熱拌瀝青混凝土的溫度 - 拌合與滾壓溫度的選擇及檢測方法
量測瀝青混凝土拌合與滾壓溫度的方法與規定
以往用黏結料的等黏度溫度選定
瀝青膠泥在高溫或荷重時間較長時，呈現黏性流體的特徵，在低溫或荷重時間較短時，則呈現彈性固體的行為，一般服務溫度下則具有黏性與彈性雙重特性，稱為黏彈性材料(viscoelastic material)。在熱拌廠的製程中，乾燥加熱升溫的粒料與加溫呈黏性流體噴入的瀝青，在熱拌廠的拌合機或乾燥拌合鼓的後段相遇，經由拌合使瀝青均勻裹覆粒料顆粒；在拌合機提供的機械能量固定的條件下，能否完整裹覆粒料顆粒，除了粒料顆粒大小(表面積)及相對量外，主要受瀝青膠泥的流動性也就是黏滯度影響；運至工地鋪築滾壓時，以均勻鋪築且滾壓至最適空隙率為目標，在鋪築滾壓能量固定的條件下，除了粒料顆粒大小(級配)及相對量(瀝青含量)外，均勻裹覆在粒料表面的瀝青扮演潤滑的作用，此時的瀝青黏滯度也是能否順利壓密至所需空隙率的關鍵因素。因此，文獻上一直有熱拌瀝青混凝土的製程溫度，也就是拌合及滾壓溫度由瀝青的黏度決定，也就是所謂「以黏結料的等黏度溫度(equiviscous binder temperature)決定拌合與滾壓溫度」的理論基礎[1]。
對改質瀝青來說不實際
美國上世紀末提出的超級鋪面配比設計[2]，規定要先求出黏結料的黏度與溫度關係曲線，並在該曲線上計算出黏滯度分別為0.17及0.28Pa.s的兩個溫度，分別做為拌合溫度及滾壓溫度[3, 4]，如圖1所示。一般瀝青膠泥在高溫的流變特性屬於牛頓流體(Newtonian Fluid)，黏滯度不因剪變率(Shear Rate)而改變，也就是固定溫度下黏滯度為定值，且以黏結料的等黏度溫度求得的拌合溫度大都在120至165℃之間[1]；添加高分子聚合物改質的瀝青，包括添加廢輪胎橡膠粉的橡膠瀝青(Asphalt Rubber, AR)，在高溫的流變特性則為非牛頓流體(non-Newtonian Fluid)，黏滯度因剪變率不同而改變，也就是固定溫度下黏滯度不為定值，而是受剪變率大小的影響，因此，不能以該類黏結料的等黏度溫度求得拌合或滾壓溫度；大部份研究顯示改質瀝青的非牛頓流體特徵屬於「假塑性(pseudoplastic)」，也就是黏滯度因剪變率變大而降低，因此，包括橡膠瀝青在內的改質瀝青，以黏結料的等黏度溫度決定拌合與滾壓溫度時，必須考慮拌合與滾壓程序對黏結料施加的剪變率，若未考慮剪變率的影響，硬是以低剪變率求得的黏度溫度關係求算滾壓溫度，很可能超過160℃，這種滾壓溫度在工程實務上不僅很難執行也沒有必要[1]。
圖1 以Brookfield黏度儀用黏度與溫度關係曲線求得拌合與滾壓溫度示意圖[3]
