新式改質瀝青規範解說
純度、安全性、儲存穩定性、工作性、抗車轍能力、抗疲勞開裂能力、及抗低溫龜裂能力
圖1、以動態剪力流變儀執行多重應力潛變與回復(MSCR)試驗示意圖
美國佛羅里達州公路局在2019年新修訂的「超級鋪面成效分級瀝青規範(Superpave PG Asphalt Binder)」如表1所示，從表1可知，應提報級別和核備品清單號，另，對改質瀝青應提報添加的改質劑名稱；檢測的項目規定，則區分原始瀝青、短期老化(經RTFOT後)、及長期老化(經RTFOT+PAV後)三種不同老化程度的試樣(詳參「瀝青的成效分級制(PG Grades)」)；對原始瀝青試樣，則檢測純度(三氯乙烯溶解度)、安全性(閃火點)、工作性(135℃旋轉黏度)、及抗車轍能力(DSR測G*/sinδ 和δ )、及儲存穩定性(離析試驗頂段與底段軟化點差值)；對短期老化後試樣則檢測老化前後質量變化及抗車轍能力(MSCR測 Jnr, 3.2及%R3.2)；對長期老化試樣則檢測抗疲勞能力(DSR測G*sinδ)及抗低溫龜裂能力(BBR測潛變勁度S和m，並計算臨界溫度差值∆Tc)。
表1、解說美國佛州超級鋪面成效分級瀝青規範(Superpave PG Asphalt Binder)
原始瀝青(Original Binder)是指未經老化模擬的瀝青試樣，一般規定要從熱拌廠的儲油槽或是泵送至拌合機拌合的輸送管適當安裝的取樣口取得的樣品；這個階段的瀝青試樣以工作性(可泵送性)、安全性(易燃性)、純度(混到異物)、及儲存穩定性為主，也測抗車轍特性來據以分級。
工作性(可泵送性)都是用旋轉式黏度儀如圖2在135℃測黏度(請參「理解瀝青使用績效-流變學的基本原理」)，若在135℃的黏度低於30poises，就不會有泵送的問題，也就是具有工作性；超過30poises的黏結料可能會有不易泵送處理的問題，應諮詢供應商是否採取特別的處理方法。
圖2、Brookfield旋轉式黏度儀
安全性是指該瀝青黏結料是否易燃而不安全，閃火點試驗(Flash Point Test, ASTM D92)求出以明火對瀝青加熱的安全溫度，試驗方法為以指定的加熱速率，對裝於開口杯內的瀝青膠泥加熱，並用小火燄緩慢於試樣面上掃過，如圖3所示，由試樣因高溫而蒸發之有機氣體，因與火燄接觸而產生火花，此一現象稱為閃火，此時瀝青試樣的溫度稱為閃火點。一般規定閃火點低於232℃會有安全顧慮。
圖3、閃火點試驗示意圖
瀝青膠泥的主成份為瀝青(Bitumen)，為高分子量的碳氫化合物，可溶於二硫化碳；溶解度試驗以瀝青膠泥在二硫化碳中的溶解度，量測瀝青膠泥是否含有其它雜質，是一種判斷瀝青膠泥純度的試驗方法；ASTM D4中列的標準方法，乃將2克瀝青試樣溶於100毫升的二硫化碳中，再將此溶液以濾紙過濾，求出留於濾紙上未溶解物質的重量，用原瀝青試樣重量的百分比表示，為不純雜質的重量百分比，以100%扣除不純雜質的重量百分比，則為試樣的溶解度百分比，通常規範要求最小溶解度百分比為99%。添加廢輪胎膠粉的橡膠瀝青(ARB或RMB)，因膠粉不溶於溶劑，在佛州的規範中不需要檢測溶解度。
儲存穩定性試驗如圖4所示，佛州規範規定PG76-22(ARB)試樣之頂層與底層試樣的環球法軟化點值，相差超過10℃就代表有儲存析離的顧慮。環球法軟化點則如圖5所示。
圖4、聚合物改質瀝青的儲存穩定性試驗示意圖
圖5、瀝青膠泥的環球法軟化點試驗示意圖
原始瀝青的抗車轍能力試驗則延用成效分級制最初的抗車轍參數G*/sinδ ，如圖6所示。(詳參「瀝青的成效分級制(PG Grades)」)
圖6、成效分級瀝青概念圖
短期老化後的試樣主要在檢測抗車轍能力，而長期老化後試樣則檢測抗疲勞開裂能力及抗低溫龜裂能力。兩種老化模擬的方法是滾動薄膜烘箱(Rolling Thin Film Oven, RTFO)，及高壓老化儀(Pressure Aging Vessel, PAV)。詳參(詳參「瀝青的成效分級制(PG Grades)」)
新式改質瀝青規範的主要特點是短期老化後試樣的抗車轍能力檢測方法改為與成效較相關的多重應力潛變與回復(MSCR)試驗，如前圖1所示。根據美國相關研究發現[1]，以DSR量測的「多重應力潛變與回復」(MSCR)試驗，能更正確地檢測包括改質瀝青黏結料在內的抗車轍能力，且不需再針對不同類型的改質瀝青檢測延展彈性回復率、韌性、及延韌度等(詳參「Why/What/How改質瀝青? 」)；單靠MSCR即可檢測得瀝青黏結料的抗車轍及改質雙重效果。
