以長壽鋪面設計概念優化再生材料在瀝青鋪面結構層的應用

應用長壽鋪面結構設計概念優化再生材料的方式：表面層用抗車轍能力最佳的SMA(黏結料用橡膠瀝青不必加纖維)，中間層用高模數(高刨除料添加量)的瀝青混合料，底層則用瀝青量較高抗變形能力強的混合料(高分子改質或橡膠瀝青)

綠群測試道斷面配置

延續在測試道路上群體實驗(Group Experiment, GE)驗證高刨除料含量再生瀝青路面的成效勝過全新瀝青路面（詳參「量化路面開裂及高刨除料含量再生與溫拌瀝青的成效比對」）；NCAT測試道在2012年新鋪4個測試再生材料的結構路段(簡稱為綠群Green Group, GG)，並且導入長壽鋪面的設計概念，如圖1所示，N5是目前應用再生瀝青的狀況，面層只允許添加至多20%RAP，底層則可以放寬到35%；S5則是將中間層提高到50%RAP，表面層則提高到25%且用SMA設計添加纖維抑制垂流，底層雖與N5相同但改用高分子改質瀝青做為新瀝青；S6則是使用較硬的防水屋頂拆除料(Recycled Asphalt Shingle, RAS)；S13則是採用廢輪胎橡膠瀝青，表面層用橡膠瀝青SMA，中間層用添加35%RAP的密級配但新瀝青採用橡膠瀝青，底層則用高瀝青含量的傳統亞利桑納州越級配橡膠瀝青混合料。（關於橡膠瀝青可參「工廠化橡膠瀝青會成為主流嗎？」）

圖1、2012年NCAT綠群測試段的結構斷面比對示意圖[1]

基於前述GE組在1,000萬ESALs荷載下大都沒有明顯破壞，GG結構路段將控制組的瀝青面層總厚度降為6英吋，以期能在一輪1,000萬ESALs荷載後就能區分出不同材料的差異。（關於NCAT專用測試道路可參「「美國瀝青科技中心的專用試驗道路」」）

表1為測試段各層材料之設計與實際檢測得性質，由表1可知面層除控制組為超級鋪面設計的密級配外，其它三個路段的面層都採用SMA，所有瀝青混合料都採用溫拌技術，各層的施工壓密度也都能達92%Gmm的規定；高刨除料含量的S5斷面，中間層50%RAP再生瀝青採用機械發泡廠拌溫度280oF，底層35%RAP再生瀝青則採用外加溫拌摻料(值得關注是否與後續出現的層間黏結不良有關)；S13斷面中有兩種胎磨膠粉改質瀝青，SMA表面層及密級配中間層使用添加12%#30膠粉拌入PG67-22，標示為ARB12的SMA不需加纖維，密級配中間層也是用12%#30膠粉，並且添加35%RAP，底層則是用傳統ARGG，20%#16膠粉。

表1、綠群測試段各層材料之設計與實際檢測得性質[1]

為確認綠群測試斷各層不同瀝青混合料的勁度變化符合長壽鋪面結構設計理念，也對廠拌的各種瀝青混合料取樣回實驗室進行動態模數試驗，主要試驗結果比對如圖2所示，由圖可知除了控制組，其它三個再生材料路段皆顯示中間層的動態模數最高，達到充份應用高刨除料含量再生瀝青混合料高勁度模數用在中間層的設計概念。

圖2、綠群測試斷面各層瀝青混合料實驗室動態模數試驗的結果比對(68oF, 10Hz)[1]

綠群測試道成效比對

將四個路段累積荷重ESAL數及出現的破壞狀況同繪在同一時間序軸上，如圖3所示。高刨除料含量(50%RAP)再生瀝青斷面(S5)很意外地在累積2,222,506ESALs就出現初始開裂，且很快地在持續荷載二周後就達到開裂破壞臨界值(車道面積20%開裂)；經研究人員取鑽心試體仔細觀察，如圖4所示，研究人員標出層間界限，顯然層間的黏結很差，疲勞開裂顯然從中間層的下緣開始，因為厚度不足很快就擴展到表面。

圖3、綠群測試斷面累積荷重ESAL數與破壞與維修時間比對[1]

圖4、對過早出現開裂破壞的S5路段進行鑽心所得的試體及判釋[1]

