美國瀝青科技中心探究瀝青面層抗開裂能力及檢測方法
源自亞利桑納州的橡膠瀝青越級配面層實證抗開裂能力最優，結構承載能力最佳
以簡單的間接張力試驗求得的CT Index值是最好的實驗室檢測鑑別抗開裂能力方法
實驗規劃設計
美國路面工程界從2015年開始關注「平衡配比設計(Balanced Mix Design, BMD)」而需要有能在實驗室評估鋪面抗開裂成效的試驗方法（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」）；聯邦公路總署(FHWA)和包括佛州、阿拉巴馬州、伊利諾州、馬里蘭州、密西根州、明尼蘇達州、密西西比州、紐約州、北卡羅萊納州、奧克拉荷馬州、及威斯康辛州州公路局在內的工程司們，與NCAT和MnRoad共同設計一系列的研究來評估各種不同的開裂試驗法，主要目的是要確認哪一種實驗室抗開裂試驗法最能評斷實際路面抗開裂的狀況；分別在NCAT和MnRoad的測試道路規劃試驗路段，在NCAT測試道路鋪築的試驗路段用來評估「由上而下的開裂」，在MnRoad測試道路鋪築的試驗路段用來評估低溫溫縮開裂；本文說明在NCAT試驗路段評估由上而下開裂的試驗成果。（關於MnRoad可參作者另文「美國明尼蘇達州建立的試驗道路」，關於NCAT測試道路可參作者另文「美國瀝青科技中心的專用試驗道路」，關於「由上而下的開裂」可參作者另文「由上而下的鋪面開裂」）
在NCAT測試道路評估由上而下開裂的測試段共有7個不同配比的面層路段，預估受輾壓後將產生不同程度的由上而下的開裂，其中的6個路段的面層材料(路段編號N1, N2, N5, N8, S5, S6)都是依照傳統超級鋪面配比設計法，依據AASHTO M323規範選Ndesign等於80圈設計，而另一路段編號S13則是越級配橡膠瀝青混合料，採用馬歇爾法設計，試體夯製時每面夯75下；表1列出NCAT測試道路評估由上而下開裂的7個不同配比的面層路段的基本資料。S5採用較高刨除料添加量，原規劃使用較軟的瀝青，但實際上採用的是PG64-28且證實是添加高分子聚合物的改質瀝青。
這些測試路段的鋪面結構設計相對較薄些以期能受到較大的撓度，為免出現由下而上的疲勞開裂，熱拌瀝青底層和聯結層都採用和S6面層相同的「高度改質瀝青」(亦即高分子聚合物添加量加倍)，７個測試路段的底層和中間(聯結)層都採用相同的設計，都是標稱最大粒徑19mm含17%RAP以Ndesign等於60圈設計的超級鋪面混合料，底層鋪2.25英吋厚，中間層鋪2.25英吋厚，面層厚1.5英吋則用7種不同的瀝青混合料，各測試路段的斷面結構比對如圖1所示。
圖１、在NCAT測試道路評估由上而下開裂的7種不同面層的結構斷面示意圖
表2為7種不同面層測試段鋪築施工時，依傳統方法執行品質控制檢測所得的數據彙整，如前所述，除了S13是亞利桑納州的橡膠瀝青越級配設計外，其它6種都是依超級鋪面配比設計法設計的密級配，且都算是依AASHTO M323區分的細密級配(fine-graded)；S13的橡膠瀝青越級配較特殊，瀝青含量比密級配高出至少1.6%；鋪成密度方面，N2是特意再壓密，而N5則是故意不壓密，由實際鑽心試驗的結果顯示這兩段的密度分別是96.1%Gmm(相當於空隙率3.9%)和90.3%Gmm(相當於空隙率9.7%)，其它5段的鋪成密度大致在預計的92%(相當於空隙率8%)至93%Gmm(相當於空隙率7%)之間。
該案由研究團隊選定5種有潛力的實驗室抗開裂試驗，分別為能量比(ER)、德州加鋪試驗(OT-TX)、NCAT改良加鋪試驗(OT-NCAT)、路易斯安納半圓抗彎試驗(SCB-LA)、及伊利諾州柔性指數試驗(I-FIT)。實驗開始進行後，經由團隊內部的討論，追加了間接張力開裂試驗(IDEAL-CT)，其後也同時追加了以「瀝青混合料成效試驗儀(Asphalt Mixture Performance Tester, AMPT)」執行的反覆疲勞(Cyclic Fatigue)試驗。表3簡要列出本研究實驗室執行的共7種試驗。
