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)的重要性，遂在1905年出版「現代瀝青鋪面(Modern Asphalt Pavement)」，書中說明一種決定最佳瀝青含量的試驗方法稱為「拍印試驗(Pat Test)」，乃以牛皮紙壓印不同瀝青量拌成的瀝青混合料，也就是把各種不同瀝青含量拌成的瀝青混合料攤鋪在平面上，用相同的牛皮紙逐一拍印後觀察紙上油漬痕跡，適當的油漬痕決定最適當含油量，此種方法可以說是最早的配比設計法[1、3]；隨著施工及拌合機具的再進步，廠拌瀝青混凝土開始大量出現，由於粗粒徑顆粒不易裹覆瀝青，故當時巴伯公司的廠拌瀝青混凝土，主要由千里達湖瀝青、碎石砂、及填縫料組成，最大粒徑都在3/8英吋以下，稱為「片瀝青(Sheet Asphalt)」，鋪在灌入式馬克當路面聯結層(Binder Course)上做為很棒的摩耗層(Wearing Course)。(原來巴伯公司專門生產瀝青砂，應該是好施工吧!)

美國「華倫兄弟公司(Warren Brothers Company)」也由一位名為Frederick Warren的鋪面專家於1901年發展稱為Bitulithic的瀝青混凝土，用大量大於3/8英吋、小於3英吋的粗粒料，以機械拌合成更接近現行熱拌瀝青混凝土的混合料鋪築，獲得美國專利甚至以公司名為「華倫石(Warrenite)」，並證明為相當成功的瀝青面層，針對當時盛行的(馬車)剛性車輪，與巴伯瀝青粒徑小的片瀝青比較，有相當優越的抗變形效果，當時華倫公司鋪的馬路都嵌上華倫石的標章以辨真偽如圖2所示；大約在這個時期，美國德州農工教授Roy Green，針對Bitulithic瀝青混凝土進行研究，並提出密級配的重要性及判斷方法，華倫石不但抗變形效果很好，且因使用較大粒徑密級配，需要添加的瀝青量較低也可以使用較軟的瀝青膠泥，因此成本更低使Bitulithic的使用相當成功，但因華倫兄弟公司的專利權而影響到普遍性。(百餘年前就用大粒徑抗變形，粗粒料的架構是關鍵，用這個觀念申請專利的華倫兄弟公司肯定賺翻了，幸好法官於1912年判決的Topeka條款有利於公務部門，才免除了瀝青砂很難抗重壓的困擾)

圖片來源：https://live.staticflickr.com/5/9772472_f120779839_b.jpg

圖2、華倫石防偽標章

1909年，堪薩斯州Topeka市政府未獲華倫兄弟公司同意，逕自生產使用粒徑大於3/8英吋的瀝青混凝土，而遭到控告違反專利法，經過訴訟，法院於1912年判定「當瀝青混凝土之最大粒徑小於1/2英吋時，並不違反Bitulithic的專利」，此一稱為「Topeka條款」的判決，在全美國形成鼓勵使用較小粒徑的趨勢，此種粒徑較小的瀝青混凝土，不但容易鋪平且較適合機械化施工，但在重壓下容易產生側向推擠車轍[3]；幸好當時橡膠輪胎發明，並取代原剛性車輪大量用於重型車，而將接觸壓力大量降低，因此，一直到Bitulithic的專利權於1920年屆滿後，鋪面工程界仍盛行使用粒徑小於1英吋的瀝青混凝土，沒有要改用大粒徑的動力；直到二十世紀的尾聲，高胎壓之重車胎盛行後，由於接觸壓力急速增加，標稱最大粒徑大於1英吋的大粒徑瀝青混凝土，有再次出現以降低車轍發生之趨勢。(沒想到二十世紀橡膠輪胎的發明也救了以工作性為主要考量的鋪面工程師，回顧這段歷史，鋪面工程師應緊記「抗車轍粗粒料架構才是王道!」)

