新的瀝青分級法
美國於 1988 年至 1993 年間進行的策略性公路研究計劃( Strategic Highway Research Progarm,簡稱 SHRP),光在瀝青黏結料與混合料的研究方面,就花了五千萬美元,主要的成果為將以往經驗為主的規範,修正為具成效依據的規範( performaner based specifications),其中對於瀝青結料的規定,就一改以往用材料特性分級的方式,使用環境溫度作為應使用黏結料的等級,也就是說以前使用的 AC-10 或針入度 85/100,乃以瀝青膠泥在 60 度 c 時的黏度,或 25 度 c 時的針入度,將材料分級,路面工程師再依所在環境及以往經驗,選擇適當的等級;新的 SHRP 黏結料規範,則先以所在環境的高、低溫度,定出應使用的黏結料等級,再選擇符合此一等級瀝青特性的材料;例如,依以往的資料顯示,最高七天平均路面溫度為 58 度 c,最低路面為-28 度 c(零下 28 度 c),則應使用的黏結料等級為:
這樣的規範,第一個要件為必須有足夠的氣象資料,使路面工程師可以決定工程所在地的所謂「 最高七天平均路面溫度 」和「 最低路面溫度 」;由於瀝青混凝土層車轍的發生,大部份是路面高溫時,瀝青混凝土受力後變形的累積,因此合理地以一年中最熱的一週為基準,這七天的平均路面溫度即為(最高七天平均路面溫度),但氣象資料提供者為氣溫,而不是路面溫度,氣溫與路面溫度間的關係,受太陽輻射熱,及材料之導熱係數影響,與所在地的緯度有關,根據以往的研究,美國 SHRP 研究人員根據全美各地區之氣象資料,合理地將各地區的最高七天平均路面溫度求出,作為各地路面工程師選擇黏結料成效等級之依據,例如,芝加哥歐黑爾地區之夏天,最高溫七天的平均氣溫為 32 度 c, 50 年來,最熱的一年,最高溫七天的天均氣溫為則可達 34 度 c,雖然 50 年內只出現一次,為達 98%可靠度之設計,應以 34 度 c 為設計值,將此氣溫依該地區之地理位置,換算為路面以下 2 公分處的路面溫度,則為 54 度 c,因此,在考慮高溫成效時,應採用 PG54 的等級,但因 SHRP 之成效等級為由 70 度 c 往下,每 6 度 c 為一級(即 70、64、58、52、46 共五種高溫編號),故應採用 PG58 的等級。
致於低溫的考慮,主要為路面之低溫龜裂,這個溫度則直接為冬天的路表溫度,只要 瀝青混凝土之表面達到極限勁度(stiffness limit)的溫度,龜裂就可能發生,因此直接以最底的氣溫值為設計值,例如前述之芝加哥歐黑爾地區的一般冬天最低溫為零下 26 度 c,而 50 年來最低溫的一次達零下 32 度 c,在考慮 98%可靠度的效時,應採用 PG-32 的等級,但因 SHRP 之成效等級為由零下 4 度 c 往下,每 6 度 c 為一級(即 4、-10、-16、-22、-28、-34、40、46 共八種低溫編號),故應採用 PG-34 的等級;黏結料使用成效的主要考慮即在於低溫需具夠低的勁度,高溫需具夠高的勁度,以避免低溫龜裂及高溫變形之發生,所以要同時考慮環境高溫與環境低溫,因此前述芝加哥歐黑爾地區,應使用 PG58-34 等級的黏結料。
決定黏結料的成效等級後,則應依規範中所列的方法,對可能採用的黏結料進行試驗 ,以選擇符合該成效等級之黏結料;這些試驗方法及儀器設備,是 SHRP 研究的最重要突破,所量測的品質特性,一改以往之經驗特性為合理的成效特性,也就是說這些量測值不但具有完整的物理意義,且與產品要求直接相關;例如,對於原始瀝青(由煉油廠出廠,運至儲油槽準備與加熱骨材拌合之瀝青)的主要品質特性為需具工作性,也就是說一般的工作溫度下(135 度 c 附近),需具有足夠的流動性,可以用適當的邦浦抽動至拌合塔之計量籃內並進行均勻的噴灑,跟據以往的許多研究,要有適當的可邦浦性(pumpability),流體的黏滯度最好在 30 泊斯(poises)以下,因此 SHRP 成效規範規定瀝青在 135 度 c,以 Brookfield 旋轉式黏度儀測得之黏度必需在 30 泊斯(poises)以下,以確保工作性要求。
