瀝青混凝土成效試驗與平衡式配比設計

重點整理NCAT主任Dr. Randy West來台演講(Performance Tests & Balanced Mix Design)

因應未來高效低碳的道路養護需求，環境部資源循環創新及研究發展計畫支助的「以廢輪胎橡膠推動道路養護資源循環減碳技術(RECA-113-034)」以「輪胎循環高值化、道路養護低碳排」為願景，沿續歷年廢輪胎橡膠鋪路的成果，結合歐美實證可行的溫拌技術，除了在實驗室研發創新材料設計，也實廠實地測試化解業界疑慮，並委託美國瀝青科技中心（NCAT）執行部份測試以補不足，特邀NCAT主任Randy West博士來台進行技術交流，於2024年6月20日下午於公路局工程材料技術所主講「瀝青混凝土成效試驗與平衡式配比設計(Performance Tests & Balanced Mix Design)」。中譯該演講投影片製成之影片如下，本文重點整理該演講的內容。

為何從超級鋪面配比設計轉向平衡式配比設計?

Dr. Randy West很直接地說，因為「美國各州公路局及產業界都承認「超級鋪面設計法」沒有兌現其承諾(DOTs and industry acknowledge that Superpave (Superior Performing Pavements) has not lived up to its promise. )」。美國一年要執行數千個瀝青混凝土的配比設計試驗[1]，然30年前開發的Supeerpave配比設計法，原意為用混合料成效試驗和分析模型來填補傳統體積特徵配比設計法的不足，在低交通量(Level I)延用傳統體積特徵為原則，中(Level II) 、重(Level III)交通量則應搭配成效試驗；可能是偏重於理論的完整性，當時選用的成效試驗不只有儀器昂貴無法普及，試驗程序也過度複雜不符合常規試驗需求，導入美國鋪面工程界時普遍認為不切實際而無法落實，使得超級鋪面配比設計法實際上只剩Level I的體積特徵成為主要控制項(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」及「超級鋪面(Superpave)配比設計法」)，無法符合複雜的鋪面成效實務狀況。

在Superpave剛推出的時期(大約是距今30年前)，美國路面工程界主要聚焦在車轍變形的問題，超級鋪面剪力試驗機(Superpave Shear Tester (SST))，及超級鋪面間接張力試驗機(Superpave IDT)試驗方法過於複雜且成本過高，只有「區域超級鋪面中心(Regional Superpave Centers)」購得，無法用於日常使用。

由喬治亞州開發的實驗室輪荷重車轍試驗儀，後改稱瀝青鋪面分析儀(Asphalt Pavement Analyzer, APA)，獲12個州公路局採用，也提出AASHTO T340做為試驗方法標準，直到近年來，隨著漢堡輪跡試驗變得越來越流行，APA使用才變少。

Superpave實施10年後，許多州體認到依該法設計的瀝青混合料太乾(瀝青量偏低)，而出現應提高耐久性的需求；部份研究建議調整體積性質的界值，與WMA、RAP、RAS、REOB相關的研究也都指出在配合比設計中需要有可靠的抗開裂成效試驗。這些研究分散，沒有國家級計畫探究抗開裂試驗，市面上因此出現許多不同的抗開裂試驗。(相關議題可參「美國瀝青科技中心探究瀝青面層抗開裂能力及檢測方法」)

除了成效試驗設備的缺憾外，Superpave配比設計法仍以體積性質為主，最具關鍵的混合料性質是空隙率 (Va) 和有效瀝青體積 (Vbe)；這兩項體積特性並不能提供任何有關黏結料品質或不同黏結料成分和添加劑之間相互作用的資訊，有效瀝青體積 (Vbe) 主要由粒料虛比重計算 (Gsb)，而粒料虛比重是很不可靠的材料參數，檢測的精度很差，且可能會隨著時間的推移而發生變化，但不常得到驗證；用在再生瀝青混合料的配比設計時，測得的刨除料虛比重有問題。

因此，面對日新月益的永續創新材料，像是屋頂防水材、篩分破碎後刨除料、胎磨橡膠、溫拌劑、再生劑、及改質劑等，使用現行以體積性質為主的瀝青混凝土配比設計，不可能同時優化這些材料的性能和永續性。(可參「 美國瀝青科技中心對橡膠瀝青及橡膠改質瀝青的經驗」)

平衡式配比設計(Balanced Mix Design)

所謂平衡式配比設計(BMD)是一種新的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及用在鋪面結構層中的位置，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。可參「在鋪面疲勞開裂與車轍變形兩種成效間取得平衡」

採用平衡式配比設計可以打破傳統體積特性的束縛，用更合理且與實際使用成效搭配的方法，提昇成效、實現創新、最佳化成本並且提昇永續性。

哪些試驗(What are the tests)?

從瀝青鋪面的主要破壞形態來看，有永久變形、疲勞開裂、及低溫龜裂等三種，在配比設計時應該分析考量這些破壞潛勢，再加上水敏感性測試(抗水侵害評估)。(可參「超級鋪面配比設計法中的混合料成效試驗」)

抗水侵害評估

車轍試驗(Rutting Tests)

永久應變曲線中應變速率達到最小值的點定義為流數。流數大代表較能抗車轍變形。

路面出現的不同開裂型式

疲勞試驗(Fatigue tests)

低溫開裂試驗(Low Temperature Cracking Tests)

目前實施概況

依照AASHTO PP105 Standard Practice for Balanced Design of Asphalt Mixtures, 從過渡BMD到全面BMD，可有四種選擇：

• 體積設計為主附加成效臨界值(A法)
• 以體積設計求得用油量後用成效試驗最佳化(B法)
• 以成效試驗為主調整體積性質(C法)
• 直接用成效試驗做配比最佳化不規定體積性質(D法)

Source: NAPA BMD Resource Guide: https://www.asphaltpavement.org/expertise/engineering/resources/bmd-resource-guide