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1、新進道路工程材料 陳式毅 臺灣省公路局材料試驗所主任 邱垂德 中華大學土木工程學系副教授 壹、緒言 壹、緒言 道路工程為古老但不可能淘汰的工程，自古以來道路所用材料幾乎沒有什麼限制，只要經濟又有效，任何材料都可以加以利用作為道路材料。近年來，由於材料科學及相關技術之應用，使道路工程材料之發展有許多新見，各種新工程材料之引用必然有其時代背景，通常會考量材料之性能、成本、施工與維護之技術能力等，就目前或可見之未來，道路工程材料已經或必然往以下方向發展： 1.性能更好：採用強度更高、更耐久、增進特殊功能之材料。 2 .成本更低：將以往不用之低品質材料作升級處理，使符合需要性能。 3.資源有效使用：將
2、以往不用之工程或工業廢棄物加以資源化使用。 4.有益環保：如採用污染少或省能源之材料。 本文擬就以上課題，嘗試探討一些正在引進或短期內可望引進，以用於國內瀝青路面工程之一些工程材料。 貳、改質瀝青 貳、改質瀝青 直接由煉油所獲得之傳統瀝青性質有一定限制，常不能滿足 某些特定情況之需求，而需將瀝青作適當的改質 ，提供公路 工程師更多的選擇，雖然傳統鋪路瀝青在許多應用的場合表現仍 然相當良好，但添加不同的改質劑，以生產新一代的改質瀝1 青 ，則很可能會是未來的趨勢。 由於黏結料在瀝青鋪面上扮演的重要角色，新一代的鋪面材料如 本文即將介紹的各種新式瀝青混合料，大都需要配合改質劑的使 用，才能具有所需
3、的特性。用改質瀝青這樣的名詞，事實上很容 易造成困擾，因為市面上有各式各樣的添加劑，可以用來將傳統 鋪路瀝青的性質加以改變。依 A A SHTO R 15-89 2 之建議，鋪路瀝 青 使 用 的 添 加 劑 (A d d i t i v e s )和 改 質 劑 (Mo d i f i e r s )兩 名 詞 可 互 相替換使用，且應該被定義為： 除礦物填縫料、砂、及骨材外， 以少量添加入地瀝青或瀝青混合料內，用來改進鋪面成效的材 料 ，因此所謂改質瀝青就是添加改質劑的鋪路瀝青。 一、改質瀝青的種類與使用目的 一、改質瀝青的種類與使用目的 經整理 Te r r e l及 Wa l t e
4、r 3 的建議分類方式，鋪路瀝青的添加劑有如表一中的十類，有些種類可能涵蓋許多不同的材料，這樣的一種分類表，很可能仍然無法完整，而必須依新材料的發展狀況適當地修改。 1.礦物填充料（Mi n e r a l Fi l l e r ）1.礦物填充料（Mi n e r a l Fi l l e r ） 碎石粉、石灰、波特蘭水泥、燃煤飛灰、碳黑、及硫黃等細粉，都可以作為瀝青混凝土的礦物填充料（填縫料） ，這些礦物填充料除了傳統上用以調整骨材級配及填充骨材間的孔隙而減少瀝青的需用量外，亦可改變瀝青之物理性以增加混合料穩定性、及增進骨材顆粒與瀝青間的黏結力等多重效果。一般而言，增加礦物填充料的含量將使瀝
5、青混凝土的最佳瀝青含量降低，增高密度及穩定性。這些礦物填充料應均勻且按既定的劑量加入，否則有可能產生相反的效果。 礦物填充料含量過高，一般會使骨材間孔隙率降低，以致無法添加為維持適當耐久性所需的瀝青含量。礦物填充料含量過高也會大量增加骨材的表面積，而使瀝青膜的厚度降低。因此 ， 美 國 有 些 公 路 單 位 4 在 施 工 規 範 中 對 瀝 青 混 凝 土 的 成份，增列礦物填充料與瀝青量比值的規定，也就是將骨材過No .2 00 篩含量（%）除以瀝青含量（%） ，此一比值必需維持在0.6 至 1.2之間；若比值過高，會影響到耐久性；若比值過低，則混合料的穩定性會降低。 2 .擴散劑（Ex
