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誌謝

承蒙恩師 邱垂德教授在奕祥碩士班求學期間,對於奕祥處事態度 的細心指點與不斷的鼓勵,並於論文研究期間給于學術上的指導與建 議,讓奕祥獲益良多,受用無窮,師恩浩蕩,將永銘於心。恩師認真負 責的處事態度及嚴謹的治學精神,為奕祥一生的典範,在此敬上由衷的 敬意與無限的祝福。

本論文撰寫初成期間,承蒙本校教授徐增興博士、義守大學土木與 生態工程學系教授林登峰博士、工研院正研究員簡弘民博士,擔任審核 委員,對奕祥論文逐字斧工、巨細靡遺的指正與觀念澄清,並惠賜寶貴 的意見,使得本論文得以更加詳實且完備,在此敬上最誠摯的敬意與謝 意。

論文研究期間,感謝同窗好友俊奇、毓翰、楷霖、建凱,學弟政雄、

福民、偉鈞及偉成等的大力協助;學長兆鑫、理成、同宇、振緯、嶺億 等的鼓勵;另外感謝好友冠佑、昱舜、作庸、育芬的鼓勵與支持,於不 及備載的好友們也一併獻上千萬分感謝。

最後感謝永遠支持與關懷奕祥的家人,僅將此論文獻給奕祥摯 愛的雙親,邱中川先生與呂瑞嬋女士。

邱奕祥 謹致於中華大學土木所

(7)

Abstract

In the reconstruction of Recycled Asphalt Concrete (RAC), the process of renewing Recycled Asphalt Pavement (RAP), the quality of the concrete’s change increases, and it is the control of the change of quality that is important. When it comes to the research of making concrete, the people of Taiwan are more concerned with the materials and metals in the mixture and less about the chemical properties. Thus the research in concrete renewing has decided to focus on the chemical change concrete goes when it is renewed.

The research first starts from using low, medium, or high concentrations of the RAP.

Using 20%, 40%, 60% of the RAP added with the renewal, we age the concrete to

simulate real life conditions, and from that we extract the RAC with the highest viscosity, and renew it once again. Using 40% of the RAP we add RA-75, RA-250 recycling agent and AC-10 asphalt, and then we take the RAC and do the cycle over one more time. We then take the concrete check the viscosity at 60℃, and going with the ASTM D4124 Selective Adsoption-Desorption Method to analyze the chemical properties.

The results of our studies show that as time passes, Naphthene Aromatics will decrease, Aspaltene will increase, Saturates has little to no change, and Polar Aromatics has no changes as far as we can tell. In relation to the RAP’s viscosity and addition of the recycling agent, they have a proportionate relationship where the more the agent is added, the thicker the concrete will be. It can be seen in the chemical reports, if old RAP has a high level of viscosity and undergoes renewal, or if more RAP is added to the mixture, and using AC-10 as new asphalt. Although the viscosity can be tuned to the 2000-8000 poise, but Aspaltene would be higher than normal while Naphthene Aromatics would be lower than normal, which could bring unforeseen consequences. It is our suggestion that before going forth with this process to have further research into the use of Aromatics to confirm the quality.

Key words:viscosity, Chemical Constitution, Asphaltene, naphthene Aromatics, Poloar Aromatics, Saturates.

(8)

摘要

重複再生的再生瀝青混凝土,因刨除料已經過再生,材料的品質變 異增大,品質變異的控制尤其重要。國內對於瀝青混凝土的研究多著重 在物理及鋪面成效方面,較少對於化學性質進行探討,因此本研究嘗試 探討再生瀝青混凝土中瀝青的化學性質變化。本研究先從不同熱拌再生 廠取得高、中、低黏度刨除料,以 20%、40%、60%的刨除料添加量拌 製成九種再生成品,並將再生成品加以老化,從老化後的再生料中取出 黏度最高的再生料,將其視為二次再生時的刨除料,以 40%的刨除料添 加量並加入 RA-75、RA-250 再生劑及 AC-10 瀝青,拌製成再再生瀝青 混凝土,將各階段的再生料進行回收瀝青試驗,檢測回收瀝青的 60℃黏 度,並以列於 ASTM D4124 中的選擇性吸附脫附法(Selective

Adsorption-Desorption Method)分析其化學組成。研究結果顯示隨著瀝青 老化程度增加,環烷芳香分子會逐漸減少,瀝青質逐漸增多,飽和成份 沒有變化或只有些微減少,極性芳香成份變化則看不出有明顯規律。隨 著刨除料黏度及添加量增高,再生成品的黏度也隨之增加,反之則減 少;由化學成份分析可以看出,對高黏度刨除料進行再生,或採用高刨 除料添加量時,採用 AC-10 做為新瀝青,雖有機會將黏度調拌至一般鋪 路瀝青的範圍,但瀝青質含量偏高及環烷芳香成份偏低,可能會帶來的 影響不容忽視,建議在有實際成效驗證前,最好改以含高芳香成份含量 的再生劑拌製,以確保品質。

關鍵字:黏度、化學組成、瀝青質、環烷芳香成份、飽和成份

(9)

目錄

誌謝... I Abstract ...II 摘要... III 目錄………...………IV 圖目錄...VII 表目錄... X

第一章、緒論... 1

1-1、研究背景 ... 1

1-2、研究動機 ... 1

1-3、研究目的 ... 2

1-4、研究方法與流程 ... 2

第二章、文獻回顧 ... 4

2-1、再生瀝青混凝土的品質檢驗 ... 4

2-1-1、國內再生瀝青混凝土發展概況... 4

2-1-2、國內再生瀝青混凝土之品質狀況... 7

2-1-3、國內熱拌再生瀝青試驗道路之成效 ... 11

2-1-4、國內對於再再生瀝青混凝土之研究 ... 16

2-2 、瀝青的老化與老化瀝青的回春 ... 17

2-2-1、瀝青老化過程... 17

2-2-2、老化瀝青的回春理論... 18

2-2-3、再生劑... 20

(10)

2-2-4、瀝青混凝土的加速老化研究... 23

2-3、瀝青膠泥之化學組成 ... 24

2-3-1、瀝青的分子結構... 24

2-3-2、瀝青的組成模型... 26

2-3-3、瀝青的成份分析法... 28

2-3-4、瀝青分子大小分佈... 32

2-4、探討再生瀝青化學成份之重要性 ... 35

第三章、研究計畫與實驗方法 ... 37

3-1、試樣準備 ... 37

3-1-1、材料來源與檢測計畫... 37

3-1-2、決定瀝青含量及粒料配比... 38

3-1-3、試樣拌製... 40

3-2、本研究所用試驗法 ... 43

3-2-1、模擬長期老化試驗... 43

3-2-2、回收瀝青試驗... 45

3-2-3 瀝青黏度試驗... 47

3-2-4 選擇性吸附脫附法... 49

3-3、試驗設計 ... 54

3-3-1、試驗計畫與流程... 54

3-3-2、數據分析方法... 56

第四章、試驗結果與討論 ... 63

4-1、材料基本性質之試驗結果分析 ... 63

4-1-1、粒料的基本性質... 63

4-1-2、刨除料特性... 64

(11)

4-1-3、瀝青膠泥及再生劑之性質檢測結果 ... 65

4-1-4、配比設計結果... 68

4-2、再生瀝青之物理性質探討 ... 69

4-2-1、再生瀝青混凝土之回收瀝青黏度... 69

4-2-2、再生瀝青混凝土老化試驗結果... 71

4-2-3、再生劑之軟化效果... 74

4-3、再生瀝青之化學組成分析 ... 76

4-3-1、再生瀝青混凝土中瀝青的化學組成變化 ... 76

4-3-2、實驗室長期老化之影響... 78

4-3-3、添加再生劑之影響... 84

4-3-4、添加再生劑之再生瀝青混凝土老化結果 ... 84

4-4、綜合分析 ... 91

4-4-1、理論計算黏度與實測黏度之關係... 91

4-4-2、添加再生劑對瀝青老化的影響... 93

4-4-3、瀝青黏度與化學成份的關係... 98

4-4-4、重複再生瀝青混凝土之瀝青化學組成變化 ... 100

第五章、結論與建議 ... 104

5-1、結論 ... 104

5-2、建議 ... 105

參考文獻... 107

附錄一、添加AC-10 之九種混合料回收瀝青黏度與化學組成數據 .... 113

附錄二、添加再生劑之六種混合料回收瀝青黏度與化學組成 ... 115

(12)

