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(Va)計算的有效瀝青體積(Vbe)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(Gsb)，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、及使用較高能量夯製試體，不少州公路局加測既有的輪跡試驗確保抗車轍能力；經過多年的實證，這個期間設計的鋪面幾乎很少再出現車轍的問題，反而有許多州公路局提報開裂及鬆散脫落成為主要的鋪面破壞；多年來嚐試不少調整，然超級鋪面配比設計法在主體上的缺陷，很難從枝微末節的調整來改變。從面對鋪面破壞的角度來看，超級鋪面配比設計法似乎因應當時較嚴重的車轍變形而過頭了，現在，不要又再過度因應疲勞開裂，應該強調「平衡」，在鋪面疲勞開裂與車轍變形兩種成效間取得平衡。

美國由聯邦公路總署(FHWA)帶頭的「鋪面實施執行工作小組(Pavement Implementation Executive Task Group, PIETG)」 主要關注在鋪面設計分析及鋪面材料品保等相關議題，為補超級鋪面配合設計法之不足，特別提出平衡配比設計的需求，2015年成立了平衡配比設計工作小組，明確定義平衡配比設計(Balanced Mix Design, BMD)並提出研究需求，在NCHRP 20-7項下委由國家瀝青科技中心(National Center for Asphalt Technology, NCAT)進行BMD框架探究[1]。

開發理想的抗開裂試驗法

美國路面工程界在1980年代的調查顯示最主要的鋪面破壞是車轍變形，隨著採行超級鋪面規範、用較多高分子聚合物改質的瀝青、採用較低瀝青含量，又或是三種效應綜合顯現，鋪面車轍變形較少出現了，然，隨之而來的是提早出現鋪面開裂，目前已經成為主要的破壞型式了。又因為環保趨勢及成本誘因，增加使用添加刨除料(RAP)或是再生瀝青防水材(Recycled Asphalt Shingles, RAS)的瀝青混合料，使得路面開裂的問題更加明顯。因此，在配合設計階段，迫切地需要有適當的開裂破壞評估試驗，不僅要能與實際成效相契合，試驗精度也要足以判別不同混合料的成效，且最好是簡單易執行以便能在常規的品質管理上使用。

因此，美國啟動NCHRP 9-57研究計畫(Experimental Design for Field Validation of Laboratory Tests to Assess Cracking Resistance of Asphalt Mixtures)，回顧共七種現行的抗開裂試驗法，如表1所示，並以公認簡易的半圓撓曲(抗彎)試驗為基礎，開發第八種理想的抗開裂試驗法(IDEAL-CT)，如圖1所示[2]。

表1、NCHRP 9-57研究計畫整理的抗開裂試驗法比較表[2]

圖1說明IDEAL-CT的試驗配置與試驗數據的分析方法，該試驗採用與傳統瀝青混凝土穩定儀試驗、間接張力試驗共用的壓力架，儀器的荷載速率每分鐘50mm，以間接張力的型式將圓柱試體劈裂，用自動記錄器截取繪製荷重變形曲線，研究人員在深入分析荷重變形曲線各部份的資訊後，決定從峰值後的曲線部份，提取瀝青混凝土試體的抗開裂特性資訊；這是因為瀝青混凝土荷重能力下降代表內部出現微裂縫，微裂縫的發展情形就是抗開裂特性，會反應在峰後的曲線變化。

圖1、IDEAL-CT的試驗配置與試驗數據的分析探討示意[2]

基於以往對混凝土破裂能(Gf)和裂縫成長模式的研究，選定「開裂指數(CTindex)」做為評估瀝青混凝土抗開裂能力的參數，求算開裂指數的方法說明如圖2所示；一般而言，Gf愈大代表抗破裂能力愈強；混合料的勁度愈高(愈硬)，裂縫成長愈快，也就是承載力降得愈快，亦即m75絕對值愈大(峰後曲線斜率愈大)，代表抗開裂能力愈差；另，若就l75/D來看，此值愈大代表容許的開裂「應變」愈大，也就是抗開裂能力愈高。

圖2、IDEAL-CT的試驗求算開裂指數(CTindex)說明[2]