6、 t e n d e r ） 2 .擴散劑（Ex t e n d e r ） 2 表一中第 2類由硫黃或木質素扮演的所謂擴散劑，乃用來降低混合料中瀝青的使用量，一般這兩種材料的價格低於瀝青，被用來取代部份瀝青而達到省錢的目的，這類材料可在熱拌瀝青廠於生產混合料時加入，也可以在瀝青工廠加入拌合後，再運交給熱拌瀝青廠使用。 3.橡膠（R u b b e r s ） 3.橡膠（R u b b e r s ） 用橡膠來改善一般鋪路瀝青的性質，已有多年的歷史，一般可以用乳化或顆粒的方式加入瀝青膠泥中。乳化型式的橡膠曾被用來改善瀝青和骨材顆粒間的結合力，而在瀝青中加入橡膠也有使勁度增加以改進抗車轍能力，或
7、基於橡膠具有的彈性，添加橡膠的瀝青混凝土，也可能因在低溫時仍有不錯的變形能力，而較不會有龜裂的狀況發生。但是加橡膠的瀝青混合料，必需將溫度大量提高，才能適當的拌合、鋪築、與滾壓。橡膠一般由改質瀝青製造商於瀝青拌合工場加入拌合後，再運至熱拌瀝青廠使用，若要直接由熱拌瀝青廠加入，則需要有特殊的設備與經驗。 4.塑膠（Pl a s t i c s ） 4.塑膠（Pl a s t i c s ） 表一第 4 類中的數種塑膠，一般都需要以特殊的機具(大部份指高剪力拌合機)才能與瀝青拌合均勻，這些塑膠將使瀝青的勁度增加而提高抗車轍的能力，又或改進瀝青的溫感性，減少低溫龜裂的現象。 橡膠與塑膠均屬聚合物，A
8、 STM 已列有四種聚合物改質瀝青(p o l y m e r -m o d i f i e d a s p h a l t ) 標準，分別如下： A STM D59 76-9 6第 I 型 聚 合 物 改 質 瀝 青 ： 主 要 由s t y r e n e -b u t a d i e n e (SB)或s t y r e n e -b u t a d i e n e -s t y r e n e (SBS) 區 塊 共 聚 物 (b l o c k c o -p o l y m e r s )製成。 A STM D5840-9 5第 II 型 聚 合 物 改 質 瀝 青 ： 主 要 由s
9、 t y r e n e -b u t a d i e n e r u b b e r (SBR )乳液或p o l y c h l o r o p r e n e乳液製成。 A STM D5841-9 5 第III型聚合物改質瀝青 ：主要由 e t h y l v i n y l a c e t a t e (EVA )製成。 3 A STM D589 2 -9 6a 第 IV 型 聚 合 物 改 質 瀝 青 ： 主 要 由n o n -c r o s s l i n k e d s t y r e n e -b u t a d i e n e -s t y r e n e (SBS) 區塊
10、共聚物製成。 我國於 87 年亦新頒有 CNS 14184 聚合物改質柏油 之改質瀝青國家標準，係參考 A STM D589 2 -9 6a中之IV-C、IV-E、及IV-F 類及日本道路協會之改質一型瀝青規範等所制定者。 5.纖維（Fi b e r s ） 5.纖維（Fi b e r s ） 纖維一般都是在熱拌瀝青廠拌和混合料時加入，可增加瀝青路面勁度而使抗車轍能力獲得改善。亦可利用加入纖維提高混合料抗張強度，用以抵抗鋪面可能發生的反射裂縫。加入纖維可提高混合料之瀝青含量而不致有冒油，故可用來提高最佳瀝青含量而使耐久性增加，這種作法若瀝青的價格較高時，則變得相當不合經濟性，有些加纖維的瀝青混
11、凝土在滾壓時有回彈的現象而產生不容易施工的情形。 6.氧化物（Ox i d a n t s ） 6.氧化物（Ox i d a n t s ） 氧化物主要用來增加瀝青的勁度而提高抗車轍能力，但若是用在有低溫龜裂顧慮的地方，要非常小心，以免因瀝青太硬而提早產生裂縫。 7.抗氧化劑（A n t i o x i d a n t s ） 7.抗氧化劑（A n t i o x i d a n t s ） 抗氧化劑則用來降低瀝青膠泥的氧化速度，以提昇 耐久性，有些路面工程師認為瀝青就是要有適當氧化才會夠變硬而能抗車轍變形，若以這種觀點來看，使用抗氧化劑則可能會增加車轍發生的機會。氧化物或抗氧化物，一般都是由
