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，特別是瀝青黏結料的性質影響，因此，只要評估瀝青黏結料的低溫龜裂潛勢，不必對瀝青混合料執行低溫龜裂的評估。但是，無法用AASHTO M320的方法評估瀝青特性的黏結料，例如橡膠瀝青因內含大於0.25mm的顆粒，高刨除料含量的再生瀝青，又或是添加纖維的瀝青混合料，則可能需要對瀝青混合料執行低溫龜裂的評估。

對於非傳統瀝青混合料，AI MS-2建議依表2選擇性執行成效試驗。

                 表2、美國AI MS-2配比設計手冊建議對非傳統瀝青混合料執行的成效試驗[1]

抗車轍成效試驗

瀝青混合料的抗車轍成效試驗區分為輪荷重試驗及潛變試驗兩類，彙整如表3所示。輪荷重試驗較為直觀，但不是材料科學上定義的基本性質試驗，且受儀器尺吋因子的影響很大，不同儀器測得不同的結果，試驗成果必需與當地經驗建立緊密的成效關係；潛變試驗則直接量測材料的基本性質，具有完善的科學定義，只要試驗參數一致不受不同儀器的約制，試驗成果也直接與成效相關；美國鋪面工程界近年發展用來評估抗車轍成效的的瀝青混合料潛變試驗，又可區分為動態潛變試驗及靜態潛變試驗兩種，如表3所示。

表3、瀝青混合料抗車轍成效評估試驗彙整表

輪荷重試驗的瀝青鋪面分析儀(Asphalt Pavement Analyzer, APA)是針對傳統輪跡試驗採用硬式輪的缺陷，在荷重輪與試體之間用充氣橡膠管承壓，內部照片如圖2所示，原型建議採用特別夯製的梁試體，也可用來評估抗疲勞能力，新型似乎收棄此一構想，依從趨勢改成可直接用SGC夯製的圓柱試體(或是實際路面鑽心試體)。試驗溫度為依PG級瀝青預估的鋪面高溫，或是直接指定採用64℃，輪荷重參數為輪重100磅，承壓管壓100psi；目前建立的破壞界限為8,000次來回滾壓後量測最大變形量，依超級鋪面設計交通荷重之四個分級(如表2)，後三級分別不得大於5, 4, 3mm。

圖2、瀝青鋪面分析儀(APA)內部照片[1]

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。若要用來評估抗車轍能力，則建議採用不浸水模式，目前建立的破壞界限是用158磅輪重、在50℃、不浸水、來回滾壓10,000次後的最大變形量不超過12.5mm，試驗溫度或滾壓次數可依採用較硬瀝青級而調高，最大變形量則大都維持在12.5mm。

圖3、漢堡輪跡試驗(HWT)[1]

圖4、浸水漢堡輪跡試驗數據中的剝脫拐點[1]

經過多年的發展，美國路面工程界建議以瀝青混合料成效試驗儀(Asphalt Mixture Performance Tester, AMPT)檢測成效，如圖5所示，AMPT可以重覆荷重潛變試驗(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抗車轍變形能力。AMPT採用的試體為直徑100mm、高150mm的圓柱試體，空隙率控制在7%，一般是從SGC夯製的直徑150mm、高175mm的圓柱試體，用鑽心機鑽取中心部份再切鋸兩端而得，如圖6所示。AMPT動態模數試驗在理論上可以在不同的溫度及不同的荷重時間執行，進而以時間溫度疉代原理(Time Temperature Superposition)求出所謂勁度主曲線(Master Curve)完整呈現瀝青混合料的黏彈性特徵，計算各種狀況下的抗車轍變形或是抗疲勞開裂能力，目前這些數據用來輸入發展中的力學-經驗鋪面設計指引(Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide, MEPD)中，對於配比設計時的成效試驗需求，則建議採用較簡化的試驗方式。

圖5、瀝青混合料成效試驗儀(AMPT)環控艙昇啟照片[1]

圖6、標準AMPT試體的製作方式說明[2, 3]

