充份應用公路網上既有的瀝青混合料
1、緒論
對現代人來說道路不可或缺,利用道路去上班、上學、逛街採買、渡假休閑,生活所需的各式產品與服務,也依靠道路網運輸提供,緊急的消防救助與治安維護也得靠綿密的路網;發展了幾個世紀的歐洲道路網,大都是在最近百年間建成的,是歐洲共同體最寶貴的資產,估計價值約為 16 萬億歐元,由於歐洲道路網相關的工程已從興建轉換為養護,資源最佳化的重點也隨之改變。
瀝青混凝土是歐洲道路網的面層主要材料,百年來興建的完整路網上,約有共9,500億公噸瀝青混凝土;由於行駛安全舒適、高性價比、施工具彈性又快速、易養護、成效好又能耐久等多重優點,瀝青混凝土是鋪路的首選材料;瀝青混凝土還有一項重要的特性,那就是百分之百可以再生,且再生後的功能品質不減,是世界上再生量最大的營建材料。雖然也有不少其它營建材料宣稱可以再生,但大都是「降級再生(down-cycling)」,例如做為次級的粒料。
儘管大部份路面刨除料都已被再生用回道路上且有良好的成效紀錄,但要確保這些材料的資源價值和其中的碳不被浪費,則仍然有很多擴展瀝青混凝土再生的工作要做。這份報告就是要促進公眾對瀝青混凝土再生潛勢的瞭解,進而更全面完整地利用已依先進設計和施作方式鋪設在既有道路網中的瀝青混凝土,來為我們未來的世代養護永續的道路網。
2、瀝青混凝土是什麼?/如何生產瀝青混凝土?
用作道路面層材料的瀝青混凝土是將砂石粒料、礦物填縫料、與瀝青膠泥的混合物,根據不同的應用情況,瀝青含量通常為 3-7%(重量);用於瀝青混凝土的粒料源自堅硬的礦石,可能是天然的,例如碎石、礫石和砂,也可能是人造的,例如高爐礦渣等,依不同的功能用配合比設計法選定其物理特性和顆粒尺寸大小分布;瀝青膠泥則是從原油提煉的黏性碳氫化合物,依據在指定溫度下的黏度、硬度或脆性等相關工程和物理特性區分不同的等級,有時也會用高分子聚合物進行改質。
瀝青膠泥的一個關鍵物理特性是在加熱時變軟而具流動性,而在冷卻時再次變硬,性質基本上沒有多大改變,也就是所謂「熱塑性(thermoplastic)」不像許多碳氫化合物呈現「熱凝性(thermosetting)」,加熱至具流動性後性質改變,冷卻也無法恢復。 使用最廣泛的熱拌瀝青混凝土(Hot Mix Asphalt, HMA)鋪築溫度通常在 140℃-160℃之間。瀝青膠泥的另一個關鍵特性是一般溫度下呈現黏彈性,也就是荷重時間短呈彈性固體、荷重時間長則呈黏性流體,在承受荷重時仍保留一些黏性流動和彈性自修復特性,也就是說瀝青混凝土可以順應基底層及/或交通荷重產生一定程度的位移而只產生微小但可逆的開裂及閉合。
先進的工程材料技術已發展出可靠的設計方法,用以調配出不同的瀝青混凝土「配方」來因應道路管理單位需求的各種特殊應用標的;瀝青混凝土底層通常設計成更硬和最厚來做為道路結構的主要承載元件;最頂層較薄的表面層則設計成具有與輪胎相互作用所需的特性,包括抓地力和防滑性、平整度和低噪音,以提高用路人車行的舒適度;兩者之間的聯結層瀝青混凝土則設計成中間厚度,以確保順利施工成平坦的表面,也將高交通荷重適切地轉移到底層。
瀝青混凝土的生產是在拌合廠進行,以先進的機具將砂石粒料及瀝青分別加熱,再依配比設計的「配方」將各種組成材料均勻拌合後,再用加蓋的隔熱卡車從工廠運輸到鋪築現場, 運輸距離也受到達時有否可壓實性的限制,新技術像溫拌瀝青則可延長運輸距離和鋪築時間。卡車將瀝青混凝土缷入鋪裝機的承料斗,然後輸送通過鋪裝機後面的播料螺旋在設定的寬度上鋪開,再以勻泥板控制厚度和平坦度; 當播料螺旋沿勻泥板分配材料時,鋪裝機持續向前移動,使勻泥板保持新鋪層依設定厚度和坡度鋪平;瀝青混凝土在鋪築後開始迅速冷卻,因此必須立即以跟隨在鋪裝機後的壓路機壓實至所需的密度和平坦度。詳參作者另文「熱拌瀝青廠的製程與品質控制」。
3、道路為何需要維修?