大約在1920年代中期，服務於美國瀝青協會(Asphalt Institute, AI)的哈伯(Hubbard)及Field發展一種穩定值的試驗方法，以一直徑1.75英吋的金屬環，壓穿直徑2英吋、厚1英吋的片瀝青試體，所需的最大荷重稱為哈伯穩定值，將不同瀝青含量試體之Hubbard穩定值，繪於圖上，用曲線特微決定最佳瀝青含量，此種方法稱為哈伯配此設計法，盛行於馬歇爾(Marshall)法發明之前[3]。(註：哈伯金屬環不容易壓穿粒徑較大的華倫石)

美國加州相當有名的工程師威氏(Francis Hveem)於1920年代末期，針對當時的油溶瀝青混凝土進行一系列的研究，威氏應用粒料表面積的觀念，確認含油量與粒料級配間的關係，並發明煤油當量試驗，用以決定不同粒料級配的適當含油量範圍；威氏不但用標準化的揉搓夯壓機進行試體的夯製，以便能模擬當時施工採用的鋼輪和膠輪滾壓，也認為光是適當的瀝青含量無法確保抗變形能力，還必需有足夠的抗剪力，也就是在配比設計時應該要有力學成效試驗輔助，因此，發展威氏穩定儀(Hveem Stabilometer)，將直徑4英吋、厚2.5英吋之試體，用橡膠膜裹覆置於固定圍壓之油糟中，施垂直壓力於圓面上，量測經由油壓傳遞的「水平變形量」，稱為威氏穩定值，如圖3所示。

圖3、威氏穩定儀之圖示及照片[4]

一般狀況下，若試體為水，威氏穩定值為0，若試體為鋼，則威氏穩定值為100，瀝青混凝土的威氏穩定值必需大於37才有足夠抗剪力。威氏也發展另一種稱為凝聚儀(Cohesiometer)的簡單儀器，如圖4所示，量測以油溶瀝青拌成的混合料會否因車輛造成的水平力而鬆散，但自從改用熱拌瀝青後，大都不會有因車輛造成的水平力而鬆散的狀況，因此，凝聚儀試驗對熱拌瀝青混凝土而言，已沒有必要。

圖4、凝聚儀之試驗圖示[4]

著名的馬歇爾法是在1939年，由美國密西西比州公路局的工程師馬歇爾(Bruce Marshall)發明，馬歇爾認為實驗室夯製的試體要有與實際交通荷重後相一致的密度，且建議在確保穩定值和流度值符合最低要求的前題下，選擇密度最大時的瀝青含量。在二次大戰期間，馬歇爾法被美國工兵團採用，針對大戰期間的機場需求，美國工兵團採用馬歇爾法執行許多現場及試驗室內的試驗，欲以試驗室夯製試體模擬現場經飛機滾壓後的鋪面，以便選擇最佳瀝青含量，並能適合於現場執行品質控制，依據該研究結果，選擇10磅重的試錘、試體每面夯打50下為標準，該項標準在1950年代因飛機胎壓增至200psi而更改為試體每面夯打75下，並針對車轍，主張應限制天然砂的含量[3]。

由於美國工兵團及往後許多單位的努力，建立許多試驗室夯製試體孔隙與實際路面孔隙間的關係，採用馬歇爾法夯製之試體，最能模擬鋪面之空隙狀況，亦具有最多經驗資料，且因所需儀器設備較簡單，如圖5所示，是使用最普遍的配比設計及品質控制方法。由1940年代開始，一直到1990年代，長達50年的時間，幾乎所有的瀝青混凝土，不是用馬歇爾法(Marshall’s Method)就是用威氏法(Hveem’s Method)設計。根據1984年的統計資料[2]，全美國有75%的州公路單位偏向於採用馬歇爾法，其餘25%則傾向於採用威氏法來執行配比設計。

圖5、馬歇爾法配合設計所用的儀器

馬歇爾法的主要原理乃在於選擇適當的試驗室夯壓方式，以模擬實際路面承受交通荷重後的密度，並依據各項特性選擇最適當的瀝青含量，因此，不同設計交通量路面的瀝青混凝土，需以不同的夯壓次數進行設計，亦即，執行配比設計時，夯製試體的密度，必需能模擬往後經交通荷重輾壓後的路面密度(或空隙率)，否則，若夯壓方式不能模擬將來的交通荷重，則可能因實際交通荷重過大，而將路面壓至空隙率過低而發生流動，又或是交通荷重過低而未能達到試驗室壓製的空隙率，而使路面因在設計時選擇的瀝青舍量太低而產生耐久性的問題。

