中華鋪面研究室

在鋪面疲勞開裂與車轍變形兩種成效間取得平衡  所謂「平衡配比設計(Balanced Mix Design, BMD)」是指一種瀝青混合料的配比設計概念，主要是在實驗室針對不同的氣候與交通荷載狀況用經適當老化模擬後的試樣，以多種破壞模式的成效試驗檢測後，依據「成效最佳化」決定材料組成配比；美國聯邦公路總署(FHWA)的文件建議將鋪面長期成效目標融入鋪面結構設計、施工、及材料驗收的常規程序中，稱為「成效設計鋪面(Performance Engineered Pavements, PEP)」對瀝青混凝土的材料配比設計而言，即為「成效設計配比(Performance Engineered Mixture Design, PEMD)」。PEMD本質上期望突破傳統體積特徵設計原則的束縛，故強調與實際交通荷載狀況及成效需求契合，技術上則主要是在抗車轍和抗疲勞兩種成效之間取得平衡，也就是BMD。 補超級鋪面法之不足 美國一年要執行數千個瀝青混凝土的配比設計試驗[1]，然20年前開發的超級鋪面配比設計法，原意為用混合料成效試驗和分析模型來填補傳統體積特徵配比設計法的不足，在低交通量(Level I)延用傳統體積特徵為原則，中(Level II) 、重(Level III)交通量則應搭配成效試驗；可能是偏重於理論的完整性，當時選用的成效試驗不只有儀器昂貴無法普及，試驗程序也過度複雜不符合常規試驗需求，導入美國鋪面工程界時普遍認為不切實際而無法落實，使得超級鋪面配比設計法實際上只剩Level I的體積特徵成為主要控制項(詳參作者另文 超級鋪面(Superpave)配比設計法 )，無法符合複雜的鋪面成效實務狀況。 以體積特徵為主的配比設計，求得的所謂「最佳瀝青用量」在量與質上都有明顯的缺陷。在量的方面，粒料的調配及瀝青用量是以粒料間空隙(VMA)與空隙率(V a )計算的有效瀝青體積(V be )做為控制，但計算混合粒料的VMA必須依靠混合粒料的虛比重(G sb )，但眾所皆知的是粒料的虛比重求算較難精確，因此，估算的瀝青用量也不夠精確；至於質的方面則缺陷更明顯，體積特徵為主的配比設計無法反應不同特性瀝青的影響，更無法考量添加RAP或其它包括高分子聚合物、環保橡膠粉等添加劑的影響。 美國鋪面工程界配合落實超級鋪面配比設計的初期，大都強調抗車轍變形能力，強調選用稜角性粒料、瀝青成效等級調整、

 瑞士100%RAP再生瀝青混凝土的研究 理想的鋪面永續狀態是將刨除料全部再生鋪回原路面，也就是使用100%RAP生產的再生瀝青混凝土，當然，不犧牲鋪面工程品質是前題。本文介紹瑞士環境部門支助的「永續全再生瀝青混凝土(Sustainable Fully Recycled Asphalt Concrete)」計畫的研究成果[1]，驚人的結論是「100%RAP的再生瀝青混凝土在力學、安全、及環境特性上，成效等同甚至高於傳統面層瀝青混凝土」，其中的關鍵值得鋪面從業人員深思。 前言 因為添加低成本的舊路面刨除料(Recycled Asphalt Pavement, 簡稱RAP)又減少原料開採需求，再生瀝青混凝土的使用，同時具有經濟和環保雙重利益，但，大部份道路主管機關基於再生鋪面品質低劣，將引發更多材料需求而得不償失，惶論循環經濟，故在再生瀝青規範中大都限制RAP添加量，甚至低於20%。當前許多路面養護以刨除重鋪面層為主，限制刨除料添加量到20%以下甚至禁止使用在面層，必然造成過多RAP材料堆置，將又回歸到編列預算「清理」刨除料的奇特狀態，既浪費資源又不利環境永續。 循環經濟推動方案在全球盛行，瀝青鋪面早在1980年代就開始再生回鋪面上，美國有過統計，年產RAP量約4,100萬公噸，其中的3,300萬公噸(約為80％)有效地再利用到日常公路的養護上，只有少於20％廢棄不用[2]；所有50個州公路單位，都採用RAP為骨材及黏結料之替代材料，用以生產與傳統瀝青混凝土品質相同的熱拌再生瀝青混凝土，此中RAP添加量隨各州規範不同而不同，一般在10%至50%之間。 與美國相比，歐洲各國土地較小、天然資源相對缺乏，且人口集中，加以環保意識較高，廢棄物實際上就是資源，因此很早就有將工業廢棄物作為公路工程材料的構想及實務經驗，像德國、法國、瑞士等許多國家，已經發展將建物拆除廢棄物作為混凝土或是瀝青路面的骨材，對於瀝青路面的再生，則可以說是司空見慣；資源較缺乏的國家，如瑞士、丹麥、荷蘭等，RAP的再利用率都在95%以上。詳參作者另文「 他山之石—荷蘭成為全球瀝青再生模範的三個原因 」 在策略上，應將RAP再生後的品質要求等同一般全新面層材料，因為當前許多路面養護只有刨除重鋪面層，若因再生而品質降級不能用在面層，則市場太小與不能使用的差別不大。因此，在品質管理上，大部份國家皆採用「使用再生材料

