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。
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。水分子滲入瀝青與粒料表面的速率受裹覆在粒料表面的瀝青膜厚度影響。
在配比設計時選擇設計較高粒料間空隙(VMA)的粒料架構來容納高瀝青含量，提高裹覆粒料顆粒的瀝青模厚度，就是兼顧承載力且又確保耐久性的有效方法。物理性的水侵害最有效的抑制方法則是提高鋪面施工的品質，確保有效排水減少水存在鋪面內部空隙的量與時間。
水侵害的評估方法
瀝青混凝土配比設計程序中以「水敏感度評估(moisture susceptibility)」即是用來鑑別混合料有否受水侵害的疑慮，亦即評估預期的抗水侵害成效，早期鑑別水敏感度的方法較為簡易，定性法如1920年代出現將鬆散的混合料浸在水中煮沸一段時間後，觀察粒料剝脫的多寡，定量法如1940年代用溼乾兩組試體的穩定值(或強度)的比值，統稱為滯留強度指數(indices of the retained strength)，與經驗門檻值比對是否超過。
在2014年第七版AI MS-2配比設計手冊中除了傳統定性的煮沸法(ASTM D3625)外，詳列兩種較受信賴的評估方法：AASHTO T283間接張力強度比，浸水漢堡輪跡試驗(AASHTO T324)。
間接張力強度比至少要用6個夯成空隙率在7%±0.5%圓柱試體，將其分成乾、溼兩組且控制兩組各三個試體的空隙率平均值相當，乾組為控制組，擺在室溫直到執行間接張力試驗時，以浸水或是恒溫控制艙控制試驗溫度為25℃；溼組的三個試體則浸入水中並且以真空控制水侵入試體內的空隙達到飽和度在70%至80%之間，再置入零下18℃冰凍16小時後(此步驟亦可省略)，再置入60℃水浴24小時，再取出與乾組一樣以浸水或是恒溫控制艙控制試驗溫度為25℃後，執行間接張力試驗，求出間接張力強度值。
間接張力試驗的荷載裝置如圖2所示，荷載速率為每分鐘50mm(與馬歇爾穩定值的荷載速率相同)，溼組三個試體的間接張力強度平均值，除以乾組三個試體的間接張力強度平均值得張力強度比值(Tensile Strength Ratio, TSR)，以此TSR值代表抗水侵害的能力，TSR值愈小代表水侵害愈嚴重，也就是抗水侵害能力較差(或是對水較敏感)。一般認為TSR值大於0.8即代表具抗水侵害能力(對水不敏感)，反之，若TSR小於0.6則抗水能力較差。
漢堡輪跡試驗(Hamburg Wheel Tracking, HWT)則如圖3所示，是在1970年代由德國漢堡市的工程師發明，該儀器實際上是仿造英國運輸與公路研究實驗室(Transportation and Road Research Laboratory，簡稱為TRRL)的類似儀器，並將TRRL採用的橡膠輪胎改成鋼輪，以此鋼輪在浸在熱水中的瀝青混凝土版表面上來回滾動，在一定的滾動次數後，量測輪跡的深度，以判斷該瀝青混凝土在水份侵害環境下的抗車轍能力；新版也改成可以適用SGC夯製的圓柱試體(或是實際路面鑽心試體)。除了溫度控制外，也有浸水及不浸水兩種試驗模式，大部份鋪面工程師認為浸水模式可以很好地體現交通荷載和水侵害的交互重疉破壞作用，是評估混合料抗水侵害的重要模式，一般量測所得數據如圖4所示。圖4中的剝脫斜率大過尚末有明顯水侵入作用的車轍斜率，兩斜率線的交點稱為剝脫拐點(Stripping Inflection Point, SIP)代表在這個滾壓次數時，顯現水與輪荷重的交相加疉作用開始使試樣的變形加劇。
圖4、浸水漢堡輪跡試驗數據中的剝脫拐點[1]
