橡膠瀝青與工廠化橡膠瀝青在各國推動狀況
Asphalt Rubber and Terminal blended Asphalt Rubber in the World
公部門強制要求使用橡膠瀝青以協助解決廢輪胎產生的環保議題
有鑑於以往橡膠瀝青(Asphalt Rubber, 簡稱AR,詳參作者另文「續命輪胎守護鋪面-What/Why/How Asphalt Rubber 橡膠瀝青 ? 」)的使用經驗,美國國會在1991年通過「陸路複合運輸效率法案(ISTEA, Intermodal Surface Transportation Efficiency Act)」,並於該法案的1038條款中,強制規定各州政府於瀝青鋪面中必須使用一定數量的廢輪胎橡膠,於1994年開始,使用聯邦基金鋪築的瀝青鋪面之總噸數中,至少需有5%為橡膠瀝青鋪面,此百分比值並將逐年增加,直至1997年需達到20%[1];該強制性法案訂定後,大部份尚未有廢輪胎橡膠瀝青使用經驗的州公路局,立即展開大規模的研究與試鋪路面,根據1993年FHWA的統計[2],當時美國市場上已有至少10種不同的廢輪胎橡膠瀝青工法出現。
依照橡膠鋪面協會的說法[3],ISTEA強制使用橡膠瀝青的法案,引起掌握全美5億噸熱拌瀝青市場的鋪築業強烈反對,導至橡膠瀝青專利申請延長、新式專利申請、成本高、耗能、空污異味、特殊設備、及不可再生等議題,摻雜許多的利益衝突與政治角力;橡膠瀝青不是用來解決廢輪胎的問題,而是道路工程人員基於其強度、耐久、降噪、抗滑、抗疲勞龜裂等,較優工程特性而選擇採用;若能普遍採用,當然可以解決廢輪胎的問題。
1995年美國聯邦政府決定取消強制條款,橡膠瀝青專利期沒有獲准延長,橡膠瀝青已經不是專利材料,不必擔心成本較高、也不必刻意添加不到15%的膠粉來廻避專利;至於耗能、空污異味、及不可再生等議題,其實也都在那段「政治論戰及大規模試鋪」的期間獲得解決[3]。
- 成本:因為沒有專利,一旦市場規模正常,與一般瀝青混凝土的差價有限,1999年時在亞利桑納州每噸只貴10美元。Caltrans設計規範准許橡膠瀝青混凝土鋪較薄(10公分厚一般瀝青面層可用5公分厚橡膠瀝青越級配替代),故,橡膠瀝青的成本可以較低。
- 生命週期成本:依據Hicks等人的研究,以FHWA規定的生命週期成本分析法,無論是用在預防性養護的碎石封層及熱拌薄面層,還是用在結構性加鋪面層,橡膠瀝青的單價都低於傳統瀝青工法;以台灣最常使用的加鋪面層的數據來看,每英碼成本比傳統瀝青鋪面低7.34美元,單位成本只有67%。
- 可再生利用特性:1992年以前,大部份過去鋪的橡膠瀝青鋪面都還完好服務中,沒有刨除再生利用的實務經驗,在1992至1995的「試行強制使用」的期間,也沒有出現將舊橡膠瀝青鋪面刨除再生的案例,但已開始有橡膠瀝青鋪面達到需要刨除重鋪的狀況,德州運輪研究院(TTI)探討了兩個案例,確認橡膠瀝青可以回收再利用,且若設計施工恰當,再生後的鋪面同樣具有良好的耐久性,該研究也觀察分析再利用過程的空污問題,並確認沒有比傳統製程嚴重,相對於其它因素(採用的加熱燃料及用量、拌合溫度、瀝青含量來看,橡膠粉粒對空污排放的影響較輕微。
