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 瀝青路面施工鋪築時的析離現象 瀝青鋪築面出現的析離對路面成效有致命的影響,提早出現疲勞開裂、車轍變形、鬆散、及易受水侵害而使路面壽年大減;鋪成面的紋理不一致,有些區塊較粗有些區堆偏細,就是析離;造成析離的原因很多,相對地,也有許多避免瀝青鋪築面出現析離的方法可用;圖中採用具有重拌功能的材料轉運車就是很好的方式。(資料來源: forconstructionpros.com ) 析離(Segregation)是指「從主體分離而聚集成新的個體(to separate from main mass and collect together as a new body)」;瀝青混凝土是由顆粒大小不一的粗、細粒料和黏結料依設計目的組成的混合料主體,在施工時的鋪築面若有集中出現細料或是粗料等不同材料分離的不均勻狀況,就是粒料析離,如圖1所示,發生析離處成為路面局部弱點,粒料析離處的紋理較周圍正常面粗,材料構架不密實(偏離原設計),滾壓完成後的密度低於正常值,隨荷重、溫度變化、水侵入而開裂、逐漸鬆散、剝落、坑洞,如圖2所示。 圖1、瀝青混凝土鋪築面出現的粒料析離[1] 圖2、路面粒料析離處易鬆散剝落成為坑洞[1] 瀝青混合料的粒料析離 粒料顆粒大小有別,在任何有搬運移動(運動)的狀況,都遵循運動定律大顆粒滾得較遠而有大小顆粒分離的現象;從鋪築面產生析離處回溯發生源依序為: 鋪裝機播料鋪築時的析離; 裝運貨車缷料入鋪裝機時的析離; 裝運貨車裝料時產生的析離; 熱拌廠生產時的析離; 砂石場生產堆料產生的粒料析離。 砂石場生產堆料產生的粒料析離主要呈現在熱拌廠供料的冷料品質變異上,同樣的道理熱拌廠生產時產生的析離,呈現在熱拌瀝青混凝土的品質變異上;若集中關注在相近時間點鋪築面上的析離,則主要是前三項來源。圖3整理不同的鋪築面析離形態,依文獻皆可依據不同的形態追溯粒料析離的可能原因,進而以可行的處理方法消除,如表1所示。 圖3、瀝青鋪築面可能出現的不同粒料析離形態[3] 表1、瀝青鋪築面不同形態粒料析離的可能成因[3] 由於鋪築面上出現的析離是可直接歸責於施工團隊,又是使路面出現提早破壞的重要原因,一直是包括道路主管機關、施工的承包商、及鋪築設備製造商在內的鋪築業間,數十年來一再探究的重要議題;裝運貨車裝料時產生的析離除了在分拌式廠拌合機缷料口加裝暫存倉,避免一盤一盤缷入貨車料斗的「滴落
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 由上而下的鋪面開裂(Top Down Cracking) 現今傾向設計厚的瀝青鋪面,故,由上而下的疲勞開裂將會是主要的鋪面破壞型式,鋪築施工時的粒料析離是出現由上而下開裂的重要原因,應在面層鋪築時特別加強控制;另,提早判釋出由上而下的開裂及深度,可經由刨除開裂層換鋪成新的瀝青混凝土,甚至在異物滲入惡化前用預防性養護抑制,提昇路面養護效率。 圖1、以力學理論鑑別的三種路面開裂 (依序為由上而下的疲勞開裂、溫縮開裂、及由下而上的疲勞開裂) 路面開裂的多重型式 瀝青路面出現的裂縫依據理論可以區分為三種,如圖1所示。另外一種是在老舊已有嚴重開裂的瀝青路面或是水泥混凝土路面上直接加薄瀝青路面常出現的反射裂縫,詳參作者另文「 認識瀝青鋪面的破壞 」。 實際路面出現開裂是循序漸近的,從初始發生時細微不易察覺,且若在未滲入水等異物前遇溫度變高瀝青軟化加上車輪輾壓產生的揉搓作用,還可密合而消失,也就是傳說中的瀝青路面開裂破壞後可以自行癒合;許多初發的細微裂縫,經持續成長傳佈串聯擴大開裂面,若出現在表面再經水等異物侵入,開裂寬度增加、裂緣鬆塌剝脫,甚至局部產生坑洞。因此,路面工程師若只從某一個時間點觀察到表面的裂紋,特別是各式縱向裂縫如圖2所示,沒有足夠的資訊實在不容易認定是因底下層反射上來?溫縮應力引發?還是依循疲勞理論由下而上開裂發展成目前看到的樣子? 