同時以「成效」設計及檢驗瀝青混凝土

以設計強度檢驗水泥混凝土是再自然不過的事了，但，「以設計強度檢驗瀝青混凝土? 」則似乎是未曾聽聞的事!

瀝青混凝土的配比設計主要依據組成材料間的體積關係，而檢驗瀝青混凝土的品質，則採用分離黏結料來確認其組成符合設計。這主要是源於黏結料本質上的差異，有機及黏彈性，使得瀝青材料因老化程度不同、檢測溫度差異、及受力型態(荷重大小及荷重時間)不同，而呈現不同的反應，單一的「強度」對瀝青混凝土而言可以說是遙不可及的「指標」。利用平價簡單的抗車轍指數和抗開裂指數兩種指數型成效試驗，不但得以在配比設計階段，在抗變形和抗開裂能力間取得平衡，亦能在品質管制階段，以該等成效試驗檢測材料品質，完善品管檢驗與原材料設計試驗的一致性及有效性。

瀝青混凝土的配比設計概念可追溯至蘇格蘭人約翰馬克當(John MacAdam)，於1816年「有計畫地」混鋪各種不同粒徑的碎石，以獲得堅固的路面，隨後再發展成「依粒徑大小分層撒播粒料，再噴灑柏油使其灌入」的「柏油馬克當(Tar  Macadam 」(亦即台灣俗稱的「搭嗎嘎」)；搭嗎嘎盛行百餘年直到二十世紀才被高度自動化的廠拌瀝青混凝土取代。(詳參「瀝青配比設計的前世今生--有趣又有深意的瀝青混凝土配比設計演進史」)

美國路面工程界新近推出的「平衡配比設計(Balanced Mix Design, BMD)」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，在指數型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，以成效設計適用於不同結構層的瀝青混凝土，以全面提昇鋪面的服務成效。(詳參「在鋪面疲勞開裂與車轍變形兩種成效間取得平衡」)

依照AASHTO PP105 Standard Practice for Balanced Design of Asphalt Mixtures, 從過渡BMD到全面BMD，可有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)、及直接用成效試驗做配比最佳化不規定體積性質(D法)，共四種選擇；橡膠瀝青研究團隊基於「永續鋪面四策略」建議選用對組成原料較少限制的D法，並且引用超級鋪面法的旋轉壓實曲線顯現的體積特徵，納入傳統配比的設計粒料架構概念，建議採用的平衡式配比設計流程如下圖所示。該配比設計流程規劃為各種不同類型的瀝青混凝土皆適用。

橡膠瀝青研究團隊提出的平衡式配比設計流程

整理本研究依建議流程執行含刨除料橡膠瀝青越級配的配比設計(詳4.3節配比設計例)的主要試驗步驟照片，依序說明如下：(詳參「橡膠瀝青混合料平衡式配比設計報告」)

抗車轍指數和抗疲勞指數兩種指數型成效式試驗，設備投資價格不高且試驗方法不複雜，適合做為常規性的品質檢驗項目，得以實現品管檢驗與原材料設計試驗的一致性及有效性；本團隊提出的所謂新式瀝青混凝土材料檢驗法的流程如下圖所示。

該檢驗程序中採用的取得試樣再烘熱分樣，及短期老化(Shot Term Oven Aging, STOA)和長期老化(Critical Aging, CA)模擬，都是採用NCAT建議的方法，其中以SGC旋壓試體成型的溫度，NCAT建議用「夯壓溫度」，研究團隊基於SGC旋壓對在夯壓溫度範圍的溫度差異不敏感，考慮試驗流程的一致性及效率，沿用再烘熱分樣採用的150℃，適用各種熱(溫)拌瀝青混凝土材料。

本團隊經驗顯示，在實驗室以150℃烘2小時後分樣至特大、大、及小共三種方盤，分別供三種不同試驗使用，特大方盤的試料冷卻後執行理論最大密度試驗，大方盤試料則進行以壓實曲線分析體積特性；成效試驗用的小方盤試料(1)再經150℃烘1小時後旋壓成短期老化(STOA)成效試驗試體，(2)先經135℃烘8小時，再經150℃烘1小時後旋壓成長期老化(CA)成效試驗試體；STOA試體執行50℃抗車轍試驗(ASTM D8360-22)，而CA試體則執行25℃抗開裂試驗(ASTM D8225-19)；合計共需執行2個理論最大密度、2個壓實曲線、4個抗車轍指數試驗、及4個抗開裂指數試驗，約需耗用32.9公斤試料，大約是5加侖桶裝滿試料的量。

