美國的長壽鋪面設計概念(Perpetual Pavement)
一般工程設計年限都會超過50年，以往鋪面結構設計累積的經驗是很難超過15~20年，因此，公路建成後的養護工作，特別是路面的養護與修復成為最主要的工作，也是公路資產管理單位資源消耗最重的項目；早期認為柔性路面可伴隨交通量的成長分期加鋪，這種類似「分期付款、分階段施工(Stage Construction)」的路面結構設計理念，在近代公路實踐時則因其它公路設施也需調整而不現實，若破損深及鋪面結構則全面翻修的代價正如「高利貸」；故在設計理念上轉向長壽鋪面(Perpetual Pavement)。長壽鋪面設計：指的是使用壽年很長的一種瀝青路面結構設計、施工、與養護觀念；輔以適當的維護與修復，以長壽鋪面概念設計及施工的路面，只需要定期針對路表層破損刨除重鋪，可以在不必進行主要結構修復及翻新的狀況下使用超過50年。(註：鋪面設計概念可參作者另文「鋪面工程概論」。)
既有的鋪面設計概念
美國瀝青路面工程界在20世紀末總結[1]，過去40年來比較成功的鋪面結構設計是底層級配用得較少的深強瀝青鋪面(Deep-Strength Asphalt Pavement)，或甚至不用碎石底層，全部用瀝青混合料的全深度瀝青鋪面(Full-Depth Asphalt Pavement)，如圖1所示；瀝青面層較薄而以較厚的粒質底層傳佈荷重的傳統鋪面結構，如圖2所示[2]，較容易出現結構性破壞，例如深層結構性車轍或疲勞開裂(由下裂向上)，使用較厚瀝青混凝土層的鋪面，則較少有底層結構破壞造成的修復困難問題；因此，在設計新的瀝青路面來避免深層結構性車轍及疲勞開裂問題時，出現了長壽鋪面設計的概念。
圖2、傳統鋪面結構示意圖[3]
也就是說，長壽鋪面設計不算是新的概念，在20世紀60年代就有全深度(Full-depth)及深強(Deep-strength)瀝青鋪面設計，當時遵循此種設計概念且施工完善的路面，已經美國路面工程界證實相當成功地在重交通荷重下使用至今。美國瀝青鋪面聯盟(Asphalt Pavement Alliance, APA)認為這些長壽鋪面的先例，經過去數十年來冷刨、再生、及熱拌瀝青技術的大幅進展，創造了比以往成效更好、壽命更長、且生命週期成本更低的瀝青路面[1]；也就是說，以前的全深度及深強瀝青鋪面設計，在無意間，已成就了長壽鋪面設計。
以美國紐澤西州I-287州際公路的破壞評估及維修決策經驗為例[1, 3, 4]，該州際公路5號出口到紐澤西收費高速公路之間路段，其中有兩處交流道分別銜接1號公路和27號公路，平均日交通量高達15萬輛，其中22%為貨車，估算未來20年將承載5千萬ESALs，路面破損嚴重急需全面翻修，如圖3所示。
該段路面於1993年進行翻修策略評估時建成通車已26年，期間只有少量的維修處理工作，原設計瀝青混凝土層總厚度為10英吋(25公分)，表面層出現疲勞開裂、輪跡處有緃向裂縫及車轍深度達1英吋(25mm)，搭配疲勞開裂處的鑽心試體觀察屬於由上而下的開裂，再仔細檢查整個鋪面結構層發現這些破壞都未深達3英吋(7.5公分)，因此，修復的決策是不需進行結構性的翻修，只將面層刨除3英吋(7.5公分)深再鋪回4英吋(10公分)厚熱拌瀝青混凝土面層；該刨除鋪回工作於1994年完成，在2001年進行的鋪面狀況調查顯示沒有出現裂縫或車轍[1]。
避免保守造成的浪費
當前設計鋪面結構時預期的交通荷重動軋超過數千萬ESALs，而引用的AASHTO道路試驗經驗是1960年代發展的，該試驗路面中最厚的瀝青路面承載的荷重狀況中，最大的單軸重為30千磅、最高的標準單軸承載量為8百萬ESALs；以荷載數量來看，當前預期的交通荷重已超過設計指引所列的10倍甚至以上，外插的結果使設計的路面厚度讓人懷疑，是否該有個「限度」? 像前述紐澤西州I-287州際公路的案例，若沒有採用長壽鋪面設計概念，依未來20年將承載5千萬ESALs設計全面翻翻瀝青混凝土層，不考慮工期長造成的用路人成本，直接工程經費就將會是三倍[4]。
1998年鋪面學者Michael Nunn[5]在長期觀察鋪得很厚的瀝青混凝土路面時，發現這些厚而堅實的路面，破損都是車轍及由上而下的開裂(top-down cracking)，並指出超過37公分的路面應該足夠承受無限數量的軸重，因此，Nunn提出「柔性路面結構強度超過某一界限值時，既使在很長一段時間內受到非常高的交通荷載，也可能不會出現結構損壞」。此外，Uhlmeyer 等人[6]發現，大多數厚度超過16公分的HMA路面，僅出現由上而下的開裂(top-down cracking)， 因此，如果能夠適當處理在表面層出現的開裂和車轍，以避免這些破壞影響到路面結構的完整性，則可以大大延長路面壽命。
APA於2000年利用這些學者的觀察推論，配合路面材料研究，發展出基本的長壽鋪面設計概念，以期能避免過度保守的鋪面厚度設計。Huber等人曾舉採用AASHTO 1993年的設計手冊在印地安納州設計的一些案例，厚度大約多出3至12公分，也就是相當於每車道英哩多用了600至1,800噸材料[1]。
高效益的鋪面結構
長壽鋪面設計概念被列入美國鋪面工程界於2006年至2015年期間執行的「第二次策略性公路研究計畫(SHRP2)」，以提升道路維修效率、安全、及減少塞車為主要訴求；長壽鋪面概念設計的鋪面結構，植基在堅固的道路基礎設計上，使用的瀝青混凝土總厚度較厚且區分為三層，每一層各自有抵抗的應力標的[7]：