圖2、在真實路面上出現的各種形式開裂 傳統疲勞由下而上開裂 依照傳統鋪面力學採用的多層彈性理論,與荷重相關的疲勞開裂是由瀝青層底端開始,隨著荷重次數增加逐漸向上延伸終至在面層表面出現;然,近年來的不少研究,發現與荷重相關的疲勞裂縫是由面層的表面開裂,因為開裂始於表面而讓水及異物滲入,裂縫擴展及傳佈速度更快;該等研究認為環境狀況、輪胎與鋪面之間的交互作用、瀝青混合料的特性、鋪面結構、及施工品質特別是粒料析離,都可能是產生這類由上而下開裂的因素[1]。 要做正確的判斷要按與醫學類同的科學方法,除了取得完整「病歷」(路面從興建至今的設計組成、實際施工狀況、歷經的各種維護保養及重鋪翻修等資料)協助「診斷」,也應視需要進行局部「解剖」取得代表性樣品檢驗材料特性來判定,例如國外許多文獻證實對厚的路面,可以在開裂處取鑽心試體確認是否為由上而下的疲勞開裂,如圖3所示。關於國內路面破壞調查「解剖」之案例可參作者另文「 不容忽視的抗水侵害評估 」。
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  紐澤西州公路局以橡膠瀝青開放級配對重荷載州際公路路面做預防性養護 採用橡膠瀝青的好處是因具較好的抗變形、抗開裂、及抗老化能力而降低路面維護成本,更重要的是因配合採用的開放級配及越級配有較好的抗滑能力而提昇道路的安全性。儘管橡膠瀝青在亞利桑納州、內華達州、德州與加州都用得相當成功,但在其它各州的推行則牽涉到許多複雜的原因而顯得很慢;美國聯邦政府曾在1990年的冰茶法案(Intermodal Surface Transportation Efficiency Act, ISTEA, 綜合陸路運輸效率法 )中,強制規定採用橡膠瀝青以期能獲工程與環保雙重利益,但當時橡膠瀝青有製程專利權,而聯邦政府又未適當提出補助金,許多單位抵制而不願採行,加上不少單位在沒有瞭解材料的特性下,為符合規定而勉強採用出現失敗案例(大都是混淆了橡膠瀝青與橡膠化瀝青)[1]。現在看來,愈來愈多人瞭解橡膠瀝青,製程也不再有專利權,更多適切的拌合機具可採用,正是可再擴展使用的良好時機。本文介紹源於美國西南的橡膠瀝青被位於東北方的紐澤西州用創新的概念,以預防性養護應用來提昇道路安全、延長鋪面壽年、及降低養路成本的案例[2]。 鋪面保養觀念 道路建成開放通車承受交通荷載而逐漸變舊退化,既使沒通車受風吹日曬雨淋等氣候作用也會老舊退化,特別是瀝青路面因有機膠結料的本質而與氧接觸老化變硬,加上交通荷載作用的疲勞及溫度變化產生的溫縮應力。傳統的路面成效即 利用統計學之原理,採用路人對各種路面評分的方式,將路面的好壞以「目前服務性指數 (Present Serviceability Index 、簡稱 PSI) 」代表,此一指數值沿用美國大眾熟悉的評定學生成績方式,以 0~5 的數字表示;該研究成果一直為路面工程界採用,新建完成的瀝青路面, PSI 約在 4.2 附近,開放交通後,隨著荷重次數之增加, PSI 逐漸降低,依道路之等級,若 PSI 降至 2.5( 主要道路 ) 或 2.0( 次要道路 ) 時,該路面已達破壞,若經適當翻修加鋪,可以將 PSI 值再次提昇,如圖 1 所示。 圖 1 、路面服務性指數隨開放交通時間變化的情形 數十年來的鋪面養設管理經驗發展,加上已充份理解「好的路面成本較低(Good roads cost less)」而實踐「預防重於治療」的理念進而出現「鋪面保養(Pavement Pre
