瀝青的成效分級制(PG Grades)

用新的瀝青成效分級(Performance Grade, PG)規範，得以避免選錯瀝青過早出現的鋪面變形/龜裂而獲益，德州運輸研究中心(Texas Transportation Institute, TTI)估算每年州公路單位將可節省四億八千萬至七億八千萬美金，愈早採用新的規範，就可以節省愈多的養路經費[1]。

鋪面瀝青的成效關鍵在於高溫能抗變形、低溫能抗龜裂、中間溫度則需抗疲勞開裂，這些工程成(績)效特性及破壞的臨界點是共通的；不同氣候變化的地區性影響在於不同的老化程度和服務溫度，故瀝青的成效應以不同的「成效檢測溫度」分級。SHRP提出的所謂「成效分級(Performance Graded)」規範，與以往「不同等級規定不同的材料特性」的觀念，有相當大的改變；瀝青黏結料所需具備的抗車轍、抗疲勞、抗低溫龜裂等特性，無論是在那一個地區都是相同的，然因各不同地區之環境狀況不同，需使用不同等級的瀝青黏結料，因此，所謂不同等級乃指「適用的環境溫度狀況不同」，所以，規範中所列的「應檢成效性質」都相同，不同等級乃指符合成效規定的溫度不同。

SHRP提出量測瀝青流變特性的試驗方法

面對日益惡化的公路狀況，美國國會於1987年通過執行策略性公路研究計畫(SHRP)，由1987年10月至1993年3月間，長達五年半，耗資五千萬美元的此項大型研究案，主要集中在(1)瀝青材料，(2)混凝土結構物，(3)公路養護及養護工區的安全性維持，(4)鋪面長期績效研究等四個領域，在瀝青材料方面主要用於發展與鋪面績效相關的試驗方法及品質規範，此一研究計畫的主要成果稱Superpave，國內有學者譯為「超級鋪面」，整合了以往路面工程界的經驗，並設法將這些可貴經驗以理論將之定量化，以便於消除地域性因素造成的不同績效；Superpave系統主要由(1)瀝青黏結料PG級規範，(2)以瀝青混合料的體積特性為基礎的設計分析方法，及(3)分析瀝青混合料的試驗及績效預估模型，共三大部份所組成，這樣的一個結合理論與經驗的模型，必須經由往後更多的試驗路面來加以精煉，才能達到其「放之四海皆準」的理想；目前AASHTO已將Superpave採用的瀝青膠泥試驗法列入標準規範，並期望能於進入21世紀時全面採行[2]。

Superpave乃依據瀝青的流變學原理(詳作者另文理解瀝青使用績效-流變學的基本原理)，採用一系列創新的儀器，以便能針對瀝青黏結料和混合料進行必要的試驗和評估，目前美國所有的州公路局都配備有SHRP瀝青黏結料試驗所需六部儀器中的五部，也都至少有一部用來模擬施工構築程序及開放交通輾壓對瀝青混合料影響的Superpave旋轉夯壓機(Superpave Gyratory Compactor，簡稱為SGC)。

1、加壓老化儀(Pressure-Aging Vessel)

