美國阿拉巴馬州公路局的開放級配摩擦層研究成果

傳統開放級配摩擦層採用SBS改質瀝青加纖維素抑制垂流，轄下多個分區的開放級配摩擦層都有過早破壞的案例，大多是在鋪築開放交通後6到8年就出現鬆散破壞；歷時九年的開放級配摩擦層成效提昇研究，證實了三種改良型開放級配瀝青混合料，包括改用9.5mm標稱最大粒徑、改用合成纖維、及改用廢輪胎改質瀝青做為黏結料，都具有提昇開放級配成效的明顯效果。

圖示阿拉巴馬州的開放級配探究計畫鋪築的三種OGFC面層

在NCAT測試道上九年共荷載三千萬ESAL

由於雨水可以經由混合料中的空隙排出使路表面的水膜量較低而降低雨天行車打滑、濺水等現象，使雨天行車有較好的視線和安全性，開放級配摩擦層在美國、日本、英國、馬來西亞、澳洲、紐西蘭、和南非等國家的高速公路及州際公路的路表層使用。但開放級配摩擦層因空隙率高易老化且又直接承受交通荷載磨蝕，大都容易出現剝脫鬆散往往無法耐久而造成養護單位的負擔而不敢普遍應用。

阿拉巴馬州公路局(Alabama Department of Transportation, ALDOT)在轄下多個分區都有開放級配摩擦層過早破壞的案例，大多是在鋪築開放交通後6到8年就出現鬆散破壞；據內部資料顯示，用內建黏層播撒功能鋪裝機(Spray-Paver)鋪築的開放級配摩擦層，既使是在交通量很大的路段，也能服務超過10年，工業界的代表則很有自信地認為問題在黏層播撒量(70 lbs/yd2)不足，但有些路段的黏層播撒量超過90 lbs/yd2，也仍然出現過早出現鬆散破壞的問題。

ALDOT於2011年委託美國瀝青科技中心(Nationa Center for Asphalt Technology, NCAT)進行提昇該州開放級配摩擦層成效的相關研究，該研究的主要目的是提昇阿拉巴馬州開放級配摩擦層的耐久性。以三個階段的研究工作來進行：[1]

1. 第一階段搭配工地鋪面狀況調查與實驗室試驗，實際探究五個OGFC路段，以獲得目前代表性OGFC狀況；
2. 第二階段探討OGFC面層採用薄霧封層和再生劑封層維修後，對路面抗滑性與耐久性的影響；
3. 第三階段以實驗室成效試驗搭配專用測試車道評估不同OGFC混合料的耐久性。

第一階段的實地鋪面狀況探查是結合分析ALDOT的鋪面管理系統中，各路段的逐年平坦度數據，搭配施工鋪築時的品質檢測資料，實驗室的測試工作則包括執行間接張力試驗、Cantabro摩蝕試驗、及鑽心試體的空隙率、粒料級配、和瀝青含量。綜合研判實地鋪面狀況探查的結果，開放級配摩擦層的主要破壞是水侵入加上瀝青黏結不足使粒料從表層鬆脫，再受大量車輪摩蝕往下延伸擴大鬆散脫落範圍，如圖1所示。

圖1、開放級配摩擦層最常出現的剝脫鬆散破壞[1]

有些路段的鬆散破壞主要是出現在橫向接縫處，很可能是剛開始鋪築施工時材料溫度不足黏得不好造成；改用每日開始生產後的第三車的瀝青混合料在工地當第一車鋪在接縫處，可以是不錯的方法。鋪築施工暫停待料出現的橫向接縫也是很容易出現過早鬆散破壞的狀況，確保鋪裝機連續鋪築減少停頓待料，出現停頓待料要當處理接縫問題。

嚴重的鬆散脫落直達摩擦層底與下層的界面，如圖2所示，可能與OGFC層本身的凝聚力或是與底層間的黏結力不足有關。層間黏結力可能來自施工時黏層的播撒量不足、不均、或播撒前未清除原表面滯留物等。OGFC本身凝聚力則可能來自瀝青含量不足、黏結料過度老化變脆、或粒料太粗表面積不足等。

圖2、嚴重的鬆散脫落直達摩擦層底與下層的界面[1]

更嚴重的摩擦層破壞如圖3所示，除了嚴重的鬆散外，也混合有變形、開裂、及坑洞，也就是破壞已經深達其下的底層龜裂變形，這種狀況則顯示鋪面結構承載力不足。

圖3、混有結構承載力不足的嚴重摩擦層破壞[1]

綜合整理剝脫鬆散破壞主要原因有三：(1)輪胎與鋪面表面剪力不斷重覆作用而產生的磨蝕現象，(2)水侵入造成的剝脫，(3)瀝青黏結料與粒料之間的裹握力不足。研究分析的結果顯示同一段路面出現鬆散破壞的部份的混合料試樣的空隙率較高、間接張力強度較低。間接張力強度可以增加厚度或是採用較細的級配達成。增加黏層的播撒量可以抗鬆散，另外就是避免在冷天鋪OGFC。採用厚度與標稱最大粒徑比等於2.5的OGFC鋪面，以期能提昇內聚力和抗鬆散[1]。

