再生瀝青再出發的三項技術-溫拌、橡膠、平衡配比設計

基於經濟成本及環境效益，再生瀝青的應用是必然的驅勢，援引新技術再出發或可注入更多的活水。本文首先說明再生歷史洪流趨勢難擋及美國最近努力提高RAP添加量的相關研究發展，再分別說明帶動國內再生瀝青再出發的三項新技術：溫拌瀝青、橡膠瀝青、及平衡配比設計法。

一、再生歷史洪流趨勢難擋

在輔導國道高速公路鋪築橡膠瀝青的溝通場合，作者當時以「打大聯盟職棒」形容終於將橡膠瀝青鋪上高速公路主線路面；不少新材料新工法在國道工程發光發熱後才普遍應用到一般公路，猶記上個世紀末與再生瀝青同時期在工程會主政下推動的「飛灰在公共工程利用」相當成功，但再生瀝青雖然打出「要求相同品質不減」的旗號，經過多年的努力非但沒能「打入大聯盟」，據聞許多地方政府的「大馬路」(主幹道)現在仍不准添加舊瀝青路面刨除料(Recycled Asphalt Pavement, RAP)。

依據內政部營建署網頁(2020-02-06)「臺灣地區瀝青混凝土刨除料堆積如山，衍伸出相關環保與工程管理的問題，據了解目前瀝青混凝土刨除料堆置之申報數量已達數百萬公噸，而現行的國內的相關法規最高僅能使用40%於熱拌再生瀝青混凝土粒料的取代，剩餘之刨除料只能堆置於廠內，其如何去化與資源再利用也是目前產官學界積極尋解決的一個重大問題。」

在策略上，應將RAP再生後的品質要求等同一般全新面層材料，因為當前許多路面養護只有刨除重鋪面層，若因降級再生(downcycling)而不能用在面層，則市場太小與不能使用在面層的差別不大。去化RAP的最佳管道是熱(溫)拌瀝青混凝土，如表1所示，歐盟主要先進國家如奧地利、比利時、丹麥、芬蘭、法國、德國、匈牙利、及瑞士等國都在70%以上，美國則高達94.1%。詳參作者另文「充份應用公路網上既有的瀝青混合料」。

表1、2019年歐洲各國與美國刨除料的再利用途徑比對表[1]

再生瀝青的兩大原則：(1)含RAP的瀝青混合料應與全新混合料的要求相同；(2)含RAP的瀝青混合料應與全新混合料有相同的鋪面成效；這兩個原則可以簡稱為「要求相同成效不減」。大約是在2010年針對合計共18個美國州及加拿大省的鋪面做的長期鋪面成效(Long-Term Pavement Performance, LTPP)數據，顯示許多含RAP超過30%的鋪面品質成效等同於不含RAP的鋪面。在學術理論與工程技術實務上，添加RAP的所謂「熱拌再生瀝青混凝土」品質等同甚至優於原生料[2]。

工程技術的發展始終很務實地應對時代需求，圖1為瀝青材料再生歷史輪迴情資圖[3]，20世紀後半的再生需求造就冷刨工法與新式乾燥拌合鼓等相關技術的成熟發展[2]，21世紀初的這一波再生需求，至少已經看到溫拌技術與新的配比設計與成效評估方法的發展。

圖1、瀝青材料再生歷史輪迴情資圖[1]

一直與美國保持10年以上落後技術的國內瀝青產業，在這股歷史洪流趨動下， 若是能整合溫拌、橡膠、與平衡配比設計三項技術，則藉由再生瀝青的再出發，有可能「彎道超車」啟動創新的發展。

二、努力提高刨除料添加量

由圖1的再生歷史輪迴情資可知，1990s到2008年間是再生瀝青退燒期，所以SHRP才沒有將再生瀝青納入超級鋪面中探討。2008年原油價格再漲，美國產業界再度對再生瀝青產生興趣，想方設法在「要求相同品質不減」的前題下提高RAP添加量。由美國國家瀝青科技中心(National Center for Asphalt Technology,  NCAT)執行，明尼蘇達大學參與的「為高RAP含量HMA而改進的配比設計、評估試驗、及材料管理實務」研究計畫，目的為[2]：

