熱拌瀝青廠的製程與品質控制
一、瀝青拌合廠的型式與配置
熱拌瀝青廠係將各尺寸粒料按預定比例混合、烘乾、加熱，再加入已另外加溫之瀝青，均勻拌合成熱拌瀝青混凝土(Hot Mix Asphalt, HMA)，拌合廠之設備由一系列機械及電子設備所組成，依美國瀝青協會(Asphalt Institute, A.I.)之分類，有分拌式及連續式兩種設計，連續式又可區分為舊型連續式及現代化的鼓式廠(Drum Mixer)，現代化的鼓式廠則又可依粒料與熱氣流在烘乾拌合鼓中的流向，分為逆流式(Counter Flow)與順流式(Parallel Flow)兩種，縱使不同型式拌合廠的操作與材料流程不同，其最終的目的都是拌合均勻且出廠溫度、瀝青含量、粒料級配等特性符合規範的HMA。
國內大部份熱拌瀝青廠乃由鄰國日本引進，且大都為固定廠址的中央式拌合廠，廠區內除機具運作所需的空間外，亦設置砂石堆料場、運輸車輛調度場、辦公室、及品管試驗室等區域，依據日本道路協會提供的資料，設置熱拌瀝青廠所需的敷地面積，依產量大小而定，如表1所示。一般拌合機容量為2公噸的分拌式廠，應有12,000平方公尺的敷地面積，才能確保運作順暢。國內熱拌瀝青拌合廠之設置主管機關為經濟部工業局。
瀝青熱拌廠內的配置影響操作動線，對工作安全及環境的維護有相當重要的影響，圖1和圖2分別為敷地面積達3,000平方公尺之中型廠及9,000平方公尺之小型廠的配置例，由於熱拌瀝青廠為固定重污染源，主要的污染為粉塵及噪音，廠區四周最好要有足夠綠地，且利用植生與相鄰的居民作有效的區隔，防止粉塵及噪音對週遭環境的污染。
圖2、日本道路協會建議之熱拌瀝青廠配置例二[1]
二、分拌式拌合廠
分拌式拌合廠主要由粒料餵料系統、瀝青供料系統、粒料乾燥與加熱系統、拌合塔、和集塵排放污染防治系統等五大單元所組成，如圖3所示，其中拌合塔由熱料提昇機、震動篩、熱料倉、計量箱、瀝青計量槽、及拌合機所組成，圖3中亦列出分拌式拌合廠的生產流程，圖4則為國內常見之分拌式熱拌瀝青拌合廠照片。
圖3、分拌式熱拌瀝青廠之組成及生產流程圖
圖4、國內常見之分拌式熱拌瀝青拌合廠照片
組成HMA的各種不同尺寸粒料，分別由不同的供料倉按配比以各供料倉之開口大小或輸送帶轉速，餵入位於各料倉下的總成輸送帶上，此總成輸送帶經必要的轉運後，將混合粒料送入乾燥器中；分拌式廠的圓筒形乾燥鼓為逆流式，燃燒器位於傾斜圓筒乾燥鼓之較低端，粒料由較高端進入乾燥鼓中，由旋轉鼓中的葉片將粒料提高並因重力而往下掉落，使其散佈於由燃燒器形成的火燄與熱氣流中，因著重力及圓筒的傾斜角度，粒料往乾燥鼓的低處流動，水份隨著熱氣流排出、粒料溫度提高，直至乾燥鼓末端，流出乾燥鼓而進入熱料提昇機，再帶上拌合塔如圖5所示。
圖5、熱拌瀝青廠之拌合塔剖面圖[3]
熱料提昇機以鍊條帶動的提料斗將高溫熱粒料帶至拌合塔頂端，卸入震動篩的各層篩網上，一般拌合塔頂之震動機座會有四層篩網，頭一層為攔截網，其它三層篩網將烘乾後之粒料分為四部份，此種篩分後再拌合的設計，導源於本世紀初美國華納兄弟公司(Warren Brothers Co.)的專利拌合廠[2]。約在1901年，拌合瀝青混凝土的設備非常簡陋，人力與獸力使用度高，產品大部份為瀝青砂，華納兄弟公司則獨排眾議，認為應以粗粒料提供強度，遂針對冷料供料、烘乾等流程很難達到均勻順暢，而造成嚴重粒料分離之現象，設計將烘乾後粒料篩分成數個倉後，再由熱料倉中卸料、計量、拌合之拌合廠，此種拌合廠成為以後拌合廠的主流(即分拌式拌合廠)，直到1980後，不經篩分、連續拌合的現代化鼓式拌合廠才有逐漸將其取代的趨勢。
