中華鋪面研究室

鋪面工程概論 鋪面之定義與分類 鋪面 (Pavement) ，一般指公路上介於車輪與公路基礎間的人工構造物；此處所謂公路基礎，雖可能是由混凝土或鋼材構築的橋面版，通常乃指統稱為路基 (Subgrade) 的地表土壤。位於路基土壤上的這些鋪面結構，一般皆以多層的方式鋪成，由於車輪荷重傳佈於較下 ( 深 ) 層後應力遞減 [1 、 2] ，較經濟的構築方式為「不必於下層使用高強度的材料」；若只以力學觀點設計鋪面結構，則適當地選擇各層材料，將車輪荷重經由鋪面結構各層之傳遞，至路基土壤時，小至該處土壤所能承受的範圍以內即可；因此，需要怎樣的鋪面結構與材料，應視路基土壤強度，及該鋪面將承載的車輛荷重而定；鋪面工程師即以依當地的環境因素，選擇正確的鋪面結構層、經濟且有效率地使用材料為主要職責。   照片：北二高新竹系統交流道 ( 國道新建工程局 http://www.taneeb.gov.tw ) 鋪面主要是指公路的路面，但應涵蓋停車場、貨櫃場、飛機停機坪、滑行道、及跑道，以中文而言，足以完整代表的字眼，可能是「道面」，上述各種不同道面提供不同的用途，本書以沿用國內工程界之習慣，用鋪面取代道面，雖以瀝青材料在路面之應用為主要內容，應可適用於停車場、貨櫃場、飛機停機坪、滑行道、及跑道等其它道面；由於不同的鋪面材料在承受荷重時的力學行為不同，一般將鋪面區分為柔性鋪面 (Flexible Pavement) 與剛性鋪面 (Rigid Pavement) 兩種。 與瀝青混凝土相比，水泥混凝土之膠結料 ( 水泥與水之化合產物 ) 與骨材形成一體，整塊由混凝土組成的面版，在受輪荷重後產生撓曲 (Bending) ，若以應力分佈之情形觀察，整塊面版皆受輪荷重之影響，正如結構物之樑一般；在鋪面工程上，我們用「輪荷重由整塊版以撓曲方式均勻地分佈於底層」 [1] 來描述，這種鋪面荷重應力的傳佈方式，乃因混凝土材質較均勻且勁度較高所致，故稱為剛性鋪面；純以材料的觀點，則稱為 ( 水泥 ) 混凝土鋪面；若以「樑下可以懸空」來想像，混凝土路面版下底層的強度不具關鍵地位，或說，以力學觀點，混凝土路面版可以直接構築於路基土壤上，而不需使用底層材料，學理上即可以路基土壤強度及預計承受的交通荷重，決定混凝土版的厚度；但實際的情況，則因環境因素及施工時的方便性，而需採用底層材料，甚至建議應使用貧配比混凝土底層 (

瀝青混凝土類別與設計粒料結構 顆粒大小與級配 粒料的「級配(gradation)」乃指顆粒大小分佈的狀況，以體積百分比表示顆粒大小分佈的狀況雖較合理，但因求算不容易，一般皆以重量百分比表示，設若各種顆粒大小粒料之比重相近，以重量百分比或以體積百分比表示顆粒大小分佈的狀況是相同的。級配乃由篩分析試驗而得，亦即將不同孔徑之篩網疊在一起，大孔徑置於上面，將粒料置於其上，如圖1所示，經篩分成各部份後，分別稱得留在各篩網上的粒料重量，即可求得該粒料的級配，通常以「過篩百分比」表示。 圖1、篩分析示意圖 常用於瀝青混凝土之美國標準篩如表1所示，3/8英吋篩表示該方孔篩網之網目開口大小為3/8英吋，而8號篩乃指該篩網每一英吋有8個開口，因為尚需考慮網線之直徑，8號篩的網目開口一定小於1/8英吋，標準全篩連續兩篩號間之網目開口差異通常為二倍，以便將網目開口繪於對數座標軸上時，相鄰兩篩間的距離約略相等。粒料的級配狀況，一般皆以將各篩之過篩百分比繪製於橫座標為網目開口之對數，而縱座標為過篩百分比之圖上，如圖2所示[1]，在此圖中，平滑連續的曲線表示顆粒大小分佈均勻，稱為密級配或良好級配，如圖2偏左的曲線所示，含有中間平台的曲線表示缺少平台部份的顆粒，稱為跳躍級配(Gap-graded)，國內慣稱為「越級配」，如圖2偏右的曲線所示，而圖2中間由高點急降至低點的曲線代表粒料顆粒相當集中在某粒徑範圍內(本例中在1/2英吋與4號篩間)，稱為均勻級配或開放級配(Open-graded)。 表1、瀝青混凝土採用之標準方孔篩之稱號與孔徑 圖2、三種不同的粒料級配曲線[1] 瀝青混凝土中粒料的級配可能是最重要的品質恃性，幾乎所有瀝青混凝土的重要性質如穩定性、勁度、耐久性、透水性、工作性、抗疲勞性、抗滑性、甚至抗水份侵害能力，都受到粒料級配的影響，因此，粒料級配不僅為配比設計時的主要考慮項目，也是各工程單位執行瀝青混凝土的品質控制時，最重要的一項管制項目。 許多研究人員曾對會有最大密度的「理想級配」進行探討，其中最有名的是由Fuller與Thompson提出的富氏最大密度曲線方程式[2]： 理論上，使粒料顆粒堆疊最緊密的級配，應使顆粒間空隙(Voids in Mineral Aggregate, VMA)降至最低，且顆粒間緊密接觸而使穩定性最高，應是最理想的級配，但瀝青混凝土的耐久性必需依靠足夠的瀝青膠