漢堡輪跡試驗已列入AASHTO T324，試樣浸入的水溫依各使用地區而不同，一般在40℃到60℃之間，大部份鋪面工程師認為這個試驗是非常嚴荷的水侵害評估試驗，目前的破壞認定界限大部份是用在某一來回滾壓次數(例如8,000次來回滾壓)後的車轍深度，例如不能超過12.5mm，也有些使用單位堅信剝脫斜率及剝脫拐點是代表鋪面抗水侵害的重要指標，而將剝脫拐點代表的滾壓次數做為判定界限。
這些評估方法的主要缺陷是(1)與實際鋪面成效較無相關lack of connectivity with the field performance，(2)沒有針對機理評估inability to address the mechanisms that govern stripping。因此，由學術單位探究中的方法，有使用Superpave建議的動態模數試驗，採用實際交通荷重會出現的荷重模式，搭配表面熱力學(surface thermodynamics)原理，從表面自由能(surface free energy )在水侵害機理的基本性質上尋求突破中[2]。
鋪面水侵害的處理方式
在混合料判定有水敏感疑慮後，應採適當的處理方法來避免，由於現行評估方法有前節所述的缺陷，因此，處理方式也依各地區的經驗而不同，包括對瀝青添加可以改變界面性質的液態化學防剝劑，對粒料添加石灰，及對粒料添加高分子聚合物(SBR)乳液等。這些方法都應在試驗室用代表性的瀝青、粒料、及添加劑，使用正確的添加劑量與方法，拌成混合料後夯成試體再執行抗水侵害評估；由於程序繁複，若遇有多種方法待選時，可以初步用傳統煮沸法(ASTM D3625)進行篩選，一般經煮沸後，裹覆率未達95%則應判定處理方法無效。
水侵害破壞案例
鑑於國內鋪面維修習慣，少有損壞調查案例，本案於1996年完工通車，1998年北上車道出現局部車轍變形，過於嚴重故於1998年10月刨除重鋪，再於2000年下半年出現嚴重車轍變形，2001年初將隆起部份刨除，2001年6月再度出現隆起車轍變形，本破壞調查於2001年7月進行。
經養護單位調查發現同路段南下車道鋪面並未有損壞現象，而北上車道則有不同程度的損壞，調查總長8公里中，損壞面積達19.5%，主要破壞為車轍變形，由於大部份車轍路段都基於安全而經刨平，可知大部份車轍沉陷量都超過20mm，尤其是外側車道，用以區隔快車道與慢車道的護欄偶有部份阻斷排水路的現象且有積水產生。經調閱該路段南北雙向設置的動態地磅資料，驗證該路段有明顯的載重方向性，北上多為重車南下則空車較多，相同設計及施工管理的條件下，北上路段的破壞明顯與交通荷重相關。
調查人員首先針對選定的二公里調查路段進行細部路面狀況描繪，標出路面沉陷的面寬和深度描述，可知整段路面皆有嚴重車轍沉陷，外側車道較內側車道嚴重，目前因經刨平處理，大致能承受交通荷重，局部外側接近護欄且排水不良處則有明顯的再隆起側移的現象。主要的隆起車轍破壞發生在設置號誌的路口前，如圖5所示。
在路面現場試驗部份，主要執行彭柯曼梁撓度試驗、破壞性路面鑽心、動態錐貫入試驗、及試驗坑開挖等項目，如圖6所示。
由於瀝青混凝土層厚達35公分，彭柯曼梁撓度能提供的資訊有限，以動力錐貫入試驗並未發現有底層軟弱的問題，在隆起破壞最嚴重處開挖的試驗坑證實了此點，將試驗坑附近的鑽心試體依照試驗坑判定分層，並逐一求得各層空隙率如圖7所示。
由圖7下的試驗坑各處各層空隙率狀況圖可知，靠近中央分隔護欄部份較少受交通荷重，空隙率在9%至12%之間，最上層則在8%左右，大致上代表本路段新建完成時的空隙率，其它位置則都是交通荷重輾壓後空隙率明顯降低的部份，愈是靠近輪跡處愈上方，圖中呈深紅色，也就是空隙率低至3%。鑽心試體也用以執行瀝青含量及粒料級配試驗，求得面層瀝青混凝土的平均瀝青含量為4.4%，標準差為0.29%，粒料級配符合一般慣用密級配規範之規定，但瀝青含油量偏低。
