瀝青混凝土的間接張力試驗：IDEAL-CT(理想的開裂試驗)

用以評估再生瀝青混凝土的耐久性與抗開裂能力，確保高刨除料添加量再生瀝青鋪面與全新瀝青鋪面具有相同的成效。

圖片來源：[1], NAPA IS-143, 2021, pp. 52

再生瀝青鋪面成效檢測需求

瀝青鋪面再生的兩大原則：(1)再生與全新瀝青的品質要求相同；(2)再生與全新瀝青具相同的鋪面成效；這兩個原則可以簡稱為「要求相同成效不減」。品質要求具體呈現在組成材料的配比(粒料級配、瀝青含量)和體積特性(空隙率、有效瀝青含量等)，鋪面成效則是平坦耐久(抗變形、抗開裂)。

通用的品質檢測方法是以溶劑分離法(ASTM D2172)將混合料的瀝青與粒料分離，分離得溶液則再用真空濃縮法(ASTM D5404)回收其中的瀝青，再對該回收瀝青進行60℃黏度檢測，對分離所得「殘留粒料」進行篩分析可得粒料級配，試驗程序的示意如圖1所示。全新瀝青一般只要檢核選用的瀝青膠泥等級，不必檢測回收瀝青黏度。

圖1、瀝青混合料的溶劑分離及真空濃縮試驗示意圖

圖1揭示的分離回收法是再生瀝青混凝土的主要品質檢測方法，工程實務上用以確保瀝青含量、粒料級配、及新、舊瀝青混拌後的性質達到一致性，避免變異擴大產生的問題；但在機理上有不少爭議，主要是這個檢驗過程使用的溶劑，已將老舊瀝青與新瀝青「重新混拌」，在實際生產拌合及施工鋪築過程中不會發生這種「重新混拌」樣態，因此檢驗結果有可能誤導再生瀝青的品質；再者，適用的鋪路瀝青黏度範圍較大，而規定回收黏度在某一較窄的範圍內也不盡合理，但若開放擴大回收瀝青的黏度範圍，則失去管控品質變異的目的。

日本高刨除料含量再生瀝青經驗

日本的瀝青仍以靈敏度較低的針入度分級，再生瀝青混凝土的「設計針入度」一般地區為40/60，較冷雪區則為60/80，對於刨除料(RAP)是否能再利用，也是用溶劑分離回收其中的瀝青，以針入度值20為判斷基準，若低於20則應做其它用途，不可加入瀝青混凝土中再利用（國內也有相同的規定）；由於有愈來愈多改質瀝青路面翻修回收再利用，使得愈來愈多RAP中的回收瀝青針入度低於20，因此，改採用100%RAP試樣，經實驗室烘熱夯製成試體，以20℃間接張力強度試驗判斷是否可以再利用，如圖2所示試驗求得所謂「IDT係數」，若100%RAP夯製的試體的「IDT係數」超過1.70 MPa/mm，則可能不適合再利用[2]。

圖2、日本RAP的性質規定及當RAP不符要求時以間接張力係數決定是否可再利用示意圖

對於RAP中回收瀝青針入度低於20，而「IDT係數」小於1.70 MPa/mm，則在配比設計時也以「IDT係數拌合圖」決定RAP添加量及/或再生劑的應用[2]。（詳參「跟著美國人學習日本高刨除料含量再生瀝青鋪路經驗」）

美國發展平衡配比設計

所謂「平衡配比設計(Balanced Mix Design, BMD)」是指一種瀝青混合料的配比設計方法，主要是在實驗室針對不同的氣候與交通荷載狀況用適當老化模擬的試樣，以多種破壞模式的成效試驗檢測後，依據最佳化的成效決定材料組成配比。BMD本質上是針對服務成效需求的配比設計方法。（詳參「在鋪面疲勞開裂與車轍變形兩種成效間取得平衡」）對高RAP添加量的再生瀝青混合料而言，因含高老化量的瀝青，疲勞開裂及低溫溫縮龜裂是主要的預期破壞模式，而若採用較軟的瀝青或是提高瀝青含量，則將導致車轍變形，因此，要用適當的成效試驗法在這兩種破壞形式之間做最佳化。