各篩網的尺寸應配合欲生產之產品級配及各熱料倉之大小，例如欲生產標稱最大粒徑為一英吋(25.4mm)之瀝青底層，不可使用25mm之攔截網，而應改為較大如32mm篩網。篩網又因需承受粒料荷重及震動，目前最小的孔徑約為3.35mm，再小的篩網將因容易損壞而無實用性，又由於大部份的HMA產品為密級配，其中砂量(3mm以下)約為總量的40%附近，因此，美式分拌式廠的熱料倉之第一倉(砂倉)的容量約佔總量的40%，第二、三、四倉分別佔總量的30%、20%、及10%，以便在製程中保持各熱料倉的平衡，不會有某一倉滿倉，或另一倉待料的現象，這種熱料倉的平衡，是相當重要的；若某倉滿倉，則篩分後的石料不能再進入該倉中，而由溢流管排出拌合塔，除了形成嚴重浪費外，原按配比設計欲加入的石料，沒有被加入，成品粒料級配不正確，同理，若某一倉待料，則除了使生產速率下降外，產品的品質亦受影響；在篩分運作正常的狀況下，亦即沒有篩網破損、阻塞、或篩分效率不足等不正常情況，在各熱料倉以適當的取樣器取樣進行篩分析，如圖6所示，是確保品質的重要手段。
圖6、分拌式廠振動篩的粒料析離現象及適當取樣器示意圖[3]
各熱料倉不平衡的現象，除了篩網可能沒有配合欲生產的級配及各倉容量修正外，最大的原因是冷料供輸的配合比例不正確，而有某部份粒徑料過多，其它部份粒徑料過少的現象；分拌式拌合廠的篩分、計量、拌合的分段製程，容易使人誤會主要的級配控制在拌合塔上，實際上，由冷料倉供入的所有粒料，最終都將拌入成品內，想藉由篩分後再組合的製程，以克服冷料供輸配比的錯誤，是不正確的觀念，此種誤解在國內許多拌合廠中最常出現，由於許多拌合廠之料源不穩定，加上拌合廠沒有進行冷料供料之流量校正，操作人員對冷料供輸之配比完全以經驗掌控，製程中熱料倉不平衡的現象很明顯；這種熱料倉不平衡的狀況，首先應由冷料供輸之配比調整，經由料源之控制，在有穩定料源下，經試驗後決定各冷料倉供料流量，經此修正後，若仍有不平衡現象，則應考慮震動篩網之適當性，才是正確的控制方法。
在有穩定料源並經冷料流量校正後之分拌式拌合廠製程，於拌合塔上的震動篩、熱料倉中，還要隨時注意篩分效率、若流量過大而超出篩分能量，則將有許多小粒料進入大粒料倉，又或篩網、熱倉隔間等破損，使大粒料混入小粒料倉中，這些拌合塔上容易發生的狀況，都會使原本配比正確的混合料，亦即進入乾燥鼓中的混合料之級配是正常的，因經篩分而出了問題，使許多工程師開始認為分拌式拌合廠之拌合塔，似乎是一種累贅，而現代化的設備無論是冷料供輸系統、烘乾系統、甚至提昇機之運作，粒料分離的現象已由機具之更新而排除，加上對自動控制系統的改進，流量控制的準確度很高，許多有經驗的拌合業者偏向於使用鼓式拌合機，根據資料顯示，美國大部份製造拌合機具的公司，已經較少設計分拌式廠，而以鼓式拌合廠取代，原因為鼓式廠省掉分拌式廠中的拌合塔，為一種經濟性的設計，產量又較高，且較適於生產再生瀝青混凝土。
三、鼓式拌合廠