- 空污排放:自1993年以來,有不少研究報告都說明橡膠瀝青的排放數據都低於國家勞工安全衛生機構(National Institute for Occupational Safety and Health, NIOSH)擬定的標準,1994年Gunkel替密西根自然資源部所做的調查,則比較了全新傳統瀝青混凝土和橡膠瀝青混凝土兩種製程中的空污排放數據,如表所示,表中甚至有不少數據顯示橡膠瀝青製程排放較低;自該報告以後,就很少出現污染排放方面的研究了。
- 特殊拌製設備:橡膠瀝青拌製設備大都可以很方便地拖至一般的瀝青拌合廠,既有拌合廠大都不需要做任何改裝,只要在既有瀝青槽接出管線將瀝青導入橡膠瀝青拌合設備即可;在施工方面,則只要採用傳統的鋪築及滾壓機具即可。投資這部橡膠瀝青拌製設備,大約只要50萬美金,只等同於一般鋪路機具的價格。
根據1999年的報告,亞利桑納州每年約新生4百萬條廢輪胎(約4萬噸),其中的3百萬條送至位於鳳凰城市郊的磨粉廠處理成廢輪胎橡膠粉,約2百60萬條用回公路鋪面,其餘做為橡膠墊等產品;沒有磨粉的1百萬條主要是因為運費太高不划算而送到鄰州或就近切割做掩埋場的覆蓋材[3]。亞利桑納州公路局在2003年啟動為期10年總預算3,400萬美元(約10億新台幣)的所謂「安靜鋪面先導計畫(Quiet Pavement Pilot Program)」,與聯邦公路總署合作評估公路鋪面的噪音量,在鳳凰城區域週邊主幹道的剛性(水泥混凝土)路面上加鋪一層厚1英吋的開放級配橡膠瀝青混凝土,並確認是否可以用加鋪橡膠瀝青鋪面來取代兩旁的隔音牆;該計畫執行一年後就提出「加鋪橡膠瀝青平均可以降低鋪面噪音7至9分貝」的結論,四年後的持續量測結果則顯示降噪效果仍能持續,橡膠瀝青仍能降低鋪面噪音5至7分貝,確認在剛性路面加鋪橡膠瀝青可以取代隔音牆的降噪效果[4]。
加州是全美註冊汽車量最多的州,每年新生4,400萬條廢輪胎(亞利桑納州的11倍,台灣的3.5倍),翻新再用或安全處理並有效益地應用在其它領域,則仍是相當大的挑戰。本研究整理加州推動廢輪胎鋪路的歷程如圖1所示;CalRecycle依照1989年通過的California Tire Recycling Act (加州輪胎再生法)強制執行廢輪胎的管理工作,緃使聯邦政府廢止ISTEA強制使用橡膠瀝青的條款,加州仍基於廢輪胎資源再用的議題,持續進行並在2000年通過Senate Bill (SB) 876來擴大加強。在有效益地再用廢輪胎資源部份,也在2003年通過國會338法案(Assembly Bill No. 338)在公共資源法(Public Resources Code)中增列第42703節(PRC 42703)[5],規定州運輸部門在興建養護道路使用瀝青混凝土時,應依一定比例搭配使用廢輪胎橡膠粉(Crumb Rubber Modifier, CRM),且搭配的比例在檢討效益後應逐年增加。
加州運輸部(Caltrans)用熱拌橡膠瀝青混凝土(Rubberized Hot MIx Asphalt, RHMA)鋪路已有超過20年的經驗,近年來在Caltrans的專案中普遍採用而使用更多廢輪胎橡膠。目前Caltrans更將RHMA列為:若有採用替代材料的需求時,可將RHMA列為道路面層的替代材料。在2013年Caltrans開始採用至少添加10%廢輪胎橡膠粉(Crumb Rubber Modifier, CRM)的所謂「PG-M級橡膠瀝青」;由於依公共資源法規(Public Resources Code 42703)強制要求Caltrans在瀝青材料中加入CRM, 迫使Caltrans必須持續在公路鋪面中使用更多廢輪胎回收橡膠;因Caltrans開始奉行環境永續(Sustainability)及產品環境責任(Stewardship)的理念,預計將更進一步提昇廢輪胎橡膠粉在加州鋪面的使用量。