超級鋪面的成效試驗不切實際，加上過度強調抗車轍而衍生較多抗開裂與耐久的需求，美國各州公路單位嚐試的調整缺乏通用性；超級鋪面配比設計的主要兩項體積特徵為設計空隙率(Va)及有效瀝青體積(Vbe)；以旋轉夯實機在設計旋轉圈數(Ndesign)下夯實試體的空隙率(Va)，受組成配比影響，常被用做為品質的指標；而有效瀝青體積(Vbe)則主導抗開裂能力與耐久性；但是，設計瀝青混合料的配合比時，靠這兩個參數顯然無法完整納入瀝青膠泥品質的影響，也就無法適用在再生瀝青、改質瀝青、橡膠瀝青，及其它添加摻料的瀝青混合料；再者，體積特徵受粒料的虛比重(Gsb)影響，而粒料虛比重的檢測方法精度不足，且有些料源的虛比重變化又很大，使用RAP時又更難準確求得粒料的虛比重。總結來說，瀝青鋪面耐久及抗開裂需求提昇，加上傳統配比設計法的不足，促使BMD成為瀝青混合料設計與製程驗收的新方法。

平衡配比設計是傳統瀝青混凝土的既有概念，以往受限於成效試驗法而較難落實(詳參「超級鋪面配比設計法中的混合料成效試驗」)，在成效試驗發展完善後，應突破傳統體積特徵的束縛，善用平衡配比設計的概念，在慣用的抗車轍成效試驗和抗開裂成效試驗間取得平衡，提昇鋪面的服務成效。另一個重要的議題是BMD概念影響再生瀝青的發展，應用BMD概念發展可靠的高RAP添加量的再生瀝青混凝土配比設計法(詳參「瑞士100%RAP再生瀝青混凝土的研究」)。台灣的環境不容消極仿效美國用限制RAP添加量來確保鋪面品質，反而應積極學歐洲在確保鋪面品質的前題下，設法提高RAP添加量。發展BMD可以解開再生瀝青混凝土配比設計中對RAP添加量的迷思(詳參「再生瀝青混凝土的配比設計」)。

IDEAL-CT(理想的開裂試驗)

美國路面工程界從2015年開始關注BMD而需要有能在實驗室評估鋪面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開裂試驗法最能評斷實際路面開裂的狀況；在NCAT測試道路鋪築的試驗路段評估「由上而下的開裂」，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的CTIndex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CTIndex至少15.0做為抗開裂的臨界值；空隙率對該試驗的影響呈現不合常理的狀況，因此，建議該試驗應確認對空隙率7.0±0.5%的試樣進行，這個試驗較簡易可行，研究團隊強烈建議用做BMD及一般品保的試驗。

該「理想的開裂試驗」於2019年列入ASTM D8225-19；圖3說明IDEAL-CT的試驗配置與試驗數據的分析方法，採用與傳統瀝青混凝土穩定儀試驗、間接張力試驗共用的壓力架，儀器的荷載速率每分鐘50mm，以間接張力的型式將圓柱試體劈裂，用自動記錄器截取繪製荷重變形曲線，研究人員在深入分析荷重變形曲線各部份的資訊後，決定從「峰值後的曲線」部份，提取瀝青混凝土試體的抗開裂特性資訊；這是因為瀝青混凝土荷重能力下降代表內部出現微裂縫，微裂縫的發展情形就是抗開裂特性，會反應在「峰值後的曲線」變化。

圖3、IDEAL-CT的試驗配置與試驗數據的分析探討示意[3]

基於以往對混凝土破裂能(Gf)和裂縫成長模式的研究，選定「開裂指數(CTindex)」做為評估瀝青混凝土抗開裂能力的參數，求算開裂指數的方法說明如圖4所示；一般而言，Gf愈大代表抗破裂能力愈強；混合料的勁度愈高(愈硬)，裂縫成長愈快，也就是承載力降得愈快，亦即m75絕對值愈大(峰後曲線斜率愈大)，代表抗開裂能力愈差；另，若就l75/D來看，此值愈大代表容許的開裂「應變」愈大，也就是抗開裂能力愈高。試驗方法簡介影片可參「IDEAL-CT試驗的YouTube影片」。

圖4、IDEAL-CT的試驗求算開裂指數(CTindex)說明[3]

Gf為破裂能(fracture energy)，單位面積開裂所需的能量

曲線函蓋的面積為功W，t為試體高，D為試體直徑

美國NCAT最新的研究成果，以在測試道實際荷載比對實驗室試驗數據，強烈建議以CTindex做為評估面層抗「由上而下開裂」的指標，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」。

搭配車轍試驗確保再生瀝青鋪面成效

美國喬治亞州公路局就是以IDEAL CT試驗搭配慣用的車轍試驗來確保高刨除料添加量再生瀝青混凝土的品質（詳參「如何面對高RAP含量瀝青混凝土出現的成效不良問題」）；美國瀝青鋪面協會(National Asphalt Pavement Association, NAPA)於2021年發佈的資料，展示IDEAL CT試驗對瀝青含量、瀝青級別(改質與否)、及再生瀝青的敏感程度。對刨除料添加量的敏感度方面，提出的數據是在NCAT實驗室以標稱最大粒徑12.5mm的密級配做探討，新瀝青採用PG 70-28 SBS改質瀝青，夯製三種配比的成份與體積特徵分別為：

