兼顧成本與環境衝擊又能增強鋪面回復力
美國麻州公路局的高效瀝青加鋪層
麻州公路局正進行以橡膠瀝青越級配為主的高效瀝青加鋪層最佳化研究
(Optimizing of MassDOT’s High Performance Asphalt Overlay (HPOL) Mixtures)
瀝青鋪面的回復力與高效瀝青加鋪層
回復力(Resilience)定義為災難性的衝擊發生時能及時有效地對抗、吸納、調適、及復原的能力[2]。面對全球氣候變遷及推動循環經濟的雙重考量下，歐美過去十年來的研究，用「回復力(resilience)」描述公路鋪面等基礎設施對極端氣候的調適和回復能力，在公路規劃、設計、施工及養護等階段，應考量回復力才能有效因應未來的極端氣候（強降雨、極高溫、極低溫、長時間乾旱等），包括提高設計規範要求及延長設施的壽年。
對瀝青鋪面工程師而言，最直接的是遇「百年一遇」的高溫或低溫過後，道路面層是否出現過度損傷不易修復；提高回復力要靠添加改質劑，最普遍的瀝青改質劑為類似苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共取物(Stadiene Butadiene Stadiene block copolymer, 簡稱SBS)的高分子聚合物，除了增加成本外也提高鋪面材料的隱含碳；石膠泥瀝青面層是實證能在高溫抗荷重變形的高成效瀝青混合料，該類混合料的組成需有高品質的粗粒料、聚合物改質瀝青、抑制瀝青流失的纖維、及礦物填縫料等，也同樣面臨經濟及環境性質的挑戰；高品質的瀝青混合料若能兼顧經濟與環境性質，則成為高績效的瀝青混合料。
美國許多州公路局基於經濟成本與環境效益的考量下要提高鋪面回復力，已經開始探究及試鋪各種特殊的熱拌瀝青混凝土(Hot Mix Asphalt, HMA)，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，本文介紹麻州公路局在這方面的探究工作。
麻州公路局2020年版的公路及橋梁標準規範中，用於摩擦層及面層採用的熱拌瀝青混凝土類型，如圖1所示，標稱最大粒徑9.5mm的開放級配摩擦層，可用高分子聚合物改質瀝青及橡膠瀝青兩種黏結料；面層材料則標稱最大粒徑19.0mm、12.5mm、9.5mm、及4.75mm四種超級鋪面密級配，可用傳統瀝青及高分子聚合物改質瀝青，組成共8種混合料，外加標稱最大粒徑12.5mm的越級配橡膠瀝青混合料。(依據NCAT在測試路面的研究結果顯示，橡膠瀝青越級配抗重車輾壓引發的由上而下開裂，明顯優於超級鋪面密級配，詳參「美國瀝青科技中心探究瀝青面層抗開裂能力及檢測方法」)
圖1、麻州公路局標準規範中的摩擦層與面層瀝青混合料[3]
延續美國東北部各州對高承載州際公路的養護經驗，源於歐洲的石膠泥瀝青面層是高效瀝青混合料，例如伊利諾州公路局(Illinois Department of Transportation, IDOT)建議高承載州際公路瀝青路面採用SMA，而伊利諾收費高速(Illinois Tollway)成功將舊路面刨除料、廢輪胎橡膠瀝青、及拆除屋頂防水瀝青材等再生材料，用在高品質的SMA面層達到兼顧品質降低成本又能善盡環境責任的高效表現，就是增加鋪面回復力的積極作為。（詳參「降低環境衝擊且又提高路面品質」）
以橡膠瀝青級配為基準的高效瀝青加鋪層研究
伊利諾收費高速的做法其實是引用亞利桑納州(ADOT)橡膠瀝青越級配(ARGG)與SMA在粗粒料架構的共通性(詳參「廢輪胎橡膠使石膠泥瀝青混合料成為環保材料」)，麻州公路局先前執行的高效瀝青加鋪層研究[4]，也採用相同的做法，首先設計ADOT的12.5mmARGG做為控制組，再重新設計含25%RAP及40%RAP的二種替代配比(因RAP中細料多#200過篩量允許偏高1%)，三種混合料的粒料級配如表1所示；試驗程序示意如圖1所示，試體拌成後以拌合溫度(177℃)烘箱短期老化2小時再夯製，夯製溫度154℃採用SGC 75轉(相當於超級鋪面設計ESAL在0.3~3百萬之間)。三種混合料也評估探討溫拌摻料技術，溫拌摻料依供應商建議用總黏結料量的1%， 實驗室拌合溫度降為160℃，夯製溫度降為141℃。該研究使用從拌合廠取得的RAP，沒有分粗細兩種。三種不同粒料級配熱拌及溫拌共六種實驗室夯製試體的體積特性則如表2所示。
圖1、麻州以橡膠瀝青做高效瀝青加鋪層研究之試驗程序示意圖[4]
含RAP混合料的拌製程序對體積特徵有明顯的影響，該研究說明表2中25%RAP試體的空隙率只有2.6%，是因為拌製程序中常溫乾燥的RAP經計量後直接與烘乾計量後的粒料一起在拌合溫度烘箱烘二小時，很可能是RAP加熱時間不足，後續含RAP的試體都是將RAP在拌合溫度烘四小時後再拌合夯製。由於是實驗室特別針對研究目的拌製的試體，表2展示六種混合料的體積關係相一致，溫拌劑降低施工溫度但仍可獲得與傳統混合料相同的體積特徵，添加RAP的混合料，在適當的瀝青含量及粒料級配調控下，亦可獲得相近似的體積關係，該研究主要探究的是添加溫拌劑及添加高、低不同RAP含量對成效的可能影響。
