橡膠瀝青混合料平衡式配比設計報告
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, RECA-114-021)」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，在實驗室研發創新材料設計，提出以平衡式配比設計(Balanced Mix Design, BMD)法設計含刨除料的橡膠瀝青混合料；國內尚未有正式的執行程序與報告提交方式，本文紀錄該研究團隊在實驗室試執行的含刨除料橡膠瀝青平衡式配比設計成果以供參照。內容除第一節說明該團隊建議的配比設計流程，及結算試驗材料量與各類試驗數量計算外，其餘各節依配比設計試驗報告的提出型式列出試驗成果。(詳參「同時以「成效」設計及檢驗瀝青混凝土」)
一、建議的平衡式配比設計流程及試樣準備
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。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。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；環境部研究團隊基於「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來納入設計越級配粗粒料架構概念，採用的平衡式配比設計流程如下圖所示。
本團隊試設計的橡膠瀝青混合料為越級配，期待添加30~50%的刨除料，故在選定組成材料階段，在熱拌廠的料場取得代表性試樣，計有1公分、0.8公分、及砂，共三種用來組成越級配的新粒料，及經該廠軋製篩分的粗、細兩種刨除料，取用的材料數量估算如下：
- 第一階段設計粒料架構：三種合成級配每種拌製三份約5公斤混合料試樣(其中一份分樣後做兩個理論最大密度試驗，餘二做旋轉壓實曲線試驗)，合計45公斤試驗材料，保守估計用50公斤計算，其中新粒占70%取35公斤、刨除料占50%取25公斤。
- 第二階段以成效試驗決定最佳瀝青用量：選定粒料架構用三種瀝青用量拌製五份約5公斤混合料試樣(其中一份分樣後做兩個理論最大密度試驗，餘四份分樣後旋壓成效試驗試體共8個)，合計75公斤試驗材料，保守估計用80公斤計算，其中新粒占70%取56公斤、刨除料占50%取40公斤。
合計兩個階段應取新料共91公斤(56+35=91)，刨除料應取65公斤(25+40=65)；實際取樣時新料約取100公斤(1公分40、0.8公分40、砂20)，刨除料約取70公斤(粗細各35)；橡膠瀝青則取用執行試辦案時於熱拌廠取得的橡膠瀝青，二階段共拌製24盤混合料，以8%瀝青用量估算約需9.6公斤(24*5*0.08=9.6)，取三桶一加侖桶橡膠瀝青。依此規劃，預計執行的試驗項目及數量如下表所示。
二、選定組成材料
1. 粒料篩分析
2. 刨除料瀝青含量及粒料級配
3. 混合粒料級配
4. 三種試拌粒料級配比較圖
5. 配料計算
配製混合料試樣時，以5加侖桶拌合機一盆拌製4700公克瀝青混合料計算，考量新料與刨除料的加熱溫度和時間不同，要將新料與刨除料分別配置，配料時都準確至1/2”、3/8”、#4、#8、及#8以下共5種，方法是依組成比例配好料後篩成5分部再依級配配料，刨除料中的瀝青量視為全部有效，亦即「再生黏結料的可用性(recycled binder availability, RBA)」選為100%。以A級配為例：粗RAP占25%、細刨除料合5%，設計瀝青含量(Design Asphalt Content, DAC)為8.0時，拌製4700公克混合料，需用粗RAP 1,175公克、細RAP 235公克，總黏結料量376公克，扣除粗RAP貢獻的46.4公克(3.95%)及細RAP貢獻的14.9公克(6.35%)，需新加入橡膠瀝青量為315公克。
三、以旋轉壓實曲線選定粒料架構
1. 試拌A(1公分40%、0.8公分30%、粗RAP25%、細RAP5%)
2. 試拌B(1公分30%、0.8公分20%、粗RAP50%)
3. 試拌C(1公分40%、0.8公分20%、粗RAP30%、細RAP10%)
4. 三種試拌料之旋轉壓實曲線比較
四、以成效試驗決定最佳用油量
1. 總黏結料量DAC=8.0%的成效試驗數據
2. 總黏結料量DAC+0.5=8.5%的成效試驗數據
3. 總黏結料量DAC+1.0=9.0%的成效試驗數據
4. 總黏結料量與抗開裂及抗車轍能力關係圖
五、設計成果
1. 建議配合比(拌合公式)
依據旋轉壓實曲線選定A(1公分40%、0.8公分30%、粗刨除料25%、細刨除料5%)組成材料的粒料架構，如下表，合成級配曲線如下圖。
2. 設計抗開裂指數與抗車轍指數
依兩種成效試驗數據，為獲抗車轍及抗開裂的平衡，並考慮刨除料中的瀝青量視為全部有效，亦即「再生黏結料的可用性(recycled binder availability, RBA)」選為100%，選定總黏結料量為8.5%，比不含刨除料橡膠瀝青越級配慣用的8.0%高0.5%；「再生瀝青比(recycled binder ratio, RBR)」為15.3%，比一般添加30%刨除料的密級配(RBR=24%)低8.7%；扣除刨除料中的瀝青，每公噸橡膠瀝青用量為67公斤，亦即橡膠瀝青占混合料6.70%。此時混合料的50℃抗車轍指數為57，25℃抗開裂指數為445。
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