1. 刨除料含量0%：瀝青含量5.0%，空隙率4.0%，VMA15.2%；
2. 刨除料含量15%：瀝青含量4.7%，空隙率4.0%，VMA14.6%；
3. 刨除料含量30%：瀝青含量4.8%，空隙率4.0%，VMA14.3%。

執行成效試驗檢測的數據如表1所示，由表中漢堡輪跡試驗與IDEAL CTindex兩欄的數據可知，對短期老化(代表新鋪在路面上的狀況)的試樣，漢堡輪跡試驗顯示刨除料量增加有較好的抗車轍能力，IDEAL CT試驗則顯示全新瀝青混合料具有最高的CTindex值，此CTindex值隨RAP添加量而顯著降低，顯示刨除料量增加將影響抗開裂能力；若依NCAT建議的抗開裂能力臨界值(CTindex≥15.0)(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」)，則由長期老化後試樣的檢測結果，則顯示30%RAP仍可符合抗開裂要求，但若刨除料添加量超過30%，則依據趨勢判斷有可能不符合要求，驗證CTindex具有做為再生瀝青混凝土抗開裂品質指標的潛力，搭配抗變形能力指標，即可建立完整的鋪面成效指標，確保再生瀝青鋪面成效。

表1、不同刨除料添加量試體的成效試驗檢測結果[1]

後記：NCAT輔導Alabama州的部份地方政府採購瀝青混凝土的品質，用平衡配比設計概念，以抗裂指數及高溫抗張強度分別評估抗裂及抗變形能力。 以經試驗路面驗證的成果，選定25℃抗裂指數需大於50, 且50℃抗張強度需大於17psi。

結論與建議

已有許多研究顯示高刨除料(RAP)添加量的再生瀝青混凝土可以是成效很好的面層材料，甚至有一些報告顯示新的鋪面可以全部用再生瀝青來生產而且不損及品質成效；但大部份道路主管機關基於再生鋪面品質低劣，將引發更多材料需求而得不償失惶論循環經濟，故在再生瀝青規範中，大都限制RAP添加量甚至低於20%，這種法規障礙若不能設法排除，高RAP添加量的再生瀝青混凝土的市場只能侷限在私人、不重要鋪面、或是道路底層；要排除高RAP添加量的法規障礙，應從高RAP添加量再生瀝青混凝土的品質疑慮著手。

高RAP添加量的再生瀝青混合料，因含高老化量的瀝青黏結料，故疲勞開裂及低溫溫縮龜裂是主要的預期破壞模式，而若採用較軟的瀝青或是提高瀝青含量，則將導致車轍變形，因此，要用適當的成效試驗法在這兩種破壞形式之間做最佳化；美國路面工程界最近積極採行的平衡配比設計(Balanced Mix Design, BMD)觀念，以新開發的抗開裂試驗法，補足以往偏向抗變形能力評估的缺陷，也為高RAP添加量再生瀝青混凝土的配比設計及製程品質控制提供完整的工具。

國內已引進超級鋪面旋轉夯實機(Superpave Gyratory  Compactor, SGC)，也有不少實驗室具有漢堡輪跡試驗儀，理想開裂試驗(IDEAL CT)算是簡易的試驗，設備價格也相對便宜，因此，可以說引進BMD的時機已經成熟；若能依據美國路面工程界建議的導入程序[1]，在三至五年內將可開發建立本土適用的抗變形與抗開裂臨界值，在國內實踐完整適用的BMD，有望排除高RAP添加量再生瀝青混凝土的品質疑慮，提昇舊路面刨除料的再利用效率，亦可有效率地設計與評估不同再利用材料的鋪面成效，既完善路面成效規範亦促進路面工程循環經濟。

(可參「新式瀝青混凝土品質檢測法」)

參考文獻

1. Fan Yin and Randy West, Balanced Mix Design Resource Guide, NAPA IS-143, 2021.
2. Randy West and Audrey Copeland, High RAP Asphalt Pavements: Japan Practice — Lessons Learned, NAPA IS-139, 2015.
3. Fujie Zhou, Soohyok Im, and Sheng Hu, "Development and Validation of the IDEAL Cracking Test," TRANSPORTATION RESEARCH CIRCULAR E-C251 Relationship Between Laboratory Cracking Tests and Field Performance of Asphalt Mixtures, ISSN 0097-8515.