MSCR試驗是以動態剪力流變儀(Dynamic Shear Rheometer, DSR)對瀝青試樣施對瀝青試樣施剪應力1秒後，解除應力讓試樣回復9秒，測得應變回復(含彈性回復及延遲單性回復)，計算得不可回復的潛變順變(Jnr)及回復率(%R)，每種剪應力重復10次取平均值；從實際路面成效獲得的經驗顯示，以剪應力3.2kPa測得的不可回復的潛變順變(Jnr, 3.2)與實際路面抗車轍成效的關係優於G*/sinδ 。以不同的剪應力施測求得的Jnr差異(以Jnr, 3.2為基準用百分比表示)記為Jnr, diff不能太大，佛州規範規定應小於75%。除了抗車轍能力外，對聚合物改質瀝青而言，MSCR也同時測得的回復率(%R)，這個參數也證實比以往檢測的彈性回復率、韌性(toughness)、及延韌度(tenacity)等試驗參數，能更可靠地展現高分子聚合物融入瀝青中的效果。
原超級鋪面瀝青的成效分級規範對同一氣候區容許依交通量輕重用所謂「跳級(Grade Bumping)」來確保抗車轍能力，也就是說對較重交通荷載的路面使用的瀝青，雖用同樣的抗車轍參數界值，但可以調高檢測溫度一個或兩個分級(調高6℃或12 ℃)；在改用MSCR試驗測得的Jnr做為抗車轍參數界值時，則改用調低界值(要求更低的Jnr值)的方式來「跳級」，也就是對交通荷重較大的路面瀝青，應調低Jnr臨界值；以佛州規範為例，如表1所示，S, H, V, E分別代表一般、重、很重、及極重四種設計交通荷重(註:以設計ESAL數小於3百萬、3百萬到1千萬、1千萬到3千萬、及超過3千萬區分)，對一般交通荷重的未改質瀝青，經RTFO老化後的試樣，執行MSCR試驗的溫度都依其分級高溫，測得的Jnr, 3.2必須低於4.50kPa-1；對於很高荷重的改質瀝青(包括廢輪胎橡膠改質)，經RTFOT老化後的試樣，執行MSCR試驗的溫度都是67℃，但測得的Jnr, 3.2必須低於1.00kPa-1；對採用高含量聚合物的改質瀝青，則執行MSCR試驗的溫度為76℃，而測得的Jnr, 3.2也再調低至必須低於0.10kPa-1。至於回復率%R則與Jnr, 3.2大小相關，佛州規範對改質瀝青用的回復率界值，以下列迴歸式求算：
對採用高含量聚合物的改質瀝青，則%R應大於等於90%。
長期老化後試樣的抗疲勞能力，則延用原超級鋪面瀝青的成效分級規範的檢測方法與抗疲勞參數G*sinδ 和臨界值(不大於5,000kPa)。
長期老化後試樣的抗低溫龜裂能力，除了延用原超級鋪面瀝青的成效分級規範的檢測方法與抗低溫龜裂參數(潛變勁度S與潛變速率m)及臨界值(S>300MPa, m>0.30)外；也用兩個不同溫度的以撓曲樑流變儀(Bending Beam Rheometer, BBR)試驗數據，計算臨界溫度差值，如圖7所示，納入嚴重老化變脆的控制。佛州規範規定包括各類改質瀝青在內，所有PG級瀝青測得的臨界溫度差值都要超過-5℃。
圖7、求算臨界溫度差值∆Tc 示意圖
表1中的規定涵蓋了一般傳統瀝青、聚合物改質瀝青、及添加廢輪胎橡膠的橡膠瀝青；目前佛羅里達州規範規定的PG級瀝青，實務應用上有PG52-28, PG58-22, PG67-22, PG76-22(PMA), 及PG76-22(ARB)共5種[2]，前三種是傳統瀝青，後二種則是以PG67-22為基底瀝青的改質瀝青，亦即改質後才能符合「能在76℃抗車轍且能在-22℃抗低溫開裂」的成效需求；PG76-22(PMA)是指聚合物改質瀝青(Polymer Modified Asphalt)，而PG76-22(ARB)是指橡膠瀝青黏結料(Asphalt Rubber Binder)；有時契約規範只表明應使用PG76-22瀝青，這種狀況下，承商可選擇使用PG76-22(PMA)或PG76-22(ARB)。
對廢輪胎橡膠改質的瀝青在執行DSR試驗時要做些微的調整；若摻入的膠粉顆粒小於0.6mm，則可將DSR試驗的上下扭轉鈑間的試樣厚度從一般的1mm增厚成2mm，若摻入的膠粉顆粒大於0.6mm，則應將DSR試驗改用同心圓柱試樣裝置來執行。表1中的三氯乙烯溶解度試驗不必執行，但要增加分離試驗之頂層與底層試樣的環球法軟化點值，相差不得超過10℃，以確保儲存穩定性。
參考文獻
- TechBrief, THE MULTIPLE STRESS CREEP RECOVERY (MSCR) PROCEDURE, Office of Pavement Technology, FHWA‐HIF‐11‐038, 2011.
- Florida Department of Transportation, Standard Specification for Road and Bridge Construction, Section 916-2, Section 919, July 2019.