1. 提出RAP含量25%到50%或超過，亦即再生黏結料比(Recycled Binder Ratio, RBR)鎖定在0.3到0.5之間的HMA，的配比設計和評估試驗法並且確保有足夠耐久性；
2. 提出需要調整的相關AASHTO標準以適用於設計此類高RAP含量HMA。

針對執行配比設計時，RAP材料的備料及檢測性質相關的基本問題，該團隊在實驗室執行廣泛的試驗，然後以取自全美四個同地區的材料執行一系列的配比設計實驗，包括採用不同的RAP添加量和使用不同的新瀝青等級；這些配比設計實驗的成果與超級鋪面配比設計標準臨界值比對，也執行一系列成效試驗來進一步評估是否較易出現鋪面破壞，特別是抗疲勞開裂、抗低溫開裂、及抗水份侵害。該團隊也在研究期間，以文獻探究整理、產業界專家的訪談調查、與許多施工方的品管人員的討論、及分析全美堆貯RAP的品管數據，整理出針對生產施工程序中RAP管理的最佳實務[2]。詳參作者另文「舊瀝青路面刨除料的最佳管理實務」。

在2013年公開發布的該研究成果發現，目前AASHTO的配比設計相關標準，也就是AASHTO R35和M323，只需做重要的微調，即可適用於設計高RAP含量的HMA。正如預期地，高RAP含量的混合料以圍壓流數試驗(confined flow number test)評估時，顯示有明顯較高的動態模數值及抗車轍能力；高RAP含量混合料的間接張力強度比值(AASHTO T283)與不含RAP的對照混合料相差不大，顯示抗水侵害能力相當；若用測試溫度下的破壞能(fracture energy)來評估混合料的抗疲勞和抗低溫開裂能力，也正如預期，高RAP含量混合料的破裂能較低。這些試驗結果表明設計高RAP含量混合料時應慎選新瀝青的等級，以期能極小化長期開裂破壞的風險[2]。詳參作者另文「再生瀝青混凝土的配比設計」。

經濟成本與環保效益是提高刨除料量的驅動力，但要避免RAP含量過高而使鋪面過早出現裂縫或鬆散破壞，Kaseer等人認為[4]，以下四種方法可在不犧牲鋪面成效的前題下提高RAP的添加量：(1)新加入的瀝青選用較軟的等級，(2)採用溫拌技術，(3)加再生劑，(4)組合運用前三種方法。添加適當的再生劑可以經由回復再生瀝青混合料中黏結料的瀝青質與脂油的比值、降低瀝青質群聚量及擴增脂油的分散力，使RAP中原已老化變硬脆易裂的瀝青恢復應有的黏彈特性。

由Martin等人[5]於2015年對美國各州公路局的問卷調查可知，大部份州公路單位沒有採用再生劑，有些甚至不允許使用再生劑，主要是因為缺乏再生劑相關的專業知識、沒有適當的產品規範、而市面上的再生劑類型多樣複雜且都為專利產品，再加上不容易評估再生劑的使用成效，而且再生劑的實際使用的長期成效也未獲驗證。該報告的重點是採用再生劑的影響評估。研究目的如下[5]：

1. 評估再生劑在指定劑量下的效益，是否能恢復老化瀝青的部份流變性及在保有抗車轍能力的前題下改善抗開裂能力；
2. 評估再生劑的效益是否因老化而改變；
3. 提出評估再生劑恢化老化瀝青特性短長期功效的檢測方法。

該研究以10種瀝青膠泥、6種不同的RAP料源、5種RAS料源、5種粒料類型、及10種再生劑，除了在試驗室執行實驗計畫外，也在德州、印地安約州、內華達州、威斯康辛州、及德拉瓦州共試鋪5個試驗路段，2020年公開的研究成果報告建議的評估再生劑工具如下[5]：

1. 組成材料選擇指引；
2. 再生劑之劑量選定法及材料配比；
3. 黏結料混拌時的流變性質評估工具；
4. 再生混合料成效評估工具；
5. 再生黏結料可用性因子。

美國州公路局近10年對提高RAP添加量的研究，RBR鎖定在0.3到0.5。(詳參作者另文「從再生劑的研究反思提高刨除料添加量的驅動力」)與美國相比，歐洲各國土地較小、天然資源相對缺乏，且人口集中，加以環保意識較高，廢棄物實際上就是資源，開始朝向理想的鋪面永續，也就是將刨除料全部再生鋪回原路面。