道路在設計時就已理解到隨著時間的推移,瀝青混凝土層會出現一些累積變形、磨損或損壞,特別是表面層,因此,為了道路使用者的安全,有必要定期糾正這些表面缺陷,有時甚至連黏結層也會被更換,偶爾也會整個重建更深的底層;此外,道路還會受到來自太陽紫外線、氧氣、熱和冷的環境攻擊, 特別是水會產生嚴重的破壞性影響,較冷的地區,水的凍結和融化循環會迅速加速這種對道路的損害。詳參作者另文「認識瀝青鋪面的破壞」。
在路面結構的各個層都會受到水的影響,潮濕的路床土壤和過飽和的粒質材料承載能力很差,這些路基材料含水量的變化會導致季節性膨脹和收縮,會導致位於其上的瀝青混凝土層開裂和破壞。 因此,必須確保路基(床)具有適當的排水設施,因為缺乏路基排水會導致整個道路結構失去支撐。如果水滲入瀝青混凝土中,不管是層間、經由接縫或通過裂縫滲入,長時間存在的水會導致瀝青從粒料表面剝離,而降級為沒有黏結料的顆粒材料,如果任其發展,可能會導致路面完全崩解,尤其是在冬季結冰一段時間後。
瀝青膠泥是有機材料,會隨著時間的推移緩慢老化變硬;老化變硬涉及復雜的化學和物理過程,包括較輕的油性成分的“蒸發”和與氧的作用,伴隨變更硬和更脆,對粒料的附著力就會降低,因此也更容易受到損壞,而彈性自修復特性也變弱;硬化程度取決於瀝青混凝土的類型(例如,多孔的開放級配瀝青混凝土比密級配瀝青混凝土老化得更快)和在路面層中的位置(在路面深處或在表面,暴露在陽光直射/高溫或更溫和的條件下)。
表面層最常因長時間車輪磨蝕拋光及/或瀝青膠泥在表面紋理處的閉合而失去抗滑性;路面中各層的變形都在表面層總呈現,也可經由對表面層的修正而消除;保持表面完整性以防止水滲入底下層也很重要;冬季使用掛鐵鍊輪胎時,需要定期更換被磨損的表面層材料。
面對未來氣候變遷可能出現更多極端的洪水、暴雨、高溫和低溫,都會影響提升上述任何一種機制引發的路面維修養護需求量。
一般設計和維護得當的道路面層預計可以使用 15至25 年;路面結構層整體的設計壽命通常為 30 至 40 年,且此期間應定期評估鋪面狀況,並在接近其設計年限時進行適當的底層加固或整體重建。 「長壽命路面(long life pavements)」(在美國稱為「永久路面(perpectural pavements)」)的設計理念可以實現更長的耐久性,採用此種深強的整體路面結構設計的路面,只需定期對面層進行維修養護。
相較於水泥混凝土路面,瀝青路面在設計和施工方面具有較多的靈活性和適應性,有時因需以簡單的加鋪和/或加寬,即可增加結構強度及/或增加交通容量;具有這種調適性則可容許施工鋪築和維護的不同方案,靈活地依據資金可用性調整相關的設計績效。
4、瀝青混凝土路面養護維俢有哪些選項?
瀝青混凝土路面的養護與維修方法與種類非常多,應該根據路面破壞的本質、破壞範圍、深度、預期績效及養謢單位可用的資金,做綜合性的決定;這些不同的方法雖然原則都相同,但可以區分為反應式修復或預防性維護。
4.1 補洞和修補塊:針對小面積缺陷
坑洞是指小範圍的路面凹陷,一般是指最大直徑小於30公分或深度小於5公分的破口,此種凹陷破口若不即時處理,將很快地延伸擴展成"溝渠",主要特徵是原有局部材料因交通和/或水的作用而剝離,或者因底層結構局部變形而塌陷成凹坑;有時,出於道路使用者的安全考慮,坑洞會被臨時填補,等適當時機再進行有效的永久性修復; 這些作為臨時處理的瀝青混合料經過專門的設計,一般是延長可工作的時間方便儲備而且好鋪好壓,但沒有後續交通荷重再壓實,通常無法實現完全壓實,這種臨時填補坑洞通常不會根本解決該局部底層缺陷而會重新出現,通常在臨補坑洞的“下游”處再次出現坑洞。