為了驗證提昇ALDOT開放級配摩擦層的方案，NCAT規劃在其專用測試車道上鋪築三種開放級配摩察層如表1所示。由表可知提昇耐久性的方向是改用較細的粒料級配來增加整體表面積以期能提昇混合料本身的凝聚力，由圖4所示的級配曲線可知標稱最大粒徑9.5mm的混合料含有較多2.36mm至9.5mm之間的顆粒，但這種變化並未增加瀝青含量。另一個改變方向是採用廢輪胎橡膠瀝青取代SBS和纖維素，這樣的配比可以較經濟且又兼顧環保意義。（作者註：此處採用的廢輪胎橡膠Recycled Tire Rubber改質成符合PG76-22，屬於工廠化橡膠瀝青，一般胎磨膠粉添加量不足15%，不是傳統亞利桑納州溼式工法的橡膠瀝青，因此混合料瀝青含量只有6.3%，若採用橡膠瀝青則瀝青含量可高達9.0%，兩者的區別可參作者另文「橡膠瀝青與工廠化橡膠瀝青在各國推動狀況」及「如何用廢輪胎鋪路？」）

表1、美國阿拉巴馬州公路局在NCAT測試路面段規劃的三種開放級配摩擦層配比[1, 2]

圖4、美國阿拉巴馬州公路局兩種開放級配摩擦層的粒徑分佈曲線比較

資料來源：作者依參考文獻[1]繪製

將規劃測試車道原面層刨除後，先鋪上一層厚約1.5英吋(4公分)的密級配整平層，再鋪上規劃的三種摩擦層厚3/4英吋(約2公分)，E9A、E9B各30公尺長，E10則為60公尺長；三段試鋪摩擦層路面都用相同的方法滾壓至現定空隙率約為20%。黏層則都用乳化瀝青確保殘留瀝青量為0.05gal/sy。(關於NCAT專用測試道路的介紹可參「美國瀝青科技中心的專用試驗道路」)

在2012至2017之間共荷載了超過二千萬ESALs，三段OGFC測試路段都沒有出現鬆散或開裂，2018年至2021年間又持續荷載了三年，本節說明經九年三千萬ESAL後的成效。圖5為平坦度量測數據，由圖可知三種測試路面的平坦度表現一致，維持得相當好；圖6為平均紋理深度的變化狀況，也呈現一致的表現，在二千萬ESALs以後，平均紋理深度只略微提高，顯示抗鬆散的情況非常好；圖7為現地透水量測的成果，顯示鋪在測試道E9A的標稱最大粒徑9.5mm的開放級配混合料呈現較好的現地排水性且隨時間退化速率較低。圖8的平均車轍深度和圖9的開裂面積量測顯示三段路面都有很好的抗車轍及開裂能力，改用合成纖維的E9B在承載三千萬ESALs後的開裂面積明顯比其它二種改良型開放級配混合料低。

圖5、測試路面的平坦度(IRI)量測數據[2]

圖6、測試路面的平均紋理深度量測數據[2]

圖7、測試路面的現地透水性量測數據[2]

圖8、測試路面的車轍量測數據[2]

圖9、測試路面的開裂面積量測數據[2]

NCAT的研究人員依據在專用測試路面實際重車歷經九年超過三千萬ESALs輾壓後的評估結果，提出以下四點結論：[2]

1. 歷經三輪專用測試車道輾壓評估，三種改良型開放級配的平坦度表現一致，抗車轍和抗開裂能力在三千萬ESAL下仍維持得相當好。與差不多同時間鋪築在降近I-85州際公路上的傳統開放級配層比較，傳統開放級配摩擦層在不到二千萬ESALs就出現明顯的鬆散破壞。
2. 鋪在測試道E9A的標稱最大粒徑9.5mm的開放級配混合料呈現較好的現地排水性且隨時間退化速率較低。
3. 改用合成纖維的E9B在承載三千萬ESALs後的開裂面積明顯比其它二種改良型開放級配混合料低。
4. 三種改良型開放級配，包括改用9.5mm標稱最大粒徑、改用合成纖維、及改用廢輪胎改質瀝青做為黏結料，都具有提昇開放級配成效的效果。

參考文獻

1. Don Watson, Nadeem Anwer Qureshi, Zhaoxing Xie, Nam Tran, Improvements of Open-Graded Friction Course in Alabama, ALDOT 930-790, NCAT Report 20-70.
2. Randy West et. al., Phase VII (2018-2021) NCAT Test Track Findings, Chapter 3, Alabama Long-Term Evaluation of Open-Graded Friction Course Mixtures, NCAT Report 21-03, September 2021.