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 美國明尼蘇達州建立的試驗道路 明尼蘇達州公路局(Minnesota Department of Transportation, MnDOT)在1994年進行一項稱為「明尼蘇達道路研究計畫(Minnesota Road Research Project,簡稱為Mn/Road)」,主要目的是要探討氣候與交通荷重對鋪面材料(包括不同土壤、底層、基層、和不同鋪面型式)造成的影響,與聯邦公路總署(Federal Highway Administration, FHWA)合作選定在距雙子城都會區西北方40英哩I-94州際公路Albertville鎮路段北側做為研究中心基地,在基地鄰I-94西向車道邊增建與之平行的西向車道做為實驗道路主線,舊西向車道(剛性路面)則改為西向繞道,如圖1所示。(試驗道路建置之目的與美國建置狀況詳參作者另文「 如何評估不同鋪面材料的使用成效? 」) 圖1、明尼蘇達州公路局沿I-94州際公路構築的MnRoad試驗道面[1] 地處美國北方明尼蘇達州溫度變化最大(冬春之交凍融循環對道路的影響很大),是美國寒冷區域鋪面研究領頭羊,向來是寒冷氣候區鋪面研究設施(Cold Regions Pavement Research Test Facility)的重要基地。MnDOT以其材料試驗人員組成MnRoad道路研究中心,負責MnRoad的運作且多年來持續有相當多的研究成果發表並且應用。 近年來成立國家道路研究聯盟(National Road Research Alliance, NRRA),以共同基金來資助在MnRoad進行永續道路研究,目前共有11個州公路局和超過50個產業界、協會、學術界單位參與該聯盟。如圖2所示。 圖2、以MnRoad為中心成立的國家道路研究聯盟情資圖[1] NRRA由一個執行委員會及6個技術團隊(柔性、大地、智能施工、預防養護、及剛性)組成,於2013年完善規劃及擴建MnRoad設施如下: I-94西向主線雙車道長2.7英哩,經導引真實交通荷載平均每天26,500輛,其中13%貨車,相當每年750,000ESALs(柔性)、1,000,000ESALs(剛性) 2.5英哩長低交通量雙車道迴路,以總重80kip, 5軸聯結車,每天行駛內車道70圈,外圈不承載交通荷重只做環境影響 在倉儲區長1,000英呎雙車道做為新材術試做區 在I-94西向繞
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 芝加哥市中心華麗一英哩的綠路面 在2011年11月的年度燈節向廣大消費者及納稅人宣示提高路面品質且又降低環境衝擊之決心 芝加哥市交通局(Chicago Department of Transportation, CDOT)在瀝青路面中摻入回收屋頂瀝青瓦(Recycled  Asphalt Shingles, RAS)、瀝青路面刨除料(Recycled Asphalt Pavement, RAP)及回收廢輪胎橡膠(Recycled Tire Rubber, RTR),這種特殊的材料組合將CDOT的鋪面再生技術提升到全新的環保路面等級;將這種「綠路面(Green Pavement)」鋪在芝加哥市中心購物區有「華麗一英哩」美名的密西根大街(Michigan Avenue),在2011年11月的年度燈節向廣大消費者及納稅人宣示CDOT提高路面品質且又降低環境衝擊之決心。 石膠泥瀝青(SMA)簡化工序提高強度 這個市中心區繁華一英哩路段前次翻修在2004年(約 8年前)針對靠路緣石的車道,此次要針對中央主車道,事前的翻修需求調查發現此路段底層不均質,除了少數的局部底層要翻修外,應刨除稍微深些,以不同厚度的聯結層來調整底層結構強度後,再統一鋪上一層新的面層;這樣的傳統設計需要的材料較多,而且施工的程序較複雜,對人潮眾多交通擁擠的購物區交通流量有過大的影響,加上預算可能不足外,很難在有限的工期內(應在年度燈節遊街前)完成。 CDOT檢討並與材料顧問S. T. A. T. E.檢測公司諮商後,決定採用品質較高的石膠泥瀝青混凝土(Stone Matrix Asphalt, SMA),鋪2英吋厚以期提高強度和耐久性,在翻修少數的局部底層後,統一刨除並且鋪回兩英吋厚即可,程序較簡單工期較短又可降低對交通的衝擊;在大芝加哥地區SMA已成為高交通量高速公路路面加鋪的首選,但因成本較高較少用在不是重荷載的路面,結構承載力來看應無疑慮,但造價能符合本案的預算限制嗎? 加入回收材料降低成本與環境衝擊 自 2000 年代中期以來,CDOT 積極引用綠色鋪路技術。 在眾多具有潛勢的材料配比中,選定回收廢屋頂瀝青瓦(Recycled Asphalt Shingle, RAS)、回收廢輪胎橡膠(Recycled Tire Rubber, RTR)、和舊瀝青路面(Recycled Asphalt Pave