圖目錄

圖 1-1、本研究之方法流程圖 ... 3

圖 2-1、工程會認證通過之合法熱拌再生廠數量增長圖... 7

圖 2-2、再生瀝青混凝土之品質檢測流程 ... 8

圖 2-3、高雄市政府工務局熱拌再生瀝青混凝土試驗路面位置圖... 12

圖 2-4、選擇再生劑採用之拌合經驗圖 ... 22

圖 2-5、在瀝青膠泥中存在的官能團 ... 26

圖 2-6、以溶劑將瀝青膠泥分離成瀝青質、樹脂、及油類之示意圖.... 27

圖 2-7、瀝青成份分析之化學沉澱法 ... 29

圖 2-8、瀝青成份分析之選擇性吸附法 ... 31

圖 2-9、大小分子排出層相分析之示意圖 ... 33

圖 2-10、瀝青膠泥之大小分子排出層相分析圖譜... 34

圖 3-1、本研究依AI.MS-2 進行之配比設計流程圖... 39

圖 3-2、拌製添加AC-10 之再生瀝青混凝土試體組成圖... 41

圖 3-3、添加再生劑之再生瀝青混凝土試體組成圖... 43

圖 3-4、模擬長期老化試驗流程 ... 43

圖 3-5、老化試驗用之淺盤 ... 44

圖 3-6、混合料放入淺盤中 ... 44

圖 3-7、迴流儀器 ... 45

圖 3-8、真空濃縮機 ... 45

圖 3-9、回收瀝青法試驗流程 ... 46

圖 3-10、黏度試驗儀器 ... 49

(13)

圖 3-11 選擇性吸附脫附法實驗流程圖 ... 50

圖 3-12、秤取足料的瀝青 ... 52

圖 3-13、溶液以電動攪拌器攪拌 ... 52

圖 3-14、以過濾設備將庚烷由溶液中分離... 53

圖 3-15、將脂油溶液注入層析柱中 ... 53

圖 3-16、去除溶劑後的 4 種成份,由左至右依序為極性芳香成份、環烷 芳香成份、飽和成份、瀝青質 ... 54

圖 3-19、本研究實驗流程圖 ... 56

圖 4-1、本研究六種瀝青材料之化學成份柱狀圖... 67

圖 4-2、本研究一般瀝青混凝土級配粒徑分布圖... 69

圖 4-3、實測黏度與理論目標黏度比較結果... 70

圖 4-4、再生瀝青之回收瀝青 60℃黏度隨老化時間變化圖... 72

圖 4-5、添加再生劑之混合料隨老化時間增加的黏度變化... 76

圖 4-6、9 種混合料化學成份含量比較(以料源區分)... 77

圖 4-7、九種混合料化學成份含量比較(以黏度區分)... 78

圖 4-8、混合料回收瀝青中瀝青質隨老化時間增加之變化... 79

圖 4-9、混合料回收瀝青中極性芳香成份隨老化時間增加之變化... 80

圖 4-10、混合料回收瀝青中環烷芳香成份隨老化時間增加之變化... 80

圖 4-11、混合料中飽和成份隨老化時間增加之變化 ... 81

圖 4-12、添加再生劑混合料的回收瀝青中瀝青質含量隨老化時間增加之 變化 ... 85

圖 4-13、添加再生劑混合料的回收瀝青中極性芳香成份含量隨老化時間 增加之變化 ... 85 圖 4-14、添加再生劑混合料的回收瀝青中環烷芳香成份含量隨老化時間

(14)

增加之變化 ... 86 圖 4-15、添加再生劑混合料的回收瀝青中飽和成份含量隨老化時間增加 之變化 ... 86 圖 4-16、理論計算黏度與工產實際生產混合料回收瀝青黏度之關係.. 93 圖 4-17、不同料別對不同老化時間之回收瀝青 60℃黏度關係... 94

(15)

表目錄

表 2-1、工程會公告再生瀝青混凝土在新闢道路與養護路面使用比例.. 7

表 2-2、國內熱拌再生瀝青混凝土之品質數據... 11

表 2-3、後昌路試驗數據及成效評估 ... 14

表 2-4、學專路試驗數據及成效評估 ... 15

表 2-5、高雄路面歷年來回收瀝青黏度數據... 15

表 2-6、ASTM D4552-92 再生劑規範[18]... 21

表 2-7、四種代表性石油瀝青的組成元素比例[23] ... 24

表 4-1、粒料基本物理性質試驗結果 ... 64

表 4-2、刨除料基本物理性質試驗結果 ... 65

表 4-3、再生劑基本物性試驗結果 ... 66

表 4-4 六種瀝青材料之化學組成試驗結果 ... 67

表 4-5、本研究一般瀝青混凝土之混合料級配表... 68

表 4-6、實驗室拌製之九種再生混合料之回收瀝青 60℃黏度數據... 70

表 4-7、老化試驗後 9 種混合料回收瀝青 60℃黏度... 71

表 4-8、不同料別及不同老化時間之老化指數... 73

表 4-9 不同料別及不同老化時間對老化指數影響之變異數分析... 73

表 4-10、老化時間之Duncan檢定結果... 73

表 4-11、添加再生劑之混合料回收瀝青 60℃黏度表 ... 74

表 4-12、添加再生劑之混合料實測與理論目標黏度比較表... 75

表 4-13、九種混合料回收瀝青之化學組成... 77

表 4-14、考慮料別及老化時間對瀝青質含量的影響之雙因子變異數分析 表 ... 82

(16)

表 4-15、考慮料別及老化時間對環烷芳香成份含量的影響之雙因子變異 數分析表 ... 82 表 4-16、料別及老化時間對瀝青質含量影響之Duncan檢定結果 ... 83 表 4-17、料別及老化時間對環烷芳香成份含量影響之Duncan檢定結果

... 83 表 4-18、添加再生劑混合料之回收瀝青化學組成... 84 表 4-19、考慮料別及老化時間對瀝青質含量的影響之雙因子變異數分析 表 ... 87 表 4-20、考慮料別及老化時間對極性芳香成份含量的影響之雙因子變異 數分析表 ... 87 表 4-21、考慮料別及老化時間對環烷芳香成份含量的影響之雙因子變異 數分析表 ... 88 表 4-22、考慮料別及老化時間對飽和成份含量的影響之雙因子變異數分 析表 ... 88 表 4-23、料別及老化時間對添加再生劑之混合料回收瀝青中瀝青質含量 影響之Duncan檢定結果... 89 表 4-24、料別及老化時間對添加再生劑之混合料回收瀝青中極性芳香成 份含量影響之Duncan檢定結果... 90 表 4-25、料別及老化時間對添加再生劑之混合料回收瀝青中環烷芳香成 份含量影響之Duncan檢定結果... 90 表 4-26、料別對添加再生劑之混合料回收瀝青中飽和成份含量影響之

Duncan檢定結果 ... 91 表 4-27、以實驗室拌製混合料回收瀝青黏度及理論計算黏度推測可能的 工廠實際生產混合料回收瀝青黏度表 ... 92

(17)

表 4-28、不同材料之老化指數表 ... 95

表 4-29、考慮料別及老化時間對老化指數的影響之雙因子變異數分析表 ... 95

表 4-30、環烷芳香成份變化率計算結果 ... 96

表 4-31、考慮料別及老化時間對環烷芳香成份變化率的影響之雙因子變 異數分析表 ... 96

表 4-32、Corbett老化指數計算結果 ... 97

表 4-33、考慮料別及老化時間對Corbett老化指數的影響之雙因子變異數 分析表 ... 98

表 4-34、Corbett老化指數之Duncan檢定結果 ... 98

表 4-35、九種混合料老化過程中芳香成份的變化... 101

表 4-36、二次再生後三種混合料芳香成份的含量... 102

(18)

