工廠化橡膠瀝青會成為主流嗎？
橡膠瀝青(Asphalt Rubber)鋪面抗車轍、抗老化、抗開裂、降低雨天水膜提昇行車安全，也能降低鋪面噪音；台灣環保署團隊引用美國橡膠鋪面協會(Rubber Pavement Association, RPA)的圖示，以「延續輪胎生命，守護道路安全」推動傳統溼式製程的橡膠瀝青，如圖1所示；進入2000年RPA以「安靜鋪面計畫(Quiet Pavement Projects)」之名陸續將AR打進美國東北部幾個州的市場後，在2008年的「瀝青雜誌(Asphalt Magazine))」有一篇文章名為「工廠化橡膠瀝青成為主流－現已列入PG成效分級(Terminal blended rubberized asphalt goes mainstream – Now PG graded)」本文嚐試分析並檢討是否也應引進。
區分橡膠瀝青與工廠化橡膠瀝青
廢輪胎膠瀝青源自上世紀60年代美國亞利桑納州，詳參作者另文「橡膠碰觸公路之處」，是實證具有較好的抗變形、抗開裂、及抗老化能力而能降低路面維護成本，更重要的是因配合採用的開放級配及越級配而有較好的抗滑能力提昇道路的安全性。儘管橡膠瀝青在亞利桑納州、內華達州、德州與加州都用得相當成功，但在美國其它各州的推行則牽涉到許多複雜的原因而顯得很慢；美國聯邦政府曾在1990年的「冰茶法案(ISTEA, Intermodal Surface Transportation Effecincy Act)」中，強制規定採用橡膠瀝青以期能獲工程與環保雙重利益，但當時橡膠瀝青有製程專利權，而聯邦政府又未適當提出補助金，終獲許多單位抵制而不願採行，加上不少單位在沒有瞭解材料的特性下，為符合規定而勉強採用而出現失敗案例(大都是混淆了橡膠瀝青與工廠化瀝青，詳參作者另文「橡膠瀝青與工廠化橡膠瀝青在各國推動狀況」)而終止。
橡膠瀝青與工廠化橡膠瀝青在組成、應用方式與成效上有很大的差異，橡膠瀝青是依ASTM定義添加胎磨膠粉達15%以上，且與橡膠顆粒與瀝青膠泥反應膨脹；而工廠化橡膠瀝青也稱作「橡膠化瀝青(Rubber Modified Asphalt, RMA)」的添加量小於15%，一般在10%左右，也有小於5%者，如表1所示。
工廠化橡膠瀝青於1980年代中首次出現在德州[3]，用在德州與路易斯安納州的熱拌瀝青密級配混合料，此後陸續應用在德州、佛羅里達州、路易斯安納州、紐約州、亞利桑納州、加州、及內達華州的開放級配及越級配瀝青面層。工廠化橡膠瀝青的供應鏈等同於一般高分子聚合物改質瀝青，在煉油廠或專用的瀝青供應廠內拌製儲存，再以一般運油的油罐車送至熱拌廠的供油槽使用，與傳統溼式製程必需在熱拌廠即拌即用的橡膠瀝青不同。工廠化橡膠瀝青製程要求胎磨膠粉要被瀝青「消化(digested)」，實務上是以成品的溶解度來判斷，也就是以不溶解於溶劑的橡膠顆粒占比判斷，一般規定溶解度應超過97.5%，外觀就像一般的鋪路瀝青，不像即拌即用橡膠瀝青因胎磨膠粉顆粒懸浮其中呈現的不均質狀態。對橡膠瀝青來說，高溶解度並不代表品質較高，也與鋪面成效不相關，只是用來區分不同的商業製程差異。
一般認知的膠粉與瀝青的反應或消化如圖2所示，受兩種主要材料組成及溫度等複雜變數影響，工程實務上很難也似乎沒有必要精確控制。加州早期發展的工廠化橡膠瀝青為了符合ASTM的定義，除了採用較細膠粉外還要用高溫高壓，甚至摻加較軟的油來將足量的膠粉「消化」至符合溶解度的規定，RPA將其稱為第二類橡膠瀝青(詳參「橡膠瀝青與工廠化橡膠瀝青在各國推動狀況」)，後續的檢討認為既耗能又無法符合原AR的性質規定，遂逐漸妥協認定沒有控制該反應的必要，只要加入膠粉符合溶解度規定，方便可以像改質瀝青般在熱拌廠的儲油槽中儲存備用即可。
圖2、一般認知的胎磨膠粉與瀝青的「反應」或「消化」示意圖
緃使聯邦政府廢止ISTEA強制使用橡膠瀝青的條款，加州仍基於廢輪胎資源再用的議題，持續進行並在2000年通過Senate Bill (SB) 876來擴大加強。在有效益地再用廢輪胎資源部份，也在2003年通過國會338法案(Assembly Bill No. 338)在公共資源法(Public Resources Code)中增列第42703節(PRC 42703)，規定州運輸部門在興建養護道路使用瀝青混凝土時，應依一定比例搭配使用廢輪胎橡膠粉(Crumb Rubber Modifier, CRM)，且搭配的比例在檢討效益後應逐年增加。AB338法案原規定在熱拌瀝青(HMA)中使用一定數量的溼式製程橡膠瀝青，且逐年增加，後經由加州瀝青鋪面協會(Asphalt Pavement Association of California)的遊說努力，該法案的文字經過調整，將溼式製程橡膠瀝青擴大成所有添加胎磨膠粉的瀝青材料都可納入計算；因此，法規是以「每一噸鋪路用瀝青混合料中要使用一定數量的胎磨膠粉」來強制，工廠化橡膠瀝青的好處是可以用在所有傳統鋪路瀝青可以使用的地方，包括傳統密級配瀝青混合料、乳化瀝青冷拌應用、黏層、及各種表面處理；與傳統密級配HMA比較，使用工廠化橡膠瀝青的密級配對抗反射裂縫有較好的成效，與橡膠瀝青同樣的是可以達到工程與環保雙贏的目的。詳參作者另文「從加州2019年廢輪胎市場報告瞭解廢輪胎鋪路的驅動力」。