不同來源的瀝青膠泥有不同的老化特性，以往規範中只有短期老化的標準模擬方式(TFOT或RTFOT)，對於使用於路面數年後瀝青膠泥的性質，常常無法掌握；SHRP在發展與鋪面績效相關的規範時，對於影響車轍等於短期就可判定的瀝青膠泥特性，可用傳統短期老化方式模擬，但對於影響疲勞、低溫龜裂等，需要長期老化才能判定的瀝青膠泥特性，則不能用原始瀝青或短期老化後瀝青，因此，需要一種模擬長期老化的試驗方法。
文獻上載明瀝青膠泥的老化，主要受氧化及揮發性油份喪失影響，在拌合過程的高溫但短時間內，瀝青膠泥發生極大的變化，鋪於路面上後，則受氣溫與路面孔隙率之影響，進行緩慢但長時間的老化，以往經驗顯示，短期抗老化良好的瀝青膠泥，長期老化卻有可能很嚴重；雖然氧化是一種化學反應，使用高的反應溫度來取代低溫，以縮短反應時間有其一定的合理性，但模擬長期老化時，使用像TFOT或RTFOT那樣的試驗溫度(163℃)，常發現瀝青膜出現不合理的局部脆化現象(如盛於TFOT試樣盤內瀝青試樣表層產生一層硬膜)，很可能使瀝青膠泥的油份過度喪失，而與實際長期老化不符合。
使用較低溫(約111℃)較長時間(168小時)的RTFOT烘箱，是加州地區常使用的方法，由於此種溫度下，有許多瀝青膠泥在試樣瓶內滾動時，會於瓶口聚集而流出瓶外，因此，執行此種長期老化試驗時，常需將烘箱傾斜約1度，使轉動中的試樣瓶瓶口處較高，瀝青試樣不致於流出瓶外，此種試驗方式用於模擬沙漠地區路面瀝青使用約二年的老化程度，稱為加州傾斜烘箱(California Tilted Oven)，此種試驗方法在瀝青膠泥多樣化後，可能需要依瀝青膠泥特性而調整烘箱傾斜角度[4]。
另一種常被引用的方法是由愛荷華州華裔李大印教授(Prof. Dah-Yinn Lee)發展，早期稱為加壓氧氣槽(Pressure Oxygen Bomb、簡稱POB)的處理方式，採用加壓的純氧，在60℃下與瀝青膠泥反應約一個星期，以高濃度的氧，達到加速老化的效果；SHRP研究人員選用此種試驗方式，但為求時效，將試驗溫度提高到100℃附近，使試驗時間縮短為20小時，又為顧及安全性，改用加壓的空氣而不用純氧，輸入的空氣壓力固定為300psi，SHRP研究人員將此種模擬長期老化的試驗方法，改稱為加壓老化儀(Pressure Aging Vessel、簡稱為PAV)，試驗裝置如圖1所示。

圖1、SHRP提出之加壓老化儀[3]

依據目前提出的標準試驗方法(AASHTO PP1)[2]，加壓老化試驗需先將原始瀝青經標準RTFOT試驗後，將所有RTFOT瓶內試樣倒入適當容器中，再將這些試樣用TFOT之圓金屬盤，一個裝50克，放入TFOT烘箱約1~2分鐘，使試樣攤平後取出冷卻，再放入加壓老化儀中，加壓老化儀一次最多可放置10個TFOT盤，空氣壓力為2.1+_0.1 MPa，試驗時間為20小時，至於試驗溫度則有90、100、110℃三種，若該瀝青要用在沙漠地區則用110℃、高溫地區則用100℃，若是要用在低溫地區則選用90℃。SHRP提出的瀝青膠泥規範中，大部份評估績效的試驗都是針對經RTFOT或RTFOT加PAV老化以後的試樣量測。

 

2、動態剪力流變儀試驗(Dynamic Shear Rheometer Test)

動態剪力流變儀是分析高分子材料流變性質常用的儀器，早在SHRP將其標準化以前，就有研究人員將其應用於瀝青流變性的量測，經SHRP標準化後的所謂動態剪力流變儀，主要乃將瀝青試樣置於兩金屬圓盤之間，上盤由精密馬達控制以產生固定角速度為w的擺動，下盤則固定不動，如圖2所示。

圖2、動態剪力流變儀[3]

此種擺動對試樣產生之剪應力，為一角速度w之正弦應力波：

   (21)

                                                         

在穩定的週期性擺動下，試樣所受的應力型態為依角速度而變的函數，只要剪應力擺幅在夠小的範圍內，受剪試體將呈線性黏彈性行為(Linear Viscoelastic Behavior)，也就是說，試樣產生的剪應變，將呈相同的擺動型態：

 

圖15、完全彈性與完全黏性體在動態試驗下的相位角差異[3]

動態剪力試驗之試驗數據，除上述相位角外，另一重要的量測值為剪應力與剪應變之振幅比，近似一般靜態試驗之應力與應變比，為有別於靜態試驗求得的剪力模數，此振幅比被稱為「動剪力模數(Dynamic Shear Modulus」或「複剪力模數(Complex Shear Modulus)」，以G*表示： 

                                                            (28)

稱作「複」剪力模數之原因，乃因一般動態試驗之應力與應變關係，可以用數學上複數平面之向量表示，如(式29)、(式30)、及圖16所示。 

                           (29)