第一章、緒論

1-1、研究背景

台灣地區地狹人稠,土地資源有限,尤其近年來環保意識高漲,工 程界又存在著砂石取得困難,工程廢土棄置不易等困境,瀝青路面再生 工法的使用,不但可降低路面工程砂石的需求量,且可解決舊路面刨除 料棄置的問題,遂成為台灣路面工程界需迫切推動的工法。

台灣地區自 1998 年開始推動工廠熱拌再生,由於採取強制措施,

也就是公務部門規定養護道路必須採用一定比例的再生瀝青混凝土,且 生產再生瀝青混凝土的工廠必須經過認證,故而發展快速,到了 2006 年底,經認證合格的熱半再生廠已有 105 家,占拌合廠總數的 61%;損 壞的瀝青路面經刨除後運回工廠,經過處理,於工廠再生後再鋪回路面 的程序,已成為標準的路面養護方式。以一般路面 4 至 8 年進行刨除重 鋪之經驗預估,將陸續有許多的再生路面,需進行再一次的再生,因刨 除料已經過一次的再生,材料品質的變異性增大,位確保鋪面績效,品 質控制更加重要。

1-2、研究動機

再生瀝青混凝土是由新粒料、新瀝青及刨除料所組成,由於其中的 刨除料是已經鋪築使用過的瀝青混凝土刨除所得,其材料的變異性較 大,經由重複再生後,再生瀝青混凝土品質變異性將會更加擴大,對於 其鋪面績效更不易控制,且瀝青混凝土經由不斷的再生,將來勢必面臨 刨除料過於老化的情形,因此使用再生劑來改善老化瀝青的品質也是必 然的趨勢,國內已有相關的研究,但多針對物理及力學性質方面,對於

(19)

化學方面的研究則較少,因此本研究嘗試從化學方面探討再生瀝青混凝 土的老化特性。

1-3、研究目的

本研究利用於拌合廠所取得的刨除料,於實驗室中進行再生瀝青混 凝土的拌製,並將拌製的再生瀝青混凝土在實驗室中用烘箱加以老化,

老化後的混合料再進行二次再生,拌製為二次再生的瀝青混凝土,並對 實驗中各階段的瀝青混凝土以溶劑分離並回收其中的瀝青,回收瀝青再 檢測 60℃黏度及化學組成。本研究主要目的為:

1、探討不同來源刨除料及不同刨除料添加量的再生瀝青混凝土,

在化學組成上之差異。

2、探討瀝青混凝土在重複再生後,瀝青膠泥化學組成的變化情 形。

3、探討有無添加再生劑的再生瀝青混凝土之化學組成差異。

4、比較添加不同新瀝青的再生瀝青混凝土的老化特性差異。

1-4、研究方法與流程

本研究先收集國內外文獻以了解瀝青膠泥的化學組成、在老化過程 中瀝青化學組成的變化情形、再生瀝青混凝土的品質檢驗及永續再生策 略與工法,接著於實驗室中,藉由取得的再生劑拌製成再生瀝青混凝 土,在將瀝青回收,檢測回收瀝青的黏度及化學組成再進行分析,最後 依據實驗結果提出結論與建議,進行的流程如圖

1-1

所示。

(20)

1-1、本研究之方法流程圖

研究背景、動機、目的

文獻回顧

拌製再生瀝青混凝土

利用烘箱模擬長期老化

拌製二次再生瀝青混凝土

將混合料中的瀝青膠 泥回收

進行黏度及化學組成 檢測

綜合評估

結論與建議

AC-10 RA75 RA250

(21)

第二章、文獻回顧

本研究收集國內外文獻,說明再生瀝青混凝土的品質檢驗、瀝青的 老化行為及老化瀝青的回春、再生瀝青混凝土的化學組成及探討再生瀝 青混凝土化學成份之重要性等四項重點。

2-1、再生瀝青混凝土的品質檢驗

國內對於新闢路面及養護路面使用再生瀝青混凝土的方式已行之 多年,但對於實施之後的成效褒貶不一,因此本節就國內再生瀝青混凝 土的發展概況、國內再生瀝青混凝土的品質狀況做說明,並以實際鋪築 之再生瀝青路面說明其成效。

2-1-1、國內再生瀝青混凝土發展概況

近年來,臺灣地區環保意識高漲,工程界又普遍存在砂石取得困 難、工程廢土棄置不易等困境,瀝青路面再生工法的使用,不但可使路 面工程砂石需求量降低,且可解決舊路面刨除料棄置的問題,遂成為臺 灣路面工程界急須迫切推動的工法。

早在 1980 年代初期,(民國 71 年至民國 74 年),學術上便由成功 大學土木系蔡教授開始推廣熱拌再生瀝青工法,工程界並有中華工程公 司引進刨路機,極國內第一作鼓式拌合機,鋪築了國內第一條再生瀝青 路面[1];於中華工程公司的研究報告中,也充分說明了此工法的潛力,

及在國內推廣的必要性和遠景[2];然而,隨著試驗路面的完成,熱拌再 生工法反而在國內銷聲匿跡,只留下學術界不斷呼籲,甚至配以砂石料 源匱乏之聲,卻仍然無法推動熱拌再生工法。

(22)

工程會於民國八十五年九月,協調各單位及聘請專家學者組成「瀝 青混凝土資源再利用推動小組」,於研擬推動策略時,基於國內道路路 權面積較狹窄、人口密集、大部份養護工程路段交通擁擠,加上國內路 面工程界對瀝青膠泥以外瀝青材料不熟悉等狀況,選定於工廠內生產之 熱拌再生工法,是最可能推動且效益較高的瀝青路面刨除料再利用方式 [3];並衡量熱拌再生工法實際上為一成熟的工法,且國內又已有廠商陸 續引進生產設備,為迅速落實瀝青混凝土資源再利用,又為考量國內以 往經驗缺乏,品質規範無法詳細由本土經驗擬定,遂以一年時間為宣導 試行期間。在此期間委託私立中華大學及國立中央大學,分別辦理「熱 拌再生瀝青混凝土品質驗證」及「台灣地區推動再生瀝青混凝土輔導計 畫」兩項委託專案,並依此兩項專案的執行成果,制定「國內各工程單 位使用熱拌再生瀝青混凝土暫行作業要點」及再生瀝青混凝土的品質檢 測方法,並順利完成再生瀝青混凝土品管人員的培訓。接著於民國八十 八年將原「特定條款」列入「公共工程施工綱要規範」第 02966 章「再 生瀝青混凝土」[4]。

民國八十八年起,辦理熱拌再生瀝青混凝土拌合廠評鑑作業,截至 民國九十年底止,共有 20 家廠商經工程會審查認可為合法之熱拌再生 瀝青混凝土廠。歸納所謂「暫行作業要點」執行的兩年間,國內工程單 位使用再生瀝青混凝土的情況如下:

(1)經認證通過的合法熱拌再生廠數量增加緩慢。

(2)正式採用熱拌再生瀝青混凝土的工程有限。

(3)缺乏熱拌再生瀝青混凝土的品質檢驗報告。

(4)再生瀝青混凝土非正式地進入市場,影響原市場機制。

(5)工程人員開始認定再生瀝青混凝土的品質不良。

(23)

(6)政風及檢調單位對「瀝青混凝土資源再利用」產生誤解,使 少數正式試用再生瀝青混凝土的單位,反而開始禁用。

這些狀況的出現形同宣告工程會推動瀝青混凝土的努力又回到原 點。因此工程會組成「瀝青混凝土資源再利用檢討小組」,召開兩次檢 討會議,將原「暫行作業要點」修訂為「各機關辦理瀝青混凝土再生利 用作業要點」共十五條條文,其中第九條明定各機關採購發包或交辦之 道路工程應逐年增加採用一定比例以上之熱拌再生瀝青混凝土,試圖以 工程行政的手段,近乎強制的方式,促使工程單位於民國九十一年起正 式採用再生瀝青混凝土。至 2006 年底,國內熱拌再生瀝青混凝土廠經 認證合格的已有 105 廠,佔拌合廠總數的 61%,如圖 2-1所示,且到民 國 93 年底為止,新闢路面使用再生瀝青混凝土之比例已達 41%,而使 用再生瀝青混凝土來養護的路面,更是達到了 69%;損壞的瀝青路面經 刨除後運回工廠,於工廠再生後再鋪回路面的程序,到如今已成為標準 的路面養護方式。

