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「使用再生材料不得犧牲工程品質」的大原則，例如瑞士公路單位規定再生材料的工程性質必須等同於或高於原生材料[3]。

用新的瀝青混合料配比試驗法打破成規

已有許多研究顯示高刨除料添加量的再生瀝青混凝土可以是成效很好的面層材料，甚至有一些報告顯示新的鋪面可以全部用再生瀝青來生產而且不損及品質成效。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%，這種法規障礙若不能排除，高RAP添加量的再生瀝青混凝土的市場只能侷限在私人、不重要鋪面、或是道路底層。

要排除高RAP添加量的法規障礙，應從打破品質疑慮著手，高RAP添加量再生瀝青混凝土的品質疑慮，主要來自以下三點[1]：

1. RAP中的瀝青老化變硬，高RAP添加量鋪面易裂；
2. 部份RAP中的舊瀝青沒能與新瀝青拌勻只像是黑粒料；
3. 縱使配比設計採用高RAP添加量然實務上RAP的品質變異太大而無法穩定生產。

打破上述品質疑慮也可以從發展可靠的高RAP添加量的再生瀝青混凝土配比設計法[1, 4]著手。傳統以體積特徵為主的配比設計，是早期針對全新材料制定的，方法程序沒能因應RAP品質變異而有調整的必要，針對添加RAP而做部份調整的所謂「再生瀝青配比設計法」(詳參作者另文再生瀝青混凝土的配比設計)，仍以符合新材料的品質規定、限制RAP添加量、及控制體積特徵為主體；最近美國鋪面工程界提出的平衡配比設計(Balanced Mix Design, BMD)在鋪面疲勞開裂與車轍變形兩種成效間取得平衡，就是可以用在設計高RAP添加量的替代方法(詳參作者另文「在鋪面疲勞開裂與車轍變形兩種成效間取得平衡」)。

在瑞士的相關研究，引用美國的BMD概念，發展以成效試驗為主的配比設計方法，流程如圖1所示，有以下三項重點[4]：

1. 對組成材料的品質要求及比例規定，應儘量刪減以便創新，測得的組成材料性質以做為最佳化成效時的輔助判定資料；
2. 配比設計試樣必須進行老化模擬以期能與實際狀況和現實成效契合；
3. 用選定的成效試驗法檢測配比設計試樣符合成效界限，在不符成效規定時調整組成材料。

圖1、以成效為主的瀝青混凝土配比設計法架構[1]

檢測成效的試驗法必需依當地的氣候狀況、預期的破壞模式、該試驗法的精度、及該試驗法與現實成效的相關性等選定。對高RAP添加量的再生瀝青混合料而言，因瀝青老化變硬易裂，故疲勞開裂及低溫溫縮龜裂是預期的主要破壞模式，而若添加較軟的瀝青或是提高瀝青含量則將導致車轍變形，因此，要用適當的成效試驗法在變形與開裂兩種破壞形式之間做最佳化。

一般用輪跡試驗評估車轍變形成效，在瑞士已規定使用法國車轍試驗儀(French Rutting Tester, FRT)做為配比設計的成效核對試驗，如圖2所示，但對開裂，則有溫縮龜裂、從底往上開裂，從上往下開裂等不同的試驗方法，又希望能做為常規試驗快速執行，以因應生產時RAP引發的變異，故選定較簡單的半圓抗彎試驗(Semi-Circular Bend, SCB)，並以該試驗求得的柔性指數(Flexibility Index, FI)做為配比設計採用的抗裂指標，如圖3所示，圖中展示該試驗資訊乃以峰後反曲點的斜率，依照AASHTO TP 124-16[5]計算柔性指數(Flexible Index, FI)，峰後反曲點斜率的絕對值愈大，FI值則愈小，抗開裂能力愈差，反之FI值愈大愈能抗開裂。

圖2、法國車轍試驗儀

(可參作者另文如何評估不同鋪面材料的使用成效？)

圖3、半圓抗彎試驗(Semi-Circular Bend, SCB)及數據分析示意[1]

研究規劃

該研究的配比設計即採用FRT和SCB分別反應抗車轍及抗開裂成效，對設計的混合料進行最佳化，再用與實際交通荷重較接近的「交通荷重模擬儀」比對100%RAP再生瀝青混凝土與傳統原生瀝青混凝土的成效表現，另再對100%RAP再生瀝青混凝土進行抗水侵害性、抗滑儀安全性、及輪壓磨出PM10顆粒量檢測等耐久、安全、及環境特性評估，該研究的實驗規劃如圖4所示。

圖4、瑞士100%RAP再生瀝青混凝土成效之研究規劃[1]

在瑞士某RAP處理廠取得其11mm篩篩過的RAP，經檢測RAP的瀝青含量為5.6%，回收瀝青針入度為22，RAP的粒徑分佈接近瑞士規範中的AC8混合料，因此該研究以RAP的既有級配做為調配的出發點，用100%這種原始RAP的混合料標示為「RAP細」；另外在實驗室用5.6mm篩將原始RAP篩成兩部份，調配這兩部份的百分比，以使得合成的級配更接近原生材料的AC8N的級配，經此調整的100%RAP混合料標示為「RAP粗」，經檢測「RAP粗」的瀝青含量為5.1%。AC8N則由熱拌廠直接生產做為控制組，使用的瀝青為針入度70/100，瀝青含量為6.2%，本研究中三種不同級配混合料的級配曲線對照如圖5所示。

