新式瀝青混凝土品質檢測法

2023-05-08

千呼萬喚始出來…取名為「理想的」開裂試驗(Ideal Cracking Test)及「理想的」車轍試驗(Ideal Rutting Test)…其實很現實：務實地應用既有簡單的儀器搭配不同的承壓模及數據分析方法，既能評估抗變形(車轍)能力，也能評估抗開裂(疲勞)能力。

圖1、美國「理想的」抗開裂與抗車轍試驗方法示意圖 


理想的瀝青混凝土成效試驗，要能(1)評估預備提出的瀝青混凝土配方的預期成效；(2)判斷不同材料或是不同設計方法的可能成效；(3)直接判定瀝青混凝土的品質優劣。以往投入的許多瀝青混凝土的成效試驗研究(詳參「如何評估不同鋪面材料的使用成效？」)，為達成成效試驗的理想奠定了基石。

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，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]。


表1、美國AI MS-2配比設計手冊建議的瀝青混合料成效試驗[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，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。(詳參「超級鋪面配比設計法中的混合料成效試驗」) 

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，目前已經成為主要的破壞型式了。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明顯。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。美國NCAT最新的研究成果，以在測試道實際荷載比對實驗室試驗數據，強烈建議以CTindex做為評估面層抗「由上而下開裂」的指標，詳參「美國瀝青科技中心探究瀝青面層抗開裂能力及檢測方法」及「在鋪面疲勞開裂與車轍變形兩種成效間取得平衡」。

美國路面工程界從2015年開始關注平衡配比設計(BMD)，要能在車轍變形與疲勞開裂間取得平衡（詳參「在鋪面疲勞開裂與車轍變形兩種成效間取得平衡」)，必須要有完善的抗車轍變形與抗疲勞開裂至少兩種成效實驗。由於沒有簡便的車轍試驗，迫使許多州公路單位仍採用直觀的輪荷重試驗；根據美國瀝青科技中心(National Center for Asphalt Technology, NCAT)的問卷調查[3]，漢堡輪跡試驗(Hamburg Wheel Tracking Test, HWTT)是最多州公路單位認為具潛力可以評估抗車轍變形的試驗。像HWTT這種需要地域性的實際路面成效對照驗證的「酷刑測試(torture test)」，若是能通過，則大體上實際成效應該不差，但未能通過的混合料，實際成效也可能沒問題；NCAT溫拌(WMA)與熱拌(HMA)的對照實驗報告也證實了這種狀況，早在2009年NCAT測試道的實驗即指出，WMA與相對照的HMA在抗車轍的表現上沒有不同，雖然實驗室的HWTT評估結果指出WMA的抗車轍能力較差；在2014年提出的報告，則指出有超過25個WMA對照HMA路段，每個路段的廠拌WMA與對照HMA試樣執行HWTT的試驗數據顯示，59%的WMA試樣與對照HMA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WMA試樣測得明顯比對照HMA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WMA與其對照HMA的成效一致，明顯與實驗室HWTT評估的車轍成效不同[3]。

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2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剪力強度。  

圖2、理想的抗車轍試驗示意及ASTM D8360列出的兩種承壓底座[4, 5, 6] 


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；在50℃執行求得的剪力強度(或抗車轍指數)，代表抗車轍變形能力。瀝青混凝土平衡配比設計的理念可以在一般QC/QA的實驗室落實，如圖3所示，累積足夠的經驗後應可建立適當的品質界限，例如25℃抗裂指數必須大於50，50℃剪力強度必須大於850kPa，實現以土木工程師慣用的力學性質檢測熱拌瀝青混凝土的品質，若再有工程師問「如何評估瀝青混凝土的品質?」「這兩種不同的瀝青混凝土哪一種較好?」以BMD的理念用圖3的程序同時評估瀝青混凝土的抗開裂與抗變形(車轍)能力，似乎可有較好的答案。 

註：SGC指旋轉壓實機

詳參「超級鋪面配比設計法」


圖3、以平衡配比設計理念建立的瀝青混凝土品管程序 


參考文獻

  1. The Asphalt Institute, Asphalt Mix Design Methods, Manual Series No. 2 (MS-2), 7th edition, 2014, Chapter 1 & Chapter 10.
  2. Fujie Zhou, Soohyok Im, and Sheng Hu, "Development and Validation of the IDEAL Cracking Test," TRANSPORTATION RESEARCH CIRCULAR E-C251 Relationship Between Laboratory Cracking Tests and Field Performance of Asphalt Mixtures, ISSN 0097-8515.
  3. Randy West, Carolina Rodezno, Fabricio Leiva, and Fan Yin, Development of a Framework for Balanced Mix Design, Final Report to the NCHRP 20-07/Task 406, August 30, 2018.
  4. Fuji Zhou, Ideal Rutting Test, Connecting the DOTs, March 27, 2020.
  5. Andrew Cooper, Rutting and Ideal RT Testing, Balanced Mix Design News, July 17th, 2020.
  6. ASTM D8360-22, Standard Test Method for Determination of Rutting Tolerance Index of Asphalt Mixture Using the Ideal Rutting Test. 
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