(24)

2-1、工程會認證通過之合法熱拌再生廠數量增長圖[5]

2-1、工程會公告再生瀝青混凝土在新闢道路與養護路面使用比例

新闢路面

年度 再生瀝青混凝土使用總量(M3) 工程會訂立目標 實際使用量

91 25,244 10%以上 47%

92 18,707 20%以上 33%

93 195,009 30%以上 41%

養護路面

91 126,644 20%以上 43%

92 615,070 30%以上 53%

93 1,712,527 40%以上 69%

2-1-2、國內再生瀝青混凝土之品質狀況

熱拌再生瀝青混凝土之品質要求與傳統瀝青混凝土相同,施工時須 特別注意溫度控制,對材料成品的檢核,以瀝青含量與粒料級配為主,

(25)

至於施工品質,則以平坦度、壓實度、厚度等項目檢測,這些傳統的品 質要求,並不因採用再生瀝青混凝土而有特殊的禮遇,且為確保新舊瀝 青混合後瀝青的性質,應增加對再生瀝青混凝土中瀝青性質的量測。

欲量測瀝青混凝土中瀝青的性質(黏度),必需以溶劑將瀝青混凝土 中的瀝青溶出、與骨材分離,將溶劑由溶液中驅離而得到瀝青等,較一 般土木材料試驗稍為精細的試驗步驟,稱為回收試驗法,以此種回收試

驗法作為基礎,可擬訂再生瀝青混凝土的品質檢驗流程,如圖

2-2

所示。

2-2、再生瀝青混凝土之品質檢測流程

再生瀝青混凝土之品質檢驗,與國內慣用之瀝青混凝土成份檢測法 不同處,在於必需加測回收瀝青 60oC 黏度,可採用的工程會公告的「瀝 青混合物中瀝青的回收方法(草案)」及「旋轉式黏度儀量測瀝青膠泥 60

(26)

℃黏度試驗方法(草案)」兩種試驗方法進行,其中的回收法與美國 ASTM D5404-03 (Standard Practice for Recovery of Asphalt from Solution Using the Rotary Evaporator)相近,而黏度試驗法則與美國 ASTM D4402-02 (Standard Test Method for Viscosity Determination of Asphalt at Elevated Temperature Using Rotational Viscometer)類似。對再生成品回收瀝青 60oC 黏度所要求的目標值,稱為目標黏度(Target Viscosity),目標黏度值的研 擬,應配合本土經驗與氣候狀況,例如美國佛羅里達州慣用 AC-30 為傳 統瀝青混凝土之瀝青,拌合後回收瀝青之 60oC 黏度約為 6,000poises,

對於再生瀝青混凝土之品質要求,則除一般傳統瀝青混凝土之品檢項目 外,規定目標黏度值為 6,000±2,000poises[6],以確認再生瀝青混凝土之 品質與傳統瀝青混凝土相同。

以往經驗顯示,國內針入度 85/100 瀝青之 60oC 黏度約為 1,000 poises,拌合後約增為二倍,則傳統瀝青混凝土成品之回收瀝青 60oC 黏 度在 2,000 poises 附近,由於國內年平均溫度較高,路面工程界已有採 用較硬等級瀝青之共識,亦曾嚐試用較低針入度瀝青(如針入度 60/70 或 40/50 等級),並有正面之成效驗證[6],不必比照國外經驗,要求使用較 軟的再生劑,而堅持將再生瀝青混凝土之回收瀝青 60℃黏度定為傳統針 入度 85/100 之回收瀝青 60℃黏度範圍,如此,不但可符合針對臺灣地 區高溫環境而採較高黏度瀝青之原則,亦使再生廠或相關業者,可方便 地採用傳統瀝青為新瀝青,而省掉必需提供另一種全新的瀝青材料之麻 煩。

國內路面工程界缺乏黏度檢測經驗,在推動瀝青混凝土資源回收案 之初期,一般鋪路瀝青之 2,000 ~ 8,000 poises 範圍內,都應可試用為目 標黏度值,以材料選擇的一般原則交由配比設計單位依 RAP 之特性,

(27)

配合生產機具來決定,若 RAP 料之回收瀝青黏度較高或 RAP 添加量較 大,則可嚐試選用較高目標黏度,若 RAP 料之回收瀝青黏度較低或 RAP 添加量較小,則可選用較低目標黏度,除可消除必須引用較陌生的再生 劑新材料的麻煩外,並可避免因將目標黏度訂得較高,而需添加較高黏 度新瀝青之現象,亦為路面工程界對黏度量測不熟悉之過渡期間,減少 拌合廠內多種瀝青混用之困擾的一種權宜措施[6],俟國內累積足夠經驗 後,再對目標黏度的選擇確認,以符合國內之氣候環境及行車需求。

依據中華大學之研究,國內剛推動熱拌再生工法時,拌合廠商大都 依據引進的設備配合政府的政策生產再生瀝青混凝土,再生成品的品質 與原生產品的差異不大,表

2-2

之上半部為 1997 年底少數熱拌廠之產品 概況,當時刨除料的添加量大都在 40%以下,將拌合廠生產過程之一天 均分成四時段,或連續兩工作天分為四個時段,於再生成品載運卡車 上,取得樣品進行品質檢測,與一般原生產品比較,瀝青含量稍有偏低 之現象,粒料級配與原生品相近,而回收瀝青 60oC 黏度則在

3,000~4,000poises 之間。

2-2

之下半部份則為 2001 年底,北部少數熱拌再生廠之再生產品 狀況,與推動之初期相比較,刨除料添加量普遍提高至 50%,瀝青含量 有偏高之現象,粒料級配部份則過 200 號篩的百分比有過高之情形,至 於回收瀝青 60oC 黏度亦隨之提高到 6,000~8,000poises 之間。由於資料 有限,作者雖然無法對品質變異的狀況進行分析,但因刨除料的添加量 提高,由大部份廠商沒有加強品質控制的狀況推估,品質變異應該擴 大。這些現象應該是歸因於沒有進行適當的品質管制,也難怪近來已有 工程人員認為再生瀝青混凝土的品質不佳,而有不願意採用的趨勢。

(28)

2-2、國內熱拌再生瀝青混凝土之品質數據

民國八十六年底(引進熱拌再生之初期)

案例別 案例1 案例2 案例3 案例4 案例5

工程地點 北部 北部 南部 南部 北部

刨除料添加量(%) 35 35 65 32 25

取樣狀況 同一工作

天分批取 樣

同一工作 天分批取

連續兩工 作天分批

取樣

連續兩工 作天分批

取樣

連續兩工 作天分批

取樣

樣本數(n) 4 4 4 4 4

瀝青含量平均值 (%)

4.46 5.07 4.39 4.92 4.62 回收瀝青60℃黏

度平均值(poises)

3,188 3,547 7,728 2,720 3,998

#8過篩平均值 (%)

39.0 43.6 41.9 50.0 39.7 再

生 成 品

#200過篩平均值 (%)

5.0 5.2 6.0 5.9 4.7 民國九十年底(引進熱拌再生四年後)

案例別 案例6 案例7 案例8 案例9 案例10

工程地點 北部 北部 北部 北部 北部

刨除料添加量(%) 40 50 50 50 50

取樣狀況 同一拌 同一拌 同一拌 同一拌 同一拌

樣本數(n) 2 2 2 2 2

瀝青含量平均值 (%)

5.42 5.21 5.54 5.97 5.34 回收瀝青60℃黏

度平均值(poises)

6,794 5,914 4,637 5,277 8,670

#8過篩平均值 (%)