Gf為破裂能(fracture energy)，單位面積開裂所需的能量

曲線函蓋的面積為功W，t為試體高，D為試體直徑

美國NCAT最新的研究成果，以在測試道實際荷載比對實驗室試驗數據，強烈建議以CTindex做為評估面層抗「由上而下開裂」的指標，詳參作者另文「美國瀝青科技中心探究瀝青面層抗開裂能力及檢測方法」。IDEAL-CT試驗的YouTube影片。

平衡配比設計法的發展

瀝青混凝土與水泥混凝土在配比設計上有很大的不同，水泥混凝土的水泥用量以水灰比做為參數，既主導強度也同方向主控耐久性，也就是水泥含量高則強度高且耐久；然，高瀝青含量耐久但不穩定易生車轍變形，低瀝青含量較穩定不易變形但不耐久，選定最佳瀝青含量必需在瀝青混凝土的穩定性與耐久性之間取得平衡，如圖3所示，因此，平衡配比設計的概念是相當傳統的。

圖3、傳統瀝青混凝土配比設計在穩定與耐久兩曲線間選擇最佳瀝青含量示意圖[1]

鑑於落實超級鋪面法招來的龜裂不耐久問題，2006年德州運輸研究中心(Texas Transportation Institute, TTI)再次導入BMD概念，使用浸水漢堡輪跡試驗做為抗變形指標，搭配執行加鋪試驗(Overlay Test) 求得的抗疲勞開裂成效，採用以成效為主的平衡配比設計流程如圖4所示。

圖4、德州運輸研究中心以成效為主的平衡配比設計流程圖[1, 3]

加鋪試驗(Overlay Test, OT) 原欲代表鋪面加鋪反射裂縫潛勢，是瀝青混凝土試體的直接張力試驗。該試驗法切鋸150mm直徑圓柱試驗的中心部份厚38.1mm，安裝在圖5所示拉張儀的金屬板上，以一定的頻率重覆施以固定張開變形量，並且紀錄張力消退的情形如圖6所示。

圖5、德州發展BMD時用以評估抗裂能力的OT試驗的配置與試體安裝情形[3]

圖6、加鋪試驗(OT)所得數據與判讀方法示意[3]

一般BMD在車轍變形與疲勞開裂間取得平衡，成效試驗的綜合分析乃以瀝青含量為橫座標軸，將車轍變形與疲勞開裂據分別點繪在左右兩個座標軸，整理如圖7所示，瀝青含量高則抗疲勞開裂能力提昇，但抗車轍變形能力下降，瀝青含量低則抗變形能力提高但抗疲勞開裂能力下降，分別標示可容許的車轍變形與疲勞開裂界限值，兩可接受範圍的重疉區域即為在車轍變形與疲勞開裂間取得平衡的瀝青含量範圍。

圖7、將車轍變形與疲勞開裂試驗成果繪製平衡配比設計圖例[1, 3]

瀝青混凝土試樣的抗車轍變形及抗疲勞開裂試驗數據，也可以用成效空間圖(Performance Space Diagram, PSD)來展示，例如圖8的橫軸為碟形簡易張力試測得的破裂能，縱軸則為漢堡輪跡試驗測得的車轍深度，該圖區劃出分別稱為貧配比(Poor Mix)、軟配比(Soft Mix)、硬配比(Stiff Mix)、及超配比(Super Mix)的四個區域，來因應不同的鋪面成效需求，將混合料的檢則結果點繪在PSD圖上，判斷是否符合目標鋪面的成效需求。

圖8、判斷瀝青混凝土抗車轍與抗開裂狀況的成效空間圖[1]

平衡配比設計的實施

BMD是配比設計的概念，可採用慣用的成效試驗法來落實，例如紐澤西州公路局(NJDOT)慣用瀝青鋪面分析儀(APA)評估車轍，加鋪試驗(OT)則是NJDOT基於其對再生瀝青實際成效具有判別力而採用，故NJDOT的BMD採用APA與OT來落實平衡配比設計的概念。NCAT的報告整理美國各州公路單位常用的瀝青混凝土成效試驗如表所2示。

表2、常用的瀝青混凝土成效試驗彙整表[1]

