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<104、104~106、及>106區分為輕、中、重三級，對應馬歇爾試錘每面夯打次數為35、50、及75下；超級鋪面法改以SGC的轉數模擬交通荷重輾壓，依設計ESAL數分別為<3×105、 <3×106、 <3×107、及> 3×107區分為四級，個別給予三種轉速Nini、 Ndes 、及Nmax代表施工可壓實性、達50%設計交通荷載、及達100%設計交通荷載的壓實程度。SGC可用來夯實直徑150mm(6in.)的試體，也可以用來夯實直徑100mm(4in.)的試體，目前超級鋪面配比設計法乃以直徑150mm試體為標準，改善試體尺寸效應而提高精度，至於夯實參數之規定則如表1所示。表中的初始轉數、設計轉數、和最大轉數說明如下。

1. Ndes稱為設計轉數，為試體要達到與工地鋪面在約50%設計交通量壓實後密度所需的SGC旋轉次數；在執行配比設計時，以在此一旋轉次數下試體達到空隙率為4%時的瀝青含量，做為選定的最佳瀝青含量；有些公路單位希望能提高用油量來提昇耐久性而選擇採用較小的Ndes數或是將在此轉速下的空隙率規定降至3%，若在粒料結構沒有改變的前題下雖可達到目的，但有車轍冒油的風險，較好的方法是調高最小VMA值用改變粒料架構來容納高瀝青量；
2. Nini為初始轉數，代表混合料的可壓實性，一般代表混合料經鋪裝機播料螺旋後方燙鈑初壓後的密實度，很容易就被壓實的混合料(即在Nini轉數下的空隙率過低)，在施工時會有軟弱的問題，開放交通後則可能有不穩定的情況發生；目前規定在Ndes轉數時空隙率為4%的混合料，在Nini轉數時的空隙率不能太低(必須超過8.5%甚至11%以上)，在Nini轉數空隙率太低的混合料，大都是顆粒較細的混合料，或是使用過多天然砂的混合料，一般沒有規定在Nini轉數空隙率的最大值，但此空隙率值太大，例如達17%以上，則很可能會有水及空氣滲入引發的耐久性問題；
3. Nmax則稱為最大轉數，代表在實驗室內要求得工地極限密度(實際設計交通量輾壓後的密實度)所需的旋轉次數，超級鋪面法規定在SGC旋轉Nmax次後，混合料的空隙率至少還要有2%以上，因為在這樣的夯實能量作用下，也就是達到設計的ESAL數輾壓後，若混合料的空隙率低於2%，因為無法避免的溫脹作用交相影響，則很可能在長時間的交通作用下會有冒油車轍產生[2、3]。

表1、超級鋪面設計法規定的SGC夯實參數[1]

資料來源：2014 AI MS-2 7th edition Table 6.4

表1中的Ndes是經由一系列實驗室不同轉數所得試體密度和工地許多實際路面密度的數據建立相互關係而得，至於Nini和Nmax則與Ndes有下列的固定關係式：

將實驗室拌製試樣夯至Nmax轉數，進行夯實前將試樣的質量輸入，由於夯製試體模的直徑是固定的，由儀器裝置的試體高度偵測記錄，儀器內的微處理器可分別自動計算在Nini、Ndes、及Nmax轉數時的試體密度，但因這種計算方式把試體表面的空隙視為試體的體積而不正確，所以當試體夯至Nmax轉以後，必需將試體頂出，稱其空中重和水中重，以求得Nmax轉時的實測正確密度，並經由此實測密度值和依試體高計算的計算密度值，求得校正隙數(CF)，再以此校正係數，計算Nini和Ndes轉數時的校正後密度。

美國瀝青協會的配比設計手冊說明現行較為務實的方法是將實驗室拌製試樣分為兩群，一群夯至Ndes轉數，頂出實測Ndes密度值並且回算得Nini密度，另備一群拌製試樣夯至Nmax轉數，頂出實測Nmax密度值；也就是以回算Nini密度、實測Ndes密度、實測Nmax密度來對照是否符合設計規範的規定，設計規範中的空隙率規定，則計算成實測理論最大密度的百分比(%Gmm)表示。表2為超級鋪面法規定的混合料體積特徵。

表2、超級鋪面配比設計法之體積特徵規定[1]