坑洞的永久性修復應以修補塊(補丁)進行,旨在永久恢復路面的穩定性和行駛品質;修補塊是指以方形為範圍修復路面缺陷,但寬度不及全車道且長度不連續;修補工作包括挖出坑洞周圍的材料,通常至少超出坑洞周邊15公分為範圍,並且挖到坑底呈現完好材料的深度;挖掘區塊應該呈鋸切的直邊,必須清除區域內所有破碎或挖掘的材料,並將剩餘的坑孔掃乾淨並乾燥,開挖區域的所有表面(包括新的層間面)都應噴塗或“塗布”熱瀝青或乳化瀝青,以確保新材料和現有材料之間能充分黏結;修補用的瀝青混凝土的標稱最大粒徑應等同或比開挖材料小一個尺寸,並用適合該開挖範圍大小的機具壓實至與相鄰面相同的密實度。
4.2 局部挖(刨)除修復(Inlay)
局部挖(刨)除修復與修補塊類似,但在更大範圍的區域進行,通常在輪跡內或輪跡間,但不是路面的整個寬度,例如多車道路面的其中一個車道,或是只修補其中一個車道的一小段;局部挖(刨)除修復的修復範圍大都是沿著道路行進路線出現的疲勞裂縫或是車轍變形,通常也與鋪在底下的公用事業服務管線或排水路徑或較重的交通荷載有關;局部挖(刨)除修復的切割、開挖、清除、與修復的原則與一般俢補塊相同,但應注意涉及的深度較深。
4.3 路面刨除重鋪(Planing and resurfacing)
一般將更換整個路面寬的表面層和/或全部或部分聯結層的修復作業稱為「重鋪面層(resurfacing)」;重鋪作業中要先移除既有材料,最有效率的方法是使用專業機械(冷刨機)進行刨削,可以操作到較深的深度,控制調整刨削寬度也可用於嵌補作業的挖除部份;刨除舊材料後的區域也應搭配使用機械清掃乾淨,在鋪回新瀝青混凝土之前,應在刨平的表面和暴露的相鄰立面上塗上瀝青基黏性塗層,以利黏結。
用於局部挖(刨)除修復和表面重鋪的瀝青混凝土,應以至少恢復被置換材料的原始特性來設計,大部份狀況是基於交通荷重增加,要以相同厚度因應而需設計成具有增強的性能。
4.4 加鋪(Overlay)
加鋪是在現有的路面表面層上直接加鋪一層瀝青混凝土;在既有路面的結構完整性仍在可以接受的狀況下,路面平坦度已下降及或過度磨蝕而失去抗滑性,又因預期未來將承受較大的交通荷重而需要增加路面厚度以延長使用壽命,直接加鋪是不錯的選項;厚度小於 4公分的加鋪層通常不被認為會增加路面的結構強度,一般加鋪時都要特別注意對道路高程面的改變,特別跨越橋淨距、防撞護欄淨高、和對其他道路設施和排水系統的影響。
4.5 全面翻修(Full reconstruction)
若經判定既有路面結構的殘餘壽年不多而又很難經由加深的重鋪或其它修復方法來改善,則需進行鋪面整體的全面翻修;此時需要設計新的路面結構層、路基(床)、排水系統和各層適用的材料,以確保新結構在未來能夠充分發揮作用,既有的材料也應就地改良及/或移除以供重新使用。
臨時或永久坑洞修補、修補塊、局部挖(刨)除修復、重鋪、加鋪層或全面翻修中的組成材料和瀝青混凝土的配比設計應適當,以便為該應用領域提供所需的性能。
5、如何將瀝青混凝土材料再生?
瀝青混凝土材料在營建產品的回收再利用角度來看幾乎是獨一無二的,因為可以 100% 再生,在許多情況下再生用回路面層,甚至直接在原地再生利用; 瀝青混凝土的材料再生可區分為兩大類:現地再生和工廠再生。
5.1 工廠再生(材料再生)
從道路上挖掘或刨除的瀝青材料運輸(即便是短距離)到瀝青拌合廠,經適當處理再利用做為拌製新瀝青混凝土的原料,稱為工廠再生;送回工廠處理的舊瀝青鋪面(Recycled Asphalt Pavement, RAP)材料,未添加新瀝青拌合前稱為RAP(刨除料);工廠再生需要仔細評估RAP的性質,以確保用正確的比例將其添加到新材料中而具有必要的性能,通常包括仔細考慮RAP中既有的黏結料含量和性質,以及粒料的機械性能; 整體而言,從路面回收的材料適合在路面上再利用。