                           (30)

 

圖16、以複數平面上的向量代表動態試驗之應力與應變[3]

若選擇採用慣用的模數來分析材料之應力和應變關係時，則應將剪應力向量投影至剪應變向量上，如圖17所示，此一投影量大小與剪應變大小的比值，相當於彈性性質之模數，稱為「儲存模數(Storage Modulus)」，至於另一垂直方向的投影分量大小，除以剪應變大小，則稱為「損失模數(Loss Modulus)」，分別如(式31)及(式32)所示。
 



圖17、剪應力向量之兩分量[3]

                                   (31)

                                    (32)

此種表示方式，相當於將動態試驗求得的複剪力模數，按其相位角分解成同相位部份(彈性部份)與相差90o相位之部份(黏性部份)兩分量，在複數平面上，則分別為實部分量與虛部分量，即：

                                 (33)

若將損失模數除以儲存模數，即相當於黏性部份除以彈性部份，代表黏彈性材料的緩衝能力，有時稱為Loss Tangent：

                                            (34)

雖然瀝青膠泥大都含有延遲彈性之特徵，不能簡單地用測得的G'和G" 分別代表其彈性和黏性分量，依據Goodrich之研究，以較低緩衝能力(以動態剪力流變儀測得的Loss Tangent )瀝青拌製的瀝青混凝土的潛變模數較低，亦即較能抵抗車轍變形。

SHRP研究提出之動態剪力流變儀(AASHTO TP5)，主要用於量測瀝青黏結料在使用溫度之中、高溫特性，此種溫度下主要影響的績效是疲勞龜裂與車轍變形，進行試驗時使用的角速度w值，一律定為10rad/sec，以簡化試驗數據；SHRP研究認為瀝青黏結料之複剪力模數較高和其黏性分量較低，是抗車轍永久變形的要件，因此選定

  為抗車轍的主要參數(又稱為抗車轍參數)。

 對原始瀝青及經RTFOT後之瀝青試樣，以DSR在預計遭遇的環境最高溫下執行試驗，無論複剪力模數較高，或黏性分量較小(G")，都有利於抗車轍變形，這兩種狀況，都將使選定的抗車轍參數變大，因此，規範規定抗車轍參數值必需分別在1.0KPa(原始瀝青)和2.2KPa(經RTFOT後)以上。

由於疲勞龜裂大都發生在路面使用數年以後，因此必需針對經RTFOT和PAV老化後的瀝青，試驗溫度為中等溫度(Intermediate Temperature)，此中等溫度乃用鋪面使用最低與最高溫的平均值加4℃而得；SHRP研究認為瀝青黏結料在此一溫度下，若複剪力模數較低或其黏性分量較低，都將具有因流動而消散聚集應力的能力，是抗疲勞龜裂的要件，因此選定

為抗疲勞參數，此一參數值必需在5,000kPa以下，才會有抗疲勞龜裂的能力。

3、撓曲樑流變儀試驗(Bending Beam Rheometer Test)

撓曲樑流變儀為由SHRP研發用以量測瀝青黏結料低溫勁度的新儀器，製作的標準瀝青試樣為長125mm、寬12.5mm、高6.25mm的長方體，此一「瀝青樑」置入以液體控溫槽中的簡支稱上，如圖2-38所示，兩支稱點距離為102mm，使用之控溫液體為乙烯乙二醇(ethylene glycol)、甲醇(methanol)、和水的混合液，以循環槽將溫度控制在環境最低溫加10℃，溫度變化在0.1℃範圍內，SHRP研究人員認為在此溫度(環境最低溫加10℃)下、荷重時間60秒之勁度，相當於在環境最低溫下、荷重時間為兩小時之勁度，此一勁度值稱為極限勁度，且應在300MPa以下，否則瀝青黏結料會產生低溫龜裂。
 

圖18、撓曲樑流變儀[9]

撓曲樑流變儀之標準試驗方法(AASHTO TP1)為以經RTFOT和PAV老化後的試樣，製作標準「瀝青樑」，經適當預先養治後，以100克的垂直壓力施於樑的中心點，持續240秒，在此荷重時間內，持續記錄中心點的撓度，如圖19所示。
 