新版(2014, 7th Edtion)美國瀝青協會(A.I.)的配比設計手冊(MS-2) 瀝青鋪面要有好的服務績效必需依靠採用高品質的材料、精確的生產製程控制、和最好的鋪築與滾壓施工來達成；粒料級配、瀝青含量、混合料的體積特徵、及壓實度等組成材料性質的差異，看似微小却對鋪面的壽年及養護費用有顯著的影響；配合比設計的主要目的就是要確認所選用材料的品質，並且據以建立稱為「工作拌合公式(Job MIx Formula, JMF)」的生產配方及製程控制目標。正確的配比設計必需嚴格遵照既定的實驗室技術和設計準則進行，AI MS-2就是說明此種實驗室技術和設計準則的一本指引。 2014年美國瀝青協會(Asphalt Institute, AI)的新版配比設計手冊以超級鋪面(Superpave)設計法為主要內容，因為超級配面法已成為美國路面工程界的主要設計方法，但因美國部份地區及美國以外的國家仍使用馬歇爾法或威氏法，故馬歇爾法及威氏法仍列在該手冊內，但強調了超級鋪面法獲得的體積特徵概念，也藉由新一代體積特徵量測裝置提昇配比設計的精確度。 美國瀝青協會(Asphalt Institute, 簡稱為AI)簡介 成立於1919年的美國瀝青協會是由石油瀝青生產商、製造商和附屬企業組成的非營利國際貿易協會，其會員的石油瀝青產品占有北美市場的90%，在國際市場的占比也逐漸提高。美國瀝青協會的主要任務是透過教育、工程、技術開發、環境管理、及領導市場，為其會員共同倡導使用石油瀝青，並闡述其效益、安全性、及品質績效；以做為石油瀝青工業的協作中心共同確保瀝青為優質的營造材料為願景。 AI為會員提供五個重要的戰略重點領域支撐：(1)會員聯繫，(2)瀝青推廣，(3)環境監控，(4)先進技術，(5)專業教育。美國瀝青協會網址： http://www.asphaltinstitute.org 透過各種委員會和夥伴關係的運作，AI為其會員扮演健康、安全、環保相關事務的卓越中心；通過科學研究和技術開發，AI倡導石油瀝青成為公路、街道、及屋頂防水系統的安全環境友善優質材料。遍布美國和加拿大各區域的AI工程師，透過現場訪視、資訊蒐集、顧問諮詢、提供教育訓練課程等活動，提供會員公司、石油瀝青用戶、及採購機關相關技術支撐；經特別安排這些後師也可為國際會員提供北美以外區域的技術服務。 AI的實驗室具有瀝青工業研究、檢測

瀝青配比設計的前世今生--有趣又有深意的瀝青混凝土配比設計演進史 瀝青材料雖為古老的工程材料，但用在鋪面上且有詳細的文字記載則是最近這一百多年來的事；據說在西元1500年左右，位於現今秘魯的印加民族就有最早的瀝青鋪面，但卻找不到任何該鋪面材料或構築方式的文字記錄[1]；西元1800年，法國人開始用「瀝青灌入法」於屋頂、地版、及鋪面，所謂灌入法，只是將瀝青材料均勻撒佈於構築面使其滲入的一種簡易方法，用於屋頂時，瀝青滲入屋頂材料空隙內產生防水的效果；用於土石路面，瀝青則兼具防塵及防水的作用，有了此種鋪面，減少「雨天泥濘、晴天塵土飛揚」的困擾。 西元1816年，蘇格蘭人約翰馬克當(John MacAdam)認為應以各種不同粒徑的碎石「有計畫地」混鋪，才能獲得堅固的鋪面，當時馬克當鋪的路面沒有使用任何膠結料，但這種以各種不同粒徑的碎石「有計畫地」混鋪的方式，如圖1所示，是粒料級配及配合比例觀念的啟蒙[1]；到了1820年，英國就出現在馬克當鋪面上鋪灑柏油(Tar)，稱為Tar Macdam，是膠結性較高的鋪面；此後，「依粒徑大小分層撒播粒料，再噴灑柏油或瀝青使其灌入」的路面盛行，統稱為「灌入式馬克當路面(Penetration Macadam Pavement)」，這種強度高且兼具防水防塵的鋪面，盛行了百餘年，直到二十世紀，才被高度自動化的廠拌瀝青混凝土取代。 圖1、以不同粒徑碎石有計畫地混鋪是粒料級配觀念的啟蒙 機械化施工的鋪面始於1868年，N. B. Abbott發展許多用於烘乾、篩分、及拌合的機具，申請美國專利，並於華盛頓特區鋪築許多柏油混凝土(Tar Concrete)，Abbott的設計厚度有大至30公分者，是主張於鋪面底層使用瀝青混合料的第一人，然因這些鋪面未注意到粒料級配的控制，雖構築成不錯的底層，但用於面層很快就宣告失敗；當時許多主張「千里達湖瀝青較優」的工程師，將失敗的原因歸於使用柏油，使千里達湖瀝青聲名大噪，柏油逐漸被冷落。( 原來材料工程師老是把責任推給黏結料是百餘年的慣性，味道不好的柏油在咀嚼法為主的時代背了黑鍋 ) 那個時代的權威學者是服務於「巴伯瀝青鋪路公司(Barber Asphalt Paving Company)」的理查生(Clifford Richardson)，理查生經由分析當時的瀝青鋪面材料，瞭解到粒料間孔隙(VMA)及空隙率(VA