探究單層厚鋪瀝青鋪面

2023-01-12

傳統瀝青路面必需分層鋪築才能有足夠的壓實度，這個觀念當然是可以改變的！瀝青鋪面也可以和水泥混凝土路面一樣，厚度8英吋(20公分)以單層鋪築。

單層厚鋪瀝青鋪面的驅動力

柔性路面的瀝青混凝土結構厚度大都是逐層構築，層間以黏層確保全厚度的結構特性，好處是可針對結構層不同深度的力學行為差異，設計不同配比特性的瀝青混凝土採用不同厚度結合成需要的結構層，也可以在不同層採用不同的瀝青膠泥等級，也就是說，得以優化鋪面結構且極大化不同斷面結構層的經濟效益；然而，逐層鋪築滾壓也有不少缺點，首先是分層構築較耗時不利於搶修通車，工期拉長而施工期間車道間的落差也有安全顧慮，再來是緃使儘力鋪好黏層也有出現因層間滑移而破壞的風險，這些問題就是採用「單層厚鋪」工法的主要驅動力。關於黏層不良提早破壞可參「以長壽鋪面設計概念優化再生材料在瀝青鋪面結構層的應用 」。

南卡羅萊納州公路局為提高服務水平、縮短路面修復造成的交通中斷時間，已經在高交通量地區道路進行「單層厚鋪(Full-Depth Rapid Build)」探究有一段時間，曾在一個晚上就刨除並且鋪回單一層厚達5英吋（約13公分）瀝青混凝土的成功經驗，在某一個案例中，甚至在一個晚上完成分二層鋪回厚達8至12英吋（20至30公分）；雖然這些案例初步看來還算成功，施工方甚至希望能再增加單層鋪築厚度，但施工密度會否有問題？車轍或開裂的成效風險如何？滾壓後的平坦度能否符合要求？這些疑慮促使南卡羅萊納州公路局決定要在NCAT測試道路上加速驗證「單層厚鋪」工法，以便能實際應用在高交通量的道路上。2018年這一輪在S9鋪8英吋「單層厚鋪」測試路面，稱為「單層厚鋪(Full-Depth Rapid Build)」測試。關於NCAT測試道路可參作者另文「美國瀝青科技中心的專用試驗道路」。

瀝青混合料是否能以單層厚鋪壓實至設計的空隙率？實際上與瀝青混合料的材料組成(配比)相關，傳統的密級配設計空隙率為4%，實際路面壓實度要求超過92%理論最大密度，亦即完成鋪面空隙率要求小於8%，且服務期間經長時間輾壓若空隙率小於2%，則在夏天高溫時會有變形或冒油的問題；近年來常用以抗重車輾壓的越級配瀝青混合料(SMA石膠泥瀝青或ARGG橡膠瀝青越級配，可參「SMA: 越級配瀝青混合料」)，則沿用設計空隙率為4%與實際路面壓實度要求超過92%理論最大密度的經驗，由於用油量較高，常有實際路面空隙率低於3%的情況；源自德國用在鋼橋面的特殊瀝青混合料Gussasphalt，國內有譯為「澆注式瀝青混凝土」，德文原為Guβ，是指「流入路面」之意，所用的黏結料乃由千里達湖瀝青、針入度20/40之直餾瀝青、及有些情況下會再添加部份合成樹脂拌合而成，用油量高達9%，高溫鋪築時控制適當的流動性「澆注成型」不需滾壓，完成鋪面的空隙率低於1%。

猶它州公路局在I-80州際公路緊鄰內華達州的入境重車過磅車道執行高改質瀝青(High Modified Asphalt, HiMA)單層厚鋪瀝青路面，原猶它州慣用的瀝青是PG64-34，本身就是添加高分子聚合物的改質瀝青，採用「高度改質瀝青(Highly Modified Asphalt, HiMA)」是指將高分子聚合物添加量加倍後成為PG76-34，高溫級提昇了二級；搭配粒粒若依超級鋪面設計法建議的瀝青含量為4.8%，猶它州工程師嚐試提高到5.8%，甚至到6.8%，並且以實驗室漢堡輪跡試驗的比對結果顯示，改用PG76-34後瀝青用量高達6.8%也不會有車轍破壞，因此改用高瀝青含量，搭配100%碎石粒料，設計空隙率為1%。

