限的路用性能指标进行分析，并且通过试验获得的结论也不尽相同。此外，由于缺乏高RAP掺量应用于实际工程的相关经验，导致我国实际工程中RAP掺量主要为20%~30%^[8]。因此，本研究采用高温车辙试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、小梁低温弯曲试验和间接拉伸疲劳试验，全方面测试0~60%共7种RAP掺量下AC-20型再生沥青混合料的路用性能，分析路用性能随RAP掺量增加的变化规律，并利用灰色关联度理论分析RAP掺量与再生沥青混合料路用性能评价指标的关联程度，最后综合变化规律，关联程度以及沥青路面结构层功能来合理提高RAP掺量。

新沥青采用70^# A级道路石油沥青，新集料采用玄武岩碎石，填料采用石灰岩矿粉，集料各项指标均满足规范要求^[9]。试验所用RAP取自湘潭市某道路上面层铣刨旧料。为了控制RAP级配的变异性，经9.5 mm筛孔筛分，大致分成RAP细料和RAP粗料^[10]。经测试，RAP细、粗料中沥青含量分别为8.34%和4.48%，新沥青和RAP中旧沥青性能测试结果如表 1所示，RAP细、粗料级配如表 2所示。

本研究从试验材料的性能测试着手，严格控制试验材料的质量，然后对7种不同RAP掺量下再生沥青混合料进行详细的配合比设计，最后开展高温车辙试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、小梁低温弯曲试验和间接拉伸疲劳试验，从多维度更全面地考虑再生沥青混合料各项路用性能与RAP掺量的关系，避免因为单一试验存在缺陷而引起的评价偏差，试验流程如图 1所示。

图 1 试验流程图 Fig. 1 Test flow chart

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本研究中AC-20型级配范围参照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)，并确定了目标设计级配，然后根据新旧集料筛分结果以及采用规划求解确定了7种不同RAP掺量下再生沥青混合料的合成级配，合成级配曲线见图 2。

图 2 不同RAP掺量下再生沥青混合料合成级配曲线 Fig. 2 Synthetic gradation curves of recycled asphalt mixture with different RAP contents

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基于再生机理和再生沥青混合料的材料组成可知，影响再生沥青混合料性能的核心要素是再生胶结料的形成。为了形成良好的再生胶结料，确定RAP加热温度为130 ℃，加热时间为2 h。新集料的加热温度随RAP掺量的增加依次从170 ℃增加到190 ℃，加热时间为4 h，并控制试样的拌和温度和压实温度分别为160 ℃和155 ℃^[11-14]。根据上述确定的合成级配和施工工艺，以预估的油石比为中值，按照0.5%的间隔变化，取5个不同油石比分别成型马歇尔试样，并测定试样的体积指标和力学指标，最后通过规范方法确定了RAP掺量为0，10%，20%，30%，40%，50%和60%再生沥青混合料的最佳油石比分别为4.0%，4.1%，4.3%，4.3%，4.5%，4.7%和5.0%，其中不同RAP掺量下新旧沥青用量如图 3所示。

图 3 不同RAP掺量下新旧沥青用量对比 Fig. 3 Comparison of new and old asphalt consumption with different RAP contents

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从图 3可以看出，随着RAP掺量增加，新沥青用量逐渐减小。当RAP掺量为60%时，新沥青质量占矿料总质量仅为1.17%，并且相较于新拌沥青混合料，新沥青用量占总沥青用量的比例从100%降到24.2%。新沥青用量的大幅减少以及RAP中旧集料的循环利用，在很大程度上减少了工程的材料成本，体现了沥青路面热再生技术的经济效益。

本研究主要对沥青混合料的高温稳定性、水稳定性、低温抗裂性和疲劳耐久性这4类路用性能进行试验研究。

高温稳定性通常是指沥青混合料在高温条件下，经受车辆荷载长期反复作用下抵抗永久变形的能力。本研究分别对不同RAP掺量下再生沥青混合料进行高温(60 ℃)车辙试验，试验结果如图 4所示。

图 4 不同RAP掺量下再生沥青混合料车辙试验结果 Fig. 4 Rutting test results of recycled asphalt mixtures with different RAP contents

