中華鋪面研究室

  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NMAS的...

 研提瀝青拌合業的脫碳路圖 應對氣候變化及其影響採取緊急行動 聯合國永續發展目標(SDGs)共17項中的第13項「氣候行動」 根據估計，光是混凝土就占了全球碳排放量的11%，且高達8成以上的碳足跡來自於現代建築中最常用、充當粘合劑，以及使混凝土硬化的波特蘭水泥（Portland Cement）(資料來源 iThome新聞 2024年8月26日：開放運算計畫正在推動綠色混凝土 )。國發會2022年3月公布的「 臺灣2050淨零排放路徑及策略總說明 」中，水泥業已有策略路徑如圖1所示；瀝青混凝土的相關數據較乏，也未見有淨零技術策略路徑。 圖1、水泥業淨零轉型策略及路徑圖 (資料來源：臺灣2050淨零排放路徑及策略總說明之圖11) 對比預拌混凝土的碳排放量 依環境部公布的「國家溫室氣體排放清冊報告」，我國2021年總溫室氣體(GHG)排放量為297,007千公噸二氧化碳當量，亦即297「 百萬公噸二氧化碳當量(MMtCO 2 e )」；相對於美國的6,558.3 MMtCO 2 e (2019年)，美國瀝青鋪面協會(NAPA)2022年公布的瀝青混凝土生產階段(從搖籃到大門或A1-A3)的GHG排放量為21.7 MMtCO 2 e，占美國GHG排放總量的 0.3%，美國波特蘭水泥協會(PCA)2023年公布的年產預拌混凝土(Ready-Mix Concrete, RMC)生產階段的GHG排放量為97.6MMtCO 2 e，占美國GHG排放總量的1.04%，如表1所示。本研究依表1中的資料呈現方式，查對相關資料，將臺灣的瀝青混凝土與預拌混凝土的對比資料填入。 表1、瀝青混凝土與預拌混凝土的碳排放相關資料比對表 環境部環境資料開放平臺查得資訊 在環境部環境資料開放平臺以「碳足跡」查詢得四項資料(碳足跡排放係數、環境部推動產品碳足跡管理要點、台灣產品碳足跡資訊、及國內已制訂之碳足跡產品類別規則文件清單)；經查國內已制訂碳足跡產品類別規文件清單中已有180項，其中包括「水泥」及「預拌混凝土」，但尚無瀝青或瀝青混凝土的PCR文件；在 台灣產品碳足跡資訊 可查得多筆水泥、及預拌混凝土的碳足跡，如圖2所示，由圖可知水泥的碳足跡幾乎等同於其重量，而預拌混凝土的碳足跡則主要來自水泥的內含碳，因此，水泥用量高的配比碳足跡就高，添加碳足跡低的替代黏結料(飛灰、爐石)的配比則可有效降低預...

 透過使用溫拌瀝青優化鋪路的品質、勞工安全健康、及永續性 近25年來WMA在歐洲的推展重點：最初對加水發泡有品質疑慮，後經長期成效實證消除；以降低瀝青煙曝露為主驅動力在挪威推展順利，以溫拌添加劑推動在德國受限，德國及瑞士因著重提高刨除料添加量而變緩，其實WMA與添加較高RAP相容且可並行。 (原文可於 EAPA官網 下載) 2024年5月歐洲瀝青鋪築協會(EAPA)針對溫拌瀝青的推展不如預期，再度發表「建議道路當局透過使用溫拌瀝青來優化鋪路的品質、安全健康、及永續性」技術報告(原文可於 EAPA官網 下載)，本文整理其中的要點。相關文章亦可參「 溫拌瀝青工法介紹 」及 「 推動溫拌瀝青兼顧減碳及勞工健康 」 歐洲推動溫拌瀝青的二股動力 - 德國與挪威大不同 與熱拌瀝青(Hot Mix Asphalt, HMA)相比，使用溫拌瀝青(Warm Mix Asphalt, WMA)最重要的好處是施工鋪築過程中瀝青煙霧曝露量顯著降低，符合歐洲瀝青產業減少瀝青煙霧曝露改善勞工的工作環境目標。第二個動力來自《京都議定書》(1997)簽約國同意在 2008 年至 2012 年將溫室氣體排放量降低至1990年水準以下 5%，採用較低製程溫度的WMA將有效減少溫室氣體排放；回應京都議定書(1997)中的溫室氣體減排需求，溫拌瀝青首先在德國和挪威出現；德國於 1998 年至 2001 年間累積鋪築添加溫拌劑的七個溫拌瀝青測試段，其中有六個是 SMA 混合物，一個是密級配混合物；根據所有的實驗室和現場性能檢測數據，判定具有與對比的熱拌瀝青相同或更好的性能 。 在挪威則採用熱拌廠製程中加少量水使瀝青發泡的溫拌瀝青技術鋪築測試路段，在 1999 年鋪築了兩個路段，經過三年的監測，得出的結論是抗車轍表現與對比的 HMA 相似；挪威公司開發高品質的水發泡技術，然後出口到其他國家（包括美國），儘管道路管理部門直覺上認為有品質疑慮，而不願意使用加水製造的瀝青混合料，但經第一批試驗路段所達到的性能（相當於HMA 並在降低30°C 的溫度下生產）提昇了接受度；在挪威企業聯合會「工作環境基金」資助的1.3 億歐元計畫之後，該技術在2010 年代以鋪築勞工的安全健康為新動力，該計畫在統計上顯示瀝青煙霧平均顯著減少58-67%（取決於測量方法），與HMA相比，使用低溫瀝青鋪路時瀝青煙霧的曝露量顯著降低。...