生產添加RAP的所謂熱拌再生瀝青混凝土(Recycled Hot Mix Asphalt, RHMA或稱含RAP的HMA)通常需要對製程進行修改,以確保可以控制 RAP 的添加及RHMA的品質,並且隨著添加的 RAP 含量增加,需要更多的關注甚至添加新的設備,若RAP含量很低,則需要的改變很小可以視為常規生產; RAP一般是受潮的,如果 對RAP加熱,則固有的瀝青可能會在流程中導致篩網堵塞問題,如果 RA P與乾燥加熱器火焰接觸,則可能會釋放瀝青煙霧。
一般分拌式拌合廠工廠熱拌再生之冷RAP餵入拌合:最簡單的製程是將冷 RA P直接添加到拌合機內與新粒料、黏結料和填縫料拌合均勻,加入的時機要在粒料乾燥後; 為了彌補RAP的低溫,新粒料的溫度要調高以便進行與 RAP有效熱交換確保拌合均勻,RAP添加量愈多新粒料超高溫也要愈多,受有效熱交換的限制,此種製程的RAP添加量通常不超過20%。
方便餵入RAP的鼓式拌合機:不同於分拌式合的新型瀝青拌合廠具有連續進行乾燥和拌合功能的所謂「乾燥熱拌鼓(hot-drum mixer),RAP 可以直接添加到乾燥熱拌鼓的拌合部分,該部分通常將乾燥加熱部分的火焰屏蔽或與之分離,因此,新粒料得以在前段充分加熱後,在後段與 RAP混拌並加入新瀝青;此種方法也未對RAP加熱而靠與新粒料熱交換,但因連續進行熱散失量低而可以添加較多RAP。
兩個乾燥鼓或雙筒乾燥拌合鼓:更新的設備是採用內外雙筒的乾燥拌合鼓,新粒料在內鼓中受燃燒火焰正常乾燥加熱,加熱後新粒料缷出特殊設計的內外筒間拌合艙時,RAP加入混拌伴隨新瀝青加入,在內外筒間的拌合艙內受到內筒輻射熱和由內筒導出的熱氣烘乾加熱;對分拌式拌合廠,較新的設備是專為RAP增加一座乾燥加熱鼓,適當加熱後的RAP再缷入拌合機與新粒料新瀝青拌合均勻;這兩種新型設備都可以添加超過50%的RAP。
圖9、內外雙筒的乾燥拌合鼓
若能仔細分析並且增加黏結料量及/或適當摻料,有可能用100%RAP生產符合工作性及成效需求的瀝青混凝土。拌製瀝青混凝土主要的一項考量是要確保黏結料能均勻裹覆在所有粒料顆粒上,因此,瀝青的黏度是關鍵,一般是以提高溫度來降低瀝青的黏度而使粒料顆粒獲均勻裹覆;除了提高拌合溫度,也可以採用溫拌瀝青技術來達到不需過度提高粒料溫度即可將瀝青均勻裹覆的效果,同時也因溫度較低而降低將RAP中的瀝青再度老化變硬促成較高的RAP添加量。
瀝青發泡製程就是可以用來提高RAP添加量的溫拌技術,仔細控制加入熱瀝青中的水和空氣量,將使得瀝青快速擴增其體積(發泡)伴隨成薄膜狀而能在較低拌合溫度下均勻裹覆在粒料表面,甚至不需將粒料烘乾加熱也能達到均勻拌合裹覆的效果。有些發泡技術甚至利用原製程就會有的水來發泡,特別是細粒料既有的水量。詳參作者另文「低耗能的新式拌合技術」。
乳化製程:降低拌合溫度也可以用乳化瀝青來達成,乳化瀝青是將瀝青微粒加入化學界面劑使能懸浮水中的低黏度產品,乳化瀝青中瀝青懸浮的狀態比泡沫瀝青穩定持久,但要經破乳才能均勻裏覆在粒料表面上。
發泡及乳化瀝青技術都可以經由額外添加水泥或其它水凝性粉末來與水反應而提昇早期強度,這種類型的混合料可以視為混合水泥與瀝青的複合型材料。
某些摻料也可以經由在與熱瀝青接觸時釋放出其中的少量水份、拌入瀝青時具有降低瀝青黏度的效果、或是改變瀝青與粒料間的親合力而促進黏結,而使瀝青混凝土的拌合溫度降低。
工廠熱拌再生因為在工廠生產可有較好的品質控制作業而使再生產品的品質較高,成熟的製程控制也已發展成為日常的品質監測工作,例如刨除料的破碎與篩分、刨除料的品質檢測分析、及工廠製成品的品質探究等。
5.2 現地再生(路面再生)
舊路面也可以採用現地再生工法修復,減少將材料從現場運到其他地點進行加工的需求,有利於減少運輸移動以及相關的運輸排放。
重鋪(Repave):重鋪工法是對路面直接加熱耙鬆大約20至30mm深, 然後對該薄層進行重新調刮成型,並且移除超出新成型面所需的材料,再將外運來新的瀝青混凝土鋪在該調刮層的頂部,最後進行滾壓將新舊兩層一起壓實;此過程要使用高度專業化的機器車隊組合,通常具有相當長的長度,可能會限制其可使用的區域;該工法完成一個新的表面層,主要用於替換不再具有所需紋理或防滑性能但現有表面層材料本身處於良好狀態的路面。
