從再生劑的研究反思提高刨除料添加量的驅動力

美國瀝青專家認為路面刨除再生的價值等同於採礦軋石及煉油[1]

瀝青材料的再生歷史輪迴

瀝青材料(Bituminous Materials)有天然瀝青、石油瀝青、及柏油等三大類，早在西元前3,500年，人類即使用瀝青材料作為黏結、防水材料、或使用於磚牆之黏結砂漿(Mortar)中，當時這些瀝青材料都是天然瀝青。

天然瀝青乃地底原油從地殼縫隙流出地表後，揮發性成份喪失後的殘餘物，大部份出現在岩縫間或湖底；美國猶它州山區的岩縫間，出產一種呈固體的天然岩瀝青，堅硬如礦石，開採後經磨成粉末狀，稱為硬瀝青或山瀝青(Gilsonite)，可作為增加石油瀝青勁度的添加劑，據聞印尼也有這類礦區；位於南美洲北海岸外千里達(Trinidad)島上，有一面積約38公頃的千里達湖，湖底混雜爛泥冒出之瀝青，是其中最廣為人知的天然湖瀝青，另委內瑞拉境內的百慕達湖(Lake Bermudez)亦於1890年代，加入天然湖瀝青的供應市場；在煉油技術發明並盛行以前，這些天然瀝青是最重要的鋪路瀝青材料來源，號稱美國瀝青王(Aaphalt King)的Amzi Barber在1887年輾轉獲得千里達湖瀝青的42年獨享開採權，遠運至美國首府華盛頓特區、紐約、 及東岸，由Barber瀝青公司鋪築最早的高品質瀝青路面。千里達湖瀝青成為高品質的保證，當時的品質管制重點就是憑藉千里達湖瀝青的特殊口感。詳參作者另文「從「咀嚼法」、針入度、到具科學定義的黏度」、「瀝青配比設計的前世今生--有趣又有深意的瀝青混凝土配比設計演進史」。

在19世紀末相較於已普遍應用一段時間的柏油，千里達湖瀝青是高品質瀝青唯一來源，因價格昂貴，回收千里達湖瀝青鋪築的舊路面受到廣泛重視，損壞的千里達湖瀝青以人力挖除再利用顯然比遠從千里達運來划算，如圖1所示，直到20世30年代因石油化學工業蓬勃發展，原油價格低，石油瀝青成為瀝青路面的主要材料，工程界對瀝青再生失去動力和興趣。

圖1、瀝青材料再生歷史輪迴情資圖[1]

1970年代爆發石油能源危機，原油價格高漲帶動石油瀝青的價格，工程人員再度重視路面再生，產業界也普遍接受以再生瀝青鋪路，但受限於拌合技術及設計方法，大都以限制刨除料添加量來顧全道路品質。

進入21世紀，面對全球氣候變遷引發的永續發展浪潮，推動零廢棄、零碳排放、碳中和、循環經濟，各個產業都講究在源頭持續進行資源使用最小化(Reduce)，調整原物料使用參數及製程技術改善方案，並偕同供應鏈的力量，達到原物料最適化與最少化；原物料經製程使用後，首先考慮以廠內再使用(Reuse)使原物料充分循環使用，延緩丟棄物料成為廢棄物；製造商也應承擔產品廢棄後的對環境無害妥善處理責任，盡力使其中的原物料得以再生利用(Recycling)。詳參作者另文「比利時的廢輪胎管理EPR與專責管理公司Recytyre」、「 歐盟推行的廢輪胎管理延伸生產者責任制」。