愈來愈多數據證明基於1950年代經驗而選擇的重交通夯製馬歇爾試體方式(每面各75下)，並不能代表近年來的重交通荷重輾壓後的路面空隙率[3、5]，且面對各種不同交通荷重，馬歇爾試錘顯然不敷所需。旋轉式夯壓機(Gyratory Compactor)，如圖6所示，因較接近路面實際夯壓狀況，且具有以同一試體持續觀測夯壓(旋轉)次數與空隙率關係的能力，若採用傾角可變的氣壓式滾輪機型，還可以旋轉夯實時的滾輪反壓力，估算試體的抗剪力。1993年完成的SHRP研究，即主張在配比設計時，以旋轉式夯壓機取代馬歇爾試錘作為夯製試體的標準方法。

圖6、旋轉壓實試驗之儀器設備及照片[3]

美國路面工程界在1980年代開始就一直有應該要改進瀝青混凝土配比設計方法的聲音出現，主要的問題是因為交通荷重的急劇增加，且傳統的配比設計法並未針對不同的交通量、不同的軸重、乃至不同的環境而有不同的因應方式，甚至有許多的工程師認為好的配比設計方法，除了協助決定瀝青含量外，更要能以恰當的配比設計試驗，來預估或控制路面上可能出現的車轍、疲勞、及溫縮裂縫等破壞。

在這樣的背景環境下，1988年開始進行的策略性公路研究計畫(SHRP)，共花費5千萬美元的主要成果有二項[5]：(1)瀝青膠泥的成效分級系統(Performance Grading System, PG grades)和(2)新的配比設計法稱為「超級鋪面(SUperior PERforming Asphalt PAVEments, Superpave)法」。以新的超級鋪面法設計而鋪築的第一段鋪面在1990年代初期成功完成，此後陸續實務驗證標準化設計方法，並逐漸於美國及加拿大的鋪面工程中採行。超級鋪面法使用旋轉式夯壓機製作試體，並經由體積關係分析來決定最佳瀝青含量，再以抗水侵害試驗及依交通荷重情況決定的成效試驗來驗證所設計的混合料是否適當。

超級鋪面設計法建議以旋轉壓實機製作試體，且分析試體在不同旋壓圈數的空隙率變化，也針對不同的預期交通荷重及環境狀況，採用不一樣的旋壓圈數，獲得最多的肯定及普遍應用；但在成效試驗方面，提出以混凝土的低溫張力試驗、撓曲梁疲勞試驗、及直接剪力試驗，分別評估低溫開裂、疲勞開裂、及車轍變形，採用的儀器設備相當複雜，缺乏實用性很難做為常規的QA/QC試驗。

針對早期Superpave建議的成效試驗設備太過複雜沒有實用性的缺陷，NCHRP Project 9-29提出以簡單成效試驗(Simple Performance Tester, SPT)做為替代，SPT是較為簡化的動態模數試驗儀器，如圖7所示，可以動態模數試驗(Dynamic Modulus Test)、重覆荷重潛變試驗(Repeated Load Creep Test, 又稱為Flow Number Test流數試驗)、及靜態潛變試驗(Static Creep Test)評估在不同環境狀況下的疲勞開裂及車轍變形。

圖7、簡單成效試驗(Simple Performance Tester, SPT)照片[6]

美國聯邦公路總署(FHWA)將SPT改名為瀝青混合料成效試驗(Asphalt Mixture Performance Tester, AMPT)，並總結經過多年使用超級鋪面設計法的經驗，在2011年出版的NCHRP Report No. 673，列出下列結論[5, 7]：