此種策略上提高廢輪胎橡膠粉在公路鋪面之應用量,不是基於橡膠瀝青在工程上優於傳統材料的成效,而是基於要使用「對環境衝擊較低的瀝青材料」。因此,Caltrans預計要提出的增加CRM用量的方法是「要求用在加州的瀝青都是綠瀝青(Green Asphalt)」;此項所謂「綠瀝青」是指目前使用中的一般瀝青都添加5%廢輪胎橡膠粉,這種做法預估每年將可轉移約830萬至1,000萬條廢輪胎到公路瀝青鋪面的應用上[6]。
橡膠瀝青與工廠化橡膠瀝青
美國加州以公共資源法要求運輸部門在鋪路瀝青中加入一定數量的廢輪胎膠粉,並在2013年以後准用添加10%廢輪胎膠粉的「PG-M橡膠瀝青」,在2015年以後則不限定要用「即拌即用的橡膠瀝青(也就是Field Blend)」,改稱為橡膠化瀝青混凝土(Rubberized Asphalt Concrete, RAC)[7]使得廢輪胎鋪路的方式更加多元,以便能協助解決廢輪胎的環保議題。然而只講究對環境衝擊較低,較難說服著重工程成效的鋪面工程師,況且添加5%或10%廢輪胎橡膠粉的瀝青,不同於一般傳統瀝青,要另定規範及品檢方法,對於品質檢測制度不夠完善的瀝青產業界,多元的缺點是容易造成混亂而可能打亂市場。
根據2011年5月由橡膠鋪面協會支助的研究報告[8],橡膠瀝青具肉眼可見的橡膠粒,由於組成成份的差別,可區分為兩類:
- 第一類橡膠瀝青(Asphalt Rubber Type 1):是源於亞利桑納州的傳統橡膠瀝青,組成成份中只有廢輪胎橡膠粉粒和瀝青膠泥,沒有其它橡膠、改質劑或油等添加料;這類橡膠瀝青主要在亞利桑納州、德州、及佛羅里達州使用。
- 第二類橡膠瀝青(Asphalt Rubber Type 2):由至多85%瀝青、至少15%橡膠、及視狀況添加的約2%較低黏度油所組成,且其中的橡膠部份則由75%廢輪胎粉粒,及25%高天然膠含量廢橡膠所組成。這類橡膠瀝青主要在加州使用。
嚴格來說,在加州使用的第二類橡膠瀝青,添加的高天然膠含量廢橡膠不是來自廢輪胎,而可能不符合ASTM D8廢輪胎橡膠粉粒占全體混合重量至少15%的規定。(或說因為橡膠部份有75%來自廢輪胎粉粒,若添加總量的20%橡膠,則Type 2 Asphalt Rubber中的廢輪胎橡膠也有0.2*0.75=0.15,可以符合ASTM D8的規定)
應用廢輪胎橡膠鋪路以溼式製程(詳參作者另文橡膠瀝青混凝土的配比設計)較為普遍,也就是要先將橡膠粉與瀝青先拌合後,再噴入拌合機內與粒料拌製成橡膠瀝青混凝土;依照加州路面工程界的認知,美國廢輪胎鋪路的溼式製程可區分為橡膠瀝青(Asphalt Rubber)與橡膠化瀝青(Rubber Modified Binder)兩種,前者就是ASTM定義的橡膠瀝青,而後者則又稱為工廠化橡膠瀝青(Asphalt Rubber Termianl Blend),工廠化橡膠瀝青一般用較細的廢輪胎橡膠粒,拌合較長的時間使呈均質狀,拌後用前不必攪動不會沉澱分離,可在煉油廠或工廠拌合,如圖2所示,可像一般鋪路瀝青或改質瀝青以油罐車運至拌合廠的油槽中使用,不必要有特別的橡膠瀝青拌製設備。這種橡膠改質瀝青的高溫黏度比橡膠瀝青低,且可以納入PG級規範(PG-TR)。加州在2004年起在9個試驗路段採用,2013年正式納入Caltran的PG-M規範。根據2011年5月由橡膠鋪面協會支助的研究報告[8],橡膠瀝青與工廠化橡膠瀝青應視為兩種明顯不同的材料,本研究整理該報告的觀點比較橡膠瀝青與工廠化橡膠瀝青如表1所示。
