中華鋪面研究室

- 10月 30, 2021

跟著美國人學習日本高刨除料含量再生瀝青鋪路經驗

提高刨除料添加量以降低環境衝擊確保路面工程永續發展，一向是美國路面工程界的重要議題；相較於美國統計的接近20%，日本瀝青混凝土中刨除料的平均添加量高達47%；為了學習日本在不降低路面品質的先決條件下用高刨除料添加量瀝青混凝土的鋪路經驗，美國瀝青鋪面協會(NAPA)於2014年組成參訪團，深入瞭解日本高刨除料再生瀝青路面的製程與鋪築經驗，並於2015年出版這份報告，本文擷取其中重點及值得我們深思學習之處。

摘要

日本鋪面瀝青混凝土中舊路面刨除料(Reclaimed Asphalt Pavement, RAP)的含量平均為47%，是美國平均值(接近20%)的二倍多，這對公私協力提昇瀝青混凝土中RAP含量的美國聯邦公路總署(Federal Highway Administration, FHWA)和美國瀝青鋪面協會(National Asphalt Pavement Association, NAPA)來說，不僅驚訝且引發強烈的好奇並想學習「日本如何能採用平均RAP含量為47%的瀝青混凝土鋪路且不降低鋪路品質？」這是2014年底美國瀝青路面工程界組成日本參訪團(簡稱2014日本參訪團)的組成目的。

全日本有1,150座瀝青拌合廠，年產約5,000萬公噸瀝青混凝土，其中3,800萬公噸是含有RAP的再生瀝青混凝土；大部份的拌合廠是分盤式，與美國普遍採用的鼓式拌合廠比較，產量相對低很多，約有15%的瀝青混凝土採用高分子聚合物改質瀝青做為黏結料；由於日本的公路系統已發展成熟，鋪面維護是主要的工作，所以大部份的瀝青混凝土是用在道路的面層，再生瀝青混凝土的使用已是常態，目前的鋪面創新主要是在多孔瀝青鋪面(排水瀝青鋪面)、保水鋪面結構(water-retaining pavement structures)、及隔熱鋪面(heat-insulating pavements)等。

據統計，日本瀝青混凝土中的平均RAP含量從2000年的33%，持續提昇至2013年的47%；與美國相似的是99%的RAP用回新的瀝青鋪面混合料中，其中有一些用在鋪面底層；瀝青混凝土的RAP含量，無論是較暖南方還是較冷北方都相近，大約是在20%到60%之間，不受氣候分區影響。日本成功採用高RAP含量再生瀝青混凝土，歸因於三點：

注重品質降低變異，包括刨除料破碎篩分處理、堆置加覆蓋等措施；
將RAP加熱去除水份也將其中舊瀝青軟化方便拌合；
採用軟化劑及其它拌製實務而達到需求性質。

美國參訪團的報告認為日本道路鋪面的品質歸功於強調品質且注意細節，日本的承包商與養路單位遵循非常簡單的配比設計方法及著重在成效的檢測試驗，參訪過程中很有說服力地展示高RAP含量(>25%)瀝青混凝土的品質可以等同甚至優於原生瀝青混凝土，參訪團一致認為美國也應該做得到在不降低品質的先決條件下，採用高RAP含量瀝青混凝土，應該持續以公私協力的方式整合包括瀝青拌合業在內的工業界、承包商、供應商、和各級道路管轄機構共同努力促成，具體的建議如下：

參訪團應將參訪所得知識和經驗以提出報告、簡報、及發表文章的方式做知識轉移；
機關的規範應允許承包商自行勘酌採用RAP的含量，並以簡易的檢測方法和清楚的界值來確保鋪面成效，包括考量採用簡單的實驗室混凝土勁度值和穩定值試驗；另外，基於試驗成本考量，也建議公路單位探究是否降低配合設計試驗的次數；
在最佳工程實務方面，應仿效實行RAP的破碎篩分處理、儲存堆放、製程生產、及鋪築，尤其是降低RAP中含水量，降低新粒料超加熱的需求；這些最佳工程實務對提高RAP含量有關鍵性影響；
瀝青業界也應考慮使用再生劑或其它軟化摻料來促成高RAP添加量。

另一個使日本瀝青工業得以快速導入新材料新技術的重要面向是製造商與承包商的家數不多，這少數幾家大公司不僅在拌合廠的先進機具設備投下巨資，也設置先進的中央實驗室與人員來深入探究創新與專利產品，這些日本公司的技術專家給參訪團留下深刻的印象，而承包商與公路機關之間建立的互信度普遍比在美國的情形高，與美國路面工程界相比，日本這個產業的不同業者之間的生產力和競爭性不是那麼重要，日本文化標誌的安全、品質、及對環境關注才是重點，也顯然是路面工程界的首要議題。

日本的瀝青拌合業及再生瀝青驅動力

日本也是從1970年代開始有瀝青路面再生，建設部在1980年代初期開始探究再生瀝青混凝土的成效，隨後日本道路協會(Japan Road Association, JRA)在1984年發布鋪面廢材再生技術手冊，內容主述舊路面刨除料(Recycled Asphalt Pavement, RAP)的再利用，到1992年就因為探究的結果顯示在RAP添量在30%到100%之間的總共213段路面中，只有5段出現開裂比(cracking ratio)大於10%，且這5段路面都是交通荷重相當高的路段，證實含有RAP的再生瀝青混凝土的品質等同於原生瀝青混凝土。以這些探究成果及出現高開裂比的潛在因素為基礎，JRA在1992年發布廠拌鋪面再生手冊(Handbook of Plant Recycling of Pavement)，是日本熱拌瀝青再生的第一本手冊，隨後於2004年出版鋪面再生手冊並於2010年再版，日本瀝青混凝土協會(Japan Asphalt Mixture Association, JAMA)也在2013年發布一本瀝青拌合廠處理及應用RAP的指引。

