過去50年瀝青鋪面的進展
The advancement of asphalt pavements over the last 50 years
Jon A. Epps是美國相當知名的鋪面學者，1968年拿到加州大學柏克萊分校的博士學位進入鋪面研究領域時，瀝青膠泥大都來自單一油源直餾而得，很少有摻配成級，更別提什麼改質瀝青了；瀝青混凝土的設計、生產、與施工技術，也都沿用二戰以來發展已有數十年之久的方法與機具設備；Epps教授在德州農工大學及內華達大學任教多年，而後也在鋪面工程界長期服務，對美國熱拌再生瀝青技術及策略性公路研究計畫(SHRP)有卓越的貢獻。Dave Johnson則是在1990年開始接觸瀝青材料，當時正逢SHRP完成而進入鋪面工程界全面換裝的新時代，全新的一套實驗室評估工具正如火如荼地對瀝青黏結料和瀝青混合料的性質進行測試評估，改質瀝青開始普遍應用。本文主要是Epps教授在2019年獲頒美國TRB Thomas B. Deen Distinguished Leadership及2020 AMAP Hall of Fame獎時的簡報資料，搭配加入Johnson的觀點而成。刊登在08/01/2021瀝青雜誌(Asphalt Magazine)的原文只有文頭公路鋪面照一張，轉譯者依文意插入圖片提高可讀性。
美國總長約275萬英哩鋪面道路中，瀝青鋪面占比94%，瀝青材料用來施做基層、底層、及面層。瀝青膠泥在鋪面的各類應用中，以在熱拌瀝青(HMA)和溫拌瀝青(WMA)混凝土的用量為最大宗，WMA和HMA在美國瀝青混凝土市場的占比約為40%和60%；為簡化，本文一律用HMA，不特別區分HMA和WMA。根據NAPA發布的統計資料，2017年HMA的總產量為3億7,500萬噸，州公路及其它包括地方政府公部門用了其中的2/3，商用及住宅等私部門道面用占1/3，州公路鋪面的用量約占45%。
因用量極大，稍微延長鋪面的壽年、略微降低鋪面材料的成本、或是稍微改變鋪面的結構設計，都可以省下相當可觀的預算；舉例來說，美國歷年HMA的年產量在3億5,000萬至5億噸之間，若所有鋪面的壽年都延長一年，則每年將可省下數10億美元。
改進瀝青鋪面的驅動力
與瀝青鋪面相關的許多創新大都是由全球和國家議題引發，產品可用性、環境議題、及政治利益等，都對瀝青材料的發展有很深的影響，而瀝青混凝土的工地價格，則主要受瀝青膠泥、加熱用的燃料、運輸、及施工機具的油料成本的影響。在1970年代中的石油能源危機，使得燃料和瀝青膠泥的短缺，節約能源成為全球關注的議題，同時間也引發了首次全球環境議題，通貨膨脹迫使政府對某些特定產品實施價格控制，在這樣的環境因素驅動下，瀝青鋪築業在1970和1980年代出現了迅速的發展。21世紀的第一個10年也見證了原油和瀝青膠泥的價格大漲，全球暖化成為新關注的議題，但沒有像上世紀70和80年代般出現通貨膨脹。
策略性公路研究計畫
伴隨科技發展而來的是在公路興建、養護和修復可投入的資金減少，因此，國家高速公路網的狀況逐漸惡化，1980年代初期出現的主要鋪面成效問題是車轍、水侵害、低溫開裂和老化，這些問題得到了道路養護機構和鋪面行業領導者的確認，引發1983年策略性運輸研究(STRS)委員會的成立，隨後的各種活動最終形成了「策略性公路研究計畫(Strategic Highway Research Program, SHRP)」，該計畫於1986年正式啟動，針對瀝青膠泥、瀝青混合料、鋪面成效和基於成效的規範，執行經費高達5,000萬美元的重點研究。
SHRP研究成果在1990年代初期完成，包括瀝青膠泥成效分級(PG)規範、瀝青混合料實驗室壓實的新方法、以及瀝青混合料設計的新試驗方法，推動將這些SHRP相關成果在鋪面工程實務上應用的工作一直持續到今天。