理論上來說，瀝青混合料的體積特性由組成材料之間的相對體積而定，不受瀝青膠泥勁度(黏度)影響，也就是說，無論採用哪一種瀝青膠泥，依體積特性決定的最佳瀝青含量都一樣；但在實務上，以衝擊能量夯製試體(馬歇爾法)受瀝青勁度影響，特別是採用改質瀝青時，總是出現較高的空隙率，因而出現需調高瀝青含量的狀況。在配比設計時規定拌合與夯壓溫度的目的，是為了將瀝青膠泥勁度對混合料體積特性的影響正常化並確保一致[5]，因此，以黏結料的等黏度溫度決定拌合與滾壓溫度，雖然不務實確仍一直沿用遵行，至於熱拌廠的製程溫度及鋪築工地的滾壓溫度，則只要確保品質，容許更多與氣候條件和機械設備變異需要的彈性。例如，一般瀝青以黏結料的等黏度溫度決定的拌合溫度分別為155℃及145℃，則在實驗室執行配比設計時會要求拌合與夯壓溫度分別就是155℃及145℃，但是實際鋪築工地施工時只規定初壓溫度必需高於120℃。
能不能拌勻與壓實才是關鍵
美國在2004年開始較大規模採行WMA，大都直接按傳統HMA的原設計，再依照溫拌技術供應商提供的方法與建議直接將製程溫度降低，大體而言，除了以指定的溫拌技術降低拌合溫度和滾壓溫度外，沒有改變原拌合公式(亦即瀝青和各類粒料組成沒有改變)，甚至品質管理的方法也只有微幅的調整。也許是直接把製程溫度降下來的好處太過明顯，而工程實務上又沒有出現什麼不良的狀況，這種「新」材料仿佛不需要有搭配的新設計方法，許多州公路單位以這些早期的溫拌瀝青實務成效，就直接核准WMA常規使用。一直到2011年才有「WMA的配比設計實務」亦即NCHRP Report 691 [5]，以傳統HMA配比設計方法(AASHTO R35)的附件的方式，規範WMA的設計和評估的試驗檢測細節。
NCHRP Report 691附錄A[5]規定以裹覆(Coating)試驗和壓實性(Compactability)試驗取代傳統依瀝青黏度決定的拌合與夯壓溫度。以裹覆試驗決定拌合溫度，需考量拌合能量(機具類型)及拌合時間的影響，在固定實驗室的拌合機具與拌合時間的先決條件下，將在選定的拌合溫度拌成的瀝青混合料鬆散鋪平放冷後，篩出粗顆粒一顆顆判定是否完整裹覆，據以計算裹覆率，如圖2所示。
圖2 美國文獻建議之裹覆試驗說明示意圖(本研究依參考文獻5繪製)
以壓實性評估選定夯壓溫度則需要使用旋轉夯實機(Superpave Gyratory Compactor, SGC)，以經短期老化(Short Term Oven Aging, STOA)試樣夯壓至8%空隙率所需的SGC圈數判定，試驗程序如圖5所示。圖5說明壓實性試驗是將在選定的拌合溫度拌成的瀝青混合料，先置於厚度在25mm~50mm之間的平底方盆，放在預定夯壓溫度(一般比選定拌合溫度低10℃)烘箱2小時，模擬短期老化(Short Term Oven Aging, STOA)，取出後直接以SGC壓製試體，量測試體密度，搭配理論最大密度，求得空隙率為8%時的SGC圈數；同樣的程序再用比預定夯壓溫度低30℃的STOA後SGC壓製試體，求得空隙率為8%時的SGC圈數；在低30℃要旋壓至同樣空隙率所需的SGC圈數較大，因此，依圖3說明計算的「壓實比」都大於1，壓實比愈大表示要在比夯壓溫度低30℃壓至相同空隙率愈困難；AASHTO R35附件針對WMA選定的夯壓溫度，建議壓實比應不超過1.25。
圖3 美國文獻建議之壓實性試驗說明示意圖(本研究依參考文獻5繪製)
為溫拌橡膠瀝青選擇製程溫度