試樣拌製與夯實

超級鋪面配比設計法需要準備的試樣如下：

• 至少8個試樣用SGC夯至Ndes；
• 至少2個試樣做理論最大密度試驗；
• 至少6個試體依AASHTO T283執行水侵害試驗；
• 至少2個試樣用SGC夯至Nmax；
• 其它規定執行的成效試驗所需的試樣。

以上試樣所需配製的混合料可區分為三種：

• 夯製Gmb試體所需：直徑150mm、高115mm，約為原馬歇爾試體體積的四倍，每個試體約需4,700公克混合料，每種瀝青含量需夯製2個試體，至少四種試拌瀝青含量合計至少8個試體夯至Ndes，外加2個試體夯至Nmax；
• 至少2個做理論最大密度試驗所需試樣，鬆散混合料試樣，試料量在1,000~2,500克之間，依標稱最大粒徑選定；
• 至少6個空隙率為7%試體依AASHTO T283執行水侵害試驗，用SGC夯製試體時可以固定試體高來控制所需轉數，一般將試體高設定在95mm，用調整置入試體模中的混合料量來達成空隙率為7%的要求，每個試體約需3,700克混合料，實際需用量則用二個試夯試體決定，如圖2所示。
  
  圖2、以SGC試體高控制模式決定抗水侵害試驗試體所需試料量
  
  

超級鋪面配比設計法至少要試拌製四種不同瀝青含量的試體來分析體積關係，一般建議在預估最佳瀝青含量、少0.5%、多0.5%、及多1.0%。

依規定的方法決定拌合及夯壓溫度後，將調配好的粒料放入比拌合溫度高15度的烘箱烘2至4小時，再依規定的方法加入瀝青量拌製瀝青混合料及夯製試體。

考慮短期老化及吸油與實際相符：應將拌成試樣倒入均佈於適當的平底方盆使厚度在25至50mm之間，如圖3所示，再將此試樣盆放進預熱烘箱(夯壓溫度上下3℃)二小時。理論最大密度試驗所需的二個試樣也應經此程序後，再從烘箱取出換至另一較大可供擴大散佈冷卻的方盤，再做後續試驗。

圖3、拌成試樣置於厚度在25至50mm之間的平底方盆

無論使用哪種廠牌的SGC，一般都有轉數控制及試體高度控制兩種，夯製Gmb試體採用轉數控制模式，啟動前需確認垂直壓力為600kPa，鋼模旋轉角度為1.16度，轉速為每分鐘30轉，再設定本次夯製試體的轉數(Ndes或Nmax)後啟動，機器將開始旋轉夯實試樣至設定的轉速後自動停止，且每轉一次都將自動讀取試體高。使用鋼模的直徑及讀取的試體高值，可以計算預估Gmb值，標記為Gmb, estimated，每個轉速都可以計算一個Gmb, estimated值。

達預設轉數停止後，解除垂直壓力且鬆脫鋼模的旋轉角度，大部份試樣在取出鋼模後即可不擾動地頂出試體置於平坦處冷卻，但有些試樣可能要多幾十分鐘的冷卻時間才能頂出，此時若有數個鋼模備用則較有效率。頂出的試體冷卻後執行密度試驗，即可得在該設定轉數(Ndes或Nmax)的實測Gmb值。

試驗數據分析

超級鋪面法要求計算成實測理論最大密度的百分比(%Gmm)表示，一般步驟如下：

1. 以頂出的Ndes轉數試體測得試體高(hNdes)；
2. 讀取SGC自動記錄在Nini轉數時的試體高(hNini)；
3. 計算校正係數C值： C = hNdes/hNini
   
   
4. 用校正係數計算在Nini轉數時的Gmb, estimated值(Gmb, est@Nini)：
   
   
   
5. 計算每個試拌瀝青含量(一般兩個重覆試驗)的平均Gmb, est@Nini值；
6. 以下列方法計算三種%Gmm值：

此中Gmm(at the trial Pb)是指在該試拌瀝青含量時的Gmm值(依在最佳瀝青含量的實測Gmm值，用理論公式計算所得)。

將各種不同試拌瀝青含量的試驗數據繪製成圖，如圖4。該圖是NMAS等於12.5mm的狀況，逐一檢核表2所列的規定，VMA最小值為14.0，本例無法符合最小VMA的規定，應建議重新設計粒料架構。