瀝青鋪面技術變革
瀝青膠泥在鋪面應用相關的技術在這幾十年來發生不小的改變，雖然這些瀝青鋪築業的改變相對於其它行業來說不算大，但從經濟、環境、健康和安全的角度來看，這些變化的意義重大。
瀝青鋪面厚度設計
鋪面厚度設計的概念是在1930年代根據土壤力學的原理而建立的，到1950年代後期，以兩層和三層彈性理論用於計算鋪面各層的撓度、應力和應變；多層線性彈性鋪面分析程式是在1960年代中期，先由雪佛龍瀝青公司(Chevron Asphalt)首發，而後再由殼牌石油公司(Shell Oil)完成，自1960年代以來，多層線性彈性鋪面分析程式不但被用作研究工具，也納入力學經驗法路面設計的程序中。
在 1970年代末和1980年代初，引入了線性黏彈性和非線性黏彈性分析方法，在此期間還開發了路面設計的有限元素分析方法，經由這些更先進的力學分析方法，提昇了工程師預測路面車轍和開裂的能力。採用多層彈性、黏彈性和其他固體力學方法，可以計算在各種荷載和不同環境條件下路面產生的應力、應變和撓度。破壞力學也已被用於根據計算所得的應力和應變來預測各種形式的開裂。
以多層彈性和有限元素模型計算應力、應變、撓度和永久變形，需要復雜的材料性質，例如，不穩定的路基、基層、和底層材料的特性，受到含水量和應力大小的影響，以瀝青黏結的材料的特性則又受荷載時間和溫度的影響； 瀝青混合料也會隨著時間老化且受水分的存在而變化；上述這些複雜且相關聯的因素，使得要求得瀝青鋪面材料的正確性質非常耗時，而且一直是與採用更先進的路面設計方法密切相關的主要議題。
可用於計算應力、應變和變形的理論遠比目前得以測得材料性質的能力要準確得多，此外，需要進一步開發這些計算參數、相關材料特性參數輸入、並與鋪面實際成效建立相關性，以選定更可靠的臨界值，一直都是項艱鉅而富有挑戰的工作。
2000年代開發的「長壽(永久)鋪面(Perpectual Pavement)」概念，是基於疲勞理論且將鋪面層中的應力和應變限制在臨界閥值(疲勞容忍值)以下，使用工程力學分析來預測這些應力和應變是這一概念發展的關鍵，目前普遍接受的臨界閥值是基於路基土壤上「最大垂直壓縮應變」的路面車轍破壞基準，和基於瀝青混合料層的「最大水平拉伸應變」的路面疲勞開裂基準；設計長壽鋪面時，從理論上來說，只要不超過這兩個破壞基準值，鋪面就可以承受大量的交通荷載，而不會出現車轍或疲勞開裂。在長壽鋪面中，當表面出現明顯損壞時，一般認為是每10到20年間，只要刨除並且更換一層薄薄的瀝青表面混合料，即可解決表面摩擦力不足、老化、及環境衝擊相關的問題。
瀝青膠泥
瀝青膠泥因為化學性質極其複雜，在鋪面應用的力學特性又很難定義，所以是一種相當複雜的材料。
瀝青膠泥的應用技術已經從1900年代初期的“咀嚼”測試，發展到引用現今聚合物行業使用的先進流變技術。 瀝青膠泥的關鍵特性，包括材料對人體健康和使用安全方面，在指定溫度、加載速率、和耐久範圍內的稠度變化。 各種類型的流變、力學、或物理性質測試，主要用於表徵瀝青膠泥的黏彈性。瀝青膠泥在施工溫度時呈現液體特徵，而在冬季服務溫度則常呈現脆性固體特徵。
針入度試驗被用來描述瀝青膠泥的稠度或勁度，直到大約1962年，許多機構發展到改採用黏滯度來區分瀝青膠泥。成效分級(PG)系統是在1980年代末和1990年代初在SHRP中開發的，現已在美國和其他國家普及應用。許多機構現在正在使用「多應力潛變回復系統(Multiple-Stress Creep Recovery system)」檢測區分瀝青膠泥。
儘管瀝青膠泥特性與鋪面成效之間的品質關係難以捉摸，SHRP開發的瀝青膠泥PG規範系統已經算是重大進步。