圖5、瑞士100%RAP研究中三種不同級配混合料的級配曲線對照[1]

在瑞士可購得的再生劑是經蒸餾牛皮紙製程副產物鬆油而得，20℃動黏度為100〖𝑚𝑚〗^2/𝑠，以相關文獻建議的方法進行劑量決定試驗，結果顯示欲將本研究採用的RAP回復至針入度60，應採用的再生劑量為RAP中黏結料質量的7.3%。此再生劑以室溫的狀態加入。在拌製100%RAP試樣時，先將調配好的RAP放入170 ℃烘箱加熱後，取出放進熱油間接加熱的拌合機內攪拌30秒後，加入室溫的再生劑後再攪拌90秒(使再生劑先裹覆RAP中的瀝青)，最後再視配合比需求加入新瀝青，再拌210秒。在RAP中的瀝青具有黏結作用且會與新加入黏結料充份混合的假設下，加入再生劑以後100%RAP的黏結料量已經很高應可不必再加新瀝青，但為評估抗開裂成效，再多拌製總黏結料量多0.5% 試樣進行評估，添加的新瀝青為慣用的針入度50/70。因此，合計共四種100%RAP再生瀝青試樣的黏結料添加狀況如表1所示，除表1的四種100%RAP再生試樣外，其中「RAP粗」多拌一種新瀝青為高分子改質瀝青的試樣，標示為「RAP粗改質」。

表1、四種100%RAP再生瀝青試樣的黏結料添加狀況

SCB試樣是由標準的瀝青混凝土版試體鑽心而得，將鑽心試體取中間部份切割成高50mm的圓柱後，再從中鋸開成兩個半圓，再從半圓試樣的直徑中心處切鋸寬3.5mm深15mm的槽口，試驗時將半圓試樣直徑的兩端安裝在輪支承上，半圓的頂部施以線荷重，形成三點荷重如前圖3所示。

拌製的瀝青混凝土試樣在鬆散狀依標準方法放入150℃烘箱4小時模擬短期老化後，用鋼輪滾壓機滾壓成密度與標準馬歇爾試體相同，長500mm、寬180mm、高100mm的版試體。法國車轍試驗採用胎壓0.60±0.03MPa、輪荷重500±5kN的膠輪對該版試樣滾壓，先在室溫來回滾壓1,000次，再設定試驗艙溫度60℃預熱16小時後，正式開始滾壓試驗來回10,000次，其間在30, 100, 300, 1000, 3000, 及10000次來回時量測車轍深度，本研究採用的法國車轍試驗儀一次可同時對兩個版試體進行實驗，如前圖2所示。

瑞士用交通荷重模擬儀(Model Mobile Load Simulator, 簡稱MMSL3)如圖6所示，將試體及荷載的尺寸放大以更接近於現實的情況來評估鋪面材料成效，由瑞士聯邦政府的材料科學試驗中心(EMPA)執行。試樣的製做也是拌製瀝青混凝土試樣先以鬆散狀依標準方法放入150℃強制通風烘箱4小時模擬短期老化後，再以鋼輪滾壓機滾壓成密度與標準馬歇爾試體相同，長1.6m、寬0.6m、厚40mm的版試體。本次試驗主要關注在100%RAP試樣的抗疲勞開裂能力，故將該滾壓完成的版試體底部切10mm深的切割口，安裝在MMSL3時短邊用鋼鈑支撐，版底墊橡膠墊如圖7所示，整體再由穩固的水泥混凝土版支撐，使得試樣版受輪壓時因彎沉而由切口處逐步開裂至版頂，本研究用數位影像相關技術追蹤斑紋圖樣變化量測版開裂縫成長情形。

圖6、交通荷重模擬儀 (Model Mobile Load Simulator, MMLS3)示意圖[1] 

圖7、交通荷重模擬儀(MMLS3)試驗配置示意圖[1] 

研究成果

圖8為傳統馬歇爾試驗整理數據，未添加新瀝青的再生試樣的穩定值皆高於原生控制組，但添加新瀝青後則穩定值降低且流度值偏高；由圖8可知100% RAP 的再生瀝青混凝土沒能滿足傳統體積特徵和馬歇爾試驗的要求，但大部份鋪面工程師都理解，緃使完全符合這些試驗值要求也不能保證能符合鋪面成效需求。

圖8、六種試樣的傳統馬歇爾試驗數據比對[1]

圖9為法國車轍試驗數據比對，由圖可知RAP細車轍略低於AC8N，但添加新瀝青後則車轍較明顯，RAP粗因瀝青含量低較能抗車轍，添加新瀝青後則車轍深度仍可低於原生試樣，這種趨勢與實際現實相符。