表1、橡膠瀝青與工廠化橡膠瀝青比較表
將橡膠瀝青「工廠化」源於想解決橡膠瀝青必需即拌即用的問題,再加上有些習慣使用高分子聚合物改質瀝青(Polymer Modified Asphalt)的工程師,甚至很不習慣橡膠瀝青可見廢輪胎橡膠顆粒,而視為「不均質材料」、「黏度太高很難處理」。根據2017年出版的相關文獻整理,要解決橡膠瀝青儲存不穩定的問題,可以有下列三種方法[9]:
- 高溫長時間消化反應:可以經由使用較細及較大比表面積的顆粒來改善,小於0.3mm的常溫研磨膠粉,即可明顯改善;研究也發現,用更細的粉在橡膠瀝青的拌製溫度下,有可能去硫化或「消化」到瀝青的分子架構中而呈現均質狀,這就是所謂溶解度高達97%以上的「工廠化橡膠瀝青」,這種橡膠顆粒「去硫化」而「消化」至瀝青分子架構中的產品,有可能因為不再有橡膠顆粒的性質而失去橡膠瀝青的傳統性質。
- 化改橡膠瀝青:比較好的方法是採用可以改變橡膠顆粒與瀝青之間介面物理和化學特性的添加劑,有可能是Trans-PolyOctenamer rubber (TOR)、由硫黃和SBS組成的共聚合物、peroxides and acrylate-glycidyl共聚物、或聚乙烯與POE-g-MA組成的複合共聚物等。
- 購買市面上已有的專利產品,例如RuBind 或是 tecRoad;這些產品先將廢輪胎橡膠顆粒(約占重量比30~40%)與瀝青、高分子聚合物、油脂、助黏劑、及融合劑等調拌成所謂「反應活化的廢輪胎橡膠粉(Reacted and Activated Rubber, RAR)」,甚至可以直接投入熱拌廠的拌合機內與骨材拌合,「用乾式製程達到溼式的效果」。
文獻上也有不少橡膠瀝青成效不佳的案例,尤其是1994年左右鋪的「橡膠瀝青」,大都是對材料特性不瞭解,沒有掌握到需要搭配的粒料級配選擇及施工品管要訣;較近的是2014年科羅拉州公路局(Colorado Department of Transportation, CDOT)的研究報告[10],比較傳統PG64-28瀝青、橡膠瀝青、及工廠化橡膠瀝青,但都是用在鋪5公分厚密級配路面層、規範都以符合PG64-28為主,以往有SBR改質瀝青的經驗,對SBR改質瀝青會加測韌性(toughness)及延性(tenacity), 本次研究兩種橡膠瀝青都不符合傳統韌性及延性的規範,2009年鋪的試驗路段,在22個月橡膠瀝青就出現橫向裂縫,29個月後就出現縱向裂縫,而傳統瀝青鋪面則尚未出現橫向裂縫,56個月後才出現少許縱向裂縫;該研究報告是把橡膠瀝青當一般改質瀝青使用的失敗案例,得出的謬論是「麻煩又較貴的橡膠瀝青成效明顯比不上傳統瀝青」。本研究認為應該用ASTM D6114橡膠瀝青規範而不是用SBR改質瀝青規範來檢測橡膠瀝青的韌性或延性,應該用越級配而不該用密級配,應該用較高的瀝青含量。
廢輪胎的環境議題有助於推動橡膠瀝青
