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 瀝青黏結料分級的演進歷程

AASHTO M332與AASHTO M320的區別，在於短期老化後試樣的抗車轍能力檢測方法改為與成效較相關的MSCR，試驗用儀器與 M320中的DSR相同，只要針對控制及分析軟體做些修改即可。

「應檢成效性質相同，以檢測溫度分級」：Superpave 黏結料規範不再以固定溫度測得的性質(針入度或黏滯度)分級，而是要求應有的共通特性(抗車轍和抗開裂)，以設計路面溫度做為檢測溫度並據以分級； 也就是「應檢成效性質」相同，以「成效檢測溫度」分級。詳參「瀝青的成效分級制(PG Grades) 」及「PG64-22適用嗎?」

美國在上個世紀末的策絡性公路研究計畫(Strategic Highway Research Program, SHRP)中，實證選用正確黏結料對路面服務成效的顯著影響[5]；在SHRP之前，沒有直接檢測瀝青黏結料成效的方法，黏結料的分類採用25℃針入度及或60℃黏滯度，無異於用軟硬程度判別等級；SHRP開發的黏結料成效分級(Performance Graded, PG)，則植基於黏彈性材料理論，用動態剪力流變儀(Dynamic Shear Rheometer, DSR)及撓曲梁流變儀(Bending Beam Rheometer, BBR)量測不同溫度下的抗變形與抗開裂特性，可以說是直接量測黏結料的成效，如圖1所示。




圖1 美國超級鋪面瀝青成效分級的兩種黏彈性試樣流變試驗示意圖

瀝青路面的車轍變形都是在鋪成初期發生，隨時間拉長則因瀝青老化變硬而愈不明顯；但，開裂，包括疲勞開裂及溫縮龜裂，則是經長時間老化變硬後更明顯。因此，圖1中用DSR求得的代表抗車轍變形能力參數(G*/sin𝛿)，要針對經短期老化後的試樣；抗開裂參數，包括用DSR求出的G*sin𝛿，及用BBR求得潛變勁度S和斜率m，分別用以判斷抗疲勞開裂及抗低溫龜裂的能力，則應針對經長期老化後試樣。

這種所謂超級鋪面(Superpave)黏結料規範(AASHTO M320)，又稱為成效分級(Performance Graded, PG )黏結料規範，判斷黏結料的等級時，採用標準檢測步驟(AASHTO R29)搭配「時間溫度疊換(Time-Temperature Superposition)原理」簡化試驗程序，測出受測試樣符合抗車轍變形要求(G*/sin𝛿 >1.00kPa)的最高溫度，及符合抗低溫龜裂要求(S<300kPa, m>0.30)的最低溫度；PG黏結料規範的高溫級以6℃為區間，從52、58、64、72、及76共五級，低溫級別則從-10、-16、-22、-28、-34、-40、到-46，最多可有七個級別，如表1所示，檢核抗疲勞開裂要求(G*sin𝛿<5,000kPa)的溫度則為：4+(高溫級+低溫級)/2，例如PG64-22級規範，檢測抗疲勞開裂要求的溫度為：4+(64-22)/2=25℃。

表1 美國一般瀝青黏結料的成效分級規範


美國各州公路局使用AASHTO M320時，大都會再針對設計車速較慢或重交通荷重，採用「高溫跳級(Temperature Bumps)」，例如將PG58-28針對設計車速較慢或重交通荷重，提昇至PG64-28，對場站鋪面或高量重交通荷重，提昇至PG70-28，如圖2所示。


圖2 成效瀝青分級(PG)系統採用的「高溫跳級(Temperature Bumps)」

Superpave黏料規範原規劃要能通用於各種不同類型的黏結料，但，表1中的成效分級規範是依一般鋪路用石油瀝青開發，不適用於改質瀝青；針對聚合物改質瀝青，研究顯示應採用多重應力潛變與回復試驗(Multiple Stress and Creep Recovery, MSCR)的瀝青黏結料成效分級規範(AASHTO M332)，如表2所示。

表2 美國用多重應力潛變與回復試驗(MSCR)的瀝青黏結料成效分級規範


MSCR試驗是以DSR對瀝青試樣施剪應力1秒後(此時應變為γ1)，解除應力讓試樣回復9秒(此時應變為γ10)，測得應變回復(含彈性回復及延遲單性回復)，計算得「不可回復的潛變順變(Jnr)」及「回復率(%R)」，大小兩種剪應力(3.2kPa及0.1kPa)重復10次取平均值；


另，可比對試樣對應力大小的敏感度，稱為Jnr, diff：



從實際路面成效獲得的經驗顯示，以剪應力3.2kPa測得的不可回復潛變順變(Jnr, 3.2)與實際路面抗車轍成效的關係優於G*/sinδ；在AASHTO M332中，依當地氣候狀況選定的最高鋪面設計溫度，測得短期老化試樣的𝐽𝑛𝑟, 3.2，該值(單位為kPa-1)越低越能抗車轍，且不再使用高溫跳級，如表2所示，並依照𝐽𝑛𝑟, 3.2<4.5, <2.0, <1.0, 及<0.5區分用於一般(Standard)、重(Heavy)、很重(Very heavy)、極重(Extremely heavy)四種交通荷重狀況。另，代表對不同應力敏感度的𝐽𝑛𝑟, diff 越低越好，一般建議不要超過75%，且若J𝑛𝑟, 3.2 <0.5，則不必有敏感度的限制，如表2所示。

AASHTO M332中沒有回復率(%𝑅𝜏)的規定，但對聚合物改質瀝青而言，MSCR測得的回復率(%𝑅𝜏)愈高，則黏結料具有愈可靠的彈性體分子交聯網絡；相關研究提出AASHTO回復率迴歸線概念，如圖2所示，回復率值在圖中迴歸線以上的黏結料，具有可靠的彈性體分子交聯網絡，該研究也證實比彈性回復率(resilience)、韌性(toughness)、及延韌度(tenacity)等傳統改質瀝青試驗參數，能更可靠地展現高分子聚合物融入瀝青中的效果。



圖2 AASHTO MSCR回復率代表彈性體分子交聯網絡概念

美國佛羅里達州公路局瀝青黏結料成效分級規範，同時規定不可回復潛變順變、應力敏感度、及回復率三個MSCR檢測參數(Jnr, 3.2、 𝐽𝑛𝑟, diff、及 %𝑅3.2 )詳參「新式改質瀝青規範解說」。



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