如何面對高RAP含量瀝青混凝土出現的成效不良問題
美國喬治亞州公路局的方法
認同再生瀝青的經濟成本與環保效益
舊瀝青路面刨除料(Recycled Asphalt Pavement, RAP)是美國再利用量最高的產品，據美國瀝青鋪面協會(National Asphalt Pavement Association, NAPA)公布的數字，光2018年一年就將8,200萬噸RAP再生利用回熱拌瀝青混凝土，鋪回公路路面上。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」。
喬治亞州公路局(Georgia Department of Transportation, GDOT)在2018年將約140萬噸RAP用回新的熱拌瀝青混凝土中，平均RAP含量約為25%；GDOT的規範(第402節 再生瀝青混凝土)允許的RAP上限依生產的瀝青拌合廠型式而不同，分拌式廠上限為25%，鼓式廠上限為40%，而不論該瀝青混凝土是用在面層、中間層、或底層。按美國拌合廠的發展趨勢，連續拌合的鼓式廠是新式設備，且針對添加RAP而發展，節省能耗而產量又大，是美國熱拌廠的主流，以此判斷GDOT的熱拌再生瀝青混凝土的RAP含量接近40%的不在少數。詳參作者另文「熱拌瀝青廠的發展趨勢」。
由於RAP是由瀝青膠泥和粒料組成，將RAP拌入新的瀝青混凝土中，可以降低原生瀝青和粒料的使用量，依照每年8,200萬RAP再生利用來估算，一年可以降低約410萬噸原生瀝青膠泥及7,800萬噸原生粒料的耗用量。GDOT認同在瀝青混凝土加入RAP既可降低鋪路成本又可保育環境，但也負有路面的成效不能因含有RAP而稍有打折的管理責任；許多單位在高RAP含量瀝青混凝土出現品質問題時，會選擇加強執行品質管制甚至直接再限制RAP的用量，GDOT的做法則是以再生瀝青的經濟成本與環保效益為前題，選用工程手法面對並盡力解決問題。
正向面對成效問題
GDOT觀察到以傳統配比設計法設計的高RAP含量(大於等於25%)瀝青鋪面，不僅在鋪築現場出現可能與成效相關的議題，包括外觀油量少(較乾)、初期老化較嚴重、粒料分離較嚴重、及完成面出現較多粗條紋等，依據鋪成後續開放交通後的長時間鋪面評估資料，也顯示高RAP含量的鋪面段較早出現破損(裂縫)而需要較多的養護修復工作。
因此，GDOT在2012年啟動相關研究工作，重新審視瀝青再生的機理，用評估RAP中舊瀝青與新加入瀝青的均勻拌合狀況，以期找到提升高RAP含量瀝青混凝土成效的方法。在添加RAP與新粒料、新瀝青拌合時，有兩種激進理論，其一將RAP視為「黑粒料(black stone)」，與新粒料、新瀝青拌合時，RAP中的瀝青沒有作用；另一則認為RAP中的瀝青會經由與新粒料、新瀝青的拌合而與新粒料、新瀝青充份融合；後者太過神奇而前者則過度簡化，大部份人認同真實的情況介於其間；RAP不只是黑粒料，其中的瀝青會有部份拌合作用發生。但是，一般在配比設計時傾向100%應用RAP中的黏結料，也就是認為RAP中的瀝青可與新材料拌合均勻，且在後續經由擴散作用與新瀝青融合，因此，設計完成的瀝青混凝土中瀝青含量偏低，且老化瀝青與原生瀝青的比值較高。詳參作者另文「再生瀝青混凝土的配比設計」。
如果RAP中的瀝青可與新材料拌合均勻，且在後續經由擴散作用與新瀝青融合，那麼高RAP含量瀝青混凝土為何會出現與成效相關的議題? GDOT的專家們認為應該是總瀝青黏結料量低，與及黏結料中有較多老化較嚴重的成份。超級鋪面配配比設計法以體積特徵為主，針對高交通承載的瀝青混合料傾向採用較低瀝青含量，用在高RAP含量瀝青混合料的設計時，則又再加上黏結料中有較多老化較嚴重的成份，縱使RAP不只是黑粒料，在配比設計時將舊瀝青100%應用，就會使加入的新瀝青量偏低，而傳統瀝青混凝土的配比設計是瀝青含量低，則易出現鋪面疲勞開裂的成效問題。