在石油化學工業發達以前,也就是大約在1910年左右,天然橡膠取得不易且價格昂貴,橡膠製品使用再生橡膠的比例高達50%;到了1960年代,由於合成橡膠價格便宜,一般橡膠製品只約含有20%再生橡膠;自此以後,合成橡膠愈來愈便宜,而輪胎製造則進入硫化橡膠及鋼絲加勁的耐磨耐久且強度高的時代,製程中只能加入約2%再生橡膠,隨著汽車工業的發達,廢輪胎的資源化處理成為20世紀末的重要議題。依照經濟合作與發展組織(Organization for Economic Co-operation and Development, OEDC)於2006年出版的報告[11],大部份OECD會員國的廢輪胎處理以輔助燃料為主,可占水泥窯需求燃料的25%,燒後沒有殘留物;例如歐洲、美國、日本、及韓國的廢輪胎大都進水泥窯,在奧地利、法國、德國、瑞典更高達65%;除了水泥窯外,歐洲及美國也特別建造燒廢輪胎的發電廠[12]。
根據美國製胎協會(U. S. Tire Manufacturer Association)在2017年發佈的2015年統計資料,美國每年新生2億4千6百萬條廢輪胎,有88%妥善地再利用為「胎得福(Tire Derived Fuel, TDF)」48%、胎磨膠粉25%、土木工程7%、其它應用8%;以州議會立法要求運輸部門使用橡膠瀝青的加州來看,2012年的狀況是TDF只占17%、胎磨膠粉占23%且持續擴大中,若只計鋪路用的胎磨膠粉則已超過11%;歐洲各國的廢輪胎管理機制及磨粉市場的情形如圖3所示,歐盟以生命週期評估的觀點,主張廢輪胎資源的再用「胎得材(Tire Derived Material, TDM)」優於TDF,近年來TDM的百分比有逐漸超過TDF的趨勢,以2012年歐洲製胎協會的統計資料,如圖4所示,西班牙、比利時、葡萄牙、荷蘭、丹麥、及匈牙利各國的胎磨膠粉再利用的比例已經超過50%。
歐洲各國使用廢輪胎橡膠瀝青鋪路仍不普遍,主要是因為歐洲國家應用瀝青材料的習慣不同於美洲大陸,德、英、法等國都有長時間使用聚合物改質瀝青的傳統,不容易接受「不均質且不能儲存」的橡膠瀝青[13],近年由大型廢輪胎處理廠研發添加廢輪胎橡膠粉的專利改質瀝青(例如GENAN的Road+),優於或等同於美國的橡膠瀝青;近幾年西班牙的國家法規及義大利對鋪面噪音的關注,提昇了這兩個國家對橡膠瀝青的使用意願,再加上採用新型態橡膠化瀝青技術,將高分子聚合物與廢輪胎橡膠合併使用,符合綠色採購的思維。歐洲鋪面工程界一般認為橡膠瀝青有以下的缺點而較難普遍應用[14]:
- 橡膠瀝青的拌製溫度太高(>190℃)且又要較長的反應時間(45~60分鐘);
- 必須採用貴又複雜的特製拌合設備;
- 一般即拌即用不能儲存;
- 拌製混凝土時需用較高瀝青含量,使得成本再增加。
除了葡萄牙和西班牙兩國外,採用橡膠瀝青鋪路大都還停在試驗階段,還沒有大規模的鋪築;僅管不少國家的試驗成果顯示正面效益,但也都質疑高溫視黏度高的缺點。直到最近幾年出現新的技術,融合聚合物改質瀝青與橡膠瀝青,既應用廢輪胎橡膠的好處克服不均質無法儲存的缺點,在西班牙和義大利兩國開始進入新的應用階段。歐洲部份國家採用橡膠瀝青的概況彙整如下[14]:
- 瑞典:2006年推出專案,評估在瑞典鋪面採用橡膠瀝青的可行性,採用亞利桑納技術,並在2007年在不同的道路實際鋪築越級配橡膠瀝青路面,實證橡膠鋪面在穩定性、柔性、疲勞、和耐久方面都符合瑞典鋪面的需求,且在抗龜裂及耐磨蝕上優於傳統鋪面。