AMPT的重覆荷重潛變試驗又稱為流數試驗，試驗溫度為連續七天鋪面平均最高溫，採用無圍壓軸向脈衝重覆壓應力600kPa在0.1秒內荷載，缷載0.9秒，重覆10,000次得潛變曲圖，如圖7所示，潛變經初始階段快速變形且應變速率逐漸降低，至第二階段的穩態潛變(應變速率固定)，應變速率降至最小後則將進入第三階段，即應變速率開始增加到破壞；計算潛變速率最小值時對應的重覆荷重次數稱為流數(Flow Number, FN)，FN值愈小代表愈快開始出現第三階段潛變速率增加，即潛變速率開始加快至終至破壞，目前以流數試驗評估抗車轍成效的臨界值，依設計交通荷重四級、後三級流數分別應超過53、190、740次。

圖7、AMPT的重覆荷重潛變(流數)試驗示意圖

抗疲勞開裂成效試驗

撓曲梁疲勞試驗為量測瀝青混凝土之疲勞特性以評估路面使用多久會產生疲勞破壞的試驗方法，採用的荷重型態一般為半正弦荷重，施在瀝青混凝土樑試體之兩三分點上(通稱四點荷載梁試驗)，如圖8所示，這種荷重將使樑試體三等分之中間部份產生均一的撓曲力矩，像圖8這種施力端在試體下方的配置，試體本身的重量將使試體在荷重歸零時回復到其原來的位置，當採用施力端在試體上方的配置時，應在在荷重歸零時施一反向量以便試體回復到其原來的位置，試體中心擺置的LVDT，則是用來量測荷重造成的撓度。

圖8、撓曲梁疲勞試驗儀圖說與內部四點荷重照片[1]

目前建議評估抗疲勞開裂採用，梁試體尺吋為長380mm、寬63mm、厚50mm，以滾輪或線性揉搓夯至7%空隙率，在20℃用固定應變的荷重型態，亦即施於試體的撓度保持固定，每秒鐘荷載10次，隨荷重次數漸增，所施加的荷重必需逐漸降低，由於試體不會斷裂，故，將需施加的應力值換算成撓曲勁度模數值，隨重覆荷載次數增加，此撓曲勁度模數值(En)逐漸降低，當En值達初始撓曲勁度模數值(Ei)的50%時，定義為疲勞破壞，如表4所示。

表4、瀝青混合料抗疲勞開裂成效評估試驗彙整表

若只以單一應變模式進行評估，則以指定的單一應變量，荷載至勁度模數值降至50%時的重覆荷載次數，與規範比對。若採多應變範圍疲勞曲線模式，則以三至五個應變量(250~750𝜇m)荷載至彈性模數降至50%，繪製疲勞曲線，此疲勞曲線可以用來求得疲勞容忍界限值，亦即不會出現疲勞開裂的容許應變值，可應用於永久鋪面的設計。在配比設計時以撓曲梁疲勞試驗評估抗疲勞成效尚未有一致的標準界限值，開放由各單位自訂。

AMPT的動態模數試驗(Dynamic Modulus Test)也可用來評估抗疲勞開裂能力，採用標準的AMPT試體，試驗溫度亦為代表全年平均鋪面服務溫度(中間溫度)的20℃，正弦波型的動態壓力荷重，量測該方向產生的變形回應，計算動態模數(|𝐸* |)值，部份單位依個別經驗擬訂尚未有共識的界限值。

抗低溫龜裂成效試驗

如前所述，造成溫縮龜裂主要是瀝青混合料的材料因子，特別是瀝青黏結料的性質影響，因此，只要評估瀝青黏結料的低溫龜裂潛勢，不必對瀝青混合料執行低溫龜裂的評估。但是，無法用AASHTO M320的方法評估瀝青特性的黏結料，例如橡膠瀝青因內含大於0.25mm的顆粒，高刨除料含量的再生瀝青，又或是添加纖維的瀝青混合料，則可能需要對瀝青混合料執行低溫龜裂的評估。