圖4、超級鋪面法得到的混合料體積特徵曲線(本圖NMAS=12.5mm)

資料來源：2014 AI MS-2 7th edition Figure 6.5

原超級鋪面法要求各種試拌瀝青含量試體都夯實到Nmax轉數，Gmb, est@Ndes和Gmb, est@Nini都用回算，但在實務上，在Nmax轉數時的%Gmm值很少出現不符合規定的情形，因此，傾向於實際量測在Ndes轉數時的Gmb值，而在決定最佳瀝青含量並且要進行後續的抗水侵害評估前，再來用所選最佳瀝青含量的混合料確認在Nmax轉數時的%Gmm值是否符合規定。準備四份最佳瀝青含量的混合料，二個做為執行理論最大密度，二個則用來夯實到Nmax轉數，頂出後實測Gmb@Nmax值，用來確認在Nmax轉數時的%Gmm值小於98%。

超級鋪面法配比設計例

現假設有一工程欲鋪築厚40mm的面層瀝青混凝土，20年內預估將承載的交通荷重為15,000,000ESALs，材料工程司決定採用的粒料標稱最大粒徑為9.5mm，控制點和禁區可由超級鋪面級配規範查得，依本工程位址的氣象資料，選定的瀝青成效等級應為PG64-10，現依超級鋪面法進行配比設計。

1、評估瀝青黏結料的性質

取得代表性的瀝青黏結料樣品，確定符合PG64-10的規定，並且檢測得瀝青的比重，另以黏度試驗求得拌合溫度為155℃，夯壓溫度為145℃。

2、評估粒料的性質

將取得的代表性粒料樣品依規範規定執行必要的試驗，可能有比重試驗、吸水率、洛杉磯磨損率、及硫酸鈉(鎂)健性等，規範中一般不會規定比重及吸水率的範圍，但這些數據是配比設計計算時必需要有的資料，假設本例的試驗結果顯示選用粒料的洛杉磯磨損率及硫酸鈉(鎂)健性符合規定。至於粒料的共同特性要求部份，對於用於設計交通量為15百萬ESAL表層10mm以內的瀝青混凝土粒料，依超級鋪面法的規定如表3所示，粗粒料一個破裂面顆粒至少95%，兩個破裂面顆粒至少90%，扁長顆粒不超過10%，細粒料部份未夯實空隙率至少45%，含砂當量至少45%。

表3、超級鋪面法粒料的共同特性要求

選用的各種粒料的共同特性試驗結果如表4所示，請注意並不是完全用表4對照表3來判斷粒料是否符合規定，應該使用混合後粒料的共同的特性來對照表3作判斷，所以執行的程序是由各種粒料的篩分析及混合粒料的級配規範，初步決定各種粒料的使用百分比，再依此百分比和表4的資料，估算混合粒料的共同特性是否符合規範(表3)的規定，對細粒料的稜角性，則最好用混合後的細粒料部份的稜角性試驗作判斷的依據。

表4、設計例中四種粒料的共同特性試驗結果

由表4對照表3可知除了粒料四的細粒料稜角性外，所有粒料的共同特性都符合規定，由於篩分析的資料顯示必須使用部份粒料四才可符合級配的要求，也就是說在混合料中要同時使用粒料三和粒料四，故應將混合後的細粒料部份再執行一次稜角性試驗確認。

3、選擇設計粒料結構

使用三種不同混合級配來選擇設計粒料架構(Design Aggregate Structure, DAS)，本設計例打算使用一種由禁區上方越過的級配，二種由禁區下方避過的級配，且因粒料四的稜角性不符規定，試配時儘量減少其用量，以確保混合粒料的細料部份能符合稜角性的要求，試拌計算的結果如表5所示。表5中的試拌一號是由禁區上方越過的級配，而試拌二號和三號則是由禁區下方避過的級配，事實上試拌二號和三號的差異不是很大，以現有的這四種粒料而言，這二種級配大概已經是可以配出符合規範規定且由禁區下方避過的有限選擇了，如圖5所示，雖然差異不是很大，但也有可能有相當不同的混合後體積特徵。

表5、配比設計例中用來評估粒料架構的試拌級配

圖5、配比設計例中使用的三種試拌級配曲線[3]