瀝青混凝土的總產量在1990年代初因經濟蕭條而降低，如圖1所示，含RAP的再生瀝青混凝土產量則從1984年的200萬公噸增加到2000年的4,200萬公噸，瀝青混凝土中的平均RAP含量穩定持續從2000年的32.5%增加到2013年達到47%。

圖1、日本歷年瀝青混凝土產量統計

日本專家認為瀝青路面再生的5個驅動力如下：

瀝青鋪路廢料量極小化；
保護自然資源(節約瀝青、粒料等原料)；
節約能源(原料開採、產製、及運輸耗費大量能源)；
因節能而減少二氧化碳排放；
降低鋪路成本。

日本在2013年產製的共約5,000萬公噸瀝青混凝土中，接近3,800萬公噸是含有RAP的再生瀝青混凝土，其中的76%用在面層；原生瀝青混凝土大都是透水瀝青摩擦層。在日本最常用的瀝青混凝土配比是標稱最大粒徑13mm的密級配面層，與美國常用的標稱最大粒徑1/2英吋密級配相類似，若將其級配繪在0.45次方最大密度級配曲線圖上，如圖2所示，可看出廠拌曲線位在上方且與最大密度曲線沒有交會，依美國經驗，這種級配屬細密級配，鋪築施工時比較不會有粒料析離的問題，這點與參訪團對日本鋪路現場的觀察相符合。日本也採用標稱最大粒徑13mm的越級配做為面層，聯結層則使用最大粒徑20mm的密級配，至於提高雨天行車安全及降低鋪面噪音的摩擦層，則大都採用透水瀝青混合料。

圖2、日本最常用的面層密級配瀝青混凝土的粒料級配規範及

繪製在0.45次方最大密度曲線上的情形

刨除料處理狀況及配比設計規定

日本大部份再生廠都將RAP的堆存處理設備裝設在同場址，且接受各種不同來源的RAP進場，美國參訪團觀察到進場的「RAP」實際上有許多是數量不大的舊路面挖除板塊，如圖

日本大部份再生廠都將RAP的堆存處理設備裝在同場址，且接受各種不同來源的RAP進場，美國參訪團觀察到進場的「RAP」實際上有許多是數量不大的舊路面挖除板塊，如圖3A，在日本，緃使是小規模路面拆除產生的破碎路面材料和碎石，也必須從拆除現場進行跟踪，直至加工和回收回新的瀝青路面；RAP的處理都在密閉場所如圖3B進行，破碎過程的揚塵則以水霧降低，儘可能降低RAP的含水量，參訪團指出日本RAP料堆的含水量約在1.5%到2.0%，比美國的低很多；RAP大都經多道破碎和篩分程序，如圖3C, 3D，一般將篩分過的RAP區分為兩種尺吋：-13mm~5mm和-5mm，如圖3F，處理篩分過RAP(Fractionated RAP, FRAP)的堆存都在大且有頂蓋的料倉如圖3E所示。

圖3、日本舊瀝青路面材料再利用處理情形

日本規範准用的RAP的品質規定為(1)瀝青含量需大於等於3.8%，(2)回收瀝青針入度至少20，(3)FRAP中的過#200號含量不能超過5%。再生瀝青混合料的配比設計原則上與美國類似，也是依RAP中瀝青的性質、RAP添加量、及選用的新瀝青，用拌合圖如圖4進行設計；從圖4可知日本採用較不敏感的針入度，並以目標針入度50來決定配合比例。

圖4、日本再生瀝青配比設計用的針入度拌合圖

日本的瀝青仍以針入度分級，再生瀝青混凝土的設計針入度一般地區為40/60，較冷雪區則設計針入度60/80，相應的間接張力係數如表1所示。大部份高RAP添加量的再生瀝青混凝土都會添加「再生劑」來回復物理性質，日本的再生劑應該是石蠟含量較多的油品，規範性質如表2所示，這些再生劑屬於各公司的專利產品，成份是商業機密，添加量大約在老舊瀝青量的5~10%，若換算為再生瀝青混凝土占比約為0.2~0.3%。最近有實驗室的研究報告顯示重復採用高石蠟含量再生劑可能導致再生後的複合黏結料變硬變脆，因此，正展開改用高針入度瀝青取代再生劑的研究。

表1、日本再生瀝青混凝土的設計範圍

表2、日本的再生劑規範

最近有愈來愈多改質瀝青路面翻修回收再利用，使得愈來愈多RAP中的回收瀝青針入度低於20，而發展出替代方法，改取用100%RAP試樣，經實驗室烘熱夯製成試體，以20℃間接張力強度試驗判斷是否可以再利用，如圖5所示；由該試驗求得所謂IDT係數，若100%RAP夯製的試體的IDT係數超過1.70 MPa/mm，則可能不適合再利用。

圖5、日本RAP的性質規定及當RAP不符要求時以間接張力係數決定是否可再利用示意圖

對於RAP中瀝青針入度低於20，但100%RAP夯製試體的間接張力係數值低於1.70 MPa/mm，則仍可使用，此時，配比設計應採用如圖6所示的間接張力係數拌合圖；先用三種不同RAP含量試體求得圖中的趨勢曲線，再以一般通用的間接張力係數設什值0.75MPa/mm做為目標，在拌製圖中對應求得應採用的RAP含量。以選定RAP添加量與新瀝青和新粒料依預估瀝青含量拌製成再生瀝青混凝土，拌製時分三種不同再生劑劑量先與RAP拌製均勻，再加入新粒料和瀝青製成試體，求出間接張力係數值與再生劑劑量的關係圖，如圖7所示，從圖7決定再生劑的劑量。