- 葡萄牙:1999年8月在EN 104和EN 105兩道路上,共鋪總長22公里橡膠瀝青鋪面,採用溼式製程、廢輪胎橡膠添加量18%的橡膠瀝青共1,700公噸;該專案以實驗室的數據表明橡膠瀝青鋪面的抗疲勞性優於傳統鋪面,且在使用6年後再測試得的抗疲勞性質仍展現優勢。根據資料顯示,自1999年以來,葡國已鋪築超過700公里橡膠瀝青路面,使用54,000公噸橡膠瀝青,實驗室及工地的測試數據都顯現優於傳統鋪面。
- 德國:私人企業(例如GENAN)在既有的聚合物改質瀝青基礎下,研發新式橡膠瀝青專利技術,將廢輪胎橡膠預先添加膨脹油和石臘,使得可以直接採用乾式製程,或是在溼式製程降低拌合溫度、提高儲存均質度。
- 法國:在新一代透水降噪瀝青鋪面中開始採用添加廢輪胎橡膠的瀝青。法國主要的廢輪胎再利用研發計畫,由米其林領頭,2010年起8年5100萬歐元(其中1330萬由環境及能源管理部門ADEME出資),兩個主要研發方向都是用回輪胎製造業的原料。
- 西班牙:挑選芳香族成份在63.5%至76.3%之間的瀝青,廢輪胎橡膠粒徑在0.8mm以下,高天然膠含量(47%)或平均天然膠含量(38%),調配三種橡膠瀝青且分別擬訂規範:橡膠改質瀝青(橡膠添加量10~11%)、高分子聚合物及橡膠改質瀝青(橡膠添加量4~12%)、及高添加量高黏度橡膠瀝青(橡膠添加量18~22%)。
- 義大利:研發新式橡膠瀝青技術,將廢輪胎橡膠預先添加膨脹油和石臘,使得可以直接採用乾式製程,或是在溼式製程降低拌合溫度、提高儲存均質度。
在廢輪胎資源的處理上,日本政府基於能源缺乏的本質而有較完善的國家能源規劃,廢輪胎的燃值高過一般煤,無法循環再利用回橡膠工業的部份,大都以TDF的型式再利用;根據環保署2018年2月公開的「日本廢輪胎處理管道、技術及再生料市場參訪計畫」考察報告,日本政府針對能源轉型推動有系統且完整的行政管理與經濟誘因措施(包含法令、租稅、補助與融資等),促使高耗能產業使用石油以外的替代能源(如廢輪胎),促成日本廢輪胎再利用管道多元化[15]。
日本應用聚合物改質瀝青的歷史和習慣幾乎與歐洲相同,若以「Asphalt Rubber」為關鍵字,查得的文獻資料大都指向高分子聚合物改質瀝青,日本改質瀝青協會(Japan Modified Asphalt Association, JMAA)公佈的歷史資料,可知早在1950年代日本工程界就仿照歐美各國的經驗,採用天然橡膠粉及合成橡膠粉來改進石油瀝青的性質,後續的演進採用SBR合成橡膠改質瀝青鋪路變成相當普遍,並在1978年成立橡膠瀝青協會(Rubber Asphalt Association)也就是JMAA的創始會名,且在1979年正式改會名為日本橡膠瀝青協會(Japan Rubber Asphalt Association),此後發展許多以合成橡膠改質的瀝青材料,直到1992年才正名為JMAA。在這樣的背景下,日本鋪面工程界採用廢輪胎橡膠瀝青並不普遍,但一直存在有「低噪音路面」的需求,根據2011年的研究報告,將原作為燃料的廢輪胎膠片再打成碎屑取代原排水瀝青混凝土中的粗粒料,製成所謂「多孔彈性橡膠面層(Porous Elastic Rubber Surface, PERS)」,可以降低路面噪音達15分貝[16],該類鋪面的製程與鋪築工法不同於傳統工法,材料與施工成本較高仍處研發階段尚未市場化。
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