調整配比設計方法
在仍持續進行的一系列研究工作中，GDOT的材料試驗室(Office of Materials and Testing)決定以不降低RAP允許量為前題，而另尋以工程人員擅長的材料設計來面對高RAP含量的成效問題，因此，首先進行調整的是配比設計方法。
GDOT深刻理解不同拌製方式產生的影響，在熱拌廠與原生瀝青拌合時，新舊黏結料間進行怎麼樣的交互作用，RAP中的舊瀝青能擴散裹覆在新粒料表面上，再與新加入的瀝青拌合均勻嗎? RAP中的舊瀝青若只留在RAP的粒料顆粒上，沒有被「激活」出來與新生瀝青和粒料拌合裹覆，就只是黑粒料；GDOT的研究人員嚐試觀察在熱拌瀝青廠的拌合製程中，到底有多少RAP中的瀝青裹覆上新的粒料表面? 又有多少RAP中的瀝青與新瀝青進行均勻拌合?
一般再生瀝青混凝土的配比設計是在實驗室拌製試樣，標準程序是要將RAP也與新粒料一樣在烘箱預熱後再拌合，但在實際熱拌廠製程RAP則是常溫餵入特製的拌合鼓中與新材料拌合；GDOT的研究人員將常溫RAP與加熱的新粒料，依配合比例(30%RAP)但不加新瀝青，在實驗室充份拌合後，觀察RAP中瀝青裹覆新瀝青的狀況，如圖1所示，大部份新粒料沒有裹覆上舊瀝青。
圖1、常溫RAP與高溫新粒料在實驗室拌合顯示舊瀝青未能裹覆新粒料顆粒[1]
GDOT的研人員也在鼓式熱拌廠依照正常製程但不加入新瀝青，拌製含30%RAP的瀝青混合料，觀察RAP中瀝青裹覆新瀝青的狀況，初看似乎新粒料顆粒上裹有舊瀝青，經仔細觀察顆粒表面沾黏的大都是RAP細料群聚且可經由輕拍脫離新粗顆粒表面。
與產業界合作探究
GDOT與喬州瀝青鋪面協會(Georgia Asphalt Pavement Association，GAPA)共同尋求提升高RAP含量瀝青混凝土的成效，原配比設計中將RAP中的黏結料100%充份應用的做法被提出來檢討，在2012年共同決定按步就班地降低RAP中黏結料的貢獻率，先從100%降至75%，用來計算所謂「修正最佳瀝青含量(Correct Optimum Asphalt Content, COAC)」簡稱為「75:25 COAC」，而後幾年中陸續看到增加瀝青含量的效果，且認為可以再調整，故於2019年進一步調成「60:40 COAC」。
表1為修正最佳瀝青含量的計算例，若RAP中瀝青含量為5.09% (由燃燒法測得)，使用RAP黏結料貢獻率60%，經計算總黏結料量由4.25%提高到4.86%，而添加新瀝青的量從2.72%增加到3.33%，也就是多加入0.61%新瀝青。儘管配比設計時依體積特徵決定的瀝青含量是4.25%，但後續的成效試驗都規定以「60:40 COAC」也就是4.86%總黏結料量的試體執行。
高RAP含量瀝青混凝土及超級鋪面配比設計的綜合影響是鋪面出現較早疲勞開裂的問題，在美國其它州也有類似的經驗，全國性的NCHRP 9-57研究計畫(Experimental Design for Field Validation of Laboratory Tests to Assess Cracking Resistance of Asphalt Mixtures)，提出間接張力型式的「理想抗開裂試驗法(IDEAL-CT)」及選定「開裂指數(CTindex)」做為評估瀝青混凝土抗開裂能力的參數，也已納入ASTM標準(ASTM D8225-19)；美國瀝青科技中心(NCAT)也提出在鋪面疲勞開裂與車轍變形兩種成效間取得平衡的所謂「平衡配比設計法(Balanced Mix Design, BMD)」框架。詳參作者另文「在鋪面疲勞開裂與車轍變形兩種成效間取得平衡」。