美國聯邦公路總署(FHWA)分別於2014和2020年發表胎磨膠粉改質瀝青相關的技術報告，詳細介紹各種不同的胎磨膠粉改質瀝青混凝土技術，彙整如圖3及表2所示。由圖3可知，橡膠瀝青和工廠化橡膠瀝青都屬於溼式製程的廢輪胎膠粉再利用方式。
圖3、美國FHWA於2020年發布的技術報告彙整的胎磨膠粉改質技術類別[3]
工廠化橡膠瀝青與傳統瀝青相同，只要運送至熱拌廠的油槽即可使用，不需要在熱拌廠連接特製的橡膠瀝青拌合設備，也沒有必需即拌即用的限制，雖然有一些工廠化橡膠瀝青的製程有專利，但大都是以高剪力拌合或較細的胎磨膠粉，如表3所示，甚至較高的溫度才能將膠粉完全消化而得到均質的橡膠瀝青，這種均質的橡膠瀝青與一般摻配瀝青或高分子聚合物改質瀝青類似，是可以儲存一段時間備用的，使用此種橡膠瀝青的熱拌廠不需有特別的設備，就像拌製一般的熱拌瀝青混合料非常方便，可用在密級配、開放級配、及越級配，因此，提高了熱拌廠的接受度。也可以用在碎石封層的瀝青播撒，也可以用來製作乳化瀝青、及後續用在黏層或是砂漿封層；工廠化橡膠瀝青的胎磨膠粉添加量有只有5%，也有高達25%，變化相當大，可以視需求拌製。
不同產品需擬訂不同的檢測規範
雖然以環保為名強制要求的狀況下只要加入胎磨膠粉就好，FHWA在2020年的報告甚至以「善用資源」為訴求，但，確保品質一直都是路面工程的首要，目前的現實是「不同產品需擬訂不同的規範來確保品質」。美國上世紀末啟用瀝青成效分級制，以黏結料的流變特性為基礎，用動態剪力流變儀(DSR)、撓曲樑流變儀(BBR)、及直接張力試驗儀(DT)等，檢測黏結料抗車轍、抗疲勞、及抗低溫開裂特性，並以能抗車轍的最高溫度(例如64℃)和抗低溫開裂的最低溫度(例如-22℃)做為分級，標示為「PG高溫低溫」，例如PG64-22，詳參作者另文「瀝青的成效分級制(PG Grades)」。這種以直接與成效相關的流變特性分級的新方法，原意就是要將各種不同的瀝青黏結料，都適用同一個分級制，用同樣的成效試驗來確保品質。這種通用的瀝青黏結料規範列在AASHTO M320 Standard Specification for Performance-Grade Asphalt Binder (瀝青黏結料成效分級標準規範)，原則上可以適用於溼式製程的橡膠瀝青(AR)和工廠化橡膠瀝青(RMB)，但因這兩種黏結料含有橡膠顆粒，在執行DSR試驗時要做些微的調整；若摻入的膠粉顆粒小於0.6mm，則可將DSR試驗的上下扭轉鈑間的試樣厚度從一般的1mm增厚成2mm，如圖4所示，若摻入的膠粉顆粒大於0.6mm，則應將DSR試驗改用同心圓柱試樣裝置來執行，如圖5所示。
圖4、動態剪力流變儀(左)及一般平行扭轉鈑試驗模式示意圖(右)
圖5、動態剪力流變儀的同心圓柱試驗裝置照片
依照美國相關文獻的經驗，添加胎磨膠粉後的瀝青，成效分級的高溫級可能升一級或二級，低溫級則保持不變，例如以PG64-16為基底瀝青的橡膠瀝青可能成為PG76-16或PG70-16，依膠粉的粗細及添加量而定，也就是具相同的抗低溫開裂能力，而提高抗車轍及疲勞的能力，驗證了對瀝青的改質效果，但，在包括胎磨膠粉在內的改質瀝青的許多抗車轍成效經驗顯示，抗車轍能力與以動態剪力流變儀執行的「多重應力潛變回復試驗(Multiple-Stress Creep Recovery Test, MSCR試驗)」測得的潛變順變(Jnr)和回復率(%)有較高的相關性，因此，改質瀝青的PG級規範，會規定潛變順變(Jnr)和回復率(%)的界限值，這種通用的瀝青黏結料規範列在AASHTO M332 Standard Specification for Performance-Grade Asphalt Binder Using Multiple Stress Creep Recovery (MSCR) Test，也可用在添加胎磨膠粉的改質瀝青。
橡膠鋪面協會在2013年的簡報資料以圖6顯示廢輪胎橡膠粉在美國州公路局使用狀況[7]；美國瀝青鋪面協會統計2015至2019年間各州含胎磨膠粉瀝青混合料噸數，如表4所示。有些州也允許胎磨膠粉與SBS混用，例如伊利諾州公路局(Illinois DOT)對工廠化橡瀝青的規定 (2019年9月1日起生效)如表5所示[6]。(註：這5種工廠化橡膠瀝青中後面3種是用SBS改質瀝青再添加10~14%橡膠粉)