這三種試拌料配好後，各自篩出細粒料部份(通過4.75mm篩的部份)，分別執行細粒料的稜角性試驗，求得空隙率，試拌一號為46%，而試拌二號和三號都是47%，皆符合規範的要求。

由以往類似混合料的經驗，最佳瀝青含量大約是在5.0%附近，故以5.0%為試拌瀝青含量，每種試拌料拌製二個試體，所有混合粒料以170℃烘箱烘二至四小時後，加入所需瀝青量以機械拌成混合料，再放入145℃烘箱烘二個小時後，取出擺入SGC鋼模夯製試體；由表1查得規定的夯實參數Nini、Ndes、Nmax值分別為8、100、及160，是故每個試拌試體都夯至160轉，其間記錄轉數與試體高的關係，並以試體高和內含的試拌料重量，計算得試體在不同轉數時的密度值，此計算密度值在用160轉後試體實測密度校正後，可得試體在不同轉數時的校正密度，本例中求得的各試拌試體的體積關係數據如表6所示。

表6、試拌料試體的體積相關數據

事實上SGC旋轉夯實機是自動記錄在100轉以前以每10轉記錄一次試體高，在Nd和Nm之間，則是以每25轉記錄一次試體高的方式，表6中只列出8、100、及160三個轉數的記錄和記算資料。表6的資料配合粒料的比重資料，可計算整理得表7。

表7、試拌料夯實試體的數據

由於表7中各試拌料的瀝青含量並不是最佳瀝青含量(在Ndes時空隙率為4%的瀝青含量)，故應將其修正為最佳瀝青含量時的性質才可以判斷，瀝青含量的修正方式為：

其中Pbe為預估的最佳瀝青含量，Pbi為目前試拌料的瀝青含量(5.0%)，而Va則為空隙率的百分比值。因此，由於三種試拌料在Ndes的空隙率分別是4.5%、3.8%、及4.2%，故預估的最佳瀝青含量分別是5.2%、4.9%、及5.1%。由最些最佳瀝青含量值，可以估算此三種試拌料在最佳瀝青含量時的VMA值如下式：

其中VMAe為預估在最佳瀝青含量時的VMA，VMAi為目前試拌料的VMA，而Va則為目前試拌料在Ndes的空隙率的百分比值，C值則為常數(當Va小於4.0%時用0.1，Va大於4.0%時用0.2)。依上式可計算得試拌一號、試拌二號、和試拌三號在各自的最佳瀝青含量時的VMA分別為15.3%、14.8%、及15.0%；由此VMAe值，可直接計算VFAe值：

故由一號至三號三種試拌料在最佳瀝青含量時的VFA值分別為73.8%、73.0%、及73.3%。

至於三種試拌料在最佳瀝青含量時轉數分別為Nini和Nmax時的壓密度(%Gmm)值，可以直接用空隙率差值修正，以試拌一號為例，在Nini轉時的壓密度(%Gmm)值等於88.4%，調成最佳瀝青含量將產生(4.0-4.5)=0.5% 空隙率差值應扣除，故預估若採瀝青含量為5.2%，則在Nini轉時的壓密度(%Gmm)值=88.4-0.5=87.9%，依此計算試拌二號及三號在Nini轉時的壓密度(%Gmm)值則分別為86.5%及86.8%，同理，三種試拌料在最佳瀝青含量、Nmax轉時的壓密度(%Gmm)值分別為97.9%、97.4%、和97.4%。

表8為依上述方法估算得三種試拌料在各自的最佳瀝青含量時的體積特性總表，由於規範規定在Nini轉時的壓密度(%Gmm)值必需小於89%，且在Nmax轉的壓密度(%Gmm)值必需小於98%，由表中的數據可看出試拌一號料在剛好符合規範規定的邊界上，而試拌二號料不符合VMA的規定(至少15.0%)，如此看來，試拌三號料是乎是比較好的選擇。故決定以試拌三號料的級配作為選定的粒料結構。