圖9、六種試樣的法國車轍試驗數據比對[1]

圖10則為半圓抗彎(SCB)試驗數據比對，圖11則為代表抗開裂能力的柔性指數比對，未添加新瀝青的RAP試樣的抗開裂能力都比原生試差，添加新瀝青後則明顯提昇抗開裂能力，趨勢也與實際現實相符。圖12則為100%RAP再生瀝青混凝土的平衡配比設計成果圖。以法國車轍試驗變形量及半圓抗彎柔性指數兩種成效間取得平衡的配比設計法，不但具實務性也與配比改變預期的趨勢相符。從這些數據可知，缺乏適當設計調配的100%RAP再生瀝青混凝土成效較差，但經由在實驗室改變不同的混合料參數，則可與一般高承載鋪面面層使用的傳統瀝青混凝土具有相同的抗車轍與抗開裂成效。

圖10、六種試樣的半圓抗彎(SCB)試驗數據比對[1]

圖11、六種試樣的半圓抗彎(SCB)試驗計算的柔性指數比對[1]

圖12、平衡配比設計成果圖示：上圖RAP細沒有重疉區，下圖RAP粗[1]

以圖12平衡配比設計之成果，100%RAP粗之總黏結料量需調高至6.2%才是最佳瀝青含量，故以此拌製之試樣與原生控制組試樣比對執行交通荷重模擬儀 (Model Mobile Load Simulator, MMLS3)試驗，試驗結果如表2所示。以MMLS3測試瀝青混凝土的抗疲勞承載次數顯示，最佳化設計的100%RAP再生瀝青混凝土是控制組的傳統AC8N瀝青混凝土的2.5倍。

表2、100%RAP試樣與傳統原生試樣之MMSL3抗開裂成效比對[1]

在MMLS3測試時追蹤磨出PM10顆粒量試驗配置如圖13所示，測得的數據顯示100%RAP再生瀝青混凝土的顆粒散出量低於傳統原生AC8N瀝青混凝土。兩種瀝青混凝土的逸散量都屬於低散出量。

圖13、在MMLS3測試時磨出PM10顆粒量的追蹤系統配置圖[1]

以張力強度比評估抗水侵害的數據顯示100%RAP再生瀝青混凝土的張力強度比值為97%，顯示有很好的抗水侵害能力。

以英式擺錘評估的抗滑性數據顯示100%RAP再生瀝青混凝土的抗滑性與傳統原生AC8N瀝青混凝土相近且都符合安全需求。

結論

台灣地區多年來一直有公部門認定再生瀝青品質差傾向禁用，承包商則不斷反應刨除料堆置過剩乃至濫用，這種情況更因品質管理作為不確實而惡化。瑞士這項100%RAP研究的結論是很令人振奮的，但該研究只是在實驗室的初步成果，尚未探討RAP品質變異帶來的影響，作者認為有三項重點值得深思。

1. 粒料級配和瀝青含量的影響可能比瀝青的性質重要；
2. 成功的100%RAP再生瀝青是要經級配調粗及添加再生劑及新瀝青，並經平衡配比設計決定最佳配比；
3. 為能調配高RAP再生瀝青的粒料級配及瀝青含量，提昇RAP的篩分處理能力具有控制其品質變異的潛力。

台灣的環境不容消極仿效美國用限制RAP添加量來確保鋪面品質，反而應積極學歐洲在確保鋪面品質的前題下，設法提高RAP添加量；但由於不夠重視而投入的研究資源又不足，台灣地區的鋪面技術落後歐美，一直有配比設計過時或不切實際的問題，冒然提高RAP添加量相當不智；他山之石可以攻錯，建立一套永續再生瀝青混凝土品質體系致關重要，建議鋪面研究單位積極進行以下三項工作：

1. 選定適用的抗車轍及抗開裂成效試驗，並確實與現實成效建立關係設定臨界值；
2. 學習美國鋪面工程界發展平衡配比設計法；
3. 關注新式再生劑(不同於ASTM D4552)的研究。

參考文獻

1. M. Zaumanis, M. Arraigada, S.A. Wyss, K. Zeyer, M.C. Cavalli, L.D. Poulikakos, Performance-based design of 100% recycled hot-mix asphalt and validation using traffic load simulator, Journal of Cleaner Production 237 (2019),  https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.117679.
2. Federal Highway Administration, "A Study of Use of Recycled Paving Material", Report to Congress, June 1993, U. S. Department of Transportation.
3. U. S. Department of Transportation, Federal Highway Administration, “Recycled Materials in European Highway Environments－Uses, Technologies, and Policies,” International Technology Exchange Program, October 2000.
4. Im, S., Karki, P., Zhou, F., 2016. Development of new mix design method for asphalt mixtures containing RAP and rejuvenators. Constr. Build. Mater. 115, 727e734. https://doi.org/10.1016/J.CONBUILDMAT.2016.04.081.
5. AASHTO TP 124-16: “Standard method of test for determining the fracture potential of asphalt mixture using semicircular bend geometry at intermediate temperature.