以理想抗車轍與抗開裂試驗法探究瀝青混凝土的品質
邱垂德1、陳威溢2、姜紹平3
1: 台灣輪胎循環經濟協進會秘書長
2: 弼聖實業股份有限公司熱拌瀝青廠品管員
3: 弼聖實業股份有限公司品管經理
摘要
為探究評估瀝青混凝土實際成效的檢測法，本研究引進美國路面工程界新推出的「理想的」抗車轍及抗開裂試驗法，取得七種不同類型的廠拌瀝青混凝土試樣，在實驗室依照標準程序求得50℃的抗車轍指數及25℃的抗開裂指數，分別代表抗車轍變形及抗疲勞開裂的能力，嚐試綜合這兩種新式檢驗法評斷瀝青混凝土的品質。研究結果顯示以這兩種試驗方法建構的廠拌瀝青混合料檢驗程序，實驗室可於三個工作天內完成試驗，並以25℃抗開裂指數平均值(X軸)及50℃抗車轍指數平均值(Y軸)，點繪在「瀝青混凝土品質判釋圖」上，據以分辨「貧(X, Y都偏低)、硬(Y值高)、軟(X值高)、超(X, Y都高)」的程度，進而判定用在不同鋪面結構層的適用性；一般密級配落在「超偏硬區」是可抗變形但抗開裂稍嫌不足的傳統材料，經改質及或添加刨除料後轉落入「硬區」，有抗開裂能力不足之慮，橡膠瀝青越級配則落入「超偏軟區」，亦即與一般密級配對比，有很高的25℃的抗開裂指數，但50℃抗車轍指數較低；美國路面工程界已有建議的抗開裂指數臨界值，抗車轍指數則尚未有定論。瀝青混凝土的品質判定應搭配路面結構設計標的，用在面層、聯結層、及底層，所需的超、硬、及軟的程度不同，理想的抗車轍及抗開裂試驗相對容易建置，第一線的熱拌廠應以平衡配比設計概念，建立結合不同鋪面結構設計標的的「瀝青混凝土品質判釋圖」經驗，確保產製的瀝青混凝土符合品質成效需求；材料設計單位則可依平衡配比設計概念用綜合這兩種試驗獲得的「瀝青混凝土品質判釋圖」，設計適用在不同鋪面結構設計標的的瀝青混凝土配比。
一、緒論
營建業大都認可預拌混凝土可用標準程序檢測的「28天抗壓強度」代表品質成效進而區分等級，例如3,000psi或5,000psi兩種不同等級的預拌混凝土；然，代表瀝青混凝土成效品質的檢測方法，則尚未有定論，主要原因是瀝青混凝土的破壞型態在不同的服務溫度不同，且受包括環境條件在內的多重因素交互影響，仍需持續投入許多所謂「成效試驗(Performance Test)」的研究。美國路面工程界近幾年推出所謂「平衡配比設計(Balanced Mix Design, BMD)」概念，用抗車轍及抗開裂的至少兩種不同狀況綜合評估瀝青混凝土的品質，且再兼顧理論又務實地簡化儀器設備，分別推出「理想的」抗車轍及抗開裂兩種新式試驗法，期能整合這兩種方法的成效評估來論斷瀝青混凝土的品質。本研究在實驗室建置這兩種新式的品質檢測法，並取得七種不同類型的廠拌瀝青混凝土試樣，依照國外建議的標準程序分別求得50℃的抗車轍指數及25℃的抗裂指數，對應其抗車轍變形及抗疲勞開裂的能力，嚐試結合這兩種新式檢驗法綜合評斷瀝青混凝土的品質。(可參另著「新式瀝青混凝土品質檢測法」)
二、文獻整理
從瀝青鋪面的主要破壞形態來看，有永久變形(車轍)、疲勞開裂、及低溫龜裂等三種，因此，瀝青混凝土的成效試驗，也要能評估這三種破壞潛勢。最新的美國AI MS-2配比設計手冊建議的瀝青混合料成效試驗如表1所示[1]。