圖19、撓曲樑流變儀記錄之撓度與時間關係圖[9]

利用圖19之撓度值，計算此瀝青試樣的潛變勁度，使用的計算式為：

                                                   (35)

           

此中

撓曲樑流變儀之標準試驗方法中，亦同時求得所謂的m值(m-value)，此一m值之求得方式，為將潛變勁度以對數座標為縱軸，荷重時間以對數座標為橫軸，繪製成兩者之關係曲線，如圖20所示，在荷重時間為60秒時，該曲線之斜率即為m值；此一斜率值代表潛變速率，愈高則表示用潛變消散溫縮應力的速度愈快，SHRP規範要求此m值必需大於或等於0.30。
 

圖20、以撓曲樑流變儀試驗數據求算m值的方法[3]

4、直接張力試驗(Direct Tension Test)

直接張力試驗為由SHRP提出之量測瀝青膠泥破裂應變的新方法，標準試驗方法(AASHTO TP3)乃將經RTFOT和PAV老化後的瀝青試樣，製成直接拉力試樣，如圖2-41所示，此試樣長30mm、中央斷面為6mm見方，在與撓曲樑流變儀相同的試驗溫度下(環境最低溫加10℃)，用緩慢但固定的速率拉至斷裂，斷裂時的伸長量用以計算破裂應變；SHRP研究人員認為有些改質瀝青黏結料在環境低溫時勁度雖然很高(300~600MPa)，但若破裂應變夠大，也可以防止低溫龜裂之產生，因此，對於以撓曲樑流變儀測得m值0.30，但勁度在300~600MPa間的材料，可以用直接張力試驗量測破裂應變，若此一材料之破裂應變大於1.0%，則仍不會有低溫龜裂之顧慮，至於符合撓曲樑流變儀試驗之瀝青材料，則不必進行直接張力試驗。



圖21、SHRP直接張力試驗試樣、夾頭尺吋及破裂應變計算方式[3]

 

5、旋轉式黏度儀試驗

對於瀝青膠泥之工作性，SHRP選擇原列於ASTM D4402之旋轉式黏度儀，用以評估瀝青材料於熱拌廠以邦浦抽送及與骨材拌合之工易性，此種試驗儀器如前所述，SHRP研究人員認為在135℃時，瀝青黏結料的黏度應在3Pa.s(30Poises)以下，才會有足夠的工易性，當然，量測之試樣為不經老化模擬的原始瀝青試樣。

績效等級瀝青膠泥規範

SHRP提出的所謂績效等級(Performance Graded)規範，與以往「不同等級規定不同的材料特性」的觀念，有相當大的改變，瀝青黏結料所需具備的抗車轍、抗疲勞、抗低溫龜裂等特性，無論是在那一個地區都是相同的，然因各不同地區之環境狀況不同，需使用不同等級的瀝青黏結料，因此，所謂不同等級乃指「適用的環境溫度狀況不同」，所以，規範中所列的材料特性都相同，不同等級乃指規定的檢測溫度不同。

績效等級瀝青黏結料規範中有鋪面最高溫度、鋪面最低溫度、及中等溫度需先瞭解，所謂鋪面最高溫度乃指預計使用瀝青膠泥之鋪面可能出現的最高溫度，一般以氣象資料之氣溫，依據所在位置之環境及緯度狀況(影響日照輻射強度)，經研究後依一定的方法換算為鋪面的最高溫度，鋪面最低溫度則為所處環境之可能出現的最低氣溫，至於中等溫度，則為此兩溫度之平均值加4℃；這些溫度必須依據以往多年的每日氣溫記錄，並依統計學上可靠度的觀念選擇；以美國Kansas州Topeca市的氣象資料為例，先依每年每天的氣溫資料，找出一年中氣溫最高的連續七天，計算此「最高連續七天的平均氣溫」(seven-day average maximum air temperature)，再依照該地區以往許多年的最高連續七天平均氣溫之記錄，求得平均值為36℃，標準差為2℃，而由每年出現的最低氣溫記錄，求得平均值為零下23℃，標準差為4℃，如圖22所示，由這些氣溫的統計資料，可知該地區最高連續七天平均氣溫超過40℃(大於平均值加兩倍標準差)的機率只有0.02(2%)，也就是說，若要求的可靠度為98%時，應將最高連續七天平均氣溫定在40℃；同理，因為多年來的年最低氣溫之標準差為4℃，若將會出現的最低氣溫定為零下23℃(以往多年記錄的平均值)，則可靠度將只有50%，若欲使可靠度達98%，則需將最低氣溫定為零下31℃。