根據歐洲瀝青鋪面協會(Europeran Asphalt Pavement Association, EAPA)在2014年發佈的「瀝青混凝土是可100%再生的營建產品」立場文件[6]，表明瀝青混凝土廣為人知的好處就是可不斷重復地經由再生後用回道路上，以其本身具有的獨特100%可再生性，再伴隨創新技術的發展，瀝青混凝土再生利用的範圍將持續擴大；具有這樣的可再生特性將使瀝青道路網成為寶貴的資產，也是對後代子孫的良好投資；瀝青混凝土的再生利用已被證實是成功的技術，既環保又經濟，更有助於保護天然資源；鋪築21 世紀及以後的道路網時，優化和極大化地應用再生瀝青混凝土顯然具有永續意義。有些單位甚至在不犧牲鋪面工程品質的前題下，開始研究使用100%RAP生產的再生瀝青混凝土。詳參作者另文「瑞士100%RAP再生瀝青混凝土的研究」。

三、溫拌瀝青降低製程老化也使橡膠瀝青更環保

若能仔細分析並且增加黏結料量及/或適當摻料，有可能用100%刨除料生產符合工作性及成效需求的瀝青混凝土。拌製瀝青混凝土主要的一項考量是要確保黏結料能均勻裹覆在所有粒料顆粒上，因此，瀝青的黏度是關鍵，一般是以提高溫度來降低瀝青的黏度而使粒料顆粒獲均勻裹覆；除了提高拌合溫度，也可以採用溫拌瀝青技術來達到不需過度提高粒料溫度即可將瀝青均勻裹覆的效果，同時也因溫度較低而降低將刨除料中的瀝青再度老化變硬促成較高的RAP添加量。

瀝青發泡製程就是可以用來提高RAP添加量的溫拌技術，仔細控制加入熱瀝青中的水和空氣量，將使得瀝青快速擴增其體積(發泡)伴隨成薄膜狀而能在較低拌合溫度下均勻裹覆在粒料表面，甚至不需將粒料烘乾加熱也能達到均勻拌合裹覆的效果。有些發泡技術甚至利用原製程就會有的水來發泡，特別是細粒料既有的水量。詳參作者另文「溫拌瀝青工法介紹」。

泡沫瀝青早期是專利技術，較先普遍應用在泡沫瀝青冷拌再生工法，當時的主要競爭對象是水泥穩定處理和乳化瀝青穩定處理；新式的設備可以加裝在分拌式拌合廠，也可以在乾燥拌合鼓的瀝青噴入管線上改裝新的瀝沫瀝青噴嘴，伴隨採用泡沫瀝青的溫度及拌合時間調整，甚至採用軟硬不同的瀝青膠泥加以調整，可在不再老化RAP中的瀝青的情況下，均勻裹覆新黏結料到RAP材料顆粒上，若餵入的RAP材料是經篩分破碎處理又適切區分成二至三種粒徑，則可經由數種RAP材料的調配，100%使用RAP材料，亦可符何品質要求。詳參作者另文「瑞士100%RAP再生瀝青混凝土的研究」。

四、橡膠瀝青

橡膠瀝青混合料在抵抗反射裂縫及耐疲勞成效上已經有非常好的紀錄，在美國加州的鋪面工程師與鋪築業者從部份試驗場道面的經驗，已獲得足夠掌握溫拌技術與橡膠瀝青相遇後的訣竅，在隨後的2011年就鋪超過一百萬噸溫拌橡膠瀝青，為人垢病的瀝青湮及臭味問題不再。詳參作者另文「溫拌技術使橡膠瀝青更環保」。

兼具工程與環保雙重效益的橡膠瀝青，在搭配的粒料部份要求使用越級配設計，相較於常用的密級配，越級配的粗粒料占比較高，在#8 篩以上的粒料用量都接近 80%，材料組成方式以少量砂及橡膠瀝青填滿粗粒料間產生之空隙，最近幾年在快速道路鋪築此種橡膠瀝青越級配面層的成效良好(詳參作者另文：廢輪胎鋪路台灣比美加州)。這樣的材料組合若能搭配將RAP篩分破碎後分成粗細二至三種料，一般區分篩為3/4”(19mm)、3/8”(9.5mm)、及3/16”(即#4，4.75mm)，可以將RAP中的#4篩以上部份，適當調配新粗粒料來符合橡膠瀝青混合料的粒料級配要求。