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结果表明：(1)随着RAP掺量的增加，动稳定度逐渐增大，并且在0~60%RAP掺量范围内均满足规范技术要求(≥1 000次/mm)，RAP掺量的增加将使再生沥青混合料高温性能得到提升。这是因为高温稳定性的形成机理来源于沥青结合料的高温黏结性和矿料级配的嵌挤作用^[15]，然而RAP中老化沥青含有大量重质组分，新旧沥青混溶后形成的沥青结合料黏度增大，从而提升了再生沥青混合料高温抗车辙能力；(2)相较于新料，40%RAP掺量下再生料的动稳定度增长率比30%RAP掺量提高接近一倍，增长率分别为73.9%和42%，即在30%~40% RAP掺量范围内，动稳定度的增长速度加快。

水稳定性是指沥青混合料在水或者冻融循环作用下，同时承受车轮动态荷载反复作用后，抵抗沥青膜剥落的能力。采用浸水马歇尔和冻融劈裂试验分别评价不同RAP掺量下再生沥青混合料的水稳定性，试验结果如图 5所示。结果表明：(1)在0~60%的RAP掺量范围内，再生沥青混合料的浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比均满足规范技术要求(MS₀≥80%，TSR≥75%)，两者大体上均随RAP掺量增加而逐渐减小，并当RAP掺量增加到60%时，浸水残留稳定度非常接近规范要求。这是由于老化沥青含量的增加，沥青与矿料之间形成薄弱界面，沥青的黏附性有所降低，从而导致再生料的水稳定性大幅度下降^[16]；(2)当RAP掺量在30%~40%时，MS₀和TSR的下降速度在该范围内开始逐渐加快，与高温车辙试验得到的结论相似。

图 5 不同RAP掺量下再生沥青混合料水稳定性试验结果 Fig. 5 Test results of water stability of recycled asphalt mixture under different RAP contents

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低温抗裂性是指在恒定低温或者急剧大幅降温的条件下，沥青混合料在车轮荷载和温度应力的共同作用下抵抗裂缝产生的能力。本研究采用-10 ℃，加载速率为50 mm/min条件下小梁低温弯曲试验来评价不同RAP掺量下再生沥青混合料的低温抗裂性，结果如图 6所示。结果表明：(1)在0~60%RAP掺量范围内，随着RAP掺量的增加，再生沥青混合料的弯曲抗拉强度和劲度模量逐渐提高，然而其弯曲抗拉应变逐渐减小，但均满足规范技术要求(≥2 000 με)，并且当RAP掺量增加到60%时，弯曲抗拉应变已较为接近规范限值。其原因在于RAP中老化沥青塑性和延展性变差，导致再生沥青混合料变硬变脆，尽管其强度有所提高，但是其低温抗变形能力大幅下降；(2)弯曲抗拉应变在RAP掺量为30%~40%范围内出现相似于高温车辙、浸水马歇尔和冻融劈裂试验得到的结论，即在该范围内其下降速度明显加快。相较于新料，40%RAP掺量下再生料的弯曲抗拉应变下降率比30%RAP掺量提高了1倍多，下降率分别为10.9%和4.6%。

图 6 不同RAP掺量下再生沥青混合料低温弯曲试验结果 Fig. 6 Test results of low temperature bending of recycled asphalt mixture with different RAP contents

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沥青混合料的疲劳是指材料在荷载重复作用下产生不可恢复的强度衰减积累所引起的一种现象。为了研究不同RAP掺量下再生沥青混合料的疲劳耐久性能，本研究采用多功能材料试验机(UTM-30)进行间接拉伸疲劳试验。试件采用旋转压实仪SSG制备，试样尺寸高为(63.5±1.3)mm，直径为100 mm，空隙率控制在(4±0.5)%。试验加载采用半正矢波荷载的应力控制模式，应力水平取0.3，试验温度取15 ℃，加载频率取10 Hz。

试验结果如图 7所示，结果表明：(1)在0~60%RAP掺量范围内，随着RAP掺量的增加，再生沥青混合料疲劳寿命逐渐下降。这是由于RAP掺量越高，RAP变异性对再生沥青混合料的拌和均匀性以及新旧沥青的混溶性造成的负面影响越来越强；(2)在40%~50%的RAP掺量范围内，疲劳寿命的下降速度显著增大。相较于新料，40%和50%RAP掺量下再生料的疲劳寿命下降率分别为19.4%和47.3%，即在该范围内相较于新料疲劳寿命的下降率提高了2倍多。

图 7 不同RAP掺量下再生沥青混合料疲劳寿命 Fig. 7 Fatigue life of recycled asphalt mixture with different RAP contents