重拌(Remix):工法與重鋪類似,主要差別在於將現地經加熱耙鬆的材料捲入機器內部與適量的新材料進行均勻拌合,再將新拌合後的材料直接鋪在原路面上;與既有材料混合的新材料經過配比設計,使所得新鋪混合料適合現場條件並符合適當的規範。
翻新(Retread):工法的深度比重鋪或重拌更深,通常可達75mm;將路面冷刨耙鬆至預定深度,再捲入機器中用新鮮粒料和/或黏結劑拌合均勻;由於是冷拌工法,可能需要添加瀝青再生劑/乳液來提高工作性;翻新工法適用於底層或聯結層瀝青混凝土的修復,完成後要加鋪一層熱拌瀝青混凝土面層,才能具有耐久性。 在某些情況下,甚至可以同時翻新表面層和聯結層,完成後再加鋪一層熱拌瀝青混凝土面層,此時應注意路面高程增加帶來的影響。
泡沫/乳化瀝青現地全深度再生:此類工法將道路鋪面整體全面翻新,深度可達150mm到350mm,並涉及將現有材料與新黏結料就地混合以形成均勻且強化的底層結構;在將舊路面粉碎至所需深度後,初步將表面壓實和修整至預定面,並移除多餘材料,再將現地材料與乳液或泡沫瀝青重新混拌,通常還添加水硬性黏結劑,形成 100% RAP的水硬性黏結混合料(HBM)或水泥黏結混合料(CBM),與工廠再生的混合水泥與瀝青的複合型材料類似,需要考慮不同的路面設計條件,特別是如果預期將承載較大的交通荷重。
在路面全深度再生的過程中,不必將材料從現場移除,也不會暴露路基,從而降低出現局部軟化的風險;重新混合完成後,材料再次被壓實,並用平路機將表面調刮成所需的高程,此時,雖未完成的路表面通常塗有瀝青乳液和密封砂礫,可以依需求暫時開放通車;最後再根據設計要求,鋪設適合現場條件的熱拌瀝青混凝土表面層。
決定要採用現地再生工法的前題是認定既有路面中的材料特性仍適用做為路面材料,因此再生時需求的改變較小,這些現地再生工法大都不能因應結構強度不足的問題,只有全深度再生可以提升結構強度。
在某些情況下,既有道路材料受到或可能受到污染(例如含柏油、石綿、或其它有害化學物質),不能使用加熱拌合的工法,就只能選用現地冷拌再生工法。
6、跟新的一樣好
不管是採用哪一種方法生產含刨除料的再生瀝青混凝土,基本要求是「跟新的一樣好」,也就是說,工廠熱拌再生的瀝青混凝土要等同於甚至優於全新的瀝青混凝土,現地再生的路面要等同於甚至優於全新的路面。
雖然經過多次循環再生利用後的刨除料「降級再生」成粒料或其它工程材料也是恰當合理的,但,較好的選擇是再生瀝青混凝土可以持續、甚至更多地再用回原產品的應用中,也就是保持在廢物層級的頂層,再生做為瀝青混凝土的原料。更趨近理想的是刨除料可以「升級再生」成更高價值的成效應用。詳參作者另文「舊瀝青路面刨除料的最佳管理實務」。
刨除料中的粒料品質不太可能因為使用多年的老化或是一再刨除再製而降級,反而是因曾一而再地受到嚴格的管制而具有可靠的品質。需要較多關注的是刨除料中的瀝青,包括因老化而改變的物理性質(針入度、黏度)及前次裹覆在粒料表面上的體積(瀝青含量),特別是在提高刨除料添加量及/或降低拌合溫度的情況,這種情況下黏結料可能較「不活躍(inactive)」而在拌製過程中的作用只像是「黑粒料(black rock)」,但在實際拌製成品中的表現仍具熱塑性和黏彈性的成效。詳參作者另文「從再生劑的研究反思提高刨除料添加量的驅動力」。
重要的是瀝青混凝土的生產者必須瞭解要加入再生的刨除料的性質,道路養護單位及業主則應該在道路路網中的瀝青混凝土相關材料的履歷盤查扮演重要的角色,則不僅有利於確認某些特殊的「傳承材料(legacy material)」,也才能做正確適當的道路養護決策。
7、歐盟規範如何規定再生瀝青混凝土?