一般採用的方法是在鋪面環境低溫以間接張力模式執行間接張力潛變/強度試驗(ITC/ITS)。直徑150mm、厚50mm的圓柱試體，施固定張應力維持100至1,000秒，同時量測水平及垂直應變，如圖9所示，計算依荷載時間而變化的潛變順變(Creep Compliance，Jt)，在不同溫度以三個試體重覆試驗，且在求得潛變順變後每個試體都以每分鐘12.5mm的荷載率劈裂求得張力強度值；以不同溫度下的潛變順變曲缐依時間溫度疉代原理可計算得潛變順變主曲線，進而換算成溫度應力曲缐；將此溫度應力曲線與不同溫度的張力強度值點繪在同一張圖上可求得臨界開裂溫度如圖10所示。若未來可能出現的鋪面最低溫低過臨界開裂溫度，則判定為有溫縮龜裂的可能。

圖9、間接張力潛變/強度試驗(ITC/ITS)設備及溫控艙內試體狀況[1]

試樣的老化狀態對成效試驗的影響

隨著開放交通時間的增加，瀝青混凝土中的瀝青將經歷老化而變硬(Age Hardening)，這種老化現象對抗車轍能力有正效，但對抗疲勞開裂及抗溫縮龜裂則有反效，也就是老化程度高則較能抗車轍，但不利於抗疲勞開裂及溫縮龜裂。基於此一原因，評估抗車轍的瀝青混凝土試樣可以只經短期老化的一般SGC試體進行評估，但評估抗疲勞開裂的試樣若只以一般SGC試樣評估，則不能保證未來開放交通後，是否會因老化變硬而開裂，故，應將試樣在鬆散狀態依照AASHTO R30建議的方法經長期老化模擬後，再夯製成規定的試體進行抗疲勞開裂成效試驗評估。

結論與建議

初入土木工程材料的品質檢測領域，掌握混凝土的抗壓強度就幾乎掌控了品質成效；然在瀝青鋪面領域，屬於上個世紀的馬歇爾穩定值從來就不足以評斷成效，主要是因為與彈性固體的水泥混凝土相比，黏彈性的瀝青混凝土的力學性質多了溫度和時間兩個維度；從超級鋪面配比設計提出構想，歷經三十年的研發精進，直到這個世紀才出現瀝青混合料成效試驗儀(AMPT)這種針對黏彈性瀝青混凝土的檢測工具，實現在實驗室評估瀝青混凝土成效的理想。雖然歷經演化精簡再精進，AMPT試驗的執行仍然有複雜度而不容易成為日常品檢工具，但若能在精進材料配比設計上，則已經可以發揮極大功效；尤其是近幾年台灣地區推行循環經濟採用許多「新」的鋪面材料，這些非傳統瀝青混合料的配比設計問題是設計單位的一大挑戰，甚至爭議多年的再生瀝青的配合比設計的刨除料添加量問題，都可以因採用了成效評估試驗而在設計上有了品質保障，這種新式的成效評估試驗是基於瀝青混合料的黏彈性力學特徵，具有完整的科學論證且放之四海皆準；是時候了，負責配合比設計的實驗室應該要有SGC及AMPT兩種試驗設備，並且積極引進超級鋪面配合設計法及瀝青混合料成效試驗，直接引用AI MS-2建議的抗車轍臨界值；研究單位則可以針對台灣地區的環境特徵，研究以AMPT試驗建立地方性的抗疲勞開裂臨界值，以便能在再生瀝青混合料的設計上解除日益增加的疲勞開裂風險。

參考文獻

1. The Asphalt Institute, Asphalt Mix Design Methods, Manual Series No. 2 (MS-2), 7th edition, 2014, Chapter 1 & Chapter 10.
2. NCHRP Report No. 673, A Manual for Design of Hot-Mix Asphalt with Commentary, The National Academies Press, http://nap.edu/14524.
3. NCHRP Report No. 513, Simple Performance Tester for Superpave Mix Design: First-Article Development and Evaluation, The National Academies Press, http://nap.edu/21954.