中華鋪面研究室

  提高瀝青實驗室的溶劑作業安全 瀝青實驗室工作者的安全健康隱患：有機溶劑 瀝青實驗室如何使用有機溶劑? 除了清洗沾黏的瀝青外，例行品質檢驗工作必須使用有機溶劑；主要是品質檢測中的瀝青萃取及回收(extraction and recovery)試驗，如圖1所示。用有機溶劑萃取瀝青混凝土中的瀝青，俗稱「洗油」試驗，乃利用有劑溶劑將混凝土中的瀝青溶出(也就是萃取其中的瀝青)，或說「將油洗去」，稱得「洗油後粒料的重量」，與原重相差的量就是「瀝青含量」，而對「洗油後粒料」進行篩分析試驗，即可求得「粒料級配」；瀝青含量及粒料級配是判定熱拌瀝青混凝土品質的主要檢驗方法，一般的檢驗頻率為每天(生產日)二次 (詳參「 熱拌瀝青混凝土施工與品質管制 」)。 所謂「開放式」，是指試驗過程中將溶劑倒入裝有瀝青混凝土試樣的清洗裝置中，或將洗出溶液移出轉倒至其它處理裝置，或是將洗後粒料殘渣移至烘箱蒸乾，傳統程序都需由人工操作，溶劑因此曝露在開放空間，操作人員也有接觸或吸入有機溶劑的風險；先進的裝置則經由試驗程序自動化，將溶劑加入、沖洗、溶液移出、溶液離心出灰分、及加熱濃縮回收溶劑等程序，整合成「封閉的管路」，自動化提昇試驗效率，封閉的溶劑管路則使操作人員得以不接觸溶劑，提高安全性。 圖1、採用有機溶劑檢測瀝青混凝土品質之瀝青萃取及回收試驗 (作者以網路圖片整理標註) 對添加舊瀝青路面刨除料(RAP)的熱拌再生瀝青混凝土，則需加檢測其中黏結料的黏滯度，因此，必需再將萃取液中的瀝青以回收試驗進行回收後，檢測該回收瀝青的60℃黏度，一般的檢驗頻率為每2,000公噸一次。圖1中的「整合型封閉式瀝青萃取及回收試驗」則是儀器商開發的最新系統，進一步將離心處理過灰份並初步濃縮的洗出溶液，再整合導入真空濃縮機中，自動執行萃取(ASTMD 8158-19)及回收(ASTM D5404-03)兩種試驗 。 溶劑的選擇及毒性 選擇萃取溶劑的主要考量在於對瀝青的萃取(溶解)力，及後續執行回收試驗時，是否容易回收且對瀝青性質的影響程度，再來就是對人員健康安全及環境的危害程度。 表一依文獻[1]整理列出曾用於瀝青實驗相關的有機溶劑，表中的「毒性分類」乃依照現行「有機溶劑中毒預防規則」定義之有機溶劑依毒性由強至弱區分為三類[2]，美國最常用的 三氯乙烯屬第一類，四氯乙烯、二氯甲烷、及我國最常用的甲苯則屬於第二類。...