NCAT也整理應用成效試驗來落實平衡配比設計的方法流程，可如圖9所示的三種。圖9左側是以目前的超級鋪面法執行體積特徵分析選定「最佳瀝青含量」後執行成效試驗，若不符合成效試驗則重新設計；圖9中間的流程則較強調成效，先以體積特徵決定初用瀝青含量，再以成效試驗用初用瀝青含量、初用瀝青含量+0.5%、初用瀝青含量-0.5%等多種不同瀝青含量試樣，執行成效試驗決定最佳瀝青含量，決定最佳瀝青含量後的混合料的體積特徵可以超出原體積特徵的規定；圖9的右側則是開始先不管體積特徵，以不同的組成混合料直接以成效試驗進行評估，選擇最佳瀝青含量後，再測體積特徵做為次要參照，體積特徵可以超出傳統的規定界限。目前有不少公路單位已經使用圖9左側的流程來平衡體積特徵，加州已經採用圖9中間的流程允許跳出體積特徵的框框，美國似乎還沒有單位採用圖9右側的流程，歐洲的瑞士在進行100%RAP再生瀝青混凝土的研究時，則引用圖9右側的BMD配比設計流程，突破傳統的框架設計出符合成效需求的100%RAP再生瀝青混凝土(詳參作者另文瑞士100%RAP再生瀝青混凝土的研究)。

圖9、落實BMD概念的三種流程[1]

結語

所謂「平衡配比設計(BMD)」是指一種瀝青混合料的配比設計方法，主要是在實驗室針對不同的氣候與交通荷載狀況用適當老化模擬的試樣，以多種破壞模式的成效試驗檢測後，依據最佳化的成效決定材料組成配比。BMD本質上是針對服務成效需求的配比設計方法。

超級鋪面的成效試驗不切實際，加上過度強調抗車轍而衍生較多抗開裂與耐久的需求，美國各州公路單位嚐試的調整缺乏通用性；超級鋪面配比設計的主要兩項體積特徵為設計空隙率(Va)對有效瀝青體積(Vbe)，在以旋轉夯實機在設計旋轉圈數(Ndesign)下夯實試體的空隙率(Va)受組成配比影響，常被用做為品質的指標，而有效瀝青體積(Vbe)則主導抗開裂能力與耐久性；但是，設計瀝青混合料的配合比時，靠這兩個參數顯然無法完整納入瀝青膠泥品質的影響，也就無法適用在再生瀝青、改質瀝青、橡膠瀝青，及其它添加摻料的瀝青混合料。另外就是體積特徵受粒料的虛比重(Gsb)影響，而粒料虛比重的檢測方法精度不足，且有些料源的虛比重變化又很大，使用RAP時又更難準確求得粒料的虛比重。總結來說，瀝青鋪面耐久及抗開裂需求提昇，加上傳統配比設計法的不足，促使BMD成為瀝青混合料設計與製程驗收的新方法。

平衡配比設計是傳統瀝青混凝土的既有概念，以往受限於成效試驗法而較難落實(詳參作者另文：超級鋪面配比設計法中的混合料成效試驗)，在成效試驗發展完善後，應突破傳統體積特徵的束縛，善用平衡配比設計的概念，在慣用的抗車轍成效試驗和抗開裂成效試驗間取得平衡，提昇鋪面的服務成效。另一個重要的議題是BMD概念影響再生瀝青的發展，應用BMD概念發展可靠的高RAP添加量的再生瀝青混凝土配比設計法(詳參作者另文：瑞士100%RAP再生瀝青混凝土的研究)。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。發展BMD可以解開再生瀝青混凝土配比設計中對RAP添加量的迷思(詳參作者另文：再生瀝青混凝土的配比設計)。

參考文獻

1. Randy West, Carolina Rodezno, Fabricio Leiva, and Fan Yin, Development of a Framework for Balanced Mix Design, Final Report to the NCHRP 20-07/Task 406, August 30, 2018.
2. Fujie Zhou, Soohyok Im, and Sheng Hu, "Development and Validation of the IDEAL Cracking Test," TRANSPORTATION RESEARCH CIRCULAR E-C251 Relationship Between Laboratory Cracking Tests and Field Performance of Asphalt Mixtures, ISSN 0097-8515.
3. Thomas Bennert, "Evaluating Balanced Mixture Design for New Jersey to Enhance Asphalt Mixture Durability," TRANSPORTATION RESEARCH CIRCULAR E-C251 Relationship Between Laboratory Cracking Tests and Field Performance of Asphalt Mixtures, ISSN 0097-8515.