37.3 45.5 40.9 45.0 47.3 再

生 成 品

#200過篩平均值 (%)

7.3 7.4 7.9 9.8 7.8

2-1-3、國內熱拌再生瀝青試驗道路之成效

高雄市政府工務局養工處為配合工程會推動瀝青混凝土之資源再 利用,於民國八十七年六月,選定中國石油公司高雄煉油總廠周邊之後

(29)

昌路與學專路,寬約 22 公尺,長約 1,000 公尺如圖

2-3

所示,舊路面 損壞刨除 7.5 公分後,鋪回 7.5 公分熱拌再生瀝青混凝土。該兩段試驗 路面由中華大學負責配比設計及品質監測,於民國八十七年六月底鋪設 完成,養工處工程人員於民國八十九年十一月發表的論文中曾對該兩段 路面進行目視評估[7],

2-3、高雄市政府工務局熱拌再生瀝青混凝土試驗路面位置圖

此研究接著於西元 2002 年七月,對該兩路面進行目視成效評估及 鑽心取樣。由表

2-3

及表

2-4

可知這兩段試驗路面的品質狀況還算良好,

短期內養工處也無養護計畫,若以一般國內瀝青路面平均使用年限四 年,則可驗證熱拌再生瀝青混凝土的品質等同於傳統瀝青混凝土。

中華大學鋪面研究室於西元 2003 年十二月二日,在康德瀝青工業 股份有限公司的協助下,前往高雄市學專路及後昌路進行第五年的目視

(30)

成效評估及路面鑽心取樣,所取得的樣本帶回中華大學鋪面研究室進行 回收、黏度、及篩分析試驗[8]。

並將其數據彙整在表

2-3

及表

2-4

內,由於此試驗路面已使用五年 之久,在此次的回收瀝青 60℃黏度試驗中,皆已超過 100,000 poises,

刨除後已不能在使用,在路面狀況方面產生了裂縫、車轍及在學專路上 也有修補過的跡象。

2004 年六月七日進行第六年的目視成效評估[9],因為在第五年回 收瀝青 60℃黏度試驗已超過 100,000 poises,所以沒有再進行鑽心取樣 的必要。目視評估方面,後昌路裂縫範圍有擴大的趨勢,車轍已漸趨明 顯,表面也因剝脱、細料喪失而呈粗糙,學專路的車轍明顯擴大,修補 的狀況也增加不少。

此研究經由對高雄市再生瀝青試驗路面的六年成效觀察與檢驗,認 為再生瀝青混凝土的品質可以等同於一般傳統瀝青混凝土。路面狀況除 少數修補過及有些地方出現車轍外,大致上可以說良好,跟一般瀝青混 凝土狀況並無差異之處。

在六年前鋪築熱拌再生瀝青混凝土時,由於技術的不純熟是不可避 免的,但現在,熱拌再生瀝青混凝土技術越來越純熟,也有一定的成效 性,由此可證明利用熱拌再生瀝青混凝土來取代一般傳統瀝青混凝土是 可行的。

2006 年七月中華大學鋪面研究室制高雄進行第八年的目視成效評 估及鑽心取樣,所取得的樣本帶回中華大學鋪面研究室進行回收、黏 度、及篩分析試驗,黏度試驗結果彙整於表

2-5,目視評估方面,後昌

路裂縫範圍有擴大的趨勢,有很明顯的車轍,表面也因剝脱、細料喪失 而呈粗糙,學專路的車轍也非常明顯,修補的狀況也增加許多。

(31)

2-3、後昌路試驗數據及成效評估

路段 後昌路

最大理論密度 2.498 密度 2.314 孔隙率(%) 7.4 回收瀝青 60℃黏

度(poises)

4,500 鋪築完成之

數據及路面狀況 刨除 7.5 公分,鋪回 7.5 公分。路面平坦,平均空隙率 7.4%,標準差 1.7%,

採用再生瀝青混凝土之刨除料添加量 40%,III-D 級配,平均瀝青含量 4.28%,

標準差 0.23%,回收瀝青 60℃黏度平均 4,500 poises,標準差 1,340 poises。

二年目視成效 路面平坦,紅綠燈路口前有約 1 公分車轍。

最大理論密度 2.498 密度 2.373 孔隙率(%) 5.0 回收瀝青 60

℃黏度(poises)

前段超過 100,000

後段 27,500 四年後品質

狀況分析

路面平坦。前段路口車轍不明顯,呈現因磨蝕、細料喪失而呈表面粗糙,

已出現區塊裂紋;後段紅綠燈路口前有約 1 公分車轍,接近煉油廠大門處有 明顯瀝青污漬,研判為運油車污染路面。全段空隙率平均 5.0%,前段回收瀝 青 60℃黏度超過 100,000 poises;後段回收瀝青 60℃黏度約 27,500 poises。

最大理論密度 2.498 密度 2.399 孔隙率(%) 4.0

回收瀝青 60

℃黏度(poises)

前段超過 169,000

後段 48,000 五年後品質

狀況分析

前段路口車轍不明顯,呈現因剝脱、細料喪失而呈表面粗糙,已出現區 塊裂紋。

後段紅綠燈路口前的車轍已大於 1 公分,也有呈現因剝脱、細料喪失而 呈表面粗糙,其餘地方車轍較不明顯,接近煉油廠大門處有明顯瀝青污漬,

研判為運油車污染路面。在靠近郵局處有明顯車轍及裂縫之產生。

六年後目視 成效評估

前段路面車轍已較明顯,呈現因剝脱、細料喪失而呈表面粗糙,已出現 區塊裂紋。

後段也有呈現因剝脱、細料喪失而呈表面粗糙,車轍已較明顯且在輪跡 處細料喪失甚為嚴重,在靠近郵局處有明顯車轍及裂縫之產生。接近煉油廠 大門處有明顯瀝青污漬,研判為運油車污染路面,目前也呈現些許裂縫。

(32)

2-4、學專路試驗數據及成效評估

路段 學專路

最大理論密度 2.513 密度 2.293 孔隙率(%) 8.7 回收瀝青 60

℃黏度(poises)

5,500 鋪築完成之數據

及路面狀況 刨除 7.5 公分,鋪回 7.5 公分。路面平坦,平均空隙率 8.7%,標準差 1.6%,

採用再生瀝青混凝土之刨除料添加量 35%,IIID 級配,平均瀝青含量 4.15%,

標準差 0.34%,回收瀝青 60℃黏度平均 5,500 poises,標準差 1,034 poises。

二年目視成效 路面平坦,紅綠燈路口前有約 1 公分車轍及少許冒油。

最大理論密度 2.513 密度 2.340 孔隙率(%) 6.9 回收瀝青 60

℃黏度(poises)

超過 100,000 四年後品質

狀況分析 路面平坦。全段路面出現區塊裂紋,顯示老化嚴重。全段空隙率平均 6.9%,全段回收瀝青 60℃黏度超過 100,000 poises。

最大理論密度 2.513 密度 2.333 孔隙率(%) 7.2 回收瀝青 60

℃黏度(poises)

超過 170,000 五年後品質

狀況分析 在前段路面有明顯的車轍、裂縫(區塊裂縫)現象,研判此路段經常有 大量重車在此經過。

後段有些許裂縫產生。但在全路段中段方面有不少區塊修補狀況。

六年後目視 成效評估

在前段路面有明顯的車轍、細料喪失而呈表面粗糙,已出現區塊裂紋現 象,研判此路段經常有大量重車在此經過。

後段有些許裂縫產生。但在全路段中段方面區塊修補狀況有漸趨增加。

表 2-5、高雄路面歷年來回收瀝青黏度數據

路段 後昌路 學專路

名稱/實驗項目 回收瀝青60℃黏度(poise) 鋪築完成 7,053 4,868 鋪築後4年 63,750 100,000 鋪築後5年 108,500 170,000 鋪築後8年 205,218 359,403

(33)