對於以往無量測的抗車轍、抗疲勞特性,SHRP 則合理地建議以使用於高分子材料力學特性量測的動態剪力流變儀(Dynamic Shear Rheometer,簡稱 DSR)量測;對於抗車轍能力之評斷,因較常發生於高溫時的新鋪路面,因此量測溫度為成效等級之高溫編號,例如前述為成效等級之高溫編號,例如前述 PG58-28 級之試驗溫度為 58 度 c,且對原始瀝青、經短期老化後之瀝青進行量測;而抗疲勞性的量測,則應對中等溫度、且經長期老化後的瀝青量測;對於短期老化之模擬,沿用以往慣用之薄膜烘箱試驗(TFOT 或 RTFOT),而長期老化則以新發展的加壓老化儀(Pressure Aging Vessel,簡稱 PAV)模擬。
動態剪力流變儀(DSR)可以量得黏彈性材料的黏性分量(永久變形)與彈性分量( 可回復變形),瀝青材料在很高溫時(遠高於路面最高溫)呈現黏性流體特性,而在很低溫時(遠低於路面最低溫)呈現彈性固體特性,在一般荷重環境溫度,則呈現黏彈性之雙重行為,承受荷重時,產生部份永久變行(黏性部份)和部份可回復變形(彈性部份);針對抗車轍(永久變形)能力,SHRP 規範規定,在環境高溫時,瀝青應具足夠大的可回復變形分量,因此,在以 DSR 對原始瀝青和短期老化後瀝青,在環境高溫時施測,其 G/sin 值(代表可回復變形分量參數)必須在 1.0kPa(原始瀝青)和 2.2kPa(短期老化瀝青)以上;針對抗疲勞特性,則瀝青在環境中等溫度時,不能有太大的黏性變形分量(以 Gsin 為代表參數),SHRP 規定經加壓老化儀試驗後的瀝青,在中等溫度時的 G*sin 值須小於 5000kPa,而所謂中等溫度則應依規範表列控制,如前述之 PG58-28 級瀝青之試驗溫度為 19 度 c。
對於防止低溫龜裂,則需保證在環境最低溫度時,瀝青材料需有夠低的勁度(stiffness ),才不會因溫縮應力而脆裂,經由以往許多的路面經驗,SHRP 研究人員,訂出這個極限勁度為 300MPa,荷重時間為 2 小時,並發展撓曲樑流變儀(Bending Beam Rheometer,簡稱 BBR),並以學理上的時間與溫度代換理論,將施測溫度由環境最低溫提高 10 度 c,荷重時間縮短為 60 秒,以得到相同的量測效果,並使試驗室內之施測時間縮短而較方便、可行。
針對日漸發展的許多改質瀝青,在低溫時依上述條件施測之勁度可能大於 300MPa,但 由於改質後可能有足夠的變形能力而不會產生龜裂,因此,SHRP 研究群又特別發展所謂直接張力試驗儀(Direct Tension Tester,簡稱 DTT),對於無法符合 BBR 試驗,且測得勁度在 300MPa 至 600MPa 之間的黏結料,在與 BBR 相同的溫度以 1.0mm/min 的速率將試體拉斷,若最大應變量在 1.0%以上,則雖然超過極限勁度,也不會有低溫龜裂發生。
SHRP 發展的成效等級瀝青規範,是一種符合當前科技,並融合以往許多工程經驗的較先進規範,使用的儀器與量測值都較以往進步且合理;在 1993 年以後,美國聯邦州公路局(FHWA)以實際的行動和經費補助,訓練試驗人員,預計於 1997 年實施這種新的瀝青黏結料規範。
台灣路面工程還沒有將過去的氣象資料做類似的整理,並研究合理地換算成路面溫度 ,而整套黏結料試驗儀器約只需新台幣二百五十萬元,也尚未引進,因此,只接觸 SHRP 的書面資料,而缺乏數據,及本土化經驗,欲採用 PG 等級,仍有一段長的距離。