瀝青混合料的抗車轍成效試驗區分為輪荷重試驗及潛變試驗兩類。輪荷重試驗較為直觀，但不是材料科學上定義的基本性質試驗，且受儀器尺吋因子的影響很大，亦即不同儀器測得不同的結果，試驗成果必需與當地經驗建立緊密的成效關係；潛變試驗則直接量測材料的基本性質，具有完善的科學定義，只要試驗參數一致，不受不同儀器的約制，試驗成果也直接與成效相關；上世紀90年代的SHRP研究，提出以超級鋪面剪力試驗儀(Superpave Shear Tester, SST)評估瀝青混凝土的抗剪力，做為超級鋪面配比設計程序中成效試驗的抗變形部份；SST對以旋壓試驗機壓製的標準試體施以重覆剪力，評估動態剪力作用下的瀝青混凝土抗車轍能力；SST試驗機價格昂貴(超過23萬美元)且試驗程序複雜，後續雖改用相對較簡易的瀝青混合料成效試驗儀(Asphalt Mixture Performance Tester, AMPT)檢測成效，如表1所示，但包涵動態與靜態兩種潛變模式，試體製作較複雜，試驗人員需要較多的訓練且設備價格仍高，而很難引用做為常規的QA/QC試驗[1]。
美國路面工程界在1980年代的調查顯示最主要的鋪面破壞是車轍變形，隨著採行超級鋪面規範、用較多高分子聚合物改質的瀝青、採用較低瀝青含量，又或是三種效應綜合顯現，鋪面車轍變形較少出現了，然，隨之而來的是提早出現鋪面開裂，目前開裂已經成為主要的破壞型式。又因為環保趨勢及成本誘因，增加使用添加刨除料(RAP)或是再生瀝青防水材(Recycled Asphalt Shingles, RAS)的瀝青混合料，使得路面開裂的問題更加嚴重。因此，在配合設計階段，迫切地需要有適當的開裂破壞評估試驗，不僅要能與實際成效相契合，試驗精度也要足以判別不同混合料的成效，且最好是簡單易執行以便能在常規的品質管理上使用。
鋪面開裂依肇因區分為兩種類型，反覆交通荷重引發的疲勞開裂和與交通荷重無關由溫縮應力造成的溫縮龜裂。由交通荷重引發的疲勞開裂受到許多變數的影響，像是粒料級配、瀝青特性、及混合料的體積特徵等，AI MS-2原則上建議傳統瀝青混凝土可以不必執行抗疲勞成效試驗，但若使用單位認為有需要，則可以指定執行適當的抗疲勞開裂試驗；對於非傳統瀝青混凝土預期會有3百萬ESAL以上的交通荷載，則建議執行撓曲梁疲勞試驗評估其抗疲勞開裂能力。對各州公路單位關注的平衡配比設計(Balanced Mix Design, BMD)需求，撓曲梁疲勞試驗也有儀器昂貴、試驗程序複雜、試驗人員需要較多的訓練，而很難引用做為常規的QA/QC試驗。
美國啟動NCHRP 9-57研究計畫(Experimental Design for Field Validation of Laboratory Tests to Assess Cracking Resistance of Asphalt Mixtures)，回顧探究共八種抗開裂試驗法[2]，其中以間接張力試驗求得的抗裂指數(Cracking Tolerance Index, CTindex)值，符合(1)簡便：不增特定儀器，不對試體過度切割、鑽孔、磨，(2)務實：減化執行試驗人員的訓練需求, (3)效率：1分鐘內完成試驗, (4)儀器價格：10,000美金以內, (5)重覆性(精度)：變異係數應小於25%, (6)敏感度：對影響瀝青混凝土性質的變數有足夠敏感度, (7)與路面實際開裂成效密切相關，共7項原則，是在實驗室評估鋪面開裂成效的理想試驗方法。
該「理想的開裂試驗(IDEAL-CT)」於2019年列入ASTM D8225-19；圖1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，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。