 講得清楚嗎?RHMA的目標黏度 推動再生瀝青時，遇到「目標黏度」及驗收品質時的「回收瀝青黏度」問題， 很多場合自覺 說不清楚而感到相當困擾。 半對數線性黏度拌合圖例 瀝青的黏滯度 剛入行時聽前輩說我們慣用的針入度85/100太軟，很可能是夏天多冒油車轍的原因?(店媽嘎黏丟咖)，而後理解到黏度是流體的基本物理性質，用60℃黏度分級較合理，針入度85/100大概是 AC-10  (60℃黏度為1,000poises)；現在改用 AC-20  (60℃黏度為2,000poises)了，但添加刨除料的再生瀝青則用較軟的AC-10較合理；推動再生瀝青時，遇到「目標黏度」及驗收品質時的「回收瀝青黏度」問題，有些單位很奇怪地將目標黏度訂在2,000 poises，而驗收時回收黏度又說只要低於10,000poises即可，很多場合自覺說不清楚而感到相當困擾。由於老舊的回收瀝青鋪面( Reclaimed Asphalt Pavement, RAP )中瀝青的黏度常超過10,000poises，而新加入的AC-10經拌合過程的短期老化後，黏度大都超過2,000poises，再與黏度更高的RAP混合，檢測其回收瀝青黏度很難會在2,000poises呀! 在10,000poises算是合理，若是RAP的老化不嚴重且添加量不高(低於40%)，則仿照美國佛州規範，將目標黏度訂為6,000 poises ，驗收時回收黏度範圍落在3,900 ~ 8,100 poises之間，則是適切合理的做法 (詳參「 再生瀝青混凝土的配比設計 」、「 熱拌瀝青廠的製程與品質控制 」、「 熱拌瀝青混凝土施工與品質管制 」)。 將再生瀝青混凝土的目標黏度訂在2,000poises，是美國相關教科書中「半對數線性黏度拌合圖」中的範例( 詳參「 再生瀝青混凝土的配比設計 )，適用在美國北方溫帶氣候區；在台灣將再生瀝青的目標黏度訂在2,000poises，很可能是沒有考慮到有機物在高温有氧拌合過程的老化（一般稱為短期老化），大部分瀝青經短期老化，黏度變為原始黏度的2倍以上，例如原始黏度1,000poises ，經拌合製程鋪在路面時，黏度大都超過2,000poises; 以瀝青黏度分級的方法中，有一種是以老化瀝青（ Aged Residue，AR ）分級 （ ASTM D3381 , Tabl...

  煉油與產製瀝青膠泥 照片：美國煉油廠一角( U.S. Oil and Refining - Wikipedia ) 瀝青材料(Bituminous Materials)有天然瀝青(Nature Asphalt)、石油瀝青(Petroleum Asphalt)、及柏油(Tar)等三大類，如圖1所示[1]，早在西元前3,500年，人類即使用瀝青材料作為黏結、防水材料、或使用於磚牆之黏結砂漿(Mortar)中，當時這些瀝青材料都是天然瀝青。 圖1、瀝青材料之分類[1] 進入20世紀以後，由於煉油技術之發明，加上人類開始使用汽車，大量要求平坦且可全天候使用之路面，因此，對鋪路瀝青材料之需求大量增加，天然瀝青與由煤礦提煉的柏油，一度成為主要的鋪路材料；一直到二次世界大戰後石化工業進步，煉油附帶產生之石油瀝青(Petroleum Asphalt)，挾其便宜與品質優良之勢，已成為最主要的瀝青材料來源，天然瀝青及柏油，反因開採所需之經費較高而逐漸被淡忘。 石油煉製流程和產品種類如圖2所示，由圖可知，石油瀝青是分餾塔下的殘渣(Residue)，是化學工業的附產物，很難免除「製程廢料」的本質。 圖2、石油煉製及產品示意圖( 圖源：Oiltanking ) 圖3則 主要描述煉油廠分餾塔底的部份，也就是鋪路與防水用瀝青材料的部份，包括瀝青膠泥、油溶瀝青、乳化瀝青、及吹煉瀝青(屋頂柏油)共四類石油瀝青產品。圖中說明分餾塔底黑色的第一項石油瀝青產品是瀝青膠泥；而將三種不同揮發程度的油品加回(Cutback)瀝青膠泥拌勻，即可得慢、中、或速凝油溶瀝青(Cutback Asphalt)；將瀝青膠泥加水經乳化處理，則得乳化瀝青；至於黏度較高的防水瀝青(屋頂柏油)則是將瀝青膠泥經吹煉處理。 圖3、石油瀝青之煉製流程與產品種類[2] 分餾塔底殘渣的性質，主要受原油產地(Crude Source)及煉製參數影響；不同產地的原油，在黏度、比重、及含硫量有不同的變化；重原油一般比輕原油產出較多塔底殘渣，含硫多的原油要付出較高的煉製成本以符合油品的標準。 基於瀝青是石油煉製附產物的現實，不容易從製程上去要求此種產品的精確化學成份，且瀝青的組成過於複雜，勉強能建構簡化的「概念性化學組成模型」，以助於理解瀝青膠泥的物理特性；大部份瀝青研究人員在觀念上同意，將瀝青膠泥描述為由瀝青質(Asphaltenes...

