中華鋪面研究室

不容忽視的抗水侵害評估 瘋狂(MAD)：水激活的破壞(Moisture Activated Distress) 在歐美的工程實務上，瀝青鋪面因水侵入而引發的瀝青鋪面破壞是公認為較複雜且引發後續較高養護經費需求的破壞模式，從AI MS-2建議的配比設計流程，如圖1所示，在配比設計的末段要對水敏感進行評估(原文為水敏感mositure sensitivity，作者譯為抗水侵害測試)，足可見其重要性；由於評估方法中最受大家信賴的AASHTO T283間接張力強度比TSR指標，需用空隙率為7%的溼乾兩組試體對比間接張力強度值，採用馬歇爾試錘夯製試體較難精確控制試體空隙率，浸水模擬步驟繁復且試驗誤差較大，使得鑑別度不高而不受國內重視，加上國內鋪面工程實務普遍用保固年限對耐久性的要求不高，對瀝青鋪面水侵害的探討較少。本文重點介紹瀝青鋪面受水侵害的機理及評估方式，搭配國內少有的鋪面破壞調查案例及該案例出現的「水激活的破壞」，是標準的水與交通荷重共謀的路面破壞，「狂妄(MAD)」的程度足以用來提醒鋪面工程師，千萬不要因為瀝青是享有盛名的防水材料而忽視水侵害評估。 圖1、AI第七版MS-2描述的瀝青配比設計流程及對應章節[1] 鋪面水侵害的機理 水對鋪面侵害的機理有化學和物理兩類因子，化學因子主要是瀝青分子與粒料顆粒表面之間的介面作用，及此作用在有水的狀態下如何改變，物理因子則主要是指各種阻止水侵入瀝青與粒料顆粒間介面的方法，後者應該經由在鋪面設計上考慮適當的排水配置和施工階段的良好滾壓來預防。 鋪面的水侵害一般視為因水的作用使瀝青鋪面失去力學性能而出現的嚴重破壞，在鋪面上出現的破壞現象有鬆散、局部坑洞、疲勞開裂(鰸魚皮裂紋)、車轍、及冒油等，幾乎所有類型的破壞型式都可能與水侵害有關，這是因為瀝青鋪面正常的空隙率在3%到8%之間，雨季時鋪面中有水是正常的現象，故鋪面中的水受交通荷重重覆作用而出現反覆的孔隙水壓變化，在瀝青與粒料間的界面反覆沖刷，這種在鋪面內部的物理性擠壓沖刷，足以使瀝青本身的凝聚力喪失，而使鋪面失去力學性能。 化學性的機理則是因水的存在使得瀝青與粒料間的黏結力喪失，通稱為剝脫(stripping)，粒料顆粒表面與瀝青分子之間的黏結力本質上是兩種不同固體界面的化學鍵，水分子以滲透作用侵入此界面改變瀝青與粒料表面介面之間的作用力，是基於固體表面自由能的表面熱力學現象。水分

 超級鋪面配比設計法中的混合料成效試驗 (Performance Tests in Superpave Mix Design)                     成效試驗用來檢測成效，理想上，應可達到三種目的：(1)用來評估配比設計預計提出的瀝青混凝土配方的預期成效；(2)判斷不同材料或是不同設計方法的可能成效；(3)直接判定瀝青混凝土的品質優劣。以往投入的許多瀝青混凝土的成效試驗研究(詳參作者另文 如何評估不同鋪面材料的使用成效? )，為達成成效試驗的理想奠定了基石。本文介紹美國瀝青協會新版(2014)配比設計手冊中建議的成效試驗，主要是想達到第(1)項目的，以期能完善瀝青混凝土的配比設計。 選擇性執行混合料的成效試驗 AI MS-2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所示。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。 圖1、AI第七版MS-2描述的瀝青配比設計流程及對應章節[1] 從瀝青鋪面的主要破壞形態來看，有永久變形、疲勞開裂、及低溫龜裂等三種，在配比設計時應該分析考量這些破壞潛勢。由於執行不易，AI MS-2認為只有特別重要的鋪面才需要對所有三種破壞模式進行成效評估，對已有許多成效經驗的傳統密級配瀝青混凝土，建議依表1選擇性執行成效試驗。 表1、美國AI MS-2配比設計手冊建議對傳統瀝青混合料執行的成效試驗[1] 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又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。AI MS-2建議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。 鋪面開裂依肇因區分為反覆交通荷重引發的疲勞開裂和與交通荷重無關由溫縮應力造成的溫縮龜裂。由交通荷重引發的疲勞開裂受到許多變數的影響，像是粒料級配、瀝青特性、及混合料的體積特徵等，AI MS-2原則上建議傳統瀝青混凝土可以不必執行抗疲勞成效試驗，但若使用單位認為有需要，則可以指定執行適當的抗疲勞開裂試驗；對於非傳統瀝青混凝土預期會有3百萬ESAL以上的交通荷載，則建議執行撓曲梁疲勞試驗評估其抗疲勞開裂能力。 造成溫縮龜裂主要是瀝青混合料的材料因子，特別

  超級鋪面(Superpave)配比設計法 美國路面工程界在上個世紀80年代開始就一直有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急劇增加，而傳統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(Strategic Highway Research Program, SHRP)，就是以發展一套良好的配比設計方法為主要目標，主要成果有二項[1]：(1)瀝青膠泥的成效分級系統(Performance Grading System, PG grades)(詳參作者另文 瀝青的成效分級制 )和(2)新的配比設計法稱為「超級鋪面(SUperior PERforming Asphalt PAVEments, Superpave)法」。 超級鋪面法的旋轉夯實機與夯實方法規定 執行超級鋪面法配比設計所需的一項重要設備為超級鋪面旋轉夯實機(Superpave Gyratory Compactor, 簡稱為SGC)，圖1為主要部件與率定參數示意及兩種不同設計型式SGC的照片。不同於馬歇爾夯壓機或揉搓夯實機，SGC在實驗室內夯得的試體密度與在實際交通壓實的密度相近，不僅如此，以此種夯實機具所得試體內粒料顆粒的定位排列方式(Orientation)與實際路面的狀況較類似；實際上SGC是由以往工程界使用的旋轉式夯壓機(Gyratory Compactor，詳參作者另文 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 )所改良而得，這種夯實儀器控制夯實能量的參數計有垂直壓力、旋轉角度、及轉數共三個，超級鋪面配比設計法固定使用垂直壓力600kPa(87psi)，旋轉角度固定為1.16度，每分鐘旋轉30次，以不同的旋轉次數做為「夯實參數(Compaction Parameters)」來模擬不同的交通荷重的夯實程度。 圖1、超級鋪面旋轉夯實機(SGC)的照片、主要部件及率定參數 原馬歇爾法對交通荷重的考量以設計ESAL數分別為< 10 4 、 1 0 4 ~10 6 、及> 10 6 區分為輕、中、重三級，對應馬歇爾試