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 降低環境衝擊且又提高路面品質 美國伊利諾州收費高速公路管理局(Illinois Tollway)擴大廢輪胎鋪路計畫 伊利諾收費高速(Illinois Tollway)早在2008年即在轄下I-90州際公路Rockford段,以堤高添加RAP的百分比、使用廢輪胎橡膠、及添加回收屋頂防水材的瀝青混凝土面層,在維持高品質的路面成效下持續提昇瀝青路面的環境性質[1] 伊利諾州公路局鼓勵採用再生材料 原伊利諾州收費高速公路管理局(Illinois State Toll Highway Authority, ISTHA)現改稱「伊利諾收費高速(Illinois Tollway)」,掌管北伊利諾州12個郡除芝加哥機場高速外由5條高速公路組成,總長473公里的收費高速公路系統。為善盡自身的環境義務負起環境監護的責任,伊利諾收費高速在2007開始在品質不減的前題下,提昇高速公路路面養護翻修工作的環境友善性,依照伊利諾州公路局(Illinois Department of Transportation, IDOT)提出的建議,在熱拌瀝青混凝土中可採用的回收材料如圖1所示[2]。 圖1、美國伊利諾州公路局建議瀝青混凝土中可採用的再生材料[2] 由圖1可知舊瀝青鋪面材料(Recycled Asphalt Pavement, RAP)兼具做為粒料和瀝青黏結料的功能,是非常成熟的熱拌再生技術;而回收屋頂防水材(Recycled Asphalt Shingle, RAS)是將一般美國透天厝的屋頂防水材料拆除後破碎篩分處理成粒徑小於3/8"英吋的粒質材料,其中含有大量勁度高的瀝青及礦物,亦兼具做為粒料和瀝青黏結料的功能;在2003年起原油價格持續高漲而使瀝青油價站上高點,RAP和RAS在熱拌瀝青混合料中的應用再度受到美國路面工程界的重視;而添加廢輪胎橡膠的所謂橡膠瀝青,雖尚未應用在北方各州,但在亞利桑納州、加州、德州、佛州等南方各州應用相當普遍,且成效已獲聯邦公路總署(Federal Highway Administration, FHWA)證實。 伊利諾高速的橡膠瀝青鋪面 採用橡膠瀝青鋪路既可提昇瀝青路面的品質,又可成就產品環境監護責任;橡膠瀝青混凝土的品質為較能抗車轍變形、較能抗疲勞開裂、鋪面噪音較低、及具有較長的使用壽年,而橡膠瀝青是添加從廢輪胎回收的橡膠粉而具有對環境友善的特質
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 如何用廢輪胎鋪路? 在美國路面工程界,橡膠瀝青的使用已經從被動協助處理廢輪胎堆積的環境問題,轉變成主動應用胎磨膠粉來提升瀝青路面成效的議題。 相關技術用語定義 添加胎磨膠粉(Ground Tire Rubber, GTR)改質的瀝青膠泥有許多好處,包括較能抗車轍變形、較抗滑、且能降低鋪面噪音,也能因減緩瀝青老化而使鋪面較慢變硬脆而更耐久;添加胎磨膠粉的所謂橡膠瀝青(Asphalt Rubber, AR)可用在開放級配瀝青面層,兼具提升雨天安全抗滑及降噪的雙重效果。但因工法特殊及未普遍應用,故常有許多混淆,有必要用基本定義來釐清「如何用廢輪胎鋪路?」 胎磨膠粉(Ground Tire Rubber, GTR)或橡膠屑改質劑(Crumb Rubber Modifier, CRM)是由廢輪胎經切割研磨處理製程而得的橡膠粉粒,再利用做為瀝青膠泥的改質劑。 