在溫拌橡膠瀝青的製程溫度研究中，邱垂德等人針對溼式製程橡膠瀝青即拌即用製程，建議將橡膠瀝青供至安裝發泡管的分盤式熱拌廠生產越級配溫拌橡膠瀝青混凝土，在實驗室以WLB10S瀝青發泡拌合設備如圖4所示，用2.5%水量噴入使瀝青發泡，檢測包括AC-20、改質III型、及橡膠瀝青共三種瀝青的發泡性質的成果，顯示與一般瀝青相比，橡膠瀝青的膨脹比較低且半縮期較短；但因越級配混合料加入拌合的瀝青量(8.0%)較高，採用瀝青發泡管(機械發泡)拌合時，不需要求高膨脹比及長半縮期，實驗室的評估顯示，用Wirtgen WLB10S發泡，橡膠瀝青175℃，加入2.5%水，噴出發泡橡膠瀝青的膨脹比6倍、半縮期3秒，以附屬的雙軸強制攪拌機在135℃拌120秒可順利拌合均勻，主要是因為橡膠瀝青越級配混合料的設計瀝青含量高達8%，很容易均勻裹覆，能否順利降低製程溫度的關鍵在壓實性。
圖4 實驗室橡膠瀝青發泡拌製溫拌瀝青混凝土的照片[6]
該研究將在實驗室用Wirtgen WLB10S發泡後以附屬的雙軸強制攪拌機在135℃拌120秒的瀝青混合料試樣，分樣至符合STOA規定的方形烤盆內，保溫運送時間約1小時後分別以125℃及95℃烘箱烘1小時後，以SGC夯壓至200圈後頂出，以水置換法測得密度後，依測得試體高校正得各不同夯壓圈數的密度，繪製在縱軸為%Gmm、橫軸為夯壓圈數(N)的壓實曲線，如圖5所示；將每一個曲線達92%Gmm對應的圈數求出，彙整如表一所示，表一也列出對照的一般橡膠瀝青混凝土的試驗結果，若將一般橡膠瀝青的拌合溫度降至135℃，雖可順利拌合，但由壓實比超過1.25判斷，運至工地以125℃滾壓將出現無法順利壓實的問題；而經發泡拌合的溫拌橡膠瀝青混凝土在125℃壓實比小於1.25，據此，判斷若將溫拌橡膠瀝青混合料的拌合溫度選定在135℃，滾壓溫度選定為125℃，既可順利拌合，運至工地以125℃滾壓，也應可順利壓實。該選定的溫拌橡膠瀝青製程溫度在工廠試拌及工地試鋪的監測數據顯示，溫拌瀝青鋪面的壓實度符合現行規範的要求[6]。
圖5 溫拌橡膠瀝青混凝土在二個不同溫度的SGC壓實曲線[6]
表一 兩種橡膠瀝青混合料在不同夯壓溫度夯至92%Gmm所需圈數彙整表
量測瀝青混凝土製程溫度的方法
為控管瀝青混凝土的製程溫度，需量測瀝青混凝土的溫度，慣用的方法有插入接觸式金屬溫度計及以非接觸式紅外線測溫槍測得表面溫度，如圖6所示；在熱瀝青混凝土製程中，溫度主要受粒料的加熱溫度控制，而後續與瀝青拌合後卸入運料貨車、運送至工地卸入鋪裝機、攤鋪到路面上、再經壓路經滾壓，熱拌瀝青混凝土的溫度持續下降，下降的速度受氣溫及曝露的程度影響，在各個程序中檢測並監控溫度得以檢討粒料的加熱溫度、運輸過程的保溫工作、及鋪築滾壓程序是否適當；紅外線測溫槍測得局部且表面的溫度，插入接觸式測得的溫度較能代表「整體」的溫度，兩者都可用於製程溫度的控制依據，但若要測得判定溫度是否符合規範要求的溫度，則需要採用更嚴謹的方法。
圖6 熱拌瀝青混凝土的溫度量測(左：金屬溫度計，右：紅外線測溫槍)