2-1-4、國內對於再再生瀝青混凝土之研究

交通部公路總局管轄的路面自 2000 年起正式採用熱拌再生瀝青,

以一般路面約 4 至 8 年進行刨除重鋪之經驗預估,至今將陸續有許多再 生路面,需要進行再一次再生,甚至目前已經開始有將再生瀝青混凝土 重複再生的情形,形成「再再生瀝青混凝土」,不僅加深材料品質的變 異性,對於鋪面的績效更不易控制,因此瀝青工業同業公會委託社團法 人中華鋪面工程學會進行一項名為「再再生瀝青混凝土性質之評估」的 研究案[10],對再再生瀝青混凝土之基本性質及工程行為進行完整的探 討。

研究結果顯示,由於國內較常使用的瀝青為 AC-10 及 AC-20,而 AC-10 及 AC-20 經長期老化後之老化指數分別為 28 和 17,亦即黏度分 別超過 28,000 及 34,000poises 時可視為再再生瀝青混凝土。再添加劑選 擇方面,重油會過度軟化再再生瀝青膠漿、提高再再生瀝青膠漿的感溫 性,其老化趨勢也較嚴重,且對刨除料及新鮮粒料無黏結能力,AC-5 則因為黑石頭現象使得再再生瀝青混凝土工程強度過低,因此建議軟化 劑應為目標黏度之次一等級。使用再生劑時在 110℃最佳擴散時間為四 小時,最佳擴散溫度為 140℃,新工之再再生瀝青混凝土鋪面應於鋪築 完成後 15 天內避免過高的交通荷重。而由再再生瀝青混凝土回收瀝青 黏度試驗結果顯示 Grunberg 黏度預測模式能準確的預測兩相拌合後的 瀝青黏度,能使用比 ASTM 方法更多量的刨除料,並且能針對刨除料及 添加劑的材料特性,建議刨除料的適當用量,因此建議以此黏度預測模 式來決定最佳的刨除料用量。

(34)

2-2 、瀝青的老化與老化瀝青的回春

瀝青在瀝青混凝土中扮演的角色為骨材與骨材間的黏結料,在瀝青 混凝土的使用過程中,骨材的變化較小,主要的變化皆在於瀝青隨著時 間的老化而造成瀝青本身的性質改變,因此本節就瀝青的老化及老化瀝 青的回春作說明。

2-2-1、瀝青老化過程

瀝青最初的老化發生在拌合廠中瀝青膠泥與熱粒料的拌合期間。在 很短的拌合時間內,瀝青暴露於 135~163℃高溫空氣中,瀝青因氧化與 揮發成分散失,而使瀝青黏度增加且持續進行化學變化進而產生老化現 象,特別是發生在粒料與瀝青界面處。拌合過程中,瀝青的氧化及揮發 物質的散失,造成質流特性快速改變,在鋪面施工完成及開放交通後,

瀝青的老化則進行緩慢,若鋪面空隙率較高,則老化作用較快。若瀝青 薄膜較厚,其老化速度較慢[11]。

瀝青材料各成分老化過程,依序為環烷芳香族轉換成極性物質,經 氧化後再逐漸變成瀝青質。隨著時間的延續,瀝青質成分逐漸增加,瀝 青因此變硬變脆且與粒料間黏結效果變差。

溫度及空氣為瀝青在現地環境下產生脆化、裂縫及老化現象的主 因,以紅外線光譜儀(Fourier Transform Infrared Spectroscopy,FTIR)

分析瀝青膠泥老化前後的變化,發現瀝青膠泥中的硫分子與氧反應生成 sulfoxide 官能基的變化情形,顯示隨瀝青老化程度的增加,其 sulfoxide 量有明顯之增加[12]。

(35)

Vallerga et al.[13]和 Finn et al.[14],使用不同方法得到瀝青膠漿在拌 和或鋪面使用期間影響老化機制之重要因素,包含

1. 氧化作用(oxidation)

瀝青與空氣中的氧產生作用,其氧化速率與瀝青的性質及所處 環境溫度有關。

2. 揮發作用(volatilization)

瀝青中的輕質成分受溫度影響揮發而產生老化,非鋪面長期老 化的主因。

3. 聚合作用(polymerization)

瀝青中的小分子聚合成較大的分子,而導致產生硬化。

4. 凝聚作用(thixotropy)

為瀝青本身之結構所形成之硬固作用,若將之加熱回溫,又恢 復原來特性;多發生在鋪面不受交通作用或低交通量時。

5. 析出作用(syneresis)

瀝青黏結料中之油份易被析出於薄膜表面,當這些油份揮發 消 失時,將導致瀝青黏結料變得較為脆硬。

6. 分離作用(separation)

為瀝青黏結料中油性成分、膠質成分或瀝青精消失,導致 瀝 青黏結料產生硬化現象。

2-2-2、老化瀝青的回春理論

瀝青膠泥是一種高分子的碳氫化合物,主要組成的成份為瀝青質 (Asphaltene),樹脂成份(Resins),芳香成份(Aromatics),飽和成份(Saturate)

(36)

等,瀝青質以外的後三種成份又合稱為脂油(Maltene)。所有瀝青材料都 存在有老化的作用,造成瀝青膠泥老化的原因在於輕質成份逐漸揮發,

另外與空氣接觸,受氧化作用的影響,分子間極性作用增強,使得性質 相似的小分子結合成更大分子量的分子組合,即芳香成份逐漸變成樹脂 成份及瀝青質成份,而使瀝青膠泥變硬(針入度降低、黏度昇高、延展性 降低)。

由物理性質來看,刨除料中的舊瀝青因受老化作用的影響,黏度較 高,添加再生劑主要的目的是將刨除料中老化的舊瀝青軟化,恢復至較 佳的黏度性質,以適合施工用途和滿足耐久性的需求,而由化學方面來 說,瀝青在老化過程中,因溫度與氧氣的作用,芳香成份因極性增加而 逐漸轉變為瀝青質,也就是說,隨著瀝青的老化,芳香成份逐漸減少,

瀝青質逐漸增多[15],因而導致內部穩定性被破壞,添加含有較多芳香 成份的再生劑可補充舊瀝青所失去的芳香成份,使瀝青回復原本的狀 態;至於再生劑的軟化程序,依據 Carpenter 與 Wolosick [ 16] 所提之 擴散模型(Diffusion Model),過程如下:

1、黏度低的再生劑(新瀝青)先包裹於舊瀝青外層。

2、再生劑(新瀝青)經由擴散作用滲入黏度高的舊瀝青中。

3、內層瀝青黏度降低而外層瀝青黏度增高。

4、瀝青膜內黏稠度最後達到了平衡。

此種擴散模型可以解釋新舊瀝青的交互作用,而新瀝青能擴散入黏 度較高的舊瀝青中是依靠兩者的相容性,此種相容性對於化學成份複雜 的瀝青材料而言並不容易檢測;依據傳統流體擴散作用的理論,擴散速 率與擴散介質的黏度呈反比,故老化愈嚴重也就是黏度愈高的瀝青,在 覆蓋一層黏度低的再生劑後,瀝青膜黏度達到平衡所需的時間應該愈

(37)

長,但依據 Karlsson 以紅外線光譜儀進行的「老化程度對瀝青再生劑擴 散作用之影響」研究[17],反而認為老化程度對再生劑擴散作用的影響 有限,原因是因為瀝青中只要仍有脂油成份存在,再生劑的擴散作用仍 然可以順利進行,也就是說,主導擴散作用的是脂油的黏度,而不是瀝 青整體的黏度,老化嚴重的瀝青有較多的瀝青質成份,但仍保有主導擴 散作用的脂油。此種觀察似乎意味著不論瀝青老化多嚴重,或說不論重 覆再利用幾次,只要選用適當的再生劑,都可以經由擴散作用而回復瀝 青的性質。此一觀察,也提供實務工程師,有了可將瀝青材料不斷重覆 再利用的信心。