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邓聚龙于1982年提出一种新型工程理论-灰色系统理论，并提供了一种用于描述因素间关系强弱的统计分析方法，灰色关联度分析。灰色关联度分析的基本原理是通过确定参考数列和若干个比较数列的几何形状相似程度来判断其联系是否紧密，它反映了曲线间的关联程度^[17]。其分析步骤如下：

(1) 确定参考数列

(1)

(2) 确定比较数列

(2)

(3) 采用均值化处理来去除参考和比较数列的量纲，统一为无量纲以便进行比较分析

(3)

(4) 求取各时刻(指标和空间)比较数列与参考数列的关联系数

(4)

式中，ρ为分辨系数，一般ρ∈(0，1)，通常取值为0.5。

(5) 计算灰色关联度

(5)

本研究以RAP掺量为参考数列，以动稳定度、浸水残留稳定度、冻融劈裂抗拉强度比、弯曲抗拉应变和疲劳寿命等性能评价指标为比较数列进行灰色关联度分析，不同RAP掺量下再生沥青混合料的各项路用性能评价指标汇总于表 3。根据灰色关联度分析步骤以及表 3中的试验数据，可以得到各项路用性能评价指标与对应RAP掺量的灰关联系数，进而求得灰关联度，灰色关联度分析结果如图 8所示。从图 8可以得知，RAP掺量对再生沥青混合料的动稳定度影响最为显著，其次是冻融劈裂抗拉强度比、浸水残留稳定度、弯曲抗拉应变，对疲劳寿命影响最次之。这是因为RAP掺量的改变直接影响再生沥青结合料中旧沥青含量，进而直接影响再生沥青结合料的高温黏结性，而沥青结合料的高温黏结性正是混合料高温稳定性的形成机理。

图 8 RAP掺量与各项路用性能评价指标的灰色关联度分析结果 Fig. 8 Analysis result of grey correlation degree between RAP contents and various road performance evaluation indicators

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通过对我国沥青路面常见的早期损坏层位分析可知，上面层应具备良好的抗低温缩裂和抗水损害能力，中面层应具备较强的抗车辙能力，下面层应具备极好的抗疲劳和防反射裂缝能力^[18]，各沥青路面结构层功能要求汇总于表 4。在研究与实践中应促使各沥青结构层达到相应的功能要求，从而实现沥青路面材料设计和结构设计相统一，充分发挥材料的作用，最大限度减小沥青路面早期破坏的发生，延长沥青路面的使用寿命^[19-20]。

以本研究AC-20型再生沥青混合料为例，综合分析沥青路面结构层功能, 路用性能随RAP掺量增加的变化规律，并利用路用性能评价指标与RAP掺量的灰关联程度来合理提高RAP掺量。具体分析步骤如下：(1)AC-20型再生料常用于中面层，并由表 4得知其应具备主要功能抗车辙和次要功能抗水损害；(2)根据试验结果已知RAP掺量与高温性能成正相关，而与水稳性能成负相关，并且两者的评价指标均在RAP掺量为30%~40%范围内开始加速变化，故暂确定RAP合理掺量为30%~40%；(3)根据灰色关联度分析结果可知，RAP掺量对动稳定度影响最为显著，其次是冻融劈裂抗拉强度比和浸水残留稳定度，即较小RAP掺量的增加就能较大提升沥青混合料的高温性能，同样能够较大降低其水稳性能，因此，综合确定RAP合理掺量范围为30%~35%。另外，可根据沥青路面所处地区气候来选择高低限。若当地气候为高温少雨，则选择高限；反之，若当地气候为低温多雨，则选择低限。

(1) 通过新旧材料的严格控制以及合理的配合比设计，0~60%共7种不同RAP掺量下再生沥青混合料均能满足规范中马歇尔相关技术指标要求和各项路用性能要求，旧料变异性得到了有效的控制。

(2) RAP掺量对再生沥青混合料的高温性能起正相关作用，对水稳、低温和疲劳性能起负相关作用，并且当RAP掺量过高时，其水稳和低温性能指标接近规范技术要求。

(3) 灰色关联度分析结果表明RAP掺量与再生沥青混合料的动稳定度联系最为紧密。故对于本研究AC-20型再生沥青混合料而言，其高温性能对RAP掺量变化最为敏感。

(4) 通过分析沥青路面结构层功能、路用性能随RAP掺量增加的变化规律以及路用性能评价指标与RAP掺量的灰关联程度，综合确定本批AC-20型再生沥青混合料中RAP掺量，宜合理提高至30%~35%。