中華鋪面研究室

- 8月 11, 2021

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，且大都在一年內就再破壞。

1997年管轄該路段的伊利諾州公路局(Illinois Department of Transportation, IDOT)決定採用AI的建議，並請相關代表包括石油公司(Seneca Petroleum)、鋪路承包商(Gallagher Asphalt)、檢測試實驗室(Chicago Testing Laboratory)、國家爐石協會(National Slag Association)成員公司、材料服務公司(Material Service) 和AI等，組成團隊接受這個礦區路口段鋪面的挑戰。團隊依照AI建議的四步驟進行：

1、評估問題：該團隊到現場進行調查，確認該處全天候受滿載石灰岩礦石的重車展壓，可能是1960年甚至更早的混凝土路面已轉成為堅實的路基，上層約有最厚達11英吋的瀝青混凝土，以AI的結構設計概念來看，屬於全厚度瀝青混凝土路面設計(Full-Depth Asphalt Pavement)。圖2照片為當時該團隊進行路面破壞探究在破壞現場切割開挖一個車道坑及移出觀察的全厚瀝青混凝土版塊。

圖2、1998年團隊在路面破壞處開挖車道坑探究及移出觀察的全厚瀝青混凝土版照片[2]

２、確認鋪面結構適當：該團隊舉行了多次技術討論和分析會議，以進行路面結構設計。為了滿足團隊的高成效期望，鋪面結構中的表面層和中間聯結層必須承受極高的交通荷載。現場分析的結果顯示雖然之前鋪設的瀝青加鋪層(SMA)沒有破壞，但是下面的舊瀝青混合料出現嚴重變形，深度約為 6 英寸。 IDOT 決定對現有的路面進行全深度瀝青刨除，以確保新的SMA混合料鋪在堅實的基礎上。

3、選用高成效材料並確認配比設計正確：採用全厚度瀝青鋪面結構鋪回最深達11英吋，考量當時已經出現的長壽鋪面設計觀念，及當地擁有的堅硬石灰岩骨材是石膠泥瀝青(SMA)混合料的最佳材料，故決定所有鋪回的瀝青混合料包括底層和聯結層都採用石膠泥瀝青混凝土(SMA)，最深處達9英吋厚，最上2英吋厚面層則考慮到耐磨蝕改用鋼爐石(Steel Slag)拌製SMA。

4、以適當的施工方法鋪築：文獻上沒有詳細說明，應該是該礦區業主承擔修復路面的部份責任，且礦區業主本身就是鋪路承包商，因此，從探究原因開始施工廠商就已經參與團隊，對於結構設計及材料配比設計都有詳細的瞭解；因此，施工時，底層及聯結層分三層鋪築，整個施工區段整平後，再鋪上2英吋鋼爐石SMA面層，全部工作在24小時內完成[3]。當時的檢驗報告如表１所示，從該報告的壓密度來看，施工品質受到良好的控制，聯結層壓密度達94%Gmm，面層壓密度更高達96%Gmm。混合粒料成份方面也獲得精準的控制，確保了高瀝青含量及粗粒料架構的SMA特質。

表1、專案路段瀝青混合料的檢測報告[2]

該路段的成效相當良好，完工後的第12年(2010)正式對該路段的成效進行評估，據當時估算完工後已承載近千萬ESALs，還不需要任何保養維修，被譽為「世界上最強的十定路口」，鋼爐石SMA面層的成效優異，已經成為IDOT在芝加哥地區高速公路路面加鋪的首選[1, 3]。

致勝因素調查

直到2017年底面層才出現些微的車轍，IDOT決定在該路段進行加鋪，但為紀錄該路段的長壽狀態，特別邀請相關單位尤其是20年前參與翻修計畫的單位代表，對該段路面進行罕見但非常有意義的「健康檢查」，目的是讓團隊知道20年前的哪些重要決定是致勝的關鍵，執行以下多項評估工作[2]：

切割移出一車道寬完整的全厚度SMA路面版供觀察；
取鑽心試體供試驗；
執行AASHTO T164-14溶劑分離法求得瀝青含量；
對回收瀝青依ASTM D7643-16判定PG成效分級；
對鑽心試體依AASHTO T166-16測得虛比重；
依AASHTO T209-12求得理論最大比重；
依AASHTO T245求得試體的馬歇爾穩定值和流度值；
依AASHTO T283-14檢測試樣的抗水侵害能力；
依AASHTO T324-17執行漢堡輪跡試驗；
依IDOT的柔性指數試驗法檢測試體的抗開裂能力。

切割移出的全厚度SMA路面版的切割面如圖3所示，對比20年前的版塊切割面，可以看到成功的長壽鋪面相當均質，不像前圖2切割面呈現的不均質狀況。

圖3、十定路口現況及切割移出的全厚度SMA路面版的切割面照片[2]

圖4則為鑽心取樣的點位示意圖，另依試驗所需對面層及聯結層各鑽取直徑4英吋試體數個。表2為混合料成份分析及間接張力強度比值，瀝青含量沒有改變，粒料級配部份，面層的鋼爐石沒有明顯級配降級的狀況，聯結層則出現些微的變細；表3則為壓密度狀況，以面層而言，壓密度仍維持在理論最大比重的96%，也就是空隙率為4%左右，表示20年前施工時良好的滾壓就已將路面壓密實，20年來超過２千萬ESALs滾壓，A點並沒有再壓密的現象，而B點出現的再壓密就是些微車轍的主因。

圖4、鑽心取樣的點位示意圖

表2、混合料成份分析及間接張力強度比值

表3、鑽心試比重及壓密狀況

圖5為漢堡輪跡試驗和代表抗開裂能力的柔性指數試驗結果，柔性指數(Flexibility Index)是依伊利諾州的半圓撓曲試驗測得，愈大代表抗開裂能力愈強，由測試結果可知聯結層SMA抗開裂能力比面層SMA高很多，面層柔性指數較低可能與瀝青老化較嚴重而變硬脆有關，也可能與採用鋼爐石有效瀝青較薄有關。漢堡輪跡試驗的結果發現已出現些微車轍的B點面層試體有稍高的車轍變形量，但這些車轍量與其它瀝青混凝土相比都算很小，仍應歸因於粒料架構及壓密度。

圖5、漢堡輪跡試驗和柔性指數試驗照片與數據[2]

回收瀝青相關的試驗因採用國內尚未普遍應用的超級鋪面PG成效相關檢測，本文不詳述，檢測的結果顯示回收得的瀝青試樣仍符合PG級規範，且看來高分子改質的效果仍在。

結論

IDOT在這個路面段翻修時採用全厚度SMA設計，經實證是非常成功的決定，歷經20年2千萬ESALs以嚴酷的應力型式展壓後，只有輕微的表面破壞，20年前鋪築的底層和聯結層共三層SMA混合料，持續做為長壽鋪面結構的重要組成，該鋪面在2019年底刨除面層，先鋪4.75mmNMAS改質瀝青整平層後，鋪上2英吋新的SMA面層。總結材料選擇、配比設計、施工方法、及承包商投入的努力都是SMA的致勝因素。

依據後續與參與現場探究人員的訪談，可以整理該十字路口致勝的關鍵如下[1]：