2-2-3、再生劑

美國材料試驗學會(ASTM),針對熱拌再生瀝青混凝土的需要,擬 訂有再生劑(Recycling Agent,RA)材料規範,如表

2-6

所示[18],由表可 知依 60oC 動黏度由低至高分為 6 種(RA1、RA5、RA25、RA75、RA250、

及 RA500),若以該瀝青材料 60oC 比重為 1.0 估算,各等級代號之數字 即為其 60oC 黏度(以 poise 為單位),所以傳統鋪路瀝青(ASTM D3381) 中之 AC-2.5 及 AC-5,可以說就是 RA250 和 RA500;再生劑材料本身 的要求,在於黏度低,使用哪一種等級?端視刨除料中瀝青的黏度、和 刨除料添加百分比,以調製成規範所規定的黏度為主要考量,其它如安 全性的閃火點,本身老化特性的 TFOT (或 RTFOT)後黏度增加比,是傳 統瀝青膠泥就有的規定,外加可能是影響新舊瀝青間相容性的飽和成份 要求[ 19]。

(38)

2-6、ASTM D4552-92 再生劑規範[18]

試驗 編號 RA1 RA5 RA25 RA75 RA250 RA500

60℃黏度(cSt) D2170 D2171

50~

175

176~

900

901~

4500

4501~

12500

12501~

37500

37501~

60000 閃火點,℃ D92 >218 >218 >218 >218 >218 >218 飽和成分,% D2007 <30 <30 <30 <30 <30 <30 TFOT(RTFOT)

後黏度比 重量變化,%

D2872 D1754

<3

<4

<3

<4

<3

<3

<3

<3

<3

<3

<3

<3

比重 D70 D1298

提出報 告

提出報 告

提出報 告

提出報 告

提出報 告

提出報 告

在實際施工上,再生劑要能在熱拌廠的拌合機中,均勻地散佈以裹 覆於舊瀝青之表層,並經由擴散作用將舊瀝青軟化,此種再生劑與舊瀝 青接觸後的擴散能力,並未列於 ASTM D4552 中。在工程實務上,例如 美國 FHWA 在熱拌再生瀝青配比設計綱要中,則期望以刨除料的添加量 做為重要的控制,若添加量較低(<15%)則沿用慣用瀝青即可,不必使用 再生劑,若添加量在 15%至 25%之間,則採用比慣用瀝青軟一級的瀝青 即可,也不必使用再生劑,唯有在添加量超過 25%時,才需要依據刨除 料的回收瀝青黏度和含油量,以「拌合經驗圖」(如圖

2-4

所示)選擇適 當的再生劑。由於「拌合經驗圖」乃依據特定的程序(ASTM4887),將 刨除料中的瀝青以溶劑分離再回收,用回收所得瀝青與再生劑在實驗室 中的試拌成果,與實際生產拌合過程有不小的差異,所以,最好不要選 用太軟的瀝青,也就是說,若刨除料中的瀝青黏度過高,應以減少刨除 料添加量因應,而傾向於不要使用過軟的再生劑來提高刨除料的用量,

(39)

以免有因拌合不均及擴散作用不易完成而產生品質方面的缺陷。

註:

1、將刨除料之 60℃年度點繪於左邊之軸上(A)

2、計算再生劑佔總黏結料之重量百分比點繪於橫軸上(B)

3、由(B)點垂直至交目標黏度線於(C)點

4、連接 A 點與 C 點,交右邊軸線於 D,則 D 點的黏度即為所需再 生劑之黏度

2-4、選擇再生劑採用之拌合經驗圖

(40)

2-2-4、瀝青混凝土的加速老化研究

利用實驗室老化方式模擬現地老化,配合各種成效評估試驗結果預 測鋪面的長期績效,是各國道路交通單位最理想的目標。但實驗室製作 試體的方式與現地鋪築滾壓並不完全相同,加上道路鋪築開放通車後,

影響老化的因子更為複雜,使得要在實驗室裡模擬現地老化的情形更為 困難;理論上,在實驗室裡使用瀝青混凝土試體模擬老化應該會比單純 使用瀝青模擬老化要接近實際鋪面的老化情形,但實際上以試體老化模 擬現況的文獻較少,且沒有較普遍的作法。一般而言,較常將瀝青以滾 動薄膜烘箱試驗(RTFOT)或薄膜烘箱試驗(TFOT)模擬瀝青在拌合 廠中瀝青短期老化的現象,以高壓輸氣老化試驗(PAV)模擬鋪築、開 放通車後瀝青長期老化現象[20]。

實驗室加速試體老化的技術,依 SHRP(Strategic Highway Research Program)所提出的方式可分為以下兩類:

1、短期老化方式:烘箱加熱、延長拌合時間。

2、長期老化方式:延長烘箱加熱時間、紅外線/紫外線照射處理、

加高壓氧氣加速老化。

根據 BELL 等人的研究指出[21],短期老化部份以散料置入 135℃

烘箱 4 小時,可模擬瀝青混凝土在拌合廠拌合至鋪築後兩年內的老化情 況;在短期老化過程後將散料夯製成試體,在放入 85℃烘箱 5 天,則可 模擬現地 7~15 年的長期老化情形,或經過短期老化步驟後,製作試體 經高壓氧氣處理(Pressure Oxidation Vessel,POV),以 60℃,100Psi 模擬現地長期老化情形[22]。

(41)

2-3、瀝青膠泥之化學組成

瀝青膠泥為石化工業的副產物,原油經過煉油的過程得到各類油品 後,最後所剩餘的殘渣即為瀝青,基於此一產品的先天特性,很難由製 程上去判斷此種產品精確的化學成份,再加上原油的來源不同所產生的 複雜性,實在難以定義瀝青的化學組成;但因瀝青的特性取決於其化學 組成,因此對於瀝青化學組成的瞭解,確實有其必要性。

2-3-1、瀝青的分子結構

瀝青源自於石油工業副產物,由複雜的碳氫分子所組成,存在於這 些分子中的元素大致上如表

2-7

所示,依原油來源的不同,碳和氫的含 量約佔 93%~98%之間,其次為硫,含硫較高者,可達 5%以上,再其次 為氮與氧,約在 1%上下,最後是佔極微量的釩及鎳兩種重金屬。

2-7、四種代表性石油瀝青的組成元素比例[23]

元素別 B-2959 Mexican Blend

B-3036 Arkansas-Louisiana

B-3051 Boscan

B-3602 California

碳,% 83.77 85.78 82.90 86.77

氫,% 9.91 10.19 10.45 10.93

硫,% 0.28 0.26 0.78 1.10

氮,% 5.25 3.41 5.43 0.99

氧,% 0.77 0.36 0.29 0.20

釩,ppm 180 7 1380 4

鎳,ppm 22 0.4 109 6

瀝青的分子組成結構對瀝青性質的影響比其組成元素大,大部份的 瀝青分子由下列三種碳鏈所組成:

(42)

1、直鏈或分支狀長鏈;一般將大部份由此種瀝青分子組成之瀝 青稱為「石蠟型瀝青(aliphatic or paraffinic type)」。

2、簡單或複雜的飽和環鏈;在有機化學中,飽和乃是指分子結 構中有最高的氫/碳比,或是不含碳的雙鍵或三鍵,一般將大部

份由此種瀝青分子組成之瀝青稱為「環烷型瀝青(naphthenic type)」

3、苯環結構;類似苯及奈之六碳未飽和環狀結構,一般將大部份 由此種瀝青分子組成之瀝青稱為「芳香類瀝青(aromatic type)」。

硫、氮、與氧原子,在瀝青分子中則被稱為「異類原子

(Heteroatoms)」;大部份以碳、氫為主的瀝青分子,都會挾雜一或數個異 類原子,這些異類原子加入瀝青分子結構中,會使原分子失去電化學平 衡而產生極性,被瀝青化學家稱為官能團(Functional Groups);這些帶有 電性的分子,本著同性相斥異性相吸的原理,除了會影響瀝青分子間的 作用力而使分子間產生糾結外,亦影響到瀝青分子與其它分子(如骨材) 界面間的作用力,此種由分子結構而產生的糾結現象,表現在物理性質 上即為黏度較高,深深地影響瀝青的工程性質;例如某些骨材表面對某 些瀝青官能團,具有選擇性吸附作用,具有大量此類官能團的瀝青與此 種骨材的組合,即可能因不相吸附而容易產生剝脫現象(Stripping