現代化的順流式鼓式廠如圖7所示，乃由冷料供輸系統、瀝青供料系統、拌合鼓(Drum Mixer)、儲料倉、及集塵排放污染防治系統等五大單元所組成，與分拌式廠的主要差別，為以增長的順流式乾燥鼓的末端直接進行拌合，而將拌合塔的部份省略，但因需將連續性產品轉由間斷性的卡車運輸，而必須加設儲料倉，且由於不經篩分、熱料倉、拌合機，縮短粒料的流程時間，不但因熱量損失較少而節省燃料，產量也較大，每小時生產300公噸(相當於每盤5公噸之分拌式拌合廠之產量)是很平常的鼓式廠。
鼓式廠的粒料比例完全由各冷料倉下的輸送帶的轉速與開口調整完成，此點與分拌式拌合廠的冷料供料控制是相同的，但為準確供入瀝青量，進入乾燥拌合鼓的總成輸送帶必須加裝兩樣電子設備[3]，一為由荷重感應器組成且可隨時顯示輸送帶重量的計量橋(Weigh Bridge)，另一為可隨時顯示輸送帶轉速的速度感應器，使用此二讀數，可以準確計算進入乾燥拌合鼓中砂石粒料的流量(每小時公噸數)，如圖8所示，品管人員經由迅速檢測混合粒料的含水量，並輸入拌合廠操作電腦中，電腦會自動將流入拌合鼓之溼粒料重，轉換為乾粒料重，並依設定的瀝青含量，控制瀝青流入拌合鼓的流量。
圖8、熱拌瀝青鼓式廠的計量輸送帶系統示意圖
一般鼓式廠為順流式，亦即燃燒器位於傾斜乾燥拌合鼓的較高端，粒料於鼓中的流動方向與熱氣流方向平行，溼粒料以卸料槽由燃燒器之上端進入，或以投石器由燃燒器之下端投入，乾燥鼓的傾斜角度與其中的葉片，將使粒料分散、並依重力往低處流動，鼓中各種型式葉片的設計，可使鼓中間處形成濃密的分散粒料，而使烘乾效率得以提昇；由瀝青儲油槽接來的瀝青供料管，進入乾燥鼓的後段部份，如圖9所示，依校正後的流量直接噴灑於粒料上，裹覆與拌合的程序，以鼓後段的拌合葉片及傾斜重力而達成，完成拌合的成品並持續由鼓的末端輸出，並以輸送設備連續轉運至儲料倉中，裝運卡車於儲料倉下裝料，並運至工地鋪築。
圖9、順流式烘乾拌合鼓
鼓式拌合廠的集塵排放污染防治系統與分拌式廠使用者完全相同，依以往的經驗，鼓式廠的瀝青老化量雖可能較低、品質變異可能較大，但以正常品管手段控制的產品，品質與分拌式廠生產著完全相同；若以再生工法考慮，鼓式廠較容易進行再生，且刨除料添加量可以較高，近幾年來，針對熱拌再生瀝青混凝土之產製，有採用較高熱效率之逆流式鼓式廠之設計，如圖10所式，藉由將燃燒器往鼓內推進，刨除料由燃燒火燄之後進入鼓中，與高溫新粒料拌合均勻，而免除刨除料受火燄及熱氣流加熱而產生有機氣體的顧慮；整體而言，鼓式廠因省掉篩分、熱料儲存、重新拌合之程序及時間差，除機具設備較簡單外，能源消耗較省，產量較大，保養工作亦較容易，高產量的分拌式拌合廠幾乎沒有移動性，而鼓式廠之移動性很高，臺灣地區目前沒有鼓式廠，往後應可引進。
四、國內引進的工廠熱拌再生製程與品質控制
國內熱拌廠幾乎都是分拌式廠，目前引進的再生製程都是於原拌合廠增設刨除料加熱爐，且除了少部份由國內廠商自行改裝外，大部份由日本及德國製造商進口，盛行於日本的日工(Nikko)、田中(Tanaka)及新瀉(Nigata)三大廠牌都有，德國設備則以力活(Linnhoff)為主。目前引進之刨除料加熱爐皆為順流式，即燃燒熱氣流向與受熱刨除料同向，基於不讓刨除料直接接觸燃燒火燄之原則，有將燃燒器轉折如圖11，及將燃燒器往後拉長如圖12兩種設計，加熱後刨除料先存放於暫存料筒，經計量後，直接加入拌合機內與新粒料、新瀝青拌合均勻；德國製的力活廠較為特殊，傳統分拌式製程部份屬於滾筒篩網式(Screen Drum)，亦即沒有熱料振動篩，但將篩分網裝設於乾燥鼓之外緣，利用乾燥鼓之轉動作為篩分之動力，此種設計因省去振動篩而使設備簡化，一般拌合廠容易發生的振動篩磨損與故障不會產生，但因乾燥鼓旋轉較慢，篩分的效率可能受限；此種設計為德國人發明的一種專利拌合廠，此一特殊廠的再生製程方面與日本式廠類似，增設之刨除料加熱爐亦採用將燃燒器拉長之方式，如圖13所示。