 瀝青黏結料分級的演進歷程 AASHTO M332與AASHTO M320的區別，在於短期老化後試樣的抗車轍能力檢測方法改為與成效較相關的MSCR，試驗用儀器與 M320中的DSR相同，只要針對控制及分析軟體做些修改即可。 「 應檢成效性質相同，以檢測溫度分級 」：Superpave 黏結料規範不再以固定溫度測得的性質(針入度或黏滯度)分級，而是要求應有的共通特性(抗車轍和抗開裂)，以設計路面溫度做為檢測溫度並據以分級； 也就是「應檢成效性質」相同，以「成效檢測溫度」分級。詳參「 瀝青的成效分級制(PG Grades)  」及「 PG64-22適用嗎? 」 美國在上個世紀末的策絡性公路研究計畫(Strategic Highway Research Program, SHRP)中，實證選用正確黏結料對路面服務成效的顯著影響[5]；在SHRP之前，沒有直接檢測瀝青黏結料成效的方法，黏結料的分類採用25℃針入度及或60℃黏滯度，無異於用軟硬程度判別等級；SHRP開發的黏結料成效分級(Performance Graded, PG)，則植基於黏彈性材料理論，用動態剪力流變儀(Dynamic Shear Rheometer, DSR)及撓曲梁流變儀(Bending Beam Rheometer, BBR)量測不同溫度下的抗變形與抗開裂特性，可以說是直接量測黏結料的成效，如圖1所示。 圖1 美國超級鋪面瀝青成效分級的兩種黏彈性試樣流變試驗示意圖 瀝青路面的車轍變形都是在鋪成初期發生，隨時間拉長則因瀝青老化變硬而愈不明顯；但，開裂，包括疲勞開裂及溫縮龜裂，則是經長時間老化變硬後更明顯。因此，圖1中用DSR求得的代表抗車轍變形能力參數(G*/sin𝛿)，要針對經短期老化後的試樣；抗開裂參數，包括用DSR求出的G*sin𝛿，及用BBR求得潛變勁度S和斜率m，分別用以判斷抗疲勞開裂及抗低溫龜裂的能力，則應針對經長期老化後試樣。 這種所謂超級鋪面(Superpave)黏結料規範(AASHTO M320)，又稱為成效分級(Performance Graded, PG )黏結料規範，判斷黏結料的等級時，採用標準檢測步驟(AASHTO R29)搭配「時間溫度疊換(Time-Temperature Superposition)原理」簡化試驗程序，測出受測試樣符合抗車...