再生劑的機理

現代鋪路用的瀝青膠泥(Asphalt Cement)為石油化學工業的附產物，很難免除「製程廢料」的本質，不容易從製程上去要求此種產品的精確化學成份，且瀝青的組成過於複雜而無法明確的定義，但，建構簡化的「概念性化學組成模型」，將有助於理解瀝青膠泥的物理特性；大部份瀝青研究人員在觀念上同意，將瀝青膠泥描述為由瀝青質(Asphaltenes)、脂類(Resins)、及油類(Oils)組成，如圖2所示；瀝青質為深棕色異碎的固體，由許多易與其它分子糾結群聚的化合物組成，為極性最高且最複雜的瀝青成份，由於極性最高，是瀝青膠泥具有黏結性的主要成份；脂類則為深色的半固體或固體，加熱後呈流體，冷卻後呈易碎固體，可溶解於戊烷中，且能被礬土吸附，若經氧化，脂類會轉變為瀝青質類分子，一般認為脂類是使瀝青質能分散於油類中而形成均質瀝青膠泥的「界面劑」；至於油類則為白色或無色的液體，能溶於大部份溶劑，分子構造類似於不含氧及氮的石蠟油或揮發油，若經氧化，油類會轉變為脂類或瀝青質類分子，反應在瀝青膠泥的物理性質上就是變稠(硬)變脆易裂。

圖2、瀝青膠泥的概念性化學組成模型[2]

油類和脂類合稱為油脂(Maltene)，瀝青膠泥的油脂與瀝青質之間的平衡，直接影響其物理性質和流變特性。 當瀝青老化時，油脂中較輕的油可能揮發消失或轉成脂類，而脂類則因氧化而轉變成瀝青質，使瀝青膠泥中的瀝青質增加而油脂降低，這種狀況使瀝青變硬變脆。

上世紀70年代的石油能源危機促進了再生瀝青的發展，因應品質需求擬訂ASTM D4552將再生劑(Recycling Agent)依60℃黏度區分為6個等級，方便再生瀝青配比設計時以新舊瀝青拌合圖法選用，但大部份州公路單位以降低舊路面刨除料(Recycled Asphalt Pavement, RAP)到20%，或是最多到40%以內且指定選用軟一級的瀝青來顧全品質且獲實證，故，再生劑的研究開發一直不受到重視，也缺乏應用實證。詳參作者另文「再生瀝青混凝土的配比設計」。

所謂再生劑(Rejuvenator)，是用來恢復老化瀝青原有物化特性的特殊產品，英文詞意擬人化有回復年輕活力之意，中文翻譯有時翻成比較誇張的「回春劑」，用在老化後的瀝青材料上，不只是扮演「軟化油」而已，此類產品在設計上藉由降低瀝青質(Asphaltenes)與油脂(Maltene)的比例、提升油脂的分散力而降低瀝青質間的糾結，進而提高瀝青分子間的移動力，達到回復瀝青原始特性的作用。在再生瀝青混合料添加再生劑可獲得的好處可區分為三類：(1)增進工作性，(2)增進成效，(3)經濟及環保利益。(註：有些研究人員混用軟化油與再生劑，其它研究人員則認為有必要區分清楚，軟化油的目標明顯就是降低老化瀝青的黏度，而再生劑則是恢復老化瀝青的物理和化學特性，觀念上就是降低瀝青質與油脂的比例(Asphaltene/Matene ratio)，有些研究人員認為軟化油主要是增加較小分子的油脂類，而再生劑則是有效地打散瀝青質的群聚。)

舊瀝青路面刨除料的價值現實

瀝青屬於熱塑性材料，除了將RAP加熱即可重塑的實證外(如圖3)，由上述瀝青化學組成概念及再生劑的原理，可知，老化後的瀝青是可以恢復原有的特性，因此很方更再生利用，而現代公路養護尤其是在都會區為搭配路邊設施及排水需求，大都需維持現有高程而必需刨除舊路面，所以道路養護時產出不少「廢料」，事實上，RAP不但不是廢料，RAP的價值甚至高過它替代的原生材料，如圖4所示。

圖3、在熱拌廠將RAP加熱即可重塑的實證[1]

圖4、刨除料(RAP)的價值高過它替代的原生材料[1]

再生劑的研究不足

以往的許多研究顯示，不同再生劑的瀝青老化性質回復效果差別很大。再生劑要能重現老化瀝青原有物化特性，首先得與舊瀝青拌合均勻且相容合，接下來就是再生劑的較小分子經由擴散作用融入老化瀝青的較大分子，經過一段時間的相互擴散，原已老化的高瀝青質與油脂的比例逐漸降回原始瀝青的狀況。