多年來，瀝青膠泥的生產製程在根本上並沒有改變，然而，如今以煉油過程中直接分餾而得的瀝青膠泥較少，大部份瀝青膠泥是以不同的直餾產品摻配，或添加改質劑，因為，這樣的材料組合才能更經濟地符合低溫和高溫性質需求，滿足PG級規範也提高整體性能。這種混合更有可能在專業瀝青工廠的油槽而不再是在大型煉油廠進行。
目前最廣泛使用的瀝青改質劑是聚合物。天然橡膠在1950年代的應用受限，而苯乙烯-丁二烯無規共聚物在1960年代在部份地區用於碎石封層及某些瀝青混合料。1970年代末和80年代初推出的苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)聚合物在世界許多地區得到了相對廣泛的使用。 還開發了改善瀝青混合料水敏感性的化學添加劑。
瀝青混合料設計
瀝青混合料是由瀝青膠泥和粒料級配組成，有時視需求加入其他添加劑和改質劑。這些混合料的設計和構造旨在最大限度地減少路面破壞。瀝青混合料會隨著時間的推移而老化硬化，並且可能因水侵入而加速破壞。瀝青混合料的特性會隨著試驗溫度和荷重速率發生顯著變化，因此，理想情況下，材料的性質檢測應在模擬使用中的瀝青混合料的溫度範圍和荷重速率下進行。
混合料配合設計方法
瀝青混合料的配比設計方法用於建立瀝青膠泥和粒料的最佳組合。Hveem 和 Marshall 方法分別是在1930年代和1940年代開發的，分別以來自加利福尼亞州和密西西比州的公共機構先驅工程師/技術專家的名字命名。 這些配比設計方法今天仍在使用。
威氏和馬歇爾配比設計法都是在確保適當耐久的狀況下，設計瀝青混合料具有抗變形(車轍)能力，這兩種方法都強調體積特徵參數，包括瀝青含量、粒料級配、和空隙含量等。
SHRP 在1980年代末和1990年代初，開發更具理論基礎的瀝青混合料特性試驗，以期面對抗車轍、抗開裂、及老化和水侵害問題。 這種混合料的配比設計法，被稱為「超級鋪面(Superpave)法」。
多年來，也開發了不少評估抗開裂能力的試驗，包括1950年代後期開發的重複荷重梁試驗(疲勞)和1970年代首次開發的“加鋪試驗(Overlay Tests)”、及各種不同形式的間接張力、直接拉伸、抗彎試驗和幾種具缺口試樣的「梁類型」試驗。
瀝青混合料成效試驗儀 (Asphalt Mixture Performance Tester, AMPT) 是在過去十年開發的，現在與美國國家公路和運輸官員司協會 (AASHTO)力學經驗路面設計法相關聯。 從該試驗的結果求出瀝青混合料的適當參數以預測車轍和開裂，並為路面厚度設計目的提供勁度模數的資訊。 基於從 SHRP 計畫中吸取的經驗教訓，該設備被開發為一種精實且易用的試驗方法。
「平衡配比設計(Balanced Mix Design, BMD)」的概念雖然不是新的，但明智地應用各種方法來設計成效更好的瀝青混合料，BMD試圖設計既能抵抗車轍又能抗開裂的瀝青混合料。
混合料種類
密級配瀝青混合料是當今使用最廣泛的瀝青混合料。 德國開發了一種越級配的混合料，即石膠泥瀝青 (SMA)。 今天，SMA已在美國的許多個州並遍應用。 使用 SMA 可以提高抗車轍和抗開裂的能力，也同時提高耐久性和摩擦力。
詳參「瀝青混凝土類別與設計粒料結構」
在一些州，開放級配或多孔摩擦層已獲得廣泛接受。 這類型的雨天行車中的“飛濺和噴濺”，降低了輪胎路面噪音，降低了打滑的可能性，並且可以設計為提供出色的摩擦力。
已經開發了幾個概念來減少、減緩或消除舊瀝青或波特蘭水泥混凝土 (PCC) 路面在用新的瀝青混合料覆蓋層處理後產生的反射裂縫。 尚未開發出令人滿意的“夾層”以減少、減緩或消除大多數氣候下的反射裂紋。
摻料及混合料改質劑