設計粒料架構的系統方法：Bailey Method (倍力法) 在瀝青混凝土的配比設計強調所謂「設計粒料架構」來控制體積特徵(詳參作者另文 瀝青混凝土類別與設計粒料結構 )，如何設計粒料架構? 難道只是在既有的混合料級配規範容許範圍內，計算調配數種符合粒料級配規範的粒料組成，例如三種符合規範的「試拌級配」以相同瀝青含量拌合夯製試體求出體積特徵來決定? 有沒有設計粒料架構的「方法」?   以幾何學的最密堆積(Sphere Packing)為基礎用體積調配的「倍力法(Bailey Method)」就是設計及評估粒料架構的系統化方法。 圖1、球體堆積中的六方最密與立方堆疉示意 Robert Bailey是美國伊利諾州公路局的工程師(現已退休)，在1980年代服務於伊利諾州公路局第5區時，發明採用這套設計評估粒料架構的方法，使設計的瀝青混合料具有抗變形需要的粒料骨架，又能有足夠的粒料間空隙(VMA)來確保耐久性，因具良好的成效而在1990年代開始就通用於伊利諾州公路局，稱為「倍力法(Bailey Method)」。倍力法在2002年通過美國運輸研究委員會兩個技術小組的審核，認為對材料及鋪面工程師而言是很有用的方法，並發佈專文推行[1]，本文作者認為有了這項粒料結構設計的利器，鋪面工程師可用來加把力，好好設計瀝青混凝土的粒料骨架，將其譯為「倍力法」。 粒料堆疉與粗細粒料分界 傳統粗細粒料的分界為4.75mm(#4號篩)，為獲得更好的堆疉緊密狀況分析，倍力法定義的粗細粒料分界為： 粗粒料：在固定體積堆疉粒料時創造空隙的粒料； 細粒料：在固定體積堆疉粒料時填充粗粒料空隙的粒料。 也就是說在固定體積堆疊粒料時，「粗粒料創造空隙由細粒料填充」。在此定義下，粗細粒料的分界不固定，而是依混合粒料的標稱最大粒徑(Nominal Maximum Particle Size, NMPS )而定。 倍力法的主要理論基礎是幾何學的同直徑圓球緊密堆疉理論(close-packing of equal spheres)，堆疉後的空隙再由直徑較小的圓球填充，觀察小圓球對大圓球的直徑比，在倍力法稱為細粗顆粒的直徑比。經由二維分析顯示以全部是圓形粒料堆疉，粗顆粒創造的空間較小，細粗顆粒的直徑比為0.155，以全部是扁平粒料堆疉，粗顆粒創造的空間較大，細粗顆粒的直徑比則為0.289；改用三維分析，以近六方最密