Why/What/How改質瀝青?

圖1、一般瀝青與「理想瀝青」的稠度/溫度曲線示意圖 

為何要用改質瀝青? Why use modified asphalt?

瀝青黏結料是高感溫性材料，從低溫到高溫，呈現硬脆固體、彈性固體、黏彈性體、及黏性流體等行為，如圖1所示；一般瀝青在「低溫不會過硬，高溫不會太軟」的所謂「成效溫度範圍」有一定的限度；「理想的瀝青」則是在環境要求的溫度範圍內，既不會太硬也不會過軟，也就是成效溫度範圍較寬；面對氣候變遷，路面服務成效溫度範圍逐漸擴大，將瀝青性質朝「理想」改質的需求增加；最普遍應用的改質方法就是添加彈性體聚合物，例如「苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物 (SBS)」或是替代的環保材料廢輪胎橡膠，兩者都可在不過度增加高溫黏度的狀況下，提高低溫彈性。

鋪面成效需求

以往用瀝青用針入度、黏度分等級，是在25℃測針入度，在60℃測黏度，以不同針入度或黏度來分等級，工程師用「環境溫度較高應用較硬(針入度較低、黏度較高)瀝青」為原則選定該使用哪一種瀝青，以這樣的分級方法選用瀝青的風險較高，選用的瀝青可能不能抗車轍，不能抗低溫龜裂，或是不能抗疲勞開裂；加上近年來，交通量、載重、和輪胎壓力大幅增加，鋪面的成效要求愈來愈嚴苛，導致鋪面提早車轍和開裂的案例增加，瀝青改質的需求亦隨之增加。

成效分級

鋪面瀝青的成效關鍵在於高溫能抗變形、低溫能抗龜裂、中間溫度則需抗疲勞開裂，這些工程成(績)效特性及破壞的臨界點是共通的；不同氣候變化的地區性影響在於不同的老化程度和服務溫度，故瀝青的成效應以不同的「成效檢測溫度」分級。上世紀末美國SHRP提出的所謂「成效等級(Performance Graded)」規範，與以往「不同等級規定不同的材料特性」的觀念，有相當大的改變；瀝青黏結料所需具備的抗車轍、抗疲勞、抗低溫龜裂等特性，無論是在那一個地區都是相同的，然因各不同地區之環境狀況不同，需使用不同等級的瀝青黏結料，因此，所謂不同等級乃指「適用的環境溫度狀況不同」，所以，規範中所列的「應檢成效性質」都相同，不同等級乃指符合成效規定的溫度不同，如圖2所示。

圖2、成效分級瀝青概念圖 

依美國經驗，改用成效分級能確保選用「高溫能抗車轍、中溫能抗疲勞，而低溫能抗疲勞開裂的瀝青」省下許多養路經費；也正因為採用成效分級規範，發現愈來愈多瀝青無法符合成效，而促使改質的需求增加。

環保與經濟雙重考量

回收廢物和工業副產品(如廢輪胎橡膠、廢塑膠、及屋頂防水材)以獲得額外收益，以二次原料做物質再利用，是優於能源回收、既經濟又符合環保效益的最佳選擇，如圖3所示； 因此，這些二次原料例如廢輪胎橡膠可以使最終產品受益而不產生環境責任時，通常用作熱拌瀝青混凝土中的改質劑，縱使初始成本通常高於未改質瀝青，但因成效較佳而有較長的使用壽命和較少的維護費用，而受到公部門的支持。

圖3、歐盟揭示的廢物層級架構及輪胎循環示意圖 

用什麼做為瀝青改質劑? What is used as asphalt modifier?

「聚合物(Polymer)」是最常用的瀝青改質劑，主要是指涵蓋範圍廣泛的彈性體(Elastomer, 例如橡膠)和塑性體(Plastmer, 例如塑膠)兩大類型；苯乙烯-丁二烯橡膠 (SBR) 和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯 (SBS) 是常用的彈性體，其中SBS 是最常用於減少車轍並提高抗疲勞和抗低溫開裂的改質劑。近年來，橡膠已成為使用最廣泛的瀝青改質劑，大部分橡膠來自回收的汽車輪胎。塑性體用於改善瀝青的高溫性能(抗車轍變形)，低密度聚乙烯 (LDPE) 和乙烯醋酸乙烯酯 (EVA) 是用於瀝青改性的兩種塑性體。如圖4所示。

圖4、瀝青改質劑的類型及常用材料 

如何評估改質瀝青?How to evaluate modified asphalt?

早期評估改質瀝青的方法，主要是區分添加改質劑後的性質變化，例如軟化點如圖5，延展彈性回復率(elastic recovery)如圖6、韌性(toughness)及延韌度(tenacity)如圖7、貫入回彈率(resilience)如圖8等，這些性質雖不直接與路面成效相關，但可顯現添加改質劑後的性質改變，例如軟化點變高，延展彈性回復率增加、韌性及延韌度變大、及貫入回彈率提高。在成效瀝青分級建立之前，也就是傳統的改質瀝青規範，就是用這些慣用的檢測方法評估改質的「效果」。 

圖5、瀝青的軟化點試驗(環球法)方法示意圖 

圖6、瀝青延展彈性回復率(elastic recovery)試驗方法示意圖 

圖7、瀝青韌性(toughness)及延韌度(tenacity)試驗方法示意圖 

圖8、瀝青貫入回彈率(resilience)試驗方法示意圖 

以成效分級的原意是要適用於所有瀝青，不是用材料特性區分不同的瀝青。成效瀝青規範中規定的檢測成效的方法，也適用於改質瀝青。美國路面工程界對成效分級瀝青有所謂「有用溫度區間(Useful Temperature Interval, UTI)」，是指判定好瀝青的成效分級後，例如某種瀝青被判定為PG58-22，另一種為PG76-22，兩個溫度總涵括的溫度區間，例如前者UTI為58-(-22)=58+22=80℃，而另一種的UTI則為76-(-22)=98℃；對UTI有所謂的「92共識(Rule of 92)」判斷是否為改質瀝青，因為大部分未改質的瀝青，UTI都小於92℃，UTI超過92℃的大都是改質瀝青。

最近幾年已有足夠多的經驗用成效分級規範規定的檢測方法檢測改質瀝青，已確認以DSR量測的「多重應力潛變與回復」(Multiple Stress Creep and Recovery, 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，如圖8所示，且不需再針對不同類型的改質瀝青檢測彈性回復率、韌性、及延韌度等；單靠MSCR即可檢測得瀝青黏結料的抗車轍及改質雙重效果。

以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為例，如表1所示，規範規定的PG級瀝青有PG52-28, PG58-22, PG67-22, PG76-22(PMA), 及PG76-22(ARB)共5種，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。

表1、超級鋪面成效分級瀝青規範(Superpave PG Asphalt Binder) 

從表1可知，除了提報級別、核備品清單號外，對改質瀝青則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)三種不同老化試樣；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)。詳參作者另文「新式改質瀝青規範解說」。 

參考文獻

Pavement Interactive, Asphalt Modifiers,

Dwight Walker, The benefits of modified asphalts,

Florida Department of Transportation, Standard Specification for Road and Bridge Construction, Section 916-2, Section 919, July 2019.