在混合後粒料級配符合規定的前題下，再生瀝青混合料需關注的重點在於混拌後成品中的黏結料量與質，一般以再生瀝青比(Recycled Binder Ratio, RBR)值做為控制，依AASHTO M323對含RAP混合料的新瀝青選定指引表如表2所示。

表2、AASHTO M323含RAP混合料的新瀝青選定指引表[7]

表3與表4計算不同RAP添加量再生混合料的RBR值，表3代表一般密級配混合後瀝青含量為5.5%，RAP添加量要在30%以下才能確保RBR值不超過0.30；表4代表橡膠瀝青越級配混合後瀝青含量為8.0%，大部份情況，RAP添加量到50%仍能保住RBR值不超過0.30；橡膠瀝青越級配因需加入的瀝青含量較高，故RBR值變低，依AASHTO新瀝青選定指引(表2)，若在橡膠瀝青混合料中採用50%RAP，RBR值仍有很大的機會維持在0.30以下，只要選用比慣用軟一級的瀝青即可，在台灣的狀況可以用慣用的AC-10或AC-20。

表3、不同RAP添加量再生混合料的RBR值(混合後瀝青含量5.5%)

表4、不同RAP添加量再生混合料的RBR值(混合後瀝青含量8.0%)

近年在國內推動橡膠瀝青時，基於試鋪應排除其它變因的影響，且依據SMA的高標準選擇粒料，目前已有足夠的經驗，(詳參作者另文「廢輪胎鋪路台灣比美加州」)國外已經開始利用橡膠瀝青的改質效果來彌補粒料缺陷的問題[8]，也有研究單位利用橡膠瀝青的彈性回復能力，來改善因高RAP添加量可能出現的疲勞開裂問題[9]；高RAP含量瀝青混合料在本質上因含有較多老化變硬的瀝青，故能有較好的抗車轍變形能力，但會有低溫開裂或疲勞開裂的問題，採用越級配設計的橡膠瀝青混凝土，若能在適切調配混合料粒料級配的前題下，因加入較多新瀝青量，及摻入具彈性的橡膠粒，足以在確保抗車轍變形能力下提升抗開裂能力。

五、平衡配比設計

要排除高RAP添加量的法規障礙，應從打破品質疑慮著手，高RAP添加量再生瀝青混凝土的品質疑慮，主要來自以下三點[10]：

1. RAP中的瀝青老化變硬，高RAP添加量鋪面易裂；
2. 部份RAP中的舊瀝青沒能與新瀝青拌勻只像是黑粒料；
3. 縱使配比設計採用高RAP添加量然實務上RAP的品質變異太大而無法穩定生產。

打破上述品質疑慮也可以從發展可靠的高RAP添加量的再生瀝青混凝土配比設計法[1, 4]著手。傳統以體積特徵為主的配比設計，是早期針對全新材料制定的，方法程序沒能因應RAP品質變異而有調整的必要，針對添加RAP而做部份調整的所謂「再生瀝青配比設計法」(詳參作者另文再生瀝青混凝土的配比設計)，仍以符合新材料的品質規定、限制RAP添加量、及控制體積特徵為主體；最近美國鋪面工程界提出的平衡配比設計(Balanced Mix Design, BMD)在鋪面疲勞開裂與車轍變形兩種成效間取得平衡，就是可以用在設計高RAP添加量的替代方法。

使用BMD做高RAP含量瀝青混合料及高RAP含量橡膠瀝青混合料的配合比設計，充份應用組成材料的特性，突破傳統體積特徵設計原則的束縛，強調與實際交通荷載狀況及成效需求契合，可以說是再次推動再生瀝青應用的重要技術關鍵。台灣的環境不容消極仿效美國用限制RAP添加量來確保鋪面品質，反而應積極學歐洲在確保鋪面品質的前題下，設法提高RAP添加量。發展BMD可以解開再生瀝青混凝土配比設計中對RAP添加量的迷思。(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」)