圖6、廢輪胎橡膠粉在美國州公路局使用狀況[7]
乾式製程的胎磨橡膠鋪路技術除了大都是專利產品而較難普遍應用外，較難擬定適當的品質檢測規範也是不易推廣使用的原因；乾式製程的橡膠瀝青混合料的品質檢測必需仰賴瀝青混合料的成效試驗，目前這類試驗尚未成熟到能做為常規的品質檢測工具。
在芝加哥地區石膠泥瀝青(SMA)已成為高交通量高速公路路面加鋪的首選，但因成本較高而無法普遍，伊利諾收費高速(Illinois Tollway)通過研究以橡膠瀝青取代改質瀝青和纖維，以更低的成本提供了高性能的瀝青路面。(詳參作者另文「廢輪胎橡膠使石膠泥瀝青混合料成為環保材料」)面對全球氣候變遷及推動循環經濟的雙重考量下，美國許多州公路局基於經濟成本與環境效益的考量，已經開始探究及試鋪各種特殊的熱拌瀝青混凝土，尤其是降低成本與環境衝擊且又提高路面品質的橡膠瀝青混合料。以廢輪胎橡膠替代高分子聚合物改質瀝青產品的材料成本比較如表6所示。
橡膠瀝青市場占比高時應引進工廠化
國內在環保署的廢輪胎資源物質化策略支助下，引進亞利桑納州的溼式製程橡膠瀝青，在省道、快速道路、及高速公路試鋪成功的橡膠瀝青路面已超過60車道公里，最長的橡膠瀝青路面服務年限已接近20年，近年來較大規模鋪設的快高速公路路面也分別達6年、5年、及4年，都顯示與國外經驗相同的成效，已成功將橡膠瀝青溼式製程技術轉移，但光靠路面工程界的驅動力不足，仍需仰賴公部門支持推動(詳參作者另文「如何用廢輪胎鋪路？」)。工廠化橡膠瀝青可以提昇熱拌廠的接受度，品質及成本也應該具有競爭力，但用法上依胎磨膠粉的添加量而不同，也需要擬定不同的品質規範才能確保品質，美國的經驗是橡膠瀝青市場的占比高時即可引進；台灣地區並未引進美國的成效瀝青分級制，現行的改質瀝青規範亦不盡相同，依國外相關經驗工廠化橡膠瀝青不能直接引用改質瀝青規範，因此，需要特別的專案來測試研究才能制訂本土化的工廠化橡膠瀝青規範，在此之前，建議道路主管機關在轄下道路有使用改質瀝青鋪路的需求時，也考慮使用廢輪胎橡膠瀝青，既可提昇瀝青路面的品質，降低環境衝擊，又可成就善用資源的社會責任。
參考文獻
- Asphalt rubber pavement moves east and north, Asphalt Magazine, 03/06/2008
- Terminal blended rubberized asphalt goes mainstream – Now PG graded, Asphalt Magazine, 11/24/2008.
- Federal Highway Administration (2020). "Resource Responsible Use of Recycled Tire Rubber in Asphalt Pavement," Publication No. FHWA-HIF-20-043, April, 2020, , U.S. Department of Transportation.
- Federal Highway Administration (2014). “The Use of Recycled Tire Rubber to Modify Asphalt Binder and Mixtures,” TechBrief, FHWA-HIF-14-015, Office of Asset Management, Pavements, and Construction, U.S. Department of Transportation.
- Tony Kucharek, New PG Grading System, CTEP Annual Western Canada Pavement Workshop, Edmonton, Alberta, February 4th, 2020.
- Illinois Department of Transportation, Standard Specifications for Road and Bridge Construction, Adopted April 1, 2016, Section 1030. Hot.Mix Asphalt, Ground Tire Rubber (GTR) Modified Asphalt Binder (CBM) Effective: September 1, 2019.
- Doug Calson, RTR Use in Asphalt and Concrete, 2013, Arizona Pavements/Materials Conference, Arizona State University Tempe, AZ, Nov 13-14, 2013.
留言
張貼留言