瀝青混凝土可以100%回收再利用回瀝青混凝土,前述許多方法重新使用的刨除料應納入歐洲標準, 對於RAP的材料規定列在EN 13108-8;EN 13108-8要求生產者處理刨除料以便能符合熱拌瀝青混凝土拌合廠原料的品質規定,規定的檢測項目包括粒料尺寸、粒形、粒料級配(顆粒大小分佈狀況)、粒料材質類型、瀝青含量及瀝青等級,另因刨除料常與其它營建廢棄物混雜而需加測雜質(未裹覆粒料、土、混凝土、陶磁、塑膠、木屑等)含量;理論上,不得含有這些雜物以免影響後續與新瀝青的拌合。目前歐洲規範規定的最大RAP含量限制為對面層10%RAP,聯結層及底層則都是30%;在許多應用案例中,這些添加量限制已被打破,伴隨刨除料的品質獲得較好的控制及高RAP含量的成效紀錄,加上新的拌合技術開發成功,未來將持續提高添加百分比。詳參作者另文「瑞士100%RAP再生瀝青混凝土的研究」。
含有RAP的瀝青混凝土的品質測定可依EN 13108-20進行,而生產含RAP瀝青混凝土所需的額外要求及品質控制項目則列在EN 13108-21。以下各項為與RAP中瀝青黏料相關的瀝青混凝土再生相關的議題:
- 刨除料中的黏結料的變異性:一般也都可以經由混拌不同料源再經破碎篩分處理後達到一定程序的均勻性;詳參作者另文「從再生劑的研究反思提高刨除料添加量的驅動力」。
- 回收瀝青黏結料的「激活度(level of recovered binder activation)」:或說有多少舊瀝青黏結料參與新瀝青拌合而不僅充當「黑石頭(black rock)」;拌合溫度較低的工法對舊瀝青黏結料的激活度較低,參與拌合的舊瀝青黏結料較少,但對加熱拌合的工法來說,有大量舊瀝青黏結料受熱激活而參與拌合被做為新的黏結料,受熱激活的程度與舊瀝青的老化程度有關;舊黏結料的激活程度與拌成瀝青混凝土的工作性相關,但也應考量RAP含量對鋪面成效的影響;
- 調配新瀝青重新恢復老化瀝青的特性:在舊瀝青黏結料受熱激活而參與拌合的前題下,可以依需求設計加入較軟的新瀝青材料及/或特製摻料(再生劑),以補足新瀝青混合料的瀝青含量及級別,以確保再生後的品質符合成效需求;
- 高分子聚合物改質瀝青的可回收性:最常採用的瀝青改質劑是非交聯的SBS和EVA,因屬於熱塑性可以很容易回收再利用,緃使經多年使用該等高分子聚合物有可能產生降解,但再混入瀝青混凝土中也仍對成效有益,因此,在材料設計上應納入這些改質劑的影響;
- 含「傳承材料」瀝青路面的可回收性:以往用在路面的柏油和石綿,由於後來認定對人員健康或環境有危害,現在已不再使用,但有可能在要再生使用的舊路面中出現,此時,從識別和評估,到刨除、運輸、儲存和拌合,都需要特別注意依規定保護人員及環境的方式回收利用;有不少特別的狀況最好將此類產品留在原地,因為擾亂它們可能會出現不少問題,若決定要回收再利用,則通常只應考慮冷回收(現和/或工廠),以盡量減少暴露或排放;含有橡膠碎屑的瀝青也需要特別注意,因為在混合過程中可能要提高拌合溫度,可能有產生有潛在危險的煙霧;道路主管單位應確定需要維護的道路中是否存在潛在污染物,確保此類有害廢物不會進入路面再生循環。
對於進行回收操作的瀝青拌合廠,通常有額外的環境許可要求;負責任的生產者應取得該類有效的許可證照,並確實依照相關規定生產再生瀝青混凝土。
8、舊瀝青混凝土(刨除料)絕不當廢物掩埋
經由以上說明可知再生瀝青混凝土具有本質上的價值,且應儘可能地將此價值極大化;但若因多方嚐試都失敗而無法將舊瀝青混凝土再利用回瀝青混凝土,也還可以用在其它工程,這些應用有時稱為「降級再生(Downcycling)」,因為沒有再利用至原來的應用,而是用到需求較低的替代材料;有些人認為將規格要求較高的瀝青混凝土表面層刨除回收再利用時,因刨除料中的粒料不再符合粒形及或耐磨的要求,而不能用回表面層的狀況,也視為「降級再生」。