除了反覆疲勞試驗外，每一種試驗都對測試路段的7種混合料的下列4種試體進行試驗：
- 實驗室拌成實驗室夯製(LMLC)且依AASHTO R30經短期老化(STOA)的試體，標示為LMLC-STOA；
- LMLC-STOA後再以鬆散試樣用135℃烘箱烘8小時後再夯製成試體，該8小時135℃再烘是由NCAT相關研究建議的嚴重老化(Critical Aging)模擬，這些試體標示為LMLC-CA；
- 熱拌廠拌成取回實驗室再烘熱至夯壓溫度後夯製成試體，標示為PMLC-RH；
- 熱拌廠拌成取回實驗室再烘熱並以鬆散試樣用經135℃烘箱烘8小時後再夯製成試體，標示為PMLC-CA。
LMLC試體的配比都配成與鋪在測試道上材料的品檢數據(表2)相符，廠拌試樣都是在測試道鋪築時在熱拌廠取樣且以5加侖桶裝運回實驗室，實驗室以150℃烘二小時後用四分法分至所需試樣大小後，再以夯壓溫度烘一小時後以SGC夯製成試體，嚴重老化試樣則在以150℃烘二小時後，分樣至適當方盆鬆樣深2公分，再放到135℃烘箱8小時後，換至夯壓溫度烘箱一小時後取出以SGC夯製成試體。除了N2和N5試樣外，其它5種試樣都夯至7%±0.5%空隙率，N2夯至4%±0.5%空隙率、N5夯至10%±0.5%空隙率。
在完成所有實驗室的試驗工作後，發現柔性指數試驗和間接張力開裂試驗(IDEAL-CT)的個別試體間，都對試樣空隙含量的影響很敏感且違反常理(空隙率低試驗值高)；因此，追加N2和N5兩種試樣夯至7%±0.5%空隙率的試體的這兩種試驗以供比對。另，以瀝青混合料成效試驗儀(Asphalt Mixture Performance Tester, AMPT)執行反覆疲勞試驗，也因事後追加沒有足夠實驗室拌成試樣，故只有對兩種PMLC試樣進行。
測試道路的成效數據
在2015到2021共經兩輪累積共2,000萬ESALs荷重輾壓，表4為歷經六年（二輪）共2,000萬標準軸重當量荷載後開裂測試道7種面層的成效比較；研究團隊在觀察到任何一測試道出現開裂時，都會在開裂處進行鑽心取樣，以便確認該開裂是由上而下的開裂，且觀察開裂是否延伸至底層，這些鑽心試樣一致確認了開裂是由上而下，且沒有出現層間黏結不良或是粒料析離的情況；圖2展示部份鑽心試體樣品，研究團隊以黃線描出開裂狀況，黃色箭頭則指向行車方向，大部份開裂是在輪跡的外側以髪裂的型式出現，且大都與車行方向垂直地跨入輪跡處。測試段N5（低瀝青含量、低密度）和N8（控制組+5%RAS）在2020年2月就因達到服務終點，必需刨除重鋪以維持測試道的正常荷載；在刨除時，研究人員只觀察到N8路段有大約12英呎長有底層破壞的跡象，其它刨除面的底層都沒有出現底層破壞的現象，證實了這些開裂破壞是由上而下的破壞。
表4中的測試道開裂狀況有兩個日期，2020年2月是所有7個不同面層路段仍服務的最後一個月，7個不同路段都承載四年六個月累積共1,600萬ESALs後的開裂狀況，2021年2月則是測試車道第七輪荷載完成，除被刨除重鋪的N5和N8以外的5個不同面層路段都承載2,000萬ESALs，列出的N5和N8的開裂狀況是依趨勢推估值。圖3為開裂總面積(車道面積%)與承載荷重之間的關係圖，S5, S6, S13等三段面層測試段的開裂面積相當少，故未能顯示在該圖上。
圖3、測試道四種不同鋪面段開裂狀況與累積荷載量之間的關係圖
測試道路的成效數據滿足本研究的實驗設計的主要目的，那就是如表4中列出的出現不同程度的由上而下開裂破壞，7個不同面層測試路段在抗車轍和代表抗鬆散破壞的紋理深度變化量上，都表現得相當好，在2,000萬ESALs荷載後，S5, S6, 和S13 三種混合料面層的路段幾乎沒有出現開裂破壞，N2混合料面層的路段則出現少量不算嚴重的開裂，N1和N5兩種混合料面層路段則出現中等程度的開裂破壞，而N8混合料面層則出現嚴重的開裂破壞。