- HMA底層：是專門設計用於抵抗疲勞開裂的底層，可以使用兩種方法來避免底層疲勞開裂；第一種方法是將總路面厚度提高到足夠大，使得交通荷重在底層底部產生的張應變小到可以忽略不計；第二種是用超柔性(extra-flexible)的HMA做為HMA底層，例如用較高瀝青含量的HMA，使得底層HMA可以承受交通荷重造成的張應變而不開裂；當然，適當綜合應用這兩種方法最有效。
- 中間層：專門設計用來承載大部分的交通荷重， 因此，必須穩定(能夠抵抗車轍)以及耐用；利用粗粒料中的石對石接觸(stone-on-stone contact)並使用具有適當高溫等級的瀝青膠泥，可以組成抗車轍能力高而又耐久的HMA。
- 磨耗面層：是專門設計用於抵抗由表面引發的損壞(由上而下的開裂和車轍)的表面層；其他具體的關注問題將取決於當地的經驗。
調整力學-經驗法設計流程
圖5、傳統力學-經驗法鋪面設計流程[1]
較新的力學-經驗鋪面設計指引(M-E Pavement Design Guide, MEPDG)大都建議關注在鋪面反應的特徵，與長壽鋪面設計的概念相符合，也就是在鋪面承載後的反應臨界值以內不會累積成破壞，故，長壽鋪面採用的流程如圖6所示，前段流程不變，但在輸出鋪面反應後與界值進行比對，並且計算超過界值的百分比，該百分比值決定是否為最終設計。
圖6、長壽鋪面設計建議之流程[1]
美國的長壽鋪面獎章
此獎是頒給州公路局或地方政府公路單位，表彰其瀝青鋪面設計的高效耐用(至少用35年)；要獲此獎章，該鋪面不能出現結構性破壞且面層重鋪的平均間隔年應超過13年，累積增加的厚度不能超過4英吋(10公分)。獲獎的鋪面展示了長壽鋪面的特性、卓越設計、高品質施工、及繳稅的價值。自2001年首度頒發此獎章以來，美國有31個州加上1個加拿大的省，合計共156個鋪面段獲此獎；獲獎的鋪面路段在得獎當下的壽年分布在35年到91年之間，平均約46年；由獲獎路段所屬州的州瀝青鋪面協會授與該主管單位一座代表榮譽的雕刻水晶方尖碑，如圖7所示[4]。
圖7、美國瀝青鋪面聯盟頒授的長壽鋪面設計獎座[4]
APA的網站可以查得這些長壽鋪面的資料[8]，圖8為作者截取的佛州公路局2019及2020兩年獲獎的長壽鋪面路段，2019年獲獎的州際公路段已經用了56年，2020年獲獎的路段則用了66年。
圖8、佛州公路局於2019及2010年獲長壽鋪面設計獎座的兩段路面[8]
參考文獻
- David E. Newcomb et. al., Perpetual Asphalt Pavements--A synthesis, AsphaltRoad.org.
- The Asphalt Institute, Thickness Design – Asphalt Pavements for Highways and Streets, Manual Series No. 1 (MS-1), September 1981.
- Rowe, G., Sauber, R., Bennert, T., Fee, F., Smith, J., The performance of a long life pavement and rehabilitation of surface cracking: I-287 New Jersey, International Symposium on Design and Construction of Long Lasting Asphalt Pavements, 2004, Auburn, Alabama, USA.
- Rebecca S. McDaniel, PERPETUAL PAVEMENT DESIGN AND SUSTAINABILITY, September 14, 2010.
- Nunn, M, Design of Long-Life Roads for Heavy Traffic, Focussing on Performance: AAPA Pavements Industry Conference, 1998, Surfers Paradise, Queensland, Australia.
- Uhlmeyer, et. al., Top-Down Cracking in Washington State Asphalt Concrete Wearing Courses. Transportation Research Record 1730. Transportation Research Board, National Research Council, Washington, D.C. pp. 110-116.
- Study for a Future Strategic Highway Research Program Project Description. National Academy of Sciences. Washington D.C. Accessed 1 October 2003.
- Asphalt Pavement Aliance, Perpetual Pavement.
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