由於RAP是以砂石粒料為主的產品,且已依EN 13108-8 規定分類,因此可以用作其他營建產品中的再生粒料(經過或未經進一步加工),其中包括鐵路道碴粒料 (EN 13450) 和護石(EN 13383),但更常見的是作為未黏結混合物的級配粒料(EN 13242),例如土木工程的底基層和填充材料,或作為未黏結混合物(EN 13285);當RAP用於其他材料時,目標材料的規格中自然會有品質規定和要求,特別是與RAP中瀝青含量有關的規定; RAP甚至可以用作混凝土的骨料 (EN 12620),但顯然沒有利用其中含有的瀝青的價值。
RAP已被當粒質級配直接鋪在許多鄉間小徑的表面,在溫暖的天氣下這些RAP因其中的瀝青再黏結而可視為具鋪面層,但也應沒有充份應用其中的材料價值而視為「降級再生」。
9、儘可能讓瀝青混凝土用長久(生命週期和耐久性)
遵循廢物管理的層級最上層的減量,瀝青路面的最佳策略就是延長其使用壽命,盡可能長時間地維護瀝青路面,從而完全減少拆除或回收利用的需要; 預防性養護或資產管理策略,包括簡單、即時、和具有成本效益的表面處理,以便能在進行更昂貴的維修或重建之前,盡力保持瀝青路面的完整性在以後,具有經濟意義; 如果經由適切的路面設計、施工和後續維護保養得當,而將使用壽命延長一倍,那麼等於已將用於重建它的材料100% 保存,也就是100%減量。瀝青路面有多種預防性(非結構性)維護處理方法,其中一些概述如下:
- 預防性噴封瀝青(Preservative sprays):表面氧化是瀝青混凝土的品質變差的關鍵因素—氧化的瀝青變硬變脆,容易產生疲勞開裂,尤其是在交通承載量較大時。 預防性噴封瀝青聲稱可經由吸收進到瀝青混凝土頂部幾毫米範圍內來“重新密封”瀝青混凝土表面,以防止和減少瀝青中揮發物的持續氧化,並提供一層膜以防止進一步的環境侵蝕;為了充分發揮作用,通常建議經常性重新噴封瀝青,通常在瀝青混凝土鋪築完工後儘快(並且至少在材料仍處於良好狀態時)以及此後每 5 至 7 年一次;有一些噴封材料還需添加細的粒料顆粒以保持防滑性能。
- 碎石封層(Surface dressing):是歷史悠久的公路養護工法,簡單來說,先將乳化瀝青噴塗到既有路面上,然後立即均勻地撒播碎石來“裝飾”黏結料;碎石封層旨在密封路面以防進水,阻止路面和底層路面結構的惡化,並恢復路面所需的防滑功能。
- 微表面和表面處理瀝青砂漿:兩者都是冷鋪的薄瀝青表面層,以乳化瀝青和細級配粒料和礦物填縫料拌製而成;表面處理瀝青砂漿通常是以機械或手動鋪設的單層塗層,乾膜厚度可達6mm,通常僅適用於車流量較少的路面,例如人行道和自行車道以及城市巷道;微表面採用聚合物改質乳化瀝青,通常是以兩道塗層鋪設,可以機械或手動鋪設,最大乾膜厚度可達15mm,常被稱為「微瀝青混凝土」,被設計用於比表面處理瀝青砂漿路面的交通量大得多的路面。
- 薄面層:較薄的表層加鋪也可視為一種預防性養護工法,因為加鋪厚度小於40mm,對鋪面整體結構能力的增加有限,但加鋪後對平坦度的提升很有效。
預防性處理養護路面的厚度一般要儘量薄,以免影響道路高程及附屬設施或排水等應有的功能,無論有效性如何,所有瀝青路面的使用壽命都是有限的,且還需要同時考慮漸進式結構更新規劃,以延長道路的長期使用壽命;整體考量可能還包括道路拓寬或增設排水設施、部分翻新重建和加厚,以增加交通和/或面對氣候需求; 還可以通過仔細的混合料配比設計來適應和改善即有表面層的性能,以滿足不斷變化的路面要求,所有這些狀況都應考慮瀝青混凝土再生工法的適用性。
然而,在某些情況下,厚瀝青路面可以達到結構上的平衡狀態,超過該狀態即不再發生劣化—這種設計概念被稱為“永久(perpetual)”或“長壽(long life)”路面。 在這種情況下,唯一需要的維護或性能改進只在路面結構的面層(聯結層和表面層),以期能確保底層和路基不受侵害,當然也假設已經有足夠的排水設施。詳參作者另文「美國的長壽鋪面設計概念」。
10、瀝青混凝土再生減大量碳排放
有利於瀝青混凝土再生的論據除了減少廢物外,還需要考慮對減少排放(或“碳足跡”)的貢獻;瀝青混凝土的減碳可以通過優化生產、鋪築施工、及技術的各個部分來實現。
- 直接排放:與傳統熱拌工法相比,通過在加入RAP時採用低溫拌製技術,有可能減少直接燃燒器的排放,迄今為止的估計和經驗表明,這些佔直接排放量的 30% 至 50%。