NCAT測試道的單層厚鋪路段

NCAT測試道「單層厚鋪」測試路面主要回答下列問題：

  1. 以單層8英吋鋪築滾壓瀝青混凝土可以達到壓密度的要求嗎？
  2. 以單層8英吋鋪築滾壓完成的瀝青混凝土要多長時間才能開放通車？
  3. 全厚速鋪工法能符合平坦度的要求嗎？
  4. 全厚速鋪路面在重車輾壓下是否會較早出現車轍變形？
  5. 全厚速鋪路面的結構行為是否與傳統多層構築的路面相同？

NCAT的單層厚鋪測試道路段是由南卡羅萊納州公路局支助執行，在2018年8月24日上午10時開始鋪築，當時紀錄的氣溫為高溫85℉( 29.4℃)、低溫67℉( 19.4℃)，採用南卡羅萊納州公路局州際公路高交通量修補用瀝青混凝土配比，屬於標稱最大粒徑12.5mm的密級配，搭配用PG64-22瀝青，加25%舊路面刨除料。實際鋪築時熱拌廠的製程參數如表1所示，檢測的混合料粒料級配如表2所示，體積特徵如表3所示，由表3可知實測鋪面空隙率為2.4%，可以達到壓密度的要求，但平坦度則不符合規定。

表1、單層厚鋪材料熱拌廠製程參數[1]

表2、單層厚鋪材料的粒料級配[1] 

表3、單層厚鋪材料體積特性[1] 

由該案的施工經驗及密度檢測數據可知，以單層8.05英吋厚鋪築滾壓至需求密度不是問題，以慣用的壓路機與滾壓型式即可達到超過95%理論最大密度的要求，不需特別的壓路機也不必特別的滾型式。單層厚鋪可行且能符合壓密度要求，該注意的是因冷卻較慢而需延長開放交通的時間，這點可以選擇在夜間或冬季氣溫較低時施工而轉為優點；依照南卡羅萊納州公路局的實務經驗，單層厚鋪最好在夜間或冬季氣溫較低時施工，只要施工時氣溫高於70℉( 21℃)就會有需延長開放交通時間及完成鋪面平坦度較差的狀況。

單層厚鋪完成面的平坦度是重要的議題，本次試鋪路段的平坦度就無法符合規定，本路段動用細刨磨工法(Fine Milling)來改善平坦度缺陷，細刨磨前後的照片如圖1所示，表4則為平坦度檢測的成果；北卡羅萊納州公路局的實務經驗顯示主要問題可能是鋪築無法連續產生的「沉陷」，若能在相鄰車道以材料轉運車確保連續鋪築，應可達到平坦度的要求。

圖1、NCAT測試道「單層厚鋪」路段(S9)鋪築前(上）、鋪築完成(中)、及細刨磨平後(下)照片[1] 

表4、NCAT單層厚鋪測試路段鋪面平坦度檢測數據[1] 

本單層厚鋪試驗路段在承載超過1,000萬ESAL的成效表現相當好，車轍深度小於0.25英吋(6mm)，只出現極少量的開裂(很可能是由上而下開裂)，平坦度也沒有明顯變化(經細刨磨改善後才開始輾壓)；一般認為單層厚鋪會因壓密度不足而提早出現車轍變形或開裂破壞，在本試驗路段沒有出現。實驗室的漢堡車轍試驗也驗證本案的這種瀝青混合料應該不會有車轍的問題。

本案埋設應變計及進行相關的結構能力評估顯示，單層厚鋪完成的鋪面結構行為與分層構築沒有不同，反而是從溫度變化對瀝青混凝土模數的影響較一致，這點顯示鋪面整體結構完整性較高。經由鋪面受撓曲面量測反算的模數與在實驗室檢測的動單性模數也較具一致性。

猶它州公路局的高度改質單層厚鋪測試

來自加州舊金山灣區的貨運車沿著I-80州際公路往美國內陸，經內華達州進入猶它州的路段，日交量為7,600輛，其中51%是運貨重車；對於入境重車過磅專用車道的翻修重鋪需求，猶它州公路局(Utah Department of Transportation, UDOT)材料工程師提出「高改質單層厚鋪」的創新構想，認為改質瀝青的高分子聚合物添加量超過7%後，在瀝青混合料中的行為產生很大的變化，穩定性對高含油量已經不敏感，高瀝青用量的瀝青混合料，不僅因油膜厚空隙低而有助於抗開裂，也得以實現「單層厚鋪」。

UDOT慣用的密級配是採用標稱最大粒徑12.5mm，以旋轉夯實機75轉、空隙率目標3.5%，超級鋪面法得到的建議瀝青含量在5.0%左右；該「高改質單層厚鋪」案設計採用HiMA，PG76-34，添加15%RAP，標稱最大粒徑12.5mm，以旋轉夯實機50轉、空隙率目標1.0%，超級鋪面法得到的建議總瀝青含量為6.0%，且因生產的熱拌廠距離較遠(運輸時間長達1.5小時)，故添加溫拌摻料(Evotherm)。