12、供應商先加入瀝青中交熱拌廠使用。 8.防剝劑（A n t i s t r i p p i n g A d d i t i v e s ） 8.防剝劑（A n t i s t r i p p i n g A d d i t i v e s ） 防剝劑主要是用來增加瀝青與骨材之間的結合力，有填縫料形式的石灰，及液狀的化學胺，石灰是最受普遍採用的防剝劑。一般係以粉狀用填縫料的方式在熱拌廠生產混合料時加入，也可以用水先拌合後的石灰漿，在熱拌廠的冷料供料輸送帶上均勻的噴撒在骨材表面上，含石灰漿的骨材，在進入乾燥爐中烘乾水份後，石灰即均勻地散佈在骨材顆粒的表面上，而4 達到添加的目的。液狀的化學胺則可以要
13、求材料供應商事先加在瀝青內，也可以由有經驗的熱拌廠於拌合時加入。因防剝效果受不同骨材類型與瀝青種類的影響，最好視實際狀況、以往經驗、並應進行試驗評估，以評估的結果選擇採用最適當的防剝劑。 二、改質瀝青的評估 二、改質瀝青的評估 想在實驗室內對不同改質劑的使用成效進行評估是 相當困難的，因此路面工程師大多依賴試鋪比較來決定該使用那一種改質瀝青，這種試鋪的構築費用很高，且往往不是一兩年內就能執行完整的評估工作及有可靠的評估結論。目前在市面上銷售的改質劑仍不斷地在做品質上的改進，且又不斷地有新的改質劑推出，尤其是表一中之第 3、4、及 5 類，及第 6 類的人造 纖 維 ， 乃 由 石 油 化 學
14、廠 商 所 生 產 與 開 發 (其 中 有 許 多 專 利品)，是瀝青改質劑類別中，使用的最多的。此種改質劑大都由生產廠商在改質瀝青工廠以特別的方式拌和，以油灌車運交給熱拌廠使用。 很難對某一種改質劑的使用成效做可靠成效說明，因此專家大都建議一定要有可靠的成效數據後，才可以大規模的應用，否則最好還是先用規模較小的試鋪路面來累積各種不同改質劑的成效經驗。 許多改質劑加入瀝青內後，使瀝青的勁度增加而具有抗車轍的效果，又或宣稱加入改質劑後使低溫性質增強而不會發生低溫龜裂。除了有些改質劑會因高溫長時間存放造成變質失去應有的作用外，一般而言，任何可以增進低溫特性不產生溫縮龜裂的材料，必定會因使瀝青變軟
15、而不利於抗車轍能力。反之，加入瀝青內增加瀝青勁度以抗高溫車轍的材料，也必定會使瀝青在低溫時變硬而不利於抗低溫龜裂。所以在實驗室評估這些改質劑的性質時，除了應注意高溫存放的材質穩定性外，一定要同時檢測低溫與高溫的特性，才能避免發生錯誤的判斷。另外，大部份的改質劑都會因瀝青不同而使改質的效果產生變化，所以評估時一定要以預定要使用的瀝青來與改質劑拌和，而使用時則應特別注意材質的穩定性。 5 許多改質劑在施工時會有比傳統瀝青增加污染的問 題而使接受度降低，例如在熱拌廠內加硫黃時產生硫黃氣，傳統瀝青是相當容易回收再生使用的材料，而有些改質劑則可能無法回收再生使用，或使瀝青路面的回收產生困難，這些改質劑最
16、好避免使用。有些改質劑加入瀝青後，使一般檢測品質的方法無法執行，例如有些改質劑顆粒在執行黏度管試驗時塞住管口，而使檢測值不正確。有些改質後的瀝青彈性性質太強，而無法用旋轉式黏度儀施測黏度。有些改質劑不溶於有機溶劑，而使瀝青含量的檢測或檢測回收瀝青的性質變為不可能，都是採用改質瀝青前應該考慮的事項。 大部份改質瀝青的價格都遠高於傳統瀝青，主要是因為改質所需的改質劑材料費、添加改質劑所需的新機具費、處理費、及使用新產品所需付出的額外費用。有些改質瀝青的價格大約提高 40%以上，所以，應該要求改質瀝青路面的使用成效高於傳統瀝青路面，例如價格比原傳統瀝青高 2 5%的改質瀝青，其可使用年限至少應該比傳統瀝青多出 2 5%，才算具有合理的經濟效益。 三、改質瀝青時的基本資料 三、改質瀝青時的基本資料 由於上述許多使用瀝青改質劑可能產生及必需考慮 的問題，作者建議國內工程單位在使用改質瀝青時，應至少記錄該等 材 料 的 基 本 組 成 與 特 性 ， 以 便 於 建 立 本 土 的 使 用 經 驗 。A A SHTO