執行生產熱拌再生瀝青混凝土之作業後，一般品管作業流程之主體並沒有改變，但因原料部份增加變異較大的刨除料，故於生產控制增加刨除料的流量與加熱溫度控制，也因此，操作室之自主檢查項目中，至少必需加入刨除料供料流量、加熱後刨除料溫度及刨除料加熱爐熱氣溫度等三檢查項，如圖14所示，品管室則需針對刨除料增加刨除料成份檢測與進料管制，針對成品之瀝青含量增加檢測頻率，並加測刨除料與成品之回收瀝青60℃黏度，依此原則增設之再生瀝青混凝土品管作業流程如圖15所示。
圖14、熱拌再生瀝青之製程與主要品質檢驗點
因為添加成本低的舊路面刨除料又減少資源開採需求，再生瀝青混凝土的使用同時具有經濟和環保雙重利益；理論上，應在舊路面刨除前調查品其質、再依品質差異分批刨除堆置，再依刨除料品質分批以不同的添加量加入，以確保再生瀝青混合料的品質；國內在推動再生瀝青之初，一度想引進較理想的再生瀝青混凝土品質系統，如圖16所示；但在實務上，國內道路刨除加鋪的標案規標較小，現存舊路面品質調查法時效不佳、分批堆置處理刨除料需有足夠的場地、製程設備限制刨除料的添加量範圍等原因，來源不同路面刨除料大都混合堆置，再採用固定的刨除料篩分處理方法，經處理後添加一定比例的刨除料來生產再生瀝青混凝土，此種生產流程中的刨除料品質變異較大，確保品質的簡便方法是降低刨除料的添加量，否則，就是降低再生混合料的品質要求。
RAP是由舊路面的瀝青、粒料、及其它添加物組成，因此，若是能順利將RAP「拆開來」還原成瀝青、粒料、及其它添加物，則可完整求得RAP的「基本性質」循一般的配比設計流程進行，但所謂「折開來」目前是指主要由溶劑分離及真空濃縮回收兩個階段的「分離回收試驗法」以溶劑先將RAP中的瀝青與粒料分離，再將分離後的瀝青溶液以真空濃縮法回收其中的瀝青，檢測分離瀝青溶液真空濃縮回收瀝青的性質，對分離所得「殘留粒料」進行篩分析可得RAP的粒料級配，即可求得RAP的「基本性質」，也就是RAP中的粒料顆粒大小分佈狀況和瀝青的特性；試驗程序的示意如圖17所示。
有關熱拌瀝青混凝土的品質檢測，請參閱作者另文「熱拌瀝青混凝土施工與品質管制」，熱拌再生瀝青混凝土配比設計及品質控制相關議題，亦請參閱作者另文「再生瀝青混凝土的配比設計」。
參考文獻
- 社團法人日本道路協會，瀝青混合所便覽，昭和54年版。
- 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 6.
- AASHTO, FHWA, U.S. Corps of Engineers, Hot-Mix Asphalt Paving Handbook, UN-13 (CEMP-ET), 31 July, 1991.
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