本研究基於早期旋轉壓實試驗機(Gyratory Testing Machine, GTM)得以用來測得抗剪力，並且在旋壓過程判斷試料的穩定性，正如以校正回算初始圈數在滾壓溫度旋壓狀態下的空隙率是否在11%~17%之間；而本研究採用越級配設計時避免細料過多並形成粒料構架(SMA的粗粒料顆粒形成的構架)的觀念，建議一律旋壓至最大圈數，用頂出試體的Gmb值校正回算三個圈數的空隙率，並引用原體積關係界值判斷試料的品質，其實主要在判斷最大圈數時空隙率是否太低而有重壓冒油車轍的疑慮。本研究期間取得不同熱拌廠拌製的三種瀝青混凝土，依上述方法求得的壓實曲線比較，如下圖所示；圖中一般AC-20密級配(含油量5.3%)判斷為正常耐重壓，高溫旋壓至最大圈數空隙率仍在2%以上，設計圈數則可在3%~6%之間，初始圈數也能在11%~17%之間；二條ARGG曲線是鋪築新北大橋主橋面的連續二天分別取得的試樣，含油量都是8.0%，過#4篩的百分比的差異也反應在曲線的明顯的上下移動；而25mm改質密級配則是含油量4.5%的粗型密級配，粒料間空隙率(VMA)較低，高溫重壓至最大圈數時進入禁區(空隙率低於2%)。研究團隊認為面對多樣化的環保材料，特別是添加刨除料時，此種方式得以迅速偵測得細/油料過多不耐重壓的問題，可以協助檢測低碳高效面層材料，但有可能不適用於VMA較低且含細料較多的密級配。

兩種指數型成效試驗的檢測都已有ASTM的標準可參照，但都必需與鋪面實際成效契合，目前的相關經驗數據還很有限，開發該兩標準的試驗數據似乎沒有包括橡膠瀝青越級配(ARGG)，而本研究測得的ARGG試樣數據，顯示有抗開裂指數偏高，抗車轍指數偏低的現象，如下表所示；因此，以本團隊的經驗，建議暫以旋壓試體空隙率6%~8%之間為目標，並提報4個試樣成效試驗的平均值以提高精度。NCAT相關研究指出「抗開裂指數試驗對試體空隙率很敏感且違反常理(空隙率低試驗值高)，因此，建議該試驗要確認對空隙率7.0±0.5%的試樣進行」；NCAT的研究都是廠拌實驗室旋壓製(PMLC)或是實驗室拌製實驗室旋壓製(LMLC)的試體，沒有針對鋪成路面鑽心試體的測試數據，因為抗開裂指數試驗的目的，在於評估瀝青混凝土實際抗開裂能力，特別是「由上而下」疲勞開裂，應針對經長期老化模擬後的試體，沒有必要對鋪成路面的鑽心試體執行。抗車轍指數試驗則相對較單純，方法標準中說明空隙率不是7.0%的檢測值，可以用經驗關係式計算校正成空隙率為7.0%的相應值，可用以檢測鋪成路面鑽心試體。

本研究測得四種不同瀝青混凝土的指數型成效試驗數據

橡膠瀝青團隊以新式的成效試驗在實驗室測得的各類瀝青混凝土數據，點繪在「品質判釋圖」上，如下圖所示，圖中點繪該團隊在2024至2025研究期間，於熱拌廠取樣依標準程序經老化模擬再旋轉成空隙率7%的試體，測得的多種瀝青混凝土的成效試驗數據；由圖可知橡膠瀝青越級配(ARGG)是非常好的抗開裂材料，抗開裂指數大約在200~500的範圍，遠高於美國鋪面工程界建議抗裂需求的臨界值>50，但抗車轍指數則較低，大約在30~60之間，低於一般密級配的65；抗車轍指數是較新的成效試驗，目前美國路面工程界尚未有明確的臨界值提出，少數單位對改質密級配有抗車轍指數需大於75的建議；或許抗車轍指數試驗不適用於評估越級配的抗車轍能力，基於國內外橡膠瀝青越級配用在表面層不但不會有車轍疑慮反而有抗車轍較佳的的實務經驗，建議暫時將橡膠瀝青越級配的抗車轍指數的臨界值定為30。

加入RAP或許多改質劑都有使瀝青混凝土勁度變大的抗車轍效果，此時則應注意鬆弛特性(Relaxation Properties)不足的問題，沒有足夠的鬆弛性則將出現疲勞開裂或低溫龜裂的問題，抗開裂指數試驗顯然可以用來判斷有否足夠的鬆弛性或柔性，上述品質判釋圖中亦顯示兩種改質密級配都沒有明顯提高抗開裂能力。橡膠改質密級配的數據較少，圖中的「RMB密」是用試驗路面廠拌樣品(含油量5.0%)提高油量複拌試樣(5.6%)測得的數據，如預期顯示改質的效果，但因試料不足且誤差偏高，仍待後續試驗確認。