六、結論

依照瀝青混凝土材料的組成原理，粒料級配和瀝青含量的影響比瀝青的性質重要，添加刨除料(RAP)的瀝青混凝土只要控制好瀝青含量及粒料級配，就掌控了大部份的品質要素；含有老化瀝青反而有利於抗車轍變形，這就是為何國外採用高RAP含量瀝青混凝土出現的成效問題大都是低溫及疲勞開裂；台灣地區氣候較少出現低溫開裂，多年來採用偏軟的瀝青膠泥，具有採用再生瀝青的良好條件，推動時又在製程上選用能「激活」舊瀝青的工法(規範要求要對RAP加熱)，因此在短時間內就使再生瀝青的應用相當普及。

國內路面工程界較少有系統的長時間成效觀察記錄，或許是對承包商再生瀝青混凝土品質變異擴大的反應太過激烈，加上承包商對品質控制的技術累積過慢，在再生瀝青混凝土很快地成為市場主流後的2009~2010年間陸續爆發瀝青業者偷工減料弊端，行政院雖研擬「確保道路工程品質改進行動方案」，指出瀝青混凝土常見問題，請內政部提管理機制檢討報告。同時監察院針對瀝青混凝土及其生產品質之評鑑或驗廠機制提亟待再確實檢討，並依檢討結果研擬具體改進措施；但多年來一直有公部門認定再生瀝青品質較差而傾向禁用，承包商則不斷反應刨除料堆置過剩乃至濫用，這種情況更因品質管理作為不確實而惡化。國外有些單位是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，與瀝青業者共同進行長時間的探究，設法改善再生瀝青混凝土的品質。詳參作者另文「如何面對高RAP含量瀝青混凝土出現的成效不良問題」。

基於經濟成本及環境效益，再生瀝青的應用是必然的驅勢，援引新技術再出發或可注入更多的活水；溫拌瀝青技術藉由降低拌合溫度達到工程、環保、及人員健康的多重優點，也促成老化量低地均勻拌入高含量刨除料(RAP)，熱拌廠以加裝瀝青發泡設備，學習分段拌合技術、將回收的刨除料做好篩分處理，使粗RAP粒徑明確穩定，細RAP儘量穩定；設計使用橡膠瀝青越級配，則用油量高足以拌勻高RAP量混合料，應用RAP中的老化瀝青，含橡膠粉提升抗疲勞及低溫開裂能力，也降低RAP中瀝青含量變異的影響，此種配比中建議不用原生砂，只用細RAP，粗粒料也儘量用粗RAP，選適當新生粗粒料來符合粒料結構設計的要求；平衡配比設計法突破傳統體積特徵設計原則的束縛，強調與實際交通荷載狀況及成效需求契合，提供高刨除料含量瀝青混凝土的完備檢測評估。

七、參考文獻

1. European Asphalt Pavement Association, "Asphalt in Figures 2019," EAPA, Belgium, www.eapa.org,  2020.
2. Randy West, James Richard Willis, and Mihai Marasteanu, "Improved Mix Design, Evaluation, and Materials Management Practices for Hot Mix Asphalt with High Reclaimed Asphalt Pavement Content," NCHRP Report No. 752, Appendix D Best Practices for RAP Management, Transportation Research Board, Washington D. C., 2013.
3. Astec, Industries, INC., Countious/Batch Mix Plants - History, Operation with Recycle Asphalt. 
4. Fawaz Kaseer, Amy Epps Martin, Edith Arámbula-Mercado, Use of recycling agents in asphalt mixtures with high recycled materials contents in the United States: A literature review, Construction and Building Materials 211 (2019) 974-987.
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6. European Asphalt Pavement Association, "Asphalt the 100% recyclable construction product," EAPA Position paper, Belgium, www.eapa.org,  June 2014.
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8. Miguel A. Franesqui, Jorge Yepes, Candida Garcia-Gonzalez, Improvement of moisture resistance and permanent deformation performance of asphalt mixtures with marginal porous volcanic aggregates using crumb rubber modified bitumen,   Construction and Building Materials 201 (2019) 328 - 339.
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10. M. Zaumanis, M. Arraigada, S.A. Wyss, K. Zeyer, M.C. Cavalli, L.D. Poulikakos, Performance-based design of 100% recycled hot-mix asphalt and validation using traffic load simulator, Journal of Cleaner Production 237 (2019),  https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.117679.