圖2為三種不同橡膠瀝青越級配混合料的動態模數主曲線比較(參考溫度為20℃)，由圖可知添加刨除料使混合料的動態模數變高，且增加的程度隨添加量增加而增加。這種趨勢並未受添加溫拌劑而改變。
圖2、三種不同橡膠瀝青越級配混合料的動態模數主曲線比較(參考溫度為20℃)[4]
表3彙整六種試體的抗彎樑疲勞試驗的數據，此試驗採用控制應變模式，每次荷重至樑產生固定的應變量(300, 500, 700, 900𝛍𝜀)，紀錄勁度模數值降至初始值的50%時的荷重次數，由表可知添加RAP將使抗疲勞能力降低，且降低的程度隨RAP量增加而增加，這是因為應變控制疲勞試驗勁度高的混合料較不耐疲勞，而添加刨除料將使混合料勁度提高；表3也顯示添加溫拌摻料也有降低抗疲勞能力的現象，是否因拌合溫度較低使得新舊瀝青較難充份拌合，則有待後續深入探究。
加鋪試驗(Overlay Test, OT) 原欲代表鋪面加鋪反射裂縫潛勢，是瀝青混凝土試體的直接張力試驗。該試驗法切鋸150mm直徑圓柱試驗的中心部份厚38.1mm，安裝在拉張儀的金屬板上，以一定的頻率重覆施以固定張開變形量，並且紀錄張力消退的情形。麻州的研究以德州公路局規範(Tex-248-F)，在15℃執行試驗，固定張開0.06公分紀錄張力值消退93%時的拉伸次數，六種混合料的試驗結果如表4所示，大體而言也是呈現添加RAP使得抗開裂能力降低的趨勢。
依照AASHTO T324執行的漢堡輪跡試驗是將試體浸在40-50℃的溫水中，以705牛頓(N)鋼輪來回輾壓，量測出現的車轍深度，具有同時評估混合料抗變形的粒料架構及受水侵害的狀況，一般測得車轍深度與來回輾壓次數之關係圖如圖3所示。
表5為麻州六種橡膠瀝青越級配混合料的浸水漢堡輪跡試驗的彙整表，由表可知這六種橡膠瀝青越級配混合料的車轍深度都很小，除了控制組在來回輾壓20,000次後出現約1.09mm深的車轍外，其它溫合料的車轍深度都低於1.0mm，當然也都沒有出現剝脫反曲點；雖然車轍深度都很小而不是很明顯，但添加RAP及溫拌摻料似乎都有提昇抗車轍變形能力的趨勢。
總結來說，橡膠瀝青越級配添加刨除料及溫拌摻料有較易出現開裂破壞的趨勢，對抗車轍及剝脫的影響則不顯著。若與傳統密級配相比，這些添加刨除料或溫拌劑的橡膠瀝青越級配(ARGG)顯然可以有較好的成效表現。
啟動高效瀝青加鋪層材料的最佳化研究
麻州公路局(Massachusetts Department of Transportation, MassDOT)委託麻州大學達特茅斯分校(University of Massachusetts Dartmouth)於2021年7月開始，預計到2023年10月進行「麻州公路局高效瀝青加鋪層材料的最佳化研究(Optimizing of MassDOT’s High Performance Asphalt Overlay (HPOL) Mixtures)」[1]；以新技術來增強鋪面的回復力(resiliency)，因增加回復力可延長公路網的服務壽年，增加回復力的其中一種方法是採用高效瀝青加鋪層(HPOL)做為鋪面養護/重鋪的策略。HPOL採用瀝青混合料品質要求高於傳統HMA。
高效瀝青加鋪層材料的最佳化研究的目的如下：
- 評估目前麻州公路局ARGG與HP兩種HPOL混合料；
- 設計與評估ARGG, HP, 和SMA三種混合料做為HPOL的成效；
- 嘗試優化材料或設計參數，以改進 ARGG、HP 和 SMA 的現行規範；
- 用長期老化特性和生命週期成本分析，比較ARGG, HP, 和SMA三種混合料；
- 提報哪一種HPOL對麻州公路局較佳。
為能保有創意及公平競爭，麻州公路局允許承包商自行選擇採用橡膠瀝青越級配(ARGG)、高效超級鋪面(HP)、或是石膠泥瀝青(SMA)；此三種HPOL中目前以ARGG有最多經驗，故公路單位很想知道採用HP及SMA是否會等同甚至比ARGG更好。麻州公路局也希望能對目前使用的ARGG與HP規範進行評估及做適當的改善，整體而言，該研究將使麻州公路局得以最佳化HPOL的使用以期能提高公路回復力。
參考文獻
- Optimizing of MassDOT’s High Performance Asphalt Overlay (HPOL) Mixtures)
- Climate Change Impacts on Pavements and Resilience
- MassDOT, Commonwealth of Massachusetts Department of Transportation Standard Specifications for Highway and Bridges, 2020 Edition.
- Wallaa S. Mogawer, and Alexander J. Austerman, Evaluation of Specialized Hot Mix Asphalt Mixes for Massachusetts, December 2015, SPR-001-S-645-000, MassDOT.
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