基於以往對混凝土破裂能(Gf)和裂縫成長模式的研究，選定「抗裂指數(CTindex)」做為評估瀝青混凝土抗開裂能力的參數，求算抗裂指數的方法說明如圖2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(峰後曲線斜率)絕對值愈大，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。
在成功開發抗裂指數試驗後，德州的研究人員[4]，再次以(1)符合車轍變形的機理：檢測瀝青混凝土的抗剪性質, (2)簡便：不增特定儀器，不對試體過度切割、鑽孔、磨，(3)務實：減化執行試驗人員的訓練需求, (4)效率：1分鐘內完成試驗, (5)儀器價格：10,000美金以內, (6)重覆性(精度)：變異係數應小於15%, (7)敏感度：對影響瀝青混凝土性質的變數有足夠敏感度, (8)與路面實際車轍成效密切相關，共8項原則開發理想的抗車轍試驗。在原襞裂試驗更換底部的支撐座後，由上部荷重帶(loading strip)對試體施壓而出現的兩個剪力面，如圖3所示，將劈裂模式轉成受剪模式，進而求算出受測瀝青混凝土試體的抗車轍指數(RTindex)。
瀝青路面的車轍變形大都出現在開放通車後的前兩年內，但疲勞及低溫開裂則可能在服務多年後才出現，這是因為瀝青混凝土的黏結料是有機材料，隨曝露狀況及齡期而變化，一般稱為老化，源於瀝青的小分子成份揮發喪失及因接處空氣中的氧而老化變硬(Age Hardening)，老化後的瀝青混凝土較能抗變形，但不利於抗開裂；因此，在實驗室評估瀝青混凝土的抗變形及抗開裂，必需搭配適當的老化狀況模擬。本研究採用美國NCAT的建議[7]，對熱拌廠拌製的瀝青混合料，取得代表性樣品以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，置於適當尺寸(使平鋪不壓實厚度在25mm~50mm之間)的平底方盆備用；短期老化(Short Term Oven Aging, STOA)模擬只需再以夯壓溫度烘一小時後以SGC夯製，即為經短期老化後的試體；嚴重老化(Critical Aging, CA)試體則分樣置於規定方盆後，需再放到135℃烘箱8小時後，再換至夯壓溫度烘箱一小時後取出以SGC夯製成試體；評估抗車轍成效的試體應經STOA模擬，而評估抗開裂成效的試體，則應經CA模擬。
三、試驗方法與流程
本研究以既有的馬歇爾穩定儀試驗架，新購置國外儀器商製作的CTindex試驗模組(Smart Jig)，搭配同公司製作的抗車轍試驗承壓底座，如圖4所示，建置完成符合ASTM規範的兩種新式瀝青混凝土品質檢測法。
新式的瀝青混凝土品質檢驗法，以間接張力的型式將直徑150mm高62mm標準空隙率(7%)的圓柱試體劈裂，試驗在1分鐘內完成。在25℃執行求得的抗裂指數代表抗疲勞開裂能力[9]；更換底座在50℃執行求得的抗車轍指數(或剪力強度)，代表抗車轍變形能力[6]。本研究分別在四個不同的熱拌廠取得包括一般瀝青、改質瀝青、及橡膠瀝青在內的共七種不同瀝青混凝土試樣，如表2所示，以圖5所示的流程，嚐試比對評斷不同類型瀝青混凝土的品質，評估在一般QC/QA的實驗室以BMD概念檢測瀝青混凝土品質的可行性。
四、試驗結果與分析