綜合鑽心試體試樣的成份分析、路面空隙率狀況、試驗坑各層變形狀況量測、及底層狀況調查，研究人員認為破壞的原因及機理依發生的順序如下[3]：
- 瀝青混凝土生產時用油量偏低後續施工時滾壓不密實，使完工後各層的空隙率超過10%；
- 厚度達35公分的瀝青混凝土平均空隙率高達10%，開放交通後受重車輾壓，在輪跡處即有明顯的車轍變形，變形較大的地方開始出現裂縫；
- 除了輪跡處嚴重的車轍沉陷使降雨時積水外，兩旁護欄也使積水排除不易，水由車轍處的裂縫侵入鋪面，使瀝青混凝土鋪面空隙內長時間充滿水；
- 在水與交通荷重的雙重作用下，雖有35公分瀝青混凝土，也因水激活的破壞使承載能力喪失而出現嚴重的變形。
此種嚴重的變形狀況在路面工程實務上並不多見，在文獻上稱為因水侵入而激活的破壞(Moisture Activated Distress, MAD)，相當嚴重，英文簡寫恰有「瘋狂」之意。國內許多市區道路鋪面因管線挖掘回填不確實，在重壓下出現局部變形與開裂，在雨季時積水再受反覆重壓，很多鋪面局部「瘋狂」的狀況，主因當然是因管線挖掘回填使鋪面局部承載力不足的現象，後續因水與交通荷重雙重作用的加劇，亦是不容忽視的原因。
結論與建議
瀝青鋪面受水侵害而破壞是很重要的議題，檢測及判識某一配比瀝青混合料對水侵害是否敏感則又都是一大挑戰，至於處置方法則有地域性且成效變異也頗大。因此，近期的發展還是在開發能更準確預測實際水侵害破壞的實驗室方法。
務實地探討複雜的瀝青鋪面水侵害，應該同時掌握三個要點，首先是成因機理、其次是鑑別方法，最後就是抑制的方法。目前的主要結論是：(1)破壞機理：多重因子物理化學複雜交錯掌控不易。(2)鑑別方法：難針對機理本質故常與實際成效脫節。(3)抑制方法：依地域經驗不同成效未定。
在超級鋪面發展之後，鋪面工程師已經有能較精準控制試體空隙率的SGC，又有選擇設計粒料架構的程序，已經有能有在配比設計時選擇VMA較大的粒料級配來增加包裹粒料瀝青膜的厚度，也能用較精準的現行方法評估抗水侵害能力，應在配比設計階段確實評估混合料的水敏感性。當然，盡全力減少水在鋪面中的量與時間，加強路面排水線形使路面不積水，加強鋪築與滾壓的品質提高鋪面水密性，包括縱向接縫滾壓確實及減少粒料析離等抑制局部空隙率過高的施工缺陷等，更是不容忽視的有效方法。
參考文獻
- The Asphalt Institute, Asphalt Mix Design Methods, Manual Series No. 2 (MS-2), 7th edition, 2014, Chapter 1 , Chapter 9 , & Chapter 10.
- Aboelkasim Diab, Dharamveer Singh, and Jorge Carvalho Pais, Moisture Susceptibility of Asphalt Mixtures: A Literature Review, 4th Conference of Transportation Research Group of India (CTRG) At: Mumbai, India, December 2017.
- 許阿明，柔性鋪面損壞原因調查之個案研究，碩士論文，中華大學土木工程研究所，民國91年6月。
將近20年前的鋪面破壞調查應該是台灣地區首次試驗坑開挖，此後沒聽說有類似的鋪面破壞調查案。
回覆刪除