就像瀝青膠泥經由添加改質劑而提昇品質，瀝青混合料可用幾種添加劑來提高混合料的性能，例如熟石灰、波特蘭水泥、和液態抗剝劑可以提高抗水侵害能力。 熟石灰在1980年代緩慢增長後到1990 年代初被廣泛使用，自1980年代以來，一些州已將波特蘭水泥用作抗剝脫摻料；現在在一些混合物中出現的另一種添加劑是纖維，用於一些特殊的修補用混合料，用於某些類型的開放級配混合料和石膠泥瀝青混合料以及密級配混合料。
溫拌摻料是在上世紀末於歐洲開發，並於21世紀初期引入美國鋪路行業，由NAPA和聯邦公路總署(FHWA)主導推動美國本土的溫拌技術發展。
詳參「溫拌瀝青工法介紹」
溫拌技術包括石蠟基摻料、化學系統摻料、和發泡技術。 溫拌可降低瀝青混合料的拌合和壓實溫度，從而帶來多種好處。 WMA的已知好處包括減少排放、改善工人條件、降低製程中燃料使用量、以及對施工作業的好處。 施工作業受益於改善壓實、延長施工季節、增加可鋪築施工天數和更長的運輸距離。
瀝青混合料及鋪面厚度設計
前面提到的長壽(永久)鋪面概念是1960年代瀝青協會(Asphalt Institute, AI)提倡的“全深度瀝青鋪面”概念的延伸，正確設計的長壽鋪面設計是依據不同鋪面層各自獨特的要求設計不同性質的瀝青混合料，底層的混合料應具較小的標稱最大粒徑的粒料級配、較高的瀝青含量、和較低的空隙率，以提供良好的抗疲勞性和抗水侵害。
由於中間層需要相對較高的勁度值，可以是高刨除料(RAP)或高回收屋頂防水材添加量的低成本瀝青混合料，使用的瀝青膠結料含量也可以較低。
至於表面層材料則應能抵抗車轍和水的侵害，並且要有良好的抗滑性能並能抵抗溫縮(低溫)開裂，這種瀝青混合料應採用軟硬適中的瀝青黏結料，且用最佳的瀝青含量。 面層視需求可以額外採用相對薄(1英吋左右)的開放級配或多孔摩擦層來獲得高摩擦力，減少打滑並減少交通輪胎與路面的接觸噪音。 可依據情況需求不同，採用密級配或SMA混合料做為長壽鋪面的面層材料。
瀝青鋪面再生
70 多年來，瀝青鋪築業一直自豪地回收舊路面材料(RAP)，用於路面修復、重建和維護。 最常見的回收形式是中央工廠熱拌再生，每年使用近8,000萬噸RAP。 1970年代中期，隨著石油禁運，各種形式的回收越來越受歡迎，由州交通運輸部門和聯邦公路管理局推動的重大國家研究和實施工作導致了回收技術的開發和部署。 因此，再生瀝青路面在路面建設、修復和維護方面節省了大量資金。 今天，對這些技術的改進仍在持續。
詳參「熱拌瀝青廠的製程與品質控制」
預防性養護與管理系統
鋪面養護和修復工法和時機的優化，已為國家公路網的安全與效率節省了大量的經費，歸功於1960年代開發的維護管理和鋪面管理系統，這些系統變得越來越複雜，現今已可通過優化技術提供養護管理資金需求預測。
當今復雜的鋪面管理系統可根據設計、施工、當前條件和以往維護數據對未來的路面狀況進行預測。 此外，將資金參數與其他經濟因素結合起來，讓工程師能夠更好地優化他們的道路系統。 該工具允許工程師計劃當前和未來的活動以完成優化。
加速鋪面試驗
多年來，美國已經建造了幾條全尺寸測試道路，以改善鋪面的未來。 1950 年代在馬里蘭州和愛達荷州進行了地方型試驗道路，並在20世紀50年代末和1960年代初為伊利諾伊州的瀝青和波特蘭水泥路面建造和運營的 AASHO 道路試驗達到了頂峰。 自1990年代初在明尼蘇達州開始，柔性和剛性路面繼續在 MnRoad 設施上進行測試。 WesTrack 於1990年代初在內華達州建造，用於瀝青路面，國家瀝青技術中心 (NCAT)的測試道路於2000年代在阿拉巴馬州建造，也用於瀝青路面。MnRoad和NCAT測試道路今天仍在使用。
其他形式的加速路面測試已在世界範圍內使用。 已開發出大型設備來測試在現場施工條件下放置的小型路面部分。 該設備已在多個國家使用，包括法國、西班牙、中國、日本、南非和美國。
瀝青鋪面施工機具