 

圖22、使用SHRP績效等級規範之地區氣溫資料例[3]

圖23為將Topeka市的氣溫資料轉換為鋪面溫度的結果，鋪面高溫為氣溫加20℃，此增加的20℃，乃代表鋪面表層往下20mm深處的溫度，會因鋪面所在位址的氣候狀況(如緯度、風速、地理)而有差異，而鋪面低溫則與氣溫相同，由所謂績效等級的溫度，即按此方式，利用氣象資料，以可靠度的觀念，選擇鋪面最高連續七天平均氣溫及最低氣溫，SHRP並選擇以6℃為不同等級之標準間距，使所謂績效等級可有如表1所示的不同溫度選擇，以可靠度至少為98%為目標，Topeka市的鋪面最高連續七天平均氣溫及最低氣溫分別是60℃及零下31℃，故選擇的績效等級瀝青應為PG64-34，如圖24所示，而若可靠度只需在50%以上，則選擇的績效等級瀝青會是PG58-28。

 

圖23、將氣溫換算為鋪面溫度例[9]

表1、SUPERPAVE績效等級瀝青的溫度級別[9]

圖24、由鋪面溫度資料依不同可靠度選擇之PG級例[3]

由上例可知，績效等級瀝青之前冠以「PG」兩英文字母，代表績效等級，其後加兩數字，分別代表鋪面最高溫度及鋪面最低溫度，例如PG64-22，乃指適用於鋪面最高溫度為64℃等級，鋪面最低溫度為零下22℃等級之瀝青黏結料：若經環境氣候狀況分析，以可靠度觀念求得鋪面最高溫度為60℃、鋪面最低溫為-18℃，則因表1中沒有PG60-18之等級，保守起見應採用PG64-22級。(註：將PG後的兩個數字絕對值相加，得「有用溫度區間(Useful Temperature Interval, UTI)」判定是否為改質瀝青，且有所謂的「92共識(Rule of 92)」，因為大部分未改質的瀝青，UTI都小於92℃，UTI超過92℃的大都是改質瀝青。另詳參「Why/What/How改質瀝青? 」)

目前SHRP提出的各績效等級及其性質規定如表2所示，由表2可知，對原始瀝青而言，閃火點都需低於230℃，135℃之黏度需在3Pa.s以下，以確保安全性及工易性，並且有動態剪力流變儀試驗，防止發生車轍的可能性；對於經RTFOT老化後試樣，則有動態剪力流變儀試驗，以防止發生車轍的可能性；對於經RTFOT和PAV老化的試樣，則分別以中等溫度下之動態剪力流變儀試驗、鋪面最低溫加10℃之撓曲樑流變儀試驗，控制疲勞龜裂和低溫龜裂，對於低溫勁度過高，但可能仍具抗低溫龜裂之材料，則輔以直接張力試驗予以確認。

表2、SHRP提出的績效等級瀝青膠泥規範[3]

續表2、SHRP提出的績效等級瀝青膠泥規範[9]

參考文獻

1. Michael Halladay, "The Strategic Highway Research Program: An Investment That Has Paid Off," Public Roads, March/April, 1998, Vol. 61, No.4.
2. AASHTO Provision Standards, June 1998 Edition, Approved for Publication by the AASHTO Highway Subcommittee on Materials, Published by the American Association of State Highway and Transportation Officials.
3. Superpave Asphalt Binder Test Methods – An Illustrated Overview, National Asphalt Training Center Demonstration Project 101, Publication No. FHWA-SA-94-068, July 1994.
4. Chui-Te Chiu, Investigation of Laboratory Asphalt Aging Processes for Development of an Effective Procedure to Characterize Asphalt Durability, a dissertation presented to the Graduate School of the University of Florida in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy, University of Florida, 1994, Chapter 6.