  PG64-22適用嗎? 我們慣用的AC-20，以成效分級為PG64-22； 台灣地區尚無「以最高連續七天平均氣溫換算的鋪面設計最高溫度」供判斷適用性，若保守地以曾出現的最高氣溫41.6 ℃加上20 ℃，以 61.6℃做為「路面設計最高溫度」，則PG64-22，可以符合一般交通量抗車轍變形所需。 但，若考慮重交通量需要的「高溫跳級(Temperature Bumps)」(詳參「 瀝青黏結料分級的演進歷程 」)，則對設計車速較慢或重交通荷重路面應採PG70-22，而對場站鋪面或高量重交通荷重路面，則可採PG76-22。 美國SHRP研究多划算？ 美國從研究、開發到完全實施 Superpave 黏結料規範長達20年，總成本估計高達 2.3 億美元，依據客觀的成效報告顯示，每年因採用新黏結料規範可省下來的經費都會超過投入總經費的兩倍，相當划算。(詳參「 瀝青的成效分級制(PG Grades) 」) 請NCAT協助測得PG64-22： 由於國內鋪面工程界尚未採用瀝青成效分級(PG)，歷年學術研究單位對瀝青PG試驗的資料不足，因此，去年(2024)由環境部支助的「以廢輪胎橡膠推動道路養護循環減碳技術」研究，委託美國瀝青科技中心(National Center for Asphalt Technology, NCAT)對本土黏結料進行檢測，該成效等級判定試驗按AASHTO R29的標準程序進行： 將送達的黏結料原始樣品，進行下列試驗： 依AASHTO T316測原始瀝青試樣在135℃的旋轉黏度，測得值為0.12PaS，符合不可超過3 PaS (30 poises)的規定。 依AASHTO T315以動態剪力流變儀(Dynamic Shear Rheometer, DSR)在58℃開始測G*/sinδ值，此值隨溫度增而降低，提高溫度再測G*/sinδ值，求出G*/sinδ≥ 1.00 kPa 的最高溫度，做為初判高溫級別。 依AASHTO T240將原始瀝青試樣進行RTFOT短期老化模擬，並確認重量變化小於1.00%。 將經RTFOT老化後的試樣，進行下列試驗： 依AASHTO T315以DSR在初判高溫開始測G*/sinδ值，提高溫度再測G*/sinδ值，求出G*/sinδ≥ 2.20 kPa 的最高溫度，並以初判高溫做為真實高溫級別；若在初判高溫測得短期老化試樣的G...

 瀝青混合料的迷思 - 鋪築厚度與壓實度 原文「 MIXBUSTERS – THE TRUTH ABOUT ASPHALT MYTHS 」刊載於「Asphalt - The Magazine  of Asphalt Institute, NOVEMBER 26, 2024」作者為Buzz Powell,  and Dave Johnson 該文列出(1) 接續鋪層間可免黏層 , (2)高RAP添加量的混合料鋪築時冷得較快，(3)鋪築厚度超過4倍標稱最大粒徑時很難壓實，共三項迷思。本文借第三項迷思，說明鋪築厚度與壓實度的迷思。 迷思(Myth)就是帶有古老神話色彩的不確定；關於鋪築厚度與壓實度，鋪太薄例如1.5公分厚標稱最大粒徑9.5mm的開放級配(OGFC)，只能壓固不能壓實，這種情況，若用鋪築厚度與標稱最大粒徑(Nominal Maximum Aggregate Size, NMAS)的關係來看，鋪築厚度為15mm，而NMAS為9.5mm，也就是鋪築厚度小於2倍NMAS，沒有足夠空間容納粗顆粒間受壓產生的排擠作用，很難壓密實；這種鋪築面是特殊情況，OGFC混合料是功能性表層，原設計就是高空隙率只需壓固不脫落，不求壓密實。 (註：有關NMAS之定義及以粒料級配區分的三種不同瀝青混合料，可參「 瀝青混凝土類別與設計粒料結構 」) 越級配及最普遍的密級配瀝青混合料，施工時的滾壓密實度，則是最重要的品質參數，如下圖所示，完成面的空隙率是重點，由於瀝青黏結料是感溫性材料，空隙率太低(<3%)會有高溫時重壓出現塑性變形的問題，空隙率太高(>8%)則有耐候性不足且承載力差的顧慮，因此，鋪成面具適當的空隙率是控制壓實度的重點。 鋪築面能否有適當的空隙率，在材料設計階段也很重要，如果配比設計不當，例如選定的瀝青含量太高或是設計的級配粒料間的空隙(VMA)太低，則鋪築面壓實後的空隙率很可能偏低，而有高溫時重壓出現塑性變形的問題；反之，若設計的混合料很難壓密有耐候性不足且承載力差的顧慮。新式配比設計法採用旋轉壓實機評估，優於用傳統的馬歇爾夯錘，詳參 「超級鋪面(Superpave)配比設計法」 。 以往的經驗是「鋪築厚度應在NMAS的三倍到五倍之間以便能順利壓實」，主要的依據就是「有否足夠空間容納粗顆粒間受壓產生的排擠作用」，若鋪築厚度不足NMA...