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、檢測及分析所需的先進設備及領先技術，以提供影響瀝青工業技術問題解決方案而聞名，並且是高性能標準的新科技應用推廣中心。

AI也加入瀝青鋪面聯盟(Asphalt Pavement Alliance, APA)協力推廣瀝青相關產品。APA是由鋪面工業界組成的行業聯盟，願景為透過研究、技術轉移、工程、教育及創新，進一步提昇熱拌瀝青鋪面的品質並推廣其應用。

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瀝青鋪面聯盟網址 https://www.asphaltroads.org

AI出版專書並舉辦研討會，闡述各種不同瀝青鋪面的設計、施工、養護、翻修所需的知識及應用實務技術。

由AI出版的瀝青雜誌(Asphalt Magazine)擁有超過18,000個專業訂戶，該雜誌提供最新的瀝青工業相關產品技術資訊。

瀝青雜誌網址 http://asphaltmagazine.com

AI符合美國稅收法關於商業聯盟免徵所得稅之條款規定。

AI的手冊系列出版品介紹：

• MS-1 Thickness Design-Asphalt Pavements for Highways and Streets 厚度設計
• MS-2 Asphalt Mix Design Methods 瀝青配比設計法
• MS-3 Asphalt Plant Manual 瀝青拌合廠手冊
• MS-4 The Asphalt Handbook 7th Edition 第七版瀝青手冊
• MS-6 Asphalt Pocketbook of Useful Information 有用的瀝青資訊口袋書
• MS-12 Asphalt in Hydraulics 瀝青於水利工程應用
• MS-14 Asphalt Cold Mix Manual 冷拌瀝青手冊
• MS-16 Asphalt in Pavement Preservation and Maintenance 瀝青鋪面保養維護手冊
• MS-17 Asphalt Overlays for Highway and Street Rehabilitation 公路及街道瀝青加鋪手冊
• MS-19 Basic Asphalt Emulsion Manual 乳化瀝青手冊
• MS-22 Construction of Quality Asphalt Pavements 瀝青鋪面施工品質手冊
• MS-23 Thickness Design-Asphalt Pavement for Heavy Wheel Loads 高荷載瀝青鋪面設計手冊
• MS-24 Moisture Sensitivity-Best Practice to Minimize Moisture Sensitivity in Asphalt Mixtures水敏感性-降低瀝青鋪面水侵害實務
• MS-25 Asphalt Binder Testing Manual-Technician’s Manual for Specification Testing of Asphalt Binders 瀝青膠泥試驗手冊-瀝青膠泥規範試驗技術員手冊
• MS-26 Asphalt Binder Handbook 瀝青膠泥手冊(包括如何依照交通荷重和氣候環境選定正確的成效等級瀝青膠泥)

AI MS-2配比設計手冊的發行

自1919年美國瀝青協會任命哈伯(Prevost Hubbard)為該會首席科學家並發表瀝青配比設計法(哈伯法)以來，2014年出版的MS-2手冊是該學會持續第55年出版這本在業界最有影響力的配比設計法手冊。這本瀝青配比設計手冊仍舊保留其一貫務實、可行、及先進的特點，但在內容上，2014年的第7版則有了相當大的改變，甚至可以形容成「進入一個新的世紀」。

自從上世紀末超級鋪面(Superpave) 配比設計法提出以來，由1995年開始，美國已經有好幾個州公路單位的部份工程改採用Superpave的配比設計方法，強調應在設計階段考慮鋪面結構設計、及材料預期成效的Superpave法，在成效試驗上使用直接剪力試驗機、低溫間接張力試驗、撓曲樑疲勞試驗等一系列昂貴複雜的設備，先進但離務實可行尚遠(詳參作者另文如何評估不同鋪面材料的使用成效？)。2011年的NCHRP的熱拌瀝青混凝土設計手冊，則對Superpave配比設計法做了修正，以混合料的流變學原理改用不算簡單的動態模數試驗的所謂簡單成效試驗(Simple Performance Tester, SPT)來評估抗車轍變形潛勢，經過搭配設備開發商的努力，普及了至少看起來簡單且改稱為瀝青混合料成效試驗儀(Aspahlt Mixture Performance Tester, AMPT)的設備。現在Superpave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，2014年美國瀝青協會(Asphalt Institute, AI)將其出版物的手冊系列(Manual Series No. 2, MS-2)中的說明傳統馬歇爾法和威氏法的MS-2第6版，和另行說明Superpave法的SP-2，融合成MS-2的第7版。

其實這本手冊描述的馬歇爾法、威氏法、及超級鋪面法等三種配比設計方法，主要目的都是用來協助路面工程師選擇一個恰當的瀝青含量，以免正式執行鋪築時對混合料的瀝青用量毫無頭緒可循；誠然，瀝青鋪面的成效與混合料的耐久性、水密性、強度、穩定性、勁度、柔性、抗疲勞性及工作性等相關，但，不可能有一個瀝青含量可以達成所有相關性質的最大化，因此，配比設計的最終的目的是要選擇一個特別的瀝青含量，以使組成的瀝青混合料具有所有這些與鋪面成效相關的特性之間達到平衡。其次是每一種方法都有其各自發展和引用的環境背景，當這些環境因素背景與實際面對狀況有差異時，很可能需要將設計方法加以適當修正，所以路面工程師有必要瞭解這些配比設計方法的發展背景、理論依據、及考慮的各項環境因素，而不只是曉得如何按步就班地執行配比設計，以便能有足夠的能力，執行適當的調整以符合各種不同環境狀況的需求。