依本研究規劃的品質檢測流程製作檢測記錄表，將瀝青品質檢測紀錄如表3所示，表3顯示在丁廠取得的橡膠瀝青混合料以5加侖筒運回實驗室後，以150℃烘二小時後分樣，依序先求得理論最大密度，再以不同老化程序製作標準的抗車轍試體和抗開裂試體，分別求得50℃抗車轍指數(RTindex)及25℃抗裂指數(CTindex)，目前規範建議的重覆數是3，如表3所示，該橡膠瀝青的50℃抗車轍指數平均為36.3，25℃抗裂指數平均為575.0，計算變異係數分別為8.1%及9.8%，都在10%以下。
彙整七種不同瀝青混合料的50℃抗車轍指數數據如表4所示，由表可知三種橡膠瀝青越級配的抗車轍指數較低，添加刨除料及改質不僅提高抗車轍指數，也提高試驗變異，如圖6所示；根據ASTM D8360-22對試驗精度的說明，以單一試驗室對10種不同瀝青混凝土試驗共30個試驗數據的分析，求得抗車轍指數的標準差為2.42，尚未有不同試驗室間的誤差數據；經查相關文獻，該10種不同瀝青混凝土，主要是不同瀝青等級、不同瀝青含量、及不同刨除料添加量(<30%)的組合，不含橡膠瀝青越級配[9]；由表4及圖6可知本研究的七種瀝青混凝土性質差異較大，抗車轍指數在20到200之間，標準差在1.3到13.5之間且隨抗車轍指數值而變大，應以變異係數描述試驗精度較妥，表4計算出的變異係數在3.1%到10.5%之間，大體上可以符合具判釋能力的10%以下。
將一般密級配、一般密級配添加刨除料、改質密級配、改質密級配添加刨除料及橡膠瀝青越級配，共五種個別試體在50℃抗車轍指數試驗截取的數據，同繪在荷重及垂直位移曲線上得圖7，從圖7可知改質及添加刨除料，不僅提高最大荷重值，也提高荷重位移曲線峰前的斜率，可直接解讀為提昇抗剪強度；橡膠瀝青越級配受力後的變形量最大，荷重位移曲線的峰值較不明顯，最大荷重值也明顯較低，雖可解讀為抗剪強度較低，但基於這類材料在鋪在表面層具有抗變形能力較高的成效實績，國內用在快速道路橋面段的表面層多年，也沒有出現車轍變形的報導，不宜認定為抗車轍能力較低。
彙整七種瀝青混合料的25℃抗裂指數數據如表5所示，由表可知添加刨除料降低抗裂指數，三種橡膠瀝青越級配不僅抗裂指數較高且變異也較大，如圖8所示；根據ASTM D8225-19對試驗精度的說明，在單一實驗室，10種不同瀝青混合料共30個試樣測得的抗裂指數範圍在31至255之間，標準差為13.5，尚未有不同試驗室間的誤差數據；由表5可知本研究的七種瀝青混凝土性質差異較大，四種密級配的抗裂指數在11到60之間，但三種橡膠瀝青越級配的抗裂指數則在500至2,000之間，遠大於密級配試樣；標準差部份密級配在0.3到4.0之間，橡膠瀝越級配則在50至220之間，且隨抗車轍指數值而變大，也應以變異係數描述試驗精度較妥，表5計算出的變異係數在5.2%到21.1%之間，此中的一種橡膠瀝青越級配的抗裂指數試驗變異係數超過15%。
將一般密級配、一般密級配添加刨除料、改質密級配、改質密級配添加刨除料及橡膠瀝青越級配，共五種個別試體在25℃抗裂指數試驗截取的數據，同繪在荷重及垂直位移曲線上得圖9；從圖9可知橡膠瀝青越級配的峰後曲線特別平緩，代表微裂縫出現後成長慢，也就是較能抗裂；添加刨除料不僅提高峰值，也將峰後曲線的斜率絕對值變大，代表裂縫出現後成長快速，亦即抗裂能力較差；改質的效果在提高峰值上較明顯，對峰後斜率的變化影響較小。