一般施工規範會規定熱拌瀝青混凝土「拌合溫度」與「滾壓溫度」，例如美國佛羅里達州的規範[7]，規定承商必需在提出的配比設計報告中列出目標拌合溫度及目標滾壓溫度供審查核定；提出的溫度對一般瀝青不應超過315F(157℃), 聚合物改質瀝青不應超過340F(171℃), 橡膠瀝青不應超過330F(166℃)。有了規定的拌合溫度及滾壓溫度目標，則在施工時則再依據標準的檢測方法，在熱拌廠檢測拌合溫度，在鋪築工地檢測滾壓溫度，如圖7所示，檢測的數據則必需符合表二之規定。
圖7 熱拌瀝青混凝土的拌合溫度及滾壓溫度檢測標準示意圖
表二 美國佛羅里達州瀝青混凝土的溫度檢測與容忍範圍[7]
結論
熱拌瀝青混合料的拌合溫度及滾壓溫度主要受瀝青膠泥的工作性(高溫流動性(黏度))影響，故有「以黏結料的等黏度溫度(equiviscous binder temperature)決定拌合與滾壓溫度」的理論，對添加高分子聚合物或胎磨橡粉改質的瀝青而言，沿用黏度溫度關係求得的拌合溫度太高而不切實際，應依據可否順利拌合均勻及鋪在工地上可否順利壓實來決定；工程實務上是由材料工程師在配比設計時用適當的拌合與滾壓程序，來決定不同配比的瀝青混凝土的拌合與滾壓溫度，並在配比設計報告中提出目標拌合溫度及目標滾壓溫度；以溫度做為品質驗收的依據時，則應以金屬溫度計在載運貨車的適當位置插入讀取溫度，運料貨車在熱拌廠讀得的溫度應符合目標拌合溫度，運料貨車在鋪築工地讀得的溫度應符合滾壓溫度。以往大部份規範以確保運至工地能被順利壓實，傾向規定最低溫度，近年材料配比多樣化、施工機具進步、鋪築厚度增加、溫拌瀝青盛行、及環保低碳排的觀念調整，新的規範則傾向規定最高溫度，例如佛州規範規定材料工程師在配比設計報告中提出的目標拌合溫度，對一般瀝青不應超過157℃，對聚合物改質瀝青不應超過171℃，對橡膠瀝青則不應超過166℃；且若提出的一般瀝青的拌合溫度不超過140℃，改質瀝青的拌合溫度不超過 152℃，即可視為溫拌瀝青混合料。
結論
熱拌瀝青混合料的拌合溫度及滾壓溫度主要受瀝青膠泥的工作性(高溫流動性(黏度))影響，故有「以黏結料的等黏度溫度(equiviscous binder temperature)決定拌合與滾壓溫度」的理論，對添加高分子聚合物或胎磨橡粉改質的瀝青而言，沿用黏度溫度關係求得的拌合溫度太高而不切實際，應依據可否順利拌合均勻及鋪在工地上可否順利壓實來決定；工程實務上是由材料工程師在配比設計時用適當的拌合與滾壓程序，來決定不同配比的瀝青混凝土的拌合與滾壓溫度，並在配比設計報告中提出目標拌合溫度及目標滾壓溫度；以溫度做為品質驗收的依據時，則應以金屬溫度計在載運貨車的適當位置插入讀取溫度，運料貨車在熱拌廠讀得的溫度應符合目標拌合溫度，運料貨車在鋪築工地讀得的溫度應符合滾壓溫度。以往大部份規範以確保運至工地能被順利壓實，傾向規定最低溫度，近年材料配比多樣化、施工機具進步、鋪築厚度增加、溫拌瀝青盛行、及環保低碳排的觀念調整，新的規範則傾向規定最高溫度，例如佛州規範規定材料工程師在配比設計報告中提出的目標拌合溫度，對一般瀝青不應超過157℃，對聚合物改質瀝青不應超過171℃，對橡膠瀝青則不應超過166℃；且若提出的一般瀝青的拌合溫度不超過140℃，改質瀝青的拌合溫度不超過 152℃，即可視為溫拌瀝青混合料。