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。伊利諾收費高速(Illinois Tollway)在2006年秋天在轄下I-294的南向車道路面重鋪專案中試鋪三段橡膠瀝青鋪面，位址如圖2所示。
該試驗路面雖是延續伊利諾州公路局(Illinois Department of Transportation, IDOT)高承載州際公路瀝青路面採用SMA的建議，但為達到伊利諾收費高速的環境責任，特組成合作研究團隊，將IDOT、顧問公司、承包商結合起來，各團隊的明確分項任務如下：[3]
- 伊利諾高速(Illinois Tollway)：管理、出資、綜合掌理專案。
- 伊利諾州公路局(Illinois DOT)：材料規範、HMA材料試驗、及鋪面抗滑檢測。
- 應用研究顧問(Applied Research Associates)：路段選定、規範審核、配比審核、噪音檢測、表面紋理量測、鋪面狀況量測、提出報告。
- S. T. A. T. E.檢測公司：規範審核、配比設計(OGFC)、品質保證。
- Gallagher Asphalt / Central Blacktop ：聯合承攬包商。
- Seneca Petroleum：生產工廠化橡膠瀝青的石油公司。
- 芝加哥檢驗試驗室(Chicago Testing Lab)：配比設計(SMA和密級配)及品質控制。
- 伊利諾大學(University of Illinois )：瀝青混凝土材料試驗(疲勞和動態模數)。
該團隊在這個I-294長約4公里的路段，從南到北規劃鋪築共4種瀝青混合料，如表1所示，依序為傳統超級鋪面密級配(控制組)、橡膠瀝青開放級配、橡膠瀝青越級配、及橡膠瀝青密級配；嚴格說來，本專案的所謂橡膠瀝青不是ASTM 定義的橡膠瀝青，而是屬於工廠化橡膠瀝青中的一種，是由當地Seneca Petroleum公司生產，胎磨膠粉添加量約為12%，可以在一定的時間內以油罐車運至熱拌廠的油槽供料，但該公司特別說明應避免儲放時間太長否則會有橡膠顆粒沉澱的問題，從橡膠瀝青開放級配及越級配的設計瀝青含量分別為6.0%和6.1%，及可以用在密級配可證，是免除租用橡膠瀝青拌合機及避免對材料不夠熟悉出現品管不良的妥協方式。（關於利用廢輪胎橡膠鋪路可參作者另文「如何用廢輪胎鋪路？」)
該試鋪案進行得非常成功，不僅驗證了以傳統的機具得以將廢輪胎橡膠粉納入到瀝青路面上來，初步的成果也顯示可以具有至少相同的成效，負責撰寫報告的ARA顧問針對當地材料的特性列出重要的四項結論如下：[3]
- 橡膠瀝青導入成功；
- 輝綠岩碎石可做為高品質的粗粒料，用在SMA及OGFS；（註：這地區有鋼爐石SMA的高成效的認知，此報告認為輝綠岩也可。）
- 一般OGFC不耐久，尤其是冬天鍊條雪胎輾壓變硬的多孔瀝青混合料，本報告認為AR的OGFC有改善的可能；
- 降噪效能方面則因量測方法不同而有變異，仍待後續研究驗證。
橡膠瀝青中拌入刨除料
經I-294專案的研究成果，伊利諾高速常用的９種不同的混合料中有三種是SMA加橡膠瀝青。充滿信心與環境監護責任的伊利諾高速持續努力納入更多再生材料，在2008年的試鋪案很有創意地組合舊路面刨除料與橡膠瀝青[4]。伊利諾州的承包商將回收舊瀝青路面材料經過再破碎及篩分處理，產出的所謂「篩過刨除料(Fractioned RAP，簡稱FRAP)」，如圖3所示，粗的部份用途較廣，而細的部份因含瀝青量較高反而受到充做粒料的限制，S. T. A. T. E.檢測公司建議將小於3/8"的細FRAP用在橡膠瀝青拌製的越級SMA[5]，搭配高品質的原生粗粒料或是鋼爐石，不必再添加細粒料，而細FRAP中的瀝青也可以獲得充份的使用，因為橡膠瀝青SMA的總瀝青含量較高，在材料設計上占關鍵的再生瀝青比(Recycled Binder Retio, RBR)可以較低而不必使用特別的再生劑。S. T. A. T. E.檢測公司在實驗室以平衡配比設計法設計這種含FRAP的橡膠瀝青越級配瀝青混合料，供伊利諾高速於轄下的I-90的Rockford段試鋪案中試鋪。