橡膠瀝青(Asphalt Rubber, AR)則是依據美國材料與試驗學會(ASTM D8)的定義,是由瀝青膠泥、回收廢輪胎橡膠、及某些添加物組成,其中橡膠粒的百分比至少占全體混合重量的15%,且需在加熱拌合中與瀝青油產生橡膠粒的膨脹反應;橡膠瀝青的物理性質必須符合ASTM D6114 (橡膠瀝青標準規範)中表列的規定。 橡膠化瀝青(Rubberized Asphalt)則是胎磨膠粉添加量低於15%的另一種以胎磨膠粉改質的瀝青膠泥。 乾式製程(Dry Process)是指將胎磨膠粉以做為粒料的一小部份的方式,在熱拌廠將胎磨膠粉像粒料或填縫料般直接加入拌合機與其它組成材料拌成橡膠瀝青混凝土。 溼式製程(Wet Process)是指先將胎磨膠粉與瀝青膠泥在高溫下拌合並且反應一段時間,再噴入熱拌廠的拌合機內與其它組成材料拌成橡膠瀝青混凝土,或是直接噴撒在需處理的路面上使用。 工廠化橡膠瀝青(Terminal Blending of Rubberized Asphalt)則是將胎磨膠粉在煉油廠等級的油槽中與瀝青膠泥拌合反應成均質的橡化瀝青,再以油罐車運至熱拌廠的油槽中使用,這種工廠化橡膠瀝青的胎磨膠粉添加量有可能高於15%,也有可能低於15%,是由苯烯、丁烯橡膠、碳黑、及芳香烴等油類組成的均質穩定瀝青材料。 廢輪胎製成胎磨膠粉 現代輪胎由天然橡膠、合成橡膠、化學摻料、碳黑與矽、鋼絲、及纖維組成,如下圖所示。上個世紀初,天然橡膠取
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 罕見的鋪面致勝因素調查:最強十字路口瀝青路面 在重車較多的路口因煞停起動產生很大的表面剪力,若再加上轉向扭剪及排水線形等複雜因素,瀝青路面總是出現波浪紋甚至嚴重車轍變形,是較常需要修復的鋪面段;市區街道的十定路口、公車停靠區、重車較多或車速較慢的路段、高速公路爬坡道及下匝道紅綠燈前路段,常是養路單位一修再修的頭痛路段,也有局部改用水泥混凝土路面的案例,等於宣告瀝青路面不能用在這些地方。 美國瀝青鋪面聯盟(Asphalt Pavement Alliance, APA)是由瀝青協會(Asphalt Institute, AI)、美國瀝青鋪面協會(National Asphalt Pavement Association, NAPA)、及美國各州瀝青鋪面協會(State Asphalt Pavement Associations, SAPA)合夥組成的聯盟,該聯盟的主要共同目標是推動且保障瀝青鋪路方案的健全發展。以瀝青混合料鋪路雖是當今最好的技術,但也有侷限性,例如加油站、貨櫃場、停機坪、甚至高速公路的收費站路段,但對重車較多車速較慢及交會路口的路面,可以強化的路面結構搭配適切的材料設計,持續享有瀝青路面的優點。 最強十定路口瀝青路面 美國瀝青協會(AI)在1990年代中期,曾針對有高表面剪力的十字路口鋪面研擬修復策略,由標準化的四個步驟組成[1]: 評估問題; 確認鋪面結構適當; 選用高成效材料並確認配比設計正確; 以適當的施工方法鋪築。 美國伊利諾州Thornton市區Williams街與Margaret街交會的十定路口,如圖1所示,就是最早(1997)採行AI這種四步驟策略修復的路口之一。這個十字路口旁豎立一個醒目的標語:「Thornton礦區:世界最大的石灰石礦區」這個礦區產的石灰岩粒料的品質很好,是重要的工程材料,每天產出5萬噸石灰石,皆以貨車經由這個路口運出,供給南芝加哥及印第安那州西北地區使用,有些甚至遠運達密西根州西南方。 圖1、美國伊利諾州Thornton市區Williams街與Margaret街交會的十定路口位址示意圖 在鋪路季節,每天有超過1,200車次滿載重車經過該處十定路口,大部份會在路口因燈號煞停再啟動,並且在此處轉向而對路口鋪面施以槽化的扭轉荷載;該路口經過多次翻修、修了又修甚至深達基底層,無論花費高低用盡各種方法,相同的破壞一再出現,且大