由上而下的鋪面開裂(Top Down Cracking)
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」。
圖3、在裂縫處取鑽心試體判釋由上而下的開裂
厚路面由上而下疲勞開裂改變養護策略
由上而下的鋪面開裂因為與傳統多層彈理論不搭配，算是當代較新的鋪面破壞觀察結果。1998年鋪面學者Michael Nunn[2]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, TDC)，並指出超過37公分的路面應該足夠承受無限數量的軸重不會有疲勞，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[3]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， 因此，如果夠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，可以恢復路面整體結構的完整性。這種修復方法正是所謂長壽鋪面設計的概念。詳參作者另文「美國的長壽鋪面設計概念(Perpetual Pavement)」。
相較於底層，瀝青路面的表層不但承載較大交通荷重產生的應力，也直接面對陽光輻射、氧化、和水侵害，按理說，開裂從表層啟始並不令人意外；然傳統鋪面結構設計理論(多層彈性理論)與據以建立的設計方法，總是說明瀝青面層底端的張應力是疲勞破壞的關鍵的思想束縛，而近年在瀝青等級與粒料級配的變動，厚的瀝青路面出現更多發生在輪跡處的緃向開裂，引發學者重新思考多層單性理論的適用性。
理論研究與務實的抑制方法
美國路面工程界已對由上而下的開裂做過長達10年以上的研究[4]，一般認為近代出現的寛面高胎壓輪胎，在歐洲稱為「超級單輪(Super Single Tire)」使瀝青混凝土承受更高的表面水平張應力，鋪面由上而下開裂的機理可描述如圖4所示。
圖4、瀝青路面由上而下開裂機理示意圖[5]
瞭解、評估、及驗證進而提出供鋪面工程師在設計路面時選定熱拌瀝青混合料的指引來避免由上而下的開裂，則仍需要有更多的研究[4]。佛羅里達大學的Roque教授團隊，強調複雜的輪胎與鋪面之間的應力，該團隊的分析方法牽涉許多有限元素法分析及破壞力學分析，也顯示溫度應力扮演很重要的角色，近年強調瀝青混凝土的破壞韌性(fracture toughness)對抗由上而下開裂很重要；密西根州立大學的研究則相對較具實用本質，用多層彈性理論分析及有限元素分析，但不考慮輪胎與鋪面之間的複雜應力，並且強調粒料析離(segregation)和水侵害對加速由上而下開裂的重要性；科羅拉多的研究人員也同意此看法，並指出析離的重要性，指出有某些鋪築機具有引發粒料析離的缺陷；華盛頓州的研究人員也是強調粒料析離(segregation)和水侵害對加劇由上而下開裂的重要性；MnRoad沒有發布過探究由上而下開裂的正式報告，但有一些簡報提及，在MnRoad的試驗路面中出現由上而下的開裂，部份與老化有關，部份與荷重有關，採用較硬瀝青的路面比較嚴重；嚴重的老化將使路面出現很大的「勁度梯度(stiffness gradients)」，也就是瀝青混凝土的上層與下層之間的勁度差異很大，使得受荷重時表層應力提高，瀝青路面的勁度梯度(stiffness gradient)受老化、溫度梯度、及瀝青選定原則(底層選較軟、面層選較硬)影響。
有了以上的論述及對由上而下開裂的認知，當路面在輪跡處出現緃向開裂，如圖5所示，應如何判斷是由上而下，抑或是由下而上？再次強調要做正確的判斷要按與醫學類同的科學方法，如果是設計較薄的路面，再伴隨有荷重造成的沉陷或車轍，則應是由下而上，反之，若是較厚的瀝青路面，而又沒有出現車轍變形，則有很大的機會是由上而下的開裂。
由於較厚的鋪面相對於較薄的鋪面會有較大的上層表面應力，因此由上而下的開裂大都發生在較厚的鋪面，但這不表示較薄的鋪面就不會出現由上而下的開裂，而是較薄的鋪面同時出現由下而上及由上而下的開裂；也就是說，較厚的瀝青鋪面基本上已經不會產生由下而上的開裂，因此，主要的開裂形式是由上而下的開裂；現今的鋪面設計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。
結論
熱拌瀝青混凝土面層在輪跡處出現的縱向龜裂(鱷裂)，一般判定為與荷重相關的疲勞開裂，且依據瀝青路面對荷重的反應方式相關理論，認定此類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面層表面，出現這種破壞顯示瀝青混凝土層的厚度不足；但若這種狀況出現在瀝青混凝土層很厚(超過20公分)的路面，則應改以從上而下延伸的疲勞開裂理論，用更詳盡的鑽心試體調查驗證，進而改變這類瀝青路面的養護策略，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；依據國外許多研究成果，瀝青混凝土面層的施工品質是厚路面出現由上而下開裂的重要原因，除了一般熟悉的混合料組成與壓實度(完成路面空隙率)，粒料析離及層間黏結力，是應該特別注意的部份，應以提昇路面施工鋪築品質來加強。詳參作者另文「瀝青路面施工鋪築時的析離現象」。
參考文獻
- Pavement Interactive, Top-down Cracking.
- 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.
- Advanced Asphalt Technologies, LLC, For Project NCHRP 1-42: Top-Down Fatigue Cracking of Hot-Mix Asphalt Layers, NATIONAL COOPERATIVE HIGHWAY RESEARCH PROGRAM (NCHRP), May 27, 2004.
- Elisabete Freitas, Paulo Pereira, Assessment of Top-Down Cracking Causes in Asphalt Pavements.
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