設備製造商還在 1970 年代通過重大創新推動了瀝青鋪築業的發展。 在熱拌廠方面，開始引進用於生產熱拌瀝青混合料的鼓式廠(Drum-Mixer)。 鼓式廠不斷改進，現在提供各種配置，包括順流式、逆流式、和雙筒選項。 今天的鼓式廠也非常有能力處理再利用大量的 RAP。
1970 年的清潔空氣法案鼓勵在熱拌瀝青廠使用袋屋和濕式洗滌系統來改善空氣質量。袋屋現在是發達國家用來滿足空氣質量標準的主要工具。
為了利用鼓式廠的高產量，開發了混合物存儲料倉並將其連接到這些設備上。 這些儲料倉允許以高生產率生產混合料，以不同的速度存儲和裝載到卡車中。
第一台冷刨機於 1974 年開發，並於當年在拉斯維加斯舉行的聯邦公路管理局專家任務組會議上展示了回收舊路面刨除料。 該設備可以經濟地清除道路上的瀝青混合物，並迅速成為道路修復的必備工具。 它是路面修復和回收最有用的設備之一。
1970 年代見證了現地冷再生和現地熱再生設備的重大發展。 在此期間開發了改進的破碎設備、便攜式破碎和混合設備，用於現地冷再生 (CIR)。 在 1970 年代和 1980 年代初期，為現地熱再生開發了改進的加熱、拌合、鋪築、和空氣質量控制設備。 這些補充了與 CIR 一起使用的乳化瀝青的改進工程。
震動壓路機是在 1970 年代後期開發的，並在 1980 年代開始用於瀝青鋪築。 這些壓實機或壓路機可以更有效地壓實瀝青路面混合物。 此外，壓路滾輪寬度變得更大，這有助於提高壓實操作的效率。 智慧壓實系統(Intelligent Compaction System)現在是壓實設備發展的下一步。詳參「 瀝青路面鋪築新技術：智慧滾壓」
材料轉運車於1989年開發，並在90年代影響市場。 這些設備允許在鋪設地點儲存瀝青混合物（約 25 噸），重新拌合而減少粒料析離並促進溫度均勻性。 使用此工具也可以更輕鬆地實現鋪裝機的不間斷移動，從而提高鋪築面的平坦度。
詳參「改進熱拌瀝青混凝土的運輸迴路」
總結
- 瀝青膠泥從受個別煉油廠影響而區分且都是直餾成級很少摻配或改質的產品，演進成大都是摻配成級且很常添加改質劑以期符合當今較嚴荷的品質規定，瀝青膠泥的品質規範則已從經驗分級法，演變成依基本學理且將當地環境因素納入成效考量的分級系統。
- 瀝青混合料的配比設計方法也在用超級鋪面法取代舊方法後有很大的進展，目前，更進一步提出所謂平衡配比設計觀念，很有可能會比傳統體積特性為主的方法更符合工程設計學理及工程實務需求。
- 瀝青鋪面再生在1970和1980年代成熟發展，而後經過了一段衰退期，而最近又再度受重視而大量使用，更有甚者，其它工業的副產品也循環再利用到瀝青鋪面來，像廢輪胎橡膠及拆除屋頂防水材就是用在瀝青鋪面非常成功的兩種再生材料。
- 機械製造商在瀝青混合料生產製程、鋪築滾壓、及維護保養設備選擇上，持續研發不斷地提供更好的選擇，連續式的鼓式拌合廠、震動壓路機、及冷刨路機可以說是三種最主要的鋪路機械進展，先進的自動化也持續開發及裝配在各類機具中，這些研發工作的終點是品質更高更均勻一致的鋪面。
- 鋪面結構設計方面也從主要依經驗步驟，演進成更先進的力學法，先進的電腦程式的應用相當普遍，使得鋪面結構設計可以進一步納入各層的指定設計參數後進行優化。
- 瀝青鋪面的未來依舊光亮，瀝青鋪面聯盟(Asphalt Pavement Alliance, APA)至今已頒布宣告共156段瀝青路面為長壽鋪面，就是最好的證明，但，仍有許多可以努力的工作也應該持續進行。
- 瀝青鋪築業未來面臨的挑戰相當多，引用1968年的廣告詞“寶貝，你已經取得了長足的進步！” 用過去50年已取得的進展與孕育的熱誠，將足以成功應付未來的任何挑戰！
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