1. 特別重要的鋪面才需要對所有三種破壞模式(車轍、荷重疲勞開裂、及溫縮龜裂)進行成效評估。
2. 三種破壞模式中，車轍變形主要受粒料稜角性、瀝青勁度、及瀝青含量等組成因子影響，且這些組成因子的影響相糾結成很難評估的不能預期的過早破壞，因此，特別需要在實驗室以多種儀器評估車轍破壞。
3. 若瀝青混凝土預期會有3百萬ESAL以上的交通荷載，則應在配比設計時在實驗室適當評估其車轍成效。
4. 該研究報告建議使用AMPT實驗的複變模數或流數試驗來評估車轍成效。
5. 許多研究顯示疲勞破壞主要受瀝青混凝土中的有效瀝青含量所控制，因此，只要配比設計要點中的VMA和VA受到適當控制，也就控制有效瀝青含量，則設計的瀝青混凝土會有適當的抗疲勞能力。
6. 許多研究顯示鋪面溫縮開裂主要由瀝青的特性所主導，因此，只要確保採用的瀝青膠泥在預期的低溫環境下具有適當的低溫性質，就能有抗低溫龜裂的能力。

美國瀝青協會出版的手冊系列是全球鋪面工程師倚重的技術指引，瀝青配合設計法是手冊編號2(MS-2)，在2014年更新為第7版，鑑於美國大部份州公路局已經採用超級鋪面法，故將針對超級鋪面法發行的SP-2手冊，融入原只有馬歇爾法和威氏法兩種的第6版MS-2，使得第7版MS-2描述馬歇爾法、威氏法、及超級鋪面法三種。總結現代成熟的瀝青配比設計流程如圖8所示。

圖8、現代成熟的瀝青配比設計流程[5]

臺灣地區的瀝青混凝土大都是採馬歇爾法設計，且由於材料性質的差異不大，大部份的設計結果都相當類似，因此既使是有許多設計經驗的路面工程人員，也很少累積足夠配比設計經驗而缺乏依不同狀況調整的能力，甚至受制於砂石粒料來源及品質變異而忽視配比設計的重要性；作者依照台灣地區執行瀝青配比設計的經驗，指出圖中的兩個值得深思的重點，提醒鋪面工程人員多加留意。

1. 三個不符合迴圈強調材料選擇及配料：與水泥混凝土不同，膠結料多寡對穩定性與耐久性的影響方面是不一致的，高瀝青含量能確保耐久性但穩定值變差，只要能順利夯實，降低瀝青含量即可提高穩定性；以適當的夯製試體方法，分析體積關係時，確保耐久性的瀝青含量很重要，在此前題下，若有體積關係指標不符合時，應重新配料或選擇其它材料來調整，而不建議降低瀝青含量來達成；同樣的觀念，適用在抗水侵害不合格時，也應用在成效試驗不合格時。
2. 工地核實驗證拌合公式(JMF)：實驗室評估完成的拌合公式，一定要經過工地核實驗證，因為實際生產熱拌瀝青混凝土的工廠環境相較於實驗室有細粉料增多及瀝青老化程度不同兩個複雜的因素，負責配比設計的人員及在拌合廠負責生產品質控制的人員，要有共同的體認，要盡力將實驗室拌製的混合料，接近工廠實際生產的混合料，有些人把這個動作稱作「配比確認(mix verification)」。

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參考文獻

1. D.G. Tunnicliff ,R.W. Beaty and E.H. Holt, A History of Plants, Equipment and Methods in Bituminous Paving, AAPT Vol.34s ,1974.
2. Kandhal, P. S., and W. S. Koehler, “Marshall Mix Design Method: Current Practices”, Proceedings, Association of Asphalt Paving Technologists, Vol. 54, 1985.
3. Freddy L. Roberts, Prithvi S. Kandhal, E. Ray Brown, Dah-Yinn Lee, and Thomas W. Kennedy, Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design, and Construction, 2nd edition, 1996, NAPA Education Foundation, Lanham, Maryland., Chapter 4.
4. The Asphalt Institute, Asphalt Cold Mix Manual, Manual Series No. 14 (MS-14), 3rd edition, 1989.
5. The Asphalt Institute, Asphalt Mix Design Methods, Manual Series No. 2 (MS-2), 7th edition, 2014, Chapter 1.
6. Bonaquist, R.F., Christensen, D.W., William Stump, Simple Performance Test for Superpave Mix Design: First-Article Development and Evaluation, NCHRP Report 513, 2003.
7. Advanced Asphalt Technologies, LLC, A Manual for Design of Hot Mix Asphalt with Commentary, NCHRP Report 673, 2011.