N1和N5雖都歸為中等程度的開裂破壞，其實差別不算小，主要差別如圖4所示，在於N1一直到2021年1月仍維持中等程度開裂，但N5在2019年12月就已出現局部坑洞了，另外在IRI增加量上也有明顯的差異，N1在5年半的荷載時間內只增加了5 in/mi，而N5在4年半荷載時間內就已增加了30in./mi。圖5展示N8測試段在2019年12月的鋪面表面狀況照片，當時檢測計算得開裂車道面積70%，已有坑洞開始出現。
圖4、N1和N5中等程度的開裂破壞的差別照片
圖5、N8: 出現高度由上而下裂紋面積且開裂嚴重成坑洞的照片(2019年12月)
研究團隊在測試路段的底層埋設土壓計、各層埋設溫度計、及瀝青層底埋設應變計，讀取各層溫度數據、壓力數據、及應變數據，搭配使用落錘式撓度量測儀(Falling Weight Deflectometer, FWD)量測鋪面表面撓度再反算瀝青面層的模數，總結分析的結果如表5所示，從表5可知7種不同的瀝青面層混合料中，以橡膠瀝青越級配面層的「模數降低量」最低，也就是結構承載能力最佳。
在實驗室測試數據與測試道實際成效之間的相關性方面，以間接張力試驗求得CT Index值與測試道路面實際開裂成效之相關性最佳，如圖6所示。
圖6、四種不同製作狀況試體間接張力試驗求得CT Index值與測試道路面實際開裂成效之相關性
結論
本研究探討的7種不同瀝青面層在專用測試道路上歷經四年半的老化及累積共2,000萬標準軸重當量的荷重後，如預期地出現各種不同程度的由上而下開裂，證實了面層瀝青混合料的特性是影響因荷重產生由上而下開裂程度的重要因素。根據針對這7種不同瀝青混合料面層特性的實驗分析，可以得到以下的結論：
- 實驗室能量比試驗求得的數據與路面實際成效無法相符，這種試驗因較複雜耗時也較難在工程實務中採用；
- 德州加鋪試驗求得的B參數是抗由上而下開裂能力的良好指標，但不同空隙率的影響與其它實驗反向，對長期老化的試體用B值1.75得以區分抗由上而下開裂的能力，這種試驗方法的主要缺點是儀器較昂貴，且需花較多的時間準備受測試體，因此，也不建議選做為BMD及一般品保的試驗；
- NCAT改良的加鋪試驗求得的B值也是很好的抗由上而下開裂能力的指標，對長期老化的試體建議用B值0.37做為抗由上而下開裂能力的臨界值，NCAT改良的加鋪試驗的變異係數較低，測試時間也縮短，但儀器昂貴且要花較多的時間準備受測試體，則仍與原德州加鋪試驗相同；
- 路易斯安納半圓抗彎試驗的數據顯示沒能適當區分不同瀝青混合料的抗由上而下開裂能力，在實際路面有良好抗開裂成效的混合料測得的Jc值與在實際路面出現中等開裂的混合料測得的Jc值相近，這種試驗試體準備切割費時且變異較大；
- 伊利諾州柔性指數試驗的數據顯示與路面實際成效有不錯的相符性，但對部份瀝青混合料出現變異較大的狀況，尤其是對長期老化後的試體無法判別出不同的抗開裂能力；這種試驗也有準備受測試體費時的問題，另外就是空隙率對本試驗的影響不合理；
- 以間接張力試驗求得的CT Index值則是抗由上而下開裂的良好指標，與測試道實際路面抗開裂的成效相一致，且具統計學上明確的判別能力；對長期老化後試體而言，建議以CT Index至少15.0做為抗開裂的臨界值；空隙率對本試驗的影響也呈現不合常理的狀況，因此，建議本試驗要確認對空隙率7.0±0.5%的試樣進行，這個試驗較簡易可行，研究團隊強裂建議用做BMD及一般品保的試驗；
- AMPT反復疲勞試驗求得的參數Sapp也與實際路面開裂成效有很好的相關，原提出的對短期老化試體臨界值30也驗證可行，但對本研究中的越級配橡膠瀝青混合料確出現較低的Sapp值，與該類混合料在實際路面的良好成效不相符，顯示對此類配比混合料，該臨界值有調整的必要；這種儀器設備較昂貴，檢測耗時費力，數據分析也較複雜，較難做為BMD及一般品保的試驗選擇。
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