- 生產原材料中的碳量:當原材料(粒料和瀝青)被回收再用時,“節省”原材料中的所有內含碳;大約是新瀝青從搖籃到閘門碳的 40%,因此 10% 的 RAP 將回收 4%,但 50% 的 RAP 含量將回收 20% 的內含碳。
- 運輸:回收當地RAP中的瀝青將減少進口原材料運輸的排放。
- 運輸:現地再生可以節省更多的運輸碳排放。
- 在使用中:平整光滑的重鋪路面可以降低車輛的滾動阻力,從而提高車輛的燃油經濟性,減少交通碳排放;滾動阻力和燃油經濟性只要 2% 的改進就可以抵消瀝青路面施工中的所有內含碳。
11、瀝青混凝土和瀝青混凝土再生都對環境無害
歐洲有許多國家規範危險物質釋放到地下水或大氣中的可能性的法規,瀝青混合物已完成相關滲出液測試,且確定不會從其瀝青混凝土結構內浸出有害物質;事實上瀝青混凝土被用作垃圾填埋場設施的內襯層以防止有害物滲出,而瀝青防水密封劑和隔膜則用於水庫襯層和大壩以及與飲用水直接接觸的管道中。
在整個歐洲,瀝青混凝土生產所涉及的工業生產過程也受到嚴格監管,以防止通過燃燒燃料和加熱材料產生的煙霧向環境中排放過多的氣體; 同樣地,從業人員暴露限制規範也已到位,以保護員工和其他靠近生產設施和操作的人員的健康。
無論採用哪一種方式,瀝青混凝土再生利用顯然是一種可持續的“廢物”管理方法,但必須以負責任的方式進行,特別是要注意其應用環境;值得關注的是現有道路路面上的柏油。 直到 1980 年代中期/後期,來自煤炭生產過程的柏油被用作瀝青混合物中的黏結料。 隨後認定柏油含有多環芳香烴 (PAH) 形式的潛在致癌物,在人行道上處於冷硬狀態,不會對人類健康或環境構成威脅,但若經加熱,這些多環芳香烴會被重新激活並釋放,從而對健康和環境造成危害; 因此,必須小心管理含有柏油的材料,以確保不會進入“熱回收”流。
然而,瀝青混凝土在處理道路上的柏油遺留問題方面也可發揮著作用,瀝青可以有效地封住在維護期間從舊道路回收的被柏油污染的材料,採用冷拌瀝青再生技術,通常採用泡沫瀝青或乳化瀝青,在現地或工廠中將含柏油的材料進行不加熱拌合,完成的瀝青混合物柏油再滲出的潛在風險很小。
12、充份應用既有技術;維護資產的長期策略
歐洲各國政府和公路單位已投資建設完成綿密的道路網,且持續投資於公路網的定期修復維護,這些既成公路網通常是一個國家最寶貴的資產,在促進經濟活動產出的回報是投入興建和維護成本的數倍; 因此,每公噸瀝青混凝土不僅內含有財務成本,而且在提供現代社會所需的貨物和服務的有效「門到門交付(gate to gate delivery)」方面具有經濟價值;道路材料的投資成本和內在價值需要得到保護,並在可能的情況下提高其價值。 瀝青混凝土的回收再生提供最好的對過往投資回收的機會。
漸進式路面結構更新規劃—若以40年為設計壽命,每年用僅佔路網資產3%的經費來執行路面結構更新/再生,依合理估算將可達到長期可持續性;但,某些國家在其道路網的修復維護上,投資經費不到路網資產價值的1%,從長遠來看,最終只能使資產本身貶值,並導致未來的重建成本更高。
傳統上,瀝青混凝土生產過程涉及燃料的高溫燃燒以及隨後的“碳”排放,新的拌製技術可以提高燃燒過程的效率,從而減少排放,同時,材料技術和設計方法通常可以減少生產過程中對熱量的需求,也減少排放。
既有道路上的瀝青混凝土產品可認定為已經含有碳,為了減少對未來排放的需求,瀝青混凝土的再生利用保留了已經燃燒的碳。
13、結論
瀝青混凝土廣為人知的好處是可不斷重復地經由再生後用回道路上,以其本身具有的獨特100%可再生性,再伴隨創新技術的發展,瀝青混凝土再生利用的範圍將持續擴大;具有這樣的可再生特性將使瀝青道路網成為寶貴的資產,也是對後代子孫的良好投資;瀝青混凝土的再生利用已被證實是成功的技術,既環保又經濟,更有助於保護天然資源;鋪築21 世紀及以後的道路網時,優化和極大化地應用再生瀝青混凝土顯然具有永續意義。
後記:本文譯自EAPA's Position Paper "Asphalt the 100% recyclable construction product" 該立場文件內文中沒有圖,譯者加入部份圖說及相關文章聯結以提高可讀性。
留言
張貼留言