再生劑是否能有效地將老化瀝青回復本性而使再生瀝青混合料具有應有的鋪面成效，也受到許多配合比例上的參數而定，例如再生劑的種類和劑量、再生材料的料源、品質、和添加量，以及新加入瀝青的料源等級；另外，也受到生產製程的因素影響，例如拌合溫度與拌合時間，及如何將再生劑拌入混合料中(註：先與新瀝青拌合後再與混合料拌合，還是直接與混合料拌合)。

再生劑的類型影響再生混合料拌合後材料間的化學相容性和瀝青老化性質回復的機理。再生劑製造供應商提供許多不同類型的再生劑，有些是單一化合物，有些則是複合物，一般認為複合物型再生劑的老化回復效果比單一化合物型的再生劑好。

根據NCAT2014[3]的報告，在美國市場可購得的再生劑類型有石蠟油(paraffin oil)、芳香提取物(aromatic extracts)、妥爾油(tall oils)、環烷油(naphthenic oils)、甘油三酯(triglycerides) 、及從蔬菜油提取的脂肪酸(fatty acids derived from vegetable oils)； 石蠟油是從潤滑油再精煉而得，芳香提取物是煉油製程的產品也是傳統以極性芳香油為主成份的再生劑，妥爾油則是造紙製程的副產物主成份為脂肪酸和脂類，環烷油原就是瀝青改質的特製碳氫化合物，蔬菜油的組成是甘油三酯和脂肪酸；其它特製的再生劑諸如生物基油(bio-based oil)和改質蔬菜油，一直有在市場上銷售，生物基油主要是由脂肪胺衍生物和生物溶劑組成，而改質蔬菜油則是以蔬菜油的組成為基油添加化學劑而成的典型複合型再生劑。也有將再生劑製作成乳化的型式，一般乳化型式的再生劑是用在現地冷拌再生瀝青混合料。因為大部份再生劑都是專利產品，很難獲得化學組成成份細節。

在再生劑的劑量方面，一般認為石油系的再生劑諸如石蠟油、芳香提取物、環烷油等的劑量較高，而蔬菜油和生物基油等的劑量較低；因採用通用產品名，有些又採用化學成份而混淆；傳統的石油系再生劑的主張，例如ASTM D4552是應用高芳香成份含量的再生劑來回復老化瀝青的性質。再生劑本身的老化特性也很重要，這方面還需要有更多的研究。

2015年做的網路問卷[5]對美國50個州公路局的代表、15個承包商、及10個再生劑供應商發出，其中35個州公路局、10個承包商、及6個再生劑供應商有效回覆。州公路局的回覆中，超過80%答覆不允許或沒有使用再生劑，主因是沒有使用專業經驗、沒有標準檢測方法、及沒有評估再生劑使用成效的試驗方法。承商方面，64%表示沒有使用再生劑，主因則是沒有使用專業經驗，沒有決定劑量的標準試驗法，及沒有評估再生劑使用成效的試驗方法。至於針對再生劑供應商的問卷，則主要是對再生劑的類別、添加方法、檢測方法及相關拌製規定，大約60%指出最常用的再生劑是妥爾油和生物基油，且超過80%指出有標準試驗方法及標準添加程序足以鑑定再生劑的效用(主要是黏結料的試驗像針入度試驗、動黏度試驗、或甚至PG分級試驗)。

2015年美國瀝青工業界對再生材料的調查，則顯示大部份州公路單位雖對RAP添加量超過20%時，規定要用較軟的原始瀝青或再生劑，但全美國生產的再生瀝青混合料中，只有3%使用再生劑，另有24%採用較軟的原始瀝青，大部份再生瀝青尤其是RAP添加量低者，維持用慣用的原始瀝青。美國的人口密度不是很高，道路系統中仍有許多不是都會區的道路，養護的方法不會產出舊路面刨除料，因此每年回收的刨除料量約等於混合料總用量的20%左右，瀝青工業界提高RAP添加量的壓力不大，很可能是瀝青工業界對再生劑研究不熱衷的原因之一。詳參作者另文「美國瀝青鋪面協會公布的再生材料和溫拌瀝青用量」。