規劃施工的重車過磅專用車道，路寬14英呎，地磅前長300英呎，地磅後長100英呎，施工時先刨除該車道面層3英吋(約8公分)舊瀝青路面，再刨除底層3英吋(約8公分)水泥混凝土路面，以單層回鋪6英吋(約15公分)高改質瀝青混合料滾壓完成；單層厚鋪需要的混合料量較大，該案規劃以8輛貨車每輛一趟間隔15至20分鐘運達，確保鋪築不中斷，但其中一輛貨車途中爆胎而造成短暫停頓，該輛貨車的瀝青混合料也只能運回熱拌廠再製。

滾壓前鋪築面的厚度約為7.5英吋(約19公分)，高改質瀝青混合料較黏硬，有鋪築SMA經驗的工班可勝任，初壓面與未壓面的比較照片如圖2所示，由於沒有足夠的新鋪面空間提昇膠輪的溫度，不用膠輪壓路機，以Hamm HD140VV雙滾筒鋼輪壓路機第一趟用震動模式，滾壓七趟，最後用另外一部二輪鋼輪壓路機將壓痕鏝平，如圖3所示。UDOT原意是檢測面層3英吋(約8公分)的空隙率即可，實際鑽心取樣4處，都可以完整取得全厚6英吋的鑽心試樣，在實驗室切割分為上下各3英吋，檢測得空隙率如表5所示。完成兩個月後的照片如圖4所示。

圖2、猶它州高改質單層厚鋪初壓面與未壓面比較之照片[2] 

圖3、猶它州高改質單層厚鋪15公分以兩輛雙筒鋼輪滾壓至所需密度[2]


表5、猶它州高改質單層厚鋪完成後鑽心試體密度(%理論最大密度)[2] 

圖4、猶它州高改質單層厚鋪路面完成後兩個月照片[3]

經查證最低密度的點位恰是因運貨車途中爆胎造成待料鋪築中斷的位置。UDOT工程師認為這種瀝青混合料單層厚鋪可以達到密度需求。

原計畫希望能在鋪築完成的當天就開放車，但因為冷卻較慢，該路段在鋪築滾壓完成二天後才開放通車。歸因於連續鋪築且規模較小，這個路段沒有平坦度不佳的問題。經過一個夏天的考驗，也就是該段路面鋪築七個月後的照片如圖5所示，顯示狀況非常好，沒有出現任何車轍變形的徵兆。

圖5、猶它州高改質單層厚鋪路面完成七個月(一個嚴酷夏天考驗)後照片 

單層厚鋪的另一個好處是容許在氣溫較低時鋪築，對猶它州的鋪路工程來說就是延長了鋪路季，也就是說平常不能鋪路的11月或是4月也可以鋪瀝青路面。猶它州瀝青業界對與這個單層厚鋪的成功案例反應相當熱烈，大致上認為與相互競爭的水泥混凝土路面比較，若也能單層厚鋪8英吋，則應該就是快速完工的長壽鋪面結構。

結論

熱拌瀝青混凝土路面採「單層厚鋪」顯然是可行的，適當的材料設計甚至不必特別改變滾壓的機具與型式，單層厚鋪20公分仍可符合壓密度的要求，應該特別關注的是冷卻時間較長及相關聯的平坦度較差的議題；平坦度可以保持連續鋪築及未冷卻鋪成面不重壓來改善，而冷卻時間較長對夜間或冬季氣溫較低時施工或許是優點，但對想以單層厚鋪來快速搶修高承載道路，因冷卻時間較長則是無法忽視的缺陷。猶它州公路局創新的「高改質單層厚鋪」瀝青路面，最終的關鍵還是要回到瀝青混合料的配比設計問題上，站在70年前的馬歇爾和30年前的超級鋪面「兩個巨人的肩上」我們看到的未來是什麼？很可能就是「平衡配比設計(Balanced Mix Design, BMD)」詳參作者另文「在鋪面疲勞開裂與車轍變形兩種成效間取得平衡」。

參考文獻

  1. NCAT Report 21-03, September 2021, Phase VII (2018-2021) NCAT Test Track Findings, Chapter 15.
  2. The AsphaltPro Magazine, Utah Thick Lift Standards Up to Truck Traffic, theasphaltpro.com.
  3. Dave Johnson, Thick and rich in Utah, Asphalt Magazine, 10/15/2021
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