美國路面工程界對抗裂指數已提出判定品質的臨界值，亦即CTindex >50，而抗車轍指數也對使用PG76-22黏結料的混合料提出RTindex 應大於75的建議[10]；應用BMD的概念，應綜合抗開裂及抗車轍兩種檢測結果，以「成效空間圖(Performance Space Diagram, PSD)」[3]來判定材料的適用標的，本研究依此繪製「瀝青混凝土品質判釋圖」如圖10所示，將本研究檢測的七種瀝青混凝土的25℃抗裂指數平均值(X軸)及50℃抗車轍指數平均值(Y軸)，點繪在XY圖上，且對抗裂指數範圍是抗車轍指數範圍約10倍的狀況，將抗裂指數取對數後點繪；美國路面工程界的PSD是將臨界值做為邊界區分為貧(Poor)、硬(Stiff)、超(Super)、軟(Soft)四區，用來判定不同瀝青混凝土的適用標的，並針對該成效空間圖的目的建議稱為「瀝青混凝土品質判釋圖」。
由圖10可知，未添加刨除料的一般密級配和改質密級配兩種瀝青混凝土點繪在品質辨識圖中的「超區偏硬」，屬於適用在重交通面層但應注意抗疲勞開裂較差的材料；添加刨除料的兩種密級配則落入「硬區」，屬於適用在鋪面結構中間層的材料，若用在面層則較難抗開裂；三種橡膠瀝青越級配則點繪在「軟區偏超」，屬於適用在抗反射裂縫及抗開裂表面層的材料，溫拌的橡膠瀝青越級配變得更軟。
若以美國路面工程界建議的選定的CTindex >50，及RTindex >75來看，本研究取得的含刨除料的兩種密級配瀝青混凝土，用在面層都有抗開裂能力不足的顧慮；橡膠瀝青越級配則是很好的抗開裂(包括用在抗反射裂縫層)材料，但若用在鋪面結構的中間層則較難抗變形；國內已有深化精進橡膠瀝青配比設計的探討[11]，在實驗室拌製的試樣顯示添加路面刨除料的橡膠瀝青越級配，抗裂指數變化不明顯但顯著提昇抗車轍變形能力(50℃漢堡輪跡試驗)，若以抗車轍指數試驗檢測，也會有提昇RTindex的效果。
溫拌使瀝青混凝土變軟的議題，顯然是共通性的，NCAT在2014年提出的報告[3]，指出有超過25個「溫拌對照熱拌」路段，每個路段的廠拌「溫拌對照熱拌」試樣執行漢堡輪跡試驗的試驗數據顯示，59%的溫拌試樣與對照熱拌試樣測得的車轍深相類似(統計學上判定為無顯著差異)，其餘41%的溫拌試樣測得明顯比對照熱拌試樣深的車轍(統計學上判定為顯著差異)，但是，所有路段的二年實際成效顯示溫拌與其對照熱拌的成效一致，明顯與實驗室抗變形能力(漢堡輪跡試驗)評估的車轍成效不同。基於簡化評估工具的效益及溫拌易壓實的特性，也許可以調整溫拌試體的「理想抗車轍試驗標準試體的空隙率」，例如降為5.0%，再執行檢測作為判定。
總結本研究對不同瀝青混凝土的品質檢測數據，瀝青混凝土的品質判定應搭配不同路面結構層的設計標的，單以50℃抗車轍指數較高或偏低，就判定可或不可用以抗車轍變形，將忽視用在面層出現疲勞開裂的問題；同理，單以25℃抗裂指數較低或偏高，就判定不可或可用以抗疲勞開裂，則將忽視用在鋪面結構承載層需要的高勁度特性；因此，基於不同路面結構設計層需要不同的材料特性，很難以類似預拌混凝土的「28天抗壓強度」般的單一品質特性判定瀝青混凝土的品質，但以平衡配比設計的概念，綜合抗車轍與抗開裂兩種試驗的結果，以至少二維的品質判釋圖，應足以評斷不同瀝青混合料在預期的鋪面結構標的的適用性。理想的抗車轍及抗開裂試驗相對容易建置，第一線的熱拌廠應以平衡配比設計概念，建立結合不同鋪面結構設計標的的「瀝青混凝土品質判釋圖」經驗，確保產製的瀝青混凝土符合品質成效需求；材料設計單位則可依平衡配比設計概念用綜合這兩種試驗獲得的「瀝青混凝土品質判釋圖」，設計適用在不同鋪面結構設計標的的瀝青混凝土配比。
五、結論與建議