S5斷面因此在05/22/2013進行重鋪，重鋪後的斷面重新累計荷載數，到04/05/2014初始開裂，共累積4,233,868ESALs，此時其它斷面已累積超過700萬ESALs，也陸續達到破壞臨界值，且惡化到必需全面翻修(亦即實驗終止時)，因此，重鋪的S5斷面未能觀察達開裂臨界值的時間。將各段面的初始開裂和達開裂臨界對應的累積ESAL數進行比對，如圖5所示。

圖5、綠群測試斷面初始開裂和達開裂臨界對應的累積ESAL數比對[1]

圖6則將四個路段在累積400萬ESALs後的車轍深度進行比對，顯示各路段的車轍深度都在12mm以下，重鋪的S5路段的車轍量最低，其次是橡膠瀝青SMA，S6則與控制組相當。圖7將四個路段在累積400萬ESALs後的IRI變化量進行比對，顯示S5最優、S13次之，S13與N5相近的成效趨勢。

圖6、綠群測試斷面累積400萬ESALs後的車轍深度比對[1]

圖7、綠群測試斷面累積400萬ESALs後的的平坦度(IRI)比較[1]

結論

根據前期對添加高刨除料量(50%RAP)再生瀝青混凝土的研究成果，顛覆了「品質不如全新瀝青混凝土」的印象，只要對在低溫氣候區因瀝青太硬而出現低溫開裂做適當的考量，對於高刨除料添加量導致的勁度較高，可以應用長壽鋪面設計概念，正面視為高結構模數而積極應用；因此，本次(2012年)NCAT測試道路的綠群(GG)測試段比對中，應用長壽鋪面的設計概念，表面層用抗車轍能力最佳的SMA且引進橡膠瀝青取代改質瀝青和纖維，中間層用高刨除料添加量或添加拆除屋頂防水材的再生瀝青混合料充做高模數的瀝青混合料，底層則用瀝青量較高抗變形能力強的混合料並嚐試引用高瀝青含量的橡膠瀝青越級配，探尋多面向考慮將再生材料應用在鋪面結構中的適當位置，優化各種不同再生材料在鋪面結構層中的應用，研究的結果顯示：

1. 以再生材料如舊瀝青路面刨除料(RAP)、拆除屋頂瀝青防水材(RAS)、及廢輪胎磨膠粉等，適當調配設計產製的再生瀝青混合料，具有做為長壽鋪面結構層所需的強化特性：(1)比對三種(25%RAP、5%TAS、及胎磨膠粉拌製的橡膠瀝青)SMA表面層，無論是以實驗室試驗評估，或是在實際測試道上的表現，在抗車轍能力方面，三種材料的表現都非常好；(2)以實驗室測得動態模數值顯示；(3)以再生材料搭配改質瀝青，又或是用高胎磨膠粉量的橡膠瀝青，可以使底層混合料具有高瀝青含量而更能抗疲勞開裂。
2. 綠群的四個測試段實證了各種不同再生材料在鋪面結構層中優化應用的可行性，但因涵蓋過多材料變數，無法以四個測試段的整體成效差異來驗證個別材料的成效差異。
3. 以落錘試驗反算模數、埋設應變計、土壓計，經實證為顯現鋪面破壞程度及判定養護工作的鋪面結構效益的好方法。
4. 應用長壽鋪面結構設計概念必需以足夠的結構厚度為前題，本輪綠群(GG)的4個結構斷面因基於前期(GE)所有斷面在累積1,000萬ESALs後都沒有明顯破壞而將總厚度降低，雖然如預期地在1,000萬ESALs內就出現明顯破壞，但幾乎沒有出現「由上而下」的開裂而偏離了長壽鋪面的設計。
5. 高刨除料添加量的斷面出現最早疲勞開裂的狀況，經研究人員鑽心觀察證實為層間黏結不良所致，重建後驗證在沒有層間黏結不良的前題下，抗開裂成效優於控制組；這個經驗突顯施工時層間黏結的重要性，建議重視不同黏層與不同瀝青混合料間的黏結品質控制。

（關於長壽鋪面結構設計可參「美國的長壽鋪面設計概念(Perpetual Pavement)」）

參考文獻

1. Randy West et. al., Phase V (2012-2014) NCAT Test Track Findings, NCAT Report 16-04, August 2018, Chapter 2.