GDOT特別委託NCAT進行在BMD中考量「修正最佳瀝青含量(COAC)」的研究計畫，擬訂的目的為[2]：(1)求出COAC對瀝青混凝土抗車轍及抗開裂成效的影響；(2)擬訂喬州熱拌廠產出熱拌瀝青混凝土的開裂指數(CTindex)值；(3)在60:40 COAC比對實驗室與熱拌廠拌製的試樣的開裂指數(CTindex)值差異。
COAC的好處及成效提升
根據NCAT研究人員在2019年秋季的初步報告中說明，在BMD中考量「修正最佳瀝青含量(COAC)」的研究計畫的目的(1)與(2)已經初步有了成果。圖2及圖3為喬州的兩種配比瀝青混凝土(標稱粒徑分別為9.5mm及12.5mm)，抗開裂指數(CT-Index)及輪跡試驗車轍深度受COAC比值之影響情況。
圖2、抗開裂指數(CT-Index)及輪跡試驗車轍深度受COAC比值之影響情況[2]
由圖2中右側經2萬次來回後的車轍深度比較，車轍深度愈小代表抗車轍能力愈好，可知一般再生瀝青混凝土的抗車轍能力與原生相當，但GDOT為提高抗開裂能力增加總瀝青含量，則會增加輪跡車轍的深度；左側的CTindex值愈大代表抗開裂能力愈好，圖中比對顯示在配比設計時調低RAP中瀝青的貢獻率因提升整體瀝青黏結料的含量而具有提升抗開裂能力的效果。對於標稱最大粒徑12.5mm的試樣，圖3的右側，驗證了一般認定的含RAP瀝青混凝土抗車轍能力較好，將OAC調整成60:40COAC並未明顯增加車轍深度，但可以將CTindex值維持在與原生瀝青混凝土相當的水準(如圖3左側)。也就是說，將OAC調整成60:40COAC，則設計的30%RAP再生瀝青混凝土在保住抗車轍能力下，也維持了與原生瀝青混凝土相同的抗開裂能力。
圖3、抗開裂指數(CT-Index)及輪跡試驗車轍深度受COAC比值之影響情況[2]
實施配比修正後，已陸續有超過200段瀝青路面，鋪築「75:25 COAC」與「60:40 COAC」的熱拌再生瀝青混凝土，至今沒有提出實驗室設計或實際生產鋪築的任何問題，但已顯示出外觀、均勻、與表面紋理狀況獲改善，只有少數發生與密度驗收相關的一些問題，後續GDOT將對這些路面進行長期成效觀測，但較耐久將是可預期的成果。
結論
喬治亞州公路局認同經濟成本與環境效益而容許添加的RAP量比其它單位高，並且在發現有成效問題後，採用工程人員擅長的方法正向面對進而解決問題，而不是驚慌地用粗暴的管理方法限制或禁用RAP，光從本文的簡短描述很難體會其中難能可貴之處，實際上是超過10年且仍進行中的緩步調整；其次是該州瀝青業者與GDOT共同進行長時間的探究，設法改善再生瀝青混凝土的品質也是相當難得的，而改變的關鍵COAC也令人感動，據聞，起初可能是增加成本而反對的許多承包商後來都成了忠實的支持者。
參考文獻
- Bob Horan, Georgia addresses pavement performance problems linked to high RAP usage, Asphalt Magazine, 12/05/2020.
- Nam Tran, Compounding Mixture Durability by Making Incremental Specification Improvements, Asphalt Technology News, Fall 2020, Vol. 32, Number 2.
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