本研究嚐試綜合理想抗車轍與抗開裂試驗兩種瀝青混凝土檢測法，以平衡配比設計的概念探究瀝青混凝土的品質，以分別在四個不同熱拌廠取得的七種不同類型的廠拌瀝青混凝土試樣，在實驗室依照標準程序求得50℃的抗車轍指數及25℃的抗裂指數，綜合試驗數據分析的成果，得到以下的結論：
1. 理想的抗車轍試驗是將經短期老化的試樣，壓製成空隙率為7%的標準試體，在50℃以慣用的荷重速率配以特殊的承壓基座，將間接張力線形荷重的最大荷重值換算為抗剪強度，再去除單位成抗車轍指數；從試體破壞的狀態得以直觀驗證為剪力破壞。
2. 理想的抗開裂試驗則將試樣經長期老化模擬後再壓製成空隙率為7%的標準試體，在25℃以慣用的荷重速率執行間接張力試驗，根據裂縫成長速率的破壞理論，利用峰後曲線分析計算抗裂指數；從不同類型瀝青混合料的峰後曲線差異，可明顯判定抗裂指數的差異。
3. 試驗精度方面，本研究七種不同瀝青混合料試樣，合計21個試驗數據求出以變異係數描述的單一實驗室試驗精度，50℃的抗車轍指數為9.7%，符合文獻所述的10%以下；25℃的抗裂指數部份則因橡膠瀝青混合料的試驗變異較高的影響，高達23.5%。
4. 與一般密級配對比，改質及添加刨除料提高50℃抗車轍指數，但也使25℃的抗裂指數降低；橡膠瀝青越級配則有很高的25℃的抗裂指數，但50℃抗車轍指數較低。
5. 以理想的抗車轍與抗開裂兩種試驗方法建構的廠拌瀝青混合料檢驗程序，實驗室可於三個工作天內完成試驗，將檢測成果點繪在以25℃抗裂指數平均值(X軸)及50℃抗車轍指數平均值(Y軸)建立的「瀝青混凝土品質判釋圖」上，可用以判定該材料在不同鋪面結構層的適用性。
6. 若引用美國路面工程界的經驗，以25℃抗裂指(數CTindex ) = 50、50℃抗車轍指數(RTindex ) = 75為臨界值，本研究取得的兩種添加刨除料的密級配混合料，若用在面層皆有無法抗開裂的顧慮，橡膠瀝青越級配則具很高的抗開裂能力，若用在鋪面結構的中間層則較難抗變形。
從本研究對不同瀝青混凝土的品質檢測數據探究，瀝青混凝土的品質判定應搭配路面結構設計標的，用在面層、聯結層、及底層，所需的超、硬、及軟的程度不同；理想的抗車轍及抗開裂試驗相對容易建置，第一線的熱拌廠應以平衡配比設計概念，建立結合不同鋪面結構設計標的的「瀝青混凝土品質判釋圖」經驗，確保產製的瀝青混凝土符合品質成效需求；材料設計單位則可依平衡配比設計概念用綜合這兩種試驗獲得的「瀝青混凝土品質判釋圖」，設計適用在不同鋪面結構設計標的的瀝青混凝土配比。
六、參考文獻
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10. Zhou, F., R. Steger, and W. Mogawer. Development of a coherent framework for balanced mix design and production quality control and quality acceptance. Construction and Building Materials, Vol. 287, 2021.
11. 邱垂德、潘子儀、石靖嵐、楊朝福、蔡璨隆、陳威溢、郭孟鑫，以平衡式配比設計法精進越級配橡膠瀝青混凝土之材料配比，台灣公路工程第50卷第3期， 2024年6月。
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