該手冊依續逐章介紹材料、試樣備製、水敏感及混合料試驗、體積特徵及混合料成效試驗，如圖1.1所示，其它的考量和相關規範需求也在適當的章節中加入。對高承載鋪面的瀝青混合料，在水敏感試驗之後或同時間，需執行抗車轍成效試驗甚至連同抗疲勞成效試驗；有些單位的規範會要求使用密級配以外的瀝青混合料，像是越級配或是開放級配，由於這兩種粒料級配的粒料間孔隙較大，設計與施工的方法略有不同，應參照面手冊第12章的相關說明。由圖可知該手冊依續逐章介紹材料、試樣備製、水敏感及混合料試驗、體積特徵及混合料成效試驗，其它的考量和相關規範需求也在適當的章節中加入。

圖1.1、AI第七版MS-2描述的瀝青配比設計流程及對應章節

(譯自AI MS-2 7th edition Fig 1.1)

對高承載鋪面的瀝青混合料，在水敏感試驗之後或同時間，需執行抗車轍成效試驗甚至連同抗疲勞成效試驗；有些單位的規範會要求使用密級配以外的瀝青混合料，像是越級配或是開放級配，由於這兩種粒料級配的粒料間孔隙較大，設計與施工的方法略有不同，應參照該手冊第12章的相關說明。

對台灣地區引用AI MS-2手冊配比設計的三點建議

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，若出現看似微小的差異，常對鋪面的壽年及養護費用有顯著的顯響；配合比設計的主要目的就是要建立稱為「工作拌合公式(Job MIx Formula, JMF)」的生產配方及製程控制目標。

早期的配比設計偏重在協助路面工程師選擇一個恰當的瀝青含量，以免正式執行鋪築時對混合料的瀝青用量毫無頭緒可循，較少探究不同組成材料間的最佳化組合(配合比例)，現代的配比設計則應顧全局，從原料的選擇到以可靠的成效試驗評估各種不同的組合，進而選定設計較佳的配合比例供生產所用(工作拌合公式JMF)。作者瀏覽新版AI MS-2配比設計手冊，認為台灣地區應儘速引用新觀念和技術來提昇瀝青鋪面的成效，在全面導入超級鋪面設計法之前，立即有效可行的有以下三點。

1. 提昇混合料體積特徵觀念及量測精度：經過超級鋪面設計法在美國施行多年的經驗，瀝青鋪面的成效與混合料的體積特徵有非常密切的關係，在實驗室設計瀝青混合料的配合比，最重要的是分析該混合料在鋪面結構中的可能成效，無論是採用哪一種設計方法，都要求出(1)密度、(2)空隙率、(3)粒料間孔隙、(4)孔隙填滿瀝青百分比、及(5)瀝青含量等五頊影響混合料性質的體積特徵並進行分析(詳參作者另文掌控瀝青混凝土的體積特徵提昇鋪面品質)。提高量測精度的方法亦有三項：(1)AI建議實驗室拌製混合料要預烘2小時再夯實以便能正確考量粒料的吸油率而得到正確的體積特徵；(2)傳統水置換法在試體有超過2%吸水率時誤差較大，以特製真空封膜機對較粗的密級配、越級配、開放級配試體以包膠膜後稱空中重與水中重，取代飽和面乾空中重和水中重；(3)理論最大密度試驗用較完整的設備(適當校驗抽氣容器搭配真空壓力錶及震動台)提高量測精度。
2. 加強選擇設計粒料結構：台灣地區仍採用馬歇爾法配比設計，以往常有粒料間空隙不符合規範的問題，若能引用該手冊第5章「選擇設計粒料結構(Selecting a Design Aggregate Structure)」的概念應可避免(詳參作者另文瀝青混凝土類別與設計粒料結構)。除了加強確保粒料的品質符合規範外，選擇設計粒料結構是指計算調配數種符合粒料級配規範的粒料組成，用試拌瀝青含量依規定方法，每種試拌級配拌製二個混合料試樣，一個鬆散冷卻後用以求得理論最大密度(Gmm)，另一個夯製成試體求得單位重(Gmb)，藉以計算分析不同粒料級配結構的體積特徵(空隙率Va、粒料間空隙VMA等)，選定較佳的粒料架構後，再用不同的瀝青含量進行後續的體積特徵分析、抗水侵害能力及需要的成效試驗。
3. 積極改善過時及不切實際的配比設計的問題：過時及不切實際的配比設計經常是生產製程的主要問題，工地驗證就是要避免配比設計過時或配比設計不切實際的問題。施工前好幾個月做的配比設計，亦或是配比設計採用的材料沒有代表性(與實際生產料堆的性質不同)，在做工地驗證時會出現無法接受的差異；此時，若是在熱拌廠進行調整是可能可以符合諸如粒料級配這類的規定的，但一般很難符合體積特徵及成效相關的規定；應先確認哪些差異是可以在生產製程中調整，再用系統化的方法，一次調整一個關鍵因子；例如，若粒料的料源特性不符合規定，則不可以用製程來調整，必需選用合規定的材料，重新執行配合比設計；組成粒料的比例調整及瀝青用量是較常調整的部份，但同時調整兩個因子常產生效果抵消，故，應一次調整一個因子。台灣地區源於砂石來源及品質不穩定，且驗收以瀝青含量及粒料級配為主，大部份狀況以熱拌廠方調整粒料級配禁調瀝青含量因應，故出現許多問題，例如壓實度超過100%，工程人員缺乏理論支撐常不知所措，甚至消極至強烈要求一定要符合實驗室提出的拌合公式(JMF)，沒有該手冊第13章所謂最終調整後工作拌合公式(Adjusted JMF, AJMF)的空間，進一步惡化配比設計不切實際的問題。(詳參作者另文「消除配比設計過時及不切實際的問題 加強熱拌廠核實驗證拌合公式」