圖3、伊利諾州的承包商提供的「篩過刨除料(Fractioned RAP，簡稱FRAP)」[5]
擴大橡膠瀝青混刨除料的應用
經過10多年來的努力，伊利諾收費高速鋪築超過33萬噸橡膠瀝青混合料，在2015、2016年擴大在I-355, I-88, 及I294的高承載(超過3千萬ESALs)路段採用，並且使用平衡配比設計法，納入更多再生材料。 在2017年轄下I-88州際公路上試鋪共９種瀝青混合料[6]，如表2所示，由表可知除了有提昇刨除料添加量而採用較軟瀝青做為基底瀝青的企圖心外，橡膠瀝青部份也開始採用乾式製程、橡膠瀝青丸等新式橡膠瀝青產品。
- 新的二種橡膠瀝青工法也可達到類似的胎磨膠粉改質目的；
- 以軟軟基底瀝青可以提高刨除料添加量。
結論
本文以降低衝擊且又提高路面品質為題，整理介紹美國伊利諾收費高速(Illinois Tollway)為善盡自身的環境義務負起環境監護的責任，從2006年到2017年期間的廢輪胎鋪路資訊，主要應用的技術是工廠化橡膠瀝青搭配石膠泥瀝青混凝土(SMA)，工廠化橡膠瀝青確保了瀝青黏結料的品質，而SMA粒粒料架構來維繫耐壓抗低溫開裂；這種組合已經有超過33萬噸的豐富經驗，後續更很有創意地納入刨除料，驗證了以篩過細刨除料來取代SMA中的砂，巧妙地應用此種組合細刨除料很難多加的優點，也在設計上充份應用刨除料中的瀝青量，成功地使橡膠瀝青混合料變得更「綠」又不會濫用；這種組合的瀝青混合料，已經無法應用傳統的材料設計與評估方法來執行配合比設計，伊利諾收費高速非常有遠見地進行平衡配比設計的探討，搭配實際路面試鋪，相信未來會有更多的突破性成果發表。
後記：深入瞭解橡膠瀝青與刨除料的組合創意，可參作者另文「再生瀝青再出發的三項技術-溫拌、橡膠、平衡配比設計」，平衡配比設計的發展則可參作者另文「在鋪面疲勞開裂與車轍變形兩種成效間取得平衡」。
參考文獻
- Hugh Chapman, Termina Blend Ground Tire Rubber Modified Asphalt, Seneca Petroleum Co,. Inc., 2/4/2013.
- Illinois Department of Transportation, Utilization of Recycled and Reclaimed Materials in Illinois Highway Construction in 2012, Physical Research Report No. 164, December 2013.
- Illinois Tollway, Preliminary Summary Report: Ground Tire Rubber (GTR) Asphalt Pavement Demonstration Project, June 21, 2007.
- Dwight Walker, Understanding how tires are used in asphalt, Asphalt Magazine, 10/16/2010
- S. T. A. T. E. Testing L.L.C., Project Portfolio - FRAP Fractionated Recycled Asphalt Pavement.
- William kG. Buttlar and Punyaslok Rath, Illinois Tollway I-88 Ground Tire Rubber Test Sections: Laboratory Mix Design & Performance Testing, September 22, 2017.
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