表8、估算得三種試拌料在各自的最佳瀝青含量時的體積特徵

4、決定最佳瀝青含量

既已選定粒料的級配架構，接下來應該以選定的混合級配粒(試拌三號料)拌製(1)比預估最佳瀝青含量低0.5%、(2)預估最佳瀝青含量、(3)比預估最佳瀝青含量高0.5%、(4)比預估最佳瀝青含量高1.0%，共四種瀝青含量，每種瀝青含量二個試體，依規定的方法拌製試樣後，用SGC旋轉夯實機夯製試體，並記錄試體高，直至達Nmax轉數時(本例為160轉)，頂出求算試體實測密度，用此實測密度將依試體高計算之密度加以修正，本例試拌三號料的預估最佳瀝青含量為5.1%，故4.6%、5.1%、5.6%、6.1%共八個試體(每個試體約重4700克)的試驗結果如表9所示。

表9、配比設計例中求算最佳瀝青含量步驟中的夯製試體數據

表9中的壓密度(%Gmm)是由試體密度除以理論最大密度而得，超級鋪面法規定每種瀝青含量試體的理論最大密度必需經由至少二個試樣實測而得，這種依ASTM D2041執行的試驗，每個試樣的重量約為2,000克，在超級鋪面配比設計法中，在決定粒料結構設計時需執行三種級配共六個試驗，在選擇最佳瀝青含量的步驟中，則需在四種瀝青含量共執行八個試驗。

表9的數據可繪製成不同瀝青含量試體壓密度與夯實旋轉數之間的關係曲線如圖6所示，因為本設計例之Nini、Ndes、和Nmax分別為8、100、和160，由圖6可知欲符合在Ndes轉時空隙率為4%，則瀝青含量最好選在5.2%，在此種瀝青含量時，可由圖6預估在Nini轉時，壓密度約為86.2%，不會有初始壓密度太高而有脆弱的顧慮，而在Nmax轉時，壓密度約為97.5%，也不會有極限壓密度過大的困擾，可以符合規定。

圖6、配比設計例中不同瀝青含量試體壓密度與夯實轉數之關係曲線[3]

再由組成試體之各部份比重資料，可以計算得VMA值，則各不同含油量試體的體積特性可重新整理如表10，表10可以用來確認選定的最佳瀝青含量試體的體積特徵是否符合規定，方法是將表10的數據繪成如圖7的五個曲線圖，由圖中推估瀝青含量在5.2%時，空隙率為4.0%，VMA為15.2%，VFA為74.2%，在Ni轉時的壓密度(%Gmm)值為86.4，在Nm轉時的壓密度(%Gmm)值為97.6%，皆符合規範的規定，故本設計例將選定最佳瀝青含量為5.2%。

表10、配比設計例中不同瀝青含量試體的體積特徵彙整表

圖7、配比設計例中不同瀝青含量試體之體積關係曲線[3]

5、以最佳瀝青含量試樣進行抗水侵害評估

略

6、以最佳瀝青含量試樣進行成效試驗

詳參作者另文超級鋪面配比設計法中的混合料成效試驗。

後記

除了成效試驗設備的缺憾外，Superpave配比設計法仍以體積性質為主，最具關鍵的混合料性質是空隙率 (Va) 和有效瀝青體積 (Vbe)；這兩項體積特性並不能提供任何有關黏結料品質或不同黏結料成分和添加劑之間相互作用的資訊，有效瀝青體積 (Vbe) 主要由粒料虛比重計算 (Gsb)，而粒料虛比重是很不可靠的材料參數，檢測的精度很差，且可能會隨著時間的推移而發生變化，但不常得到驗證；用在再生瀝青混合料的配比設計時，測得的刨除料虛比重有問題；因此，面對日新月益的永續創新材料，像是屋頂防水材、篩分破碎後刨除料、胎磨橡膠、溫拌劑、再生劑、及改質劑等，使用現行以體積性質為主的瀝青混凝土配比設計，不可能同時優化這些材料的性能和永續性，應改採平衡式配比設計法(Balanced Mix Desigh, BMD)。(可參「 美國瀝青科技中心對橡膠瀝青及橡膠改質瀝青的經驗」及「瀝青混凝土成效試驗與平衡式配比設計」)

參考文獻

1. The Asphalt Institute, Asphalt Mix Design Methods, Manual Series No. 2 (MS-2), 7th edition, 2014, Chapter 1 & Chapter 6.
2. 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.
3. Federal Highway Administration, Background of Superpave Asphalt Mixture Design and Analysis, National Asphalt Training Center Demonstration Project 101, Publication No. FHWA-SA-95-003, February 1995.