經濟成本與環保效益難擋

依據Copeland等人的研究，將熱拌瀝青(Hot Mix Asphalt, HMA)鋪面的成本歸納來自材料、製程、運輸、及鋪築施工四類，其中以材料類成本占比約70%最高，提高RAP用量可以有效降低成本，但，大部份州公路要求添加超過30%RAP時就要採用較軟的瀝青等級，且RAP添加量常限制在40%以下，極少超過50%[4]。

高RAP添加量或加入老化較嚴重的RAP，將使再生混合料中黏結料的黏度偏高而不易壓實而不耐久，既使壓實也因黏結料的黏度偏高而較易疲勞開裂，故大部州公路單位基於路面品質而用所謂再生瀝青比(Recycled Binder Ratio, RBR)來限制RAP添加量。但若基於經濟與環保的考量，則應提高RAP添加量。此時，想確保品質的方法之一就是選用再生劑，當然也要付出再生劑的成本。

以2014年美國紐澤西州的材料價格，Zaumanis等人指出，在以再生劑發揮功效確保品質的前題下，熱拌瀝青混合料的材料相關成本與刨除料添加量的關係如圖5所示，圖中顯示100%RAP的材料成本可降低50%至70%。美國緬因州2016年的數據則顯示若添加50%RAP搭配適當再生劑(廢蔬菜油類)，則材料成本可比0%RAP的對照組低40%；既使採用稍貴的妥爾油作為再生劑，50%RAP的成本仍可降低達34%[4]。

圖5、熱拌瀝青混合料的材料相關成本與刨除料添加量的關係[3]

結論

經濟成本與環保效益是提高刨除料量的驅動力，但要避免RAP含量過高而使鋪面過早出現裂縫或鬆散破壞，Kaseer等人認為[4]，以下四種方法可在不犧牲鋪面成效的前題下提高RAP的添加量：(1)新加入的瀝青選用較軟的等級，(2)採用溫拌技術，(3)加再生劑，(4)組合運用前三種方法。添加適當的再生劑可以經由回復再生瀝青混合料中黏結料的瀝青質與脂油的比值、降低瀝青質群聚量及擴增脂油的分散力，使RAP中原已老化變硬脆易裂的瀝青恢復應有的黏彈特性。溫拌技術除了降低拌合溫度及能耗外，也能改善高RAP含量的工作性問題，具有多重優點，也符合時代需求，近年已開始務實地探究溫拌技術在高RAP添加量及拌製橡膠瀝青的應用。詳參作者另文「溫拌瀝青工法介紹」、「溫拌技術使橡膠瀝青更環保」。

經由對州公路局的問卷可知大部份州公路單位沒有採用再生劑，有些甚至不允許使用再生劑，主要是因為缺乏再生劑相關的專業知識、沒有適當的產品規範、而市面上的再生劑類型多樣複雜且都為專利產品，再加上不容易評估再生劑的使用成效，而且再生劑的實際使用的長期成效也沒有。有探究再生劑的必要。

目前ASTM D4552規定的再生劑品質檢測項目是針對該規範訂時期出現的石油系再生劑，不適用於現在流行的生物基油、妥爾油或是蔬菜油類的複合型再生劑，有必要擬訂新的再生劑品質檢驗方法，也需要有相關再生劑長期老化特性的檢測方法。

參考文獻

1. Astec, Industries, INC., Countious/Batch Mix Plants - History, Operation with Recycle Asphalt. 
2. 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 2.
3. National Center for Asphalt Technology (2014) ‘‘NCAT Researchers Explore Multiple Uses of Rejuvenators.” Asphalt Technology News, Vol. 26, No. 1. http://www.eng.auburn.edu/research/centers/ncat/info-pubs/newsletters/. (As of July 2018).
4. Fawaz Kaseer, Amy Epps Martin, Edith Arámbula-Mercado, Use of recycling agents in asphalt mixtures with high recycled materials contents in the United States: A literature review, Construction and Building Materials 211 (2019) 974-987.
5. Amy Epps Martin et. al., "Evaluating the Effects of Recycling Agents on Asphalt Mixtures with High RAS and RAP Binder Ratios," NCHRP Report No. 927, Transportation Research Board, Washington D. C., 2020.