Phenomenon);瀝青分子中的官能團雖只佔所有瀝青分子的少部份,但 確信是極具關鍵的少數分子,對於瀝青膠泥特性及其使用成效很可能有 關鍵性的影響。圖

2-5

為目前已知存在瀝青分子中的各種官能團[24]。

(43)

註:(1)自然存在於瀝青分子中 (2)因氧化而產生

2-5、在瀝青膠泥中存在的官能團[24]

2-3-2、瀝青的組成模型

瀝青的組成成份因過於複雜而無法明確的定義,一種簡化的「觀念 性組成模型」,將有助於對瀝青特性的瞭解;大部份瀝青的研究人員,

在觀念上同意將瀝青描述為由瀝青質(Asphaltene)、脂類(Resins)、及油 類(Oils)所組成;若將瀝青膠泥加入戊烷、己烷、或庚烷等非極性溶劑中,

則可將脂類及油類(合稱為脂油、Maltenes)溶出而留下瀝青質,溶出的脂 油可再用丙烷將油類溶出而留下脂類,如圖

2-6

所示。

(44)

2-6、以溶劑將瀝青膠泥分離成瀝青質、樹脂、及油類之示意圖

使用不同的溶劑溶解瀝青膠泥時,得到瀝青質的量不完全相同,由 於戊烷的碳原子數較庚烷少,與庚烷相比,用戊烷溶解瀝青膠泥可得到 較多的瀝青質;瀝青質為深棕色易碎的固體,由許多易與其它分子糾結 的化合物組成,為極性最高且最複雜的瀝青成份,由於極性最高,是瀝 青膠泥具有黏結性的主要成份;有許多研究顯示,不同瀝青膠泥中,在 所含瀝青質的數量與特性上都有極大的不同,有些研究人員認為瀝青膠 泥中的瀝青質過低(小於約 10%)或瀝青質的黏結性不良,與造成熱拌瀝 青混凝土鋪築時發現的軟弱現象(Tender Mix)有關。

脂類則為深色的半固體或固體,加熱後呈流體,冷卻後呈易碎固 體,可溶解於戊烷中,且能被礬土吸附,若經氧化,脂類會轉變為瀝青 質類分子,一般認為脂類是使瀝青質能分散於油類中而形成均質瀝青膠 泥的「界面劑」。至於油類則為白色或無色的液體,能溶於大部份溶劑,

瀝青膠泥

瀝青質 脂油

樹脂類 油類

加庚烷

沉澱物

沉澱物 溶出物

加丙烷

溶出物

(45)

分子構造類似於不含氧及氮的石蠟油或揮發油,若經氧化,油類會轉變 為脂類或瀝青質類分子。

2-3-3、瀝青的成份分析法

由於瀝青膠泥的組成複雜,所謂成份分析所得的各種「成份」,不 代表一種確切定義的化學成份,只是將瀝青膠泥區分為數個組成「部份 (fractions)」,每個部份都還是相當複雜的混合物;最常用的瀝青成份分 析法有 Rostler 及 Stenberg 發展的「化學沉澱法(Chemical Precipitation Method)」及列於 ASTM D4124[26 ]中由 Corbett 發展的「選擇性吸附脫 附法(Selective Adsorption-Desorption Method)兩種。

1、化學沉澱法

由 Rostler 及 Stenberg[25]發展的化學沉澱法之試驗流程如圖

2-7

所 示,首先由戊烷將瀝青膠泥中的脂油溶出而使瀝青質沉澱,再將脂油溶 液依序以濃度漸增的硫酸量測其中的四類分子的數量,使用此種分析方 法,可以得到五種量化的「瀝青成份」:

(1)瀝青質(Asphaltene、A):由戊烷溶解瀝青得到的瀝青質,被 視為瀝青膠泥的主體。

(2)氮基(Nitrogen Bases、N):使用 85%的硫酸將脂油溶液中含 氮的極性化合物沉澱,此一部份被稱為氮基,為具有將瀝 青質打散以便分散在油類中的部份。

(3)初酸基(First Acidaffins、A1):其次使用 98%的硫酸將氮量 較低的另一種芳香族成份沉澱,Rostler 將此一部份稱為「初 酸基(First Acidaffins)」,在瀝青膠泥中是使瀝青質散佈的主 要「溶劑」。

(46)

(4)次酸基(Second Acidaffins、A2):最後以含 30%SO3之硫酸 蒸氣將脂油溶液中較不活潑及含較少芳香族類的所謂「次 酸基(Second Acidaffins)」沉澱,此一部份也被認為是使瀝 青質散佈的「溶劑」。

(5)石蠟基(Paraffinic、P):石蠟類為脂油中不與硫酸蒸氣反應 的最後一部份,依據 Rostler 的說法,石蠟基是使瀝青膠泥 呈現膠體行為的成份。

2-7、瀝青成份分析之化學沉澱法[25]

由於大部份瀝青鋪面工程師不具有良好的化學背景,很難將化學沉 澱法所得量化的瀝青成份資料,與瀝青膠泥實際使用成效建立相關性,

為了方便鋪面工程師使用這些資料,Rostler 針對瀝青膠泥的耐久性與 瀝青膠泥

瀝青質

次酸基 氮基

初酸基

石臘基 戊烷(n-Pentane)

沉澱 溶液

H2SO4

(85%)

H2SO4 (98%)

H2SO4 SO3

(47)

品質,提出下列的關係:

相容性比(Compatibility Ratio) = P N

此相容性比值最好大於 0.5。

耐久性參數(Durability Parameter) =

2 1 A P

A N

+ +

耐久性參數低於 0.40 為不良,大於 1.00 為良好。

2、選擇性吸附脫附法

列於 ASTM D4124[26]中由 Corbett 發展的選擇性吸附脫附法,乃 是將瀝青膠泥分解成四個可以執行進一步測試的部份,如圖

2-8

所示,

首先以庚烷溶出脂油類而沉澱出瀝青質,再將含庚烷之脂油類溶液注入 層相分析柱(chromatographic column)內,此柱內的礬土會將含其它三種 成份分部之脂油吸收,接下來依序用極性漸增的溶劑將極性不同的三種 成份沖洗出來;此種方法,將瀝青膠泥分解並量化為四種成份:

(1)瀝青質(Asphaltene):如前所述由庚烷溶解瀝青膠泥而沉澱 出的瀝青質為瀝青膠泥的主體,在常溫下為固體或半固體。

(2)飽和成份(Saturates):飽和成份為以庚烷沖洗礬土柱時第一 個洗出的部份,因為不含化學官能團,實際上並未由礬土 吸收,此飽和成份與前述 Rostler 化學沉澱法中的石蠟相 似,經常由此成份分子中發現硫,在室溫下為相當穩定的 液體,此種成份較多時,將增大瀝青膠泥的感溫性。

(3)環烷芳香成份(Naphthene Aromatics、NA):接著用極性較強 的苯或甲苯沖洗,將環烷芳香成份沖洗出來,此一部份的 分子由濃縮的非芳香族及芳香族環狀結構組成,且可能含 有氧、氮、硫等異類原子,此一分部為瀝青膠泥之軟化成

(48)

份,也是瀝青膠泥會老化的部份。

(4)極性芳香成份(Polar Aromatics、PA):以極性更高的乙醇和 苯的混合溶劑作最後沖洗,可獲得最後的極性芳香成份,

混合溶劑中的乙醇將礬土與脂油間的強烈吸附打斷,此一 部份的分子結構中,有最大百分比為濃縮芳香環和官能 團,在室溫下為固體或半固體,與瀝青膠泥的延展性相關,

亦為瀝青膠泥會老化的部份之一。

2-8、瀝青成份分析之選擇性吸附法[26]

瀝青膠泥

瀝青質 脂油

飽和成分

環烷芳香成分

極性芳香成分

注入含礬土之 層相分析柱內 以庚烷沖出

以苯沖出

以乙醇和苯的混合 溶劑或三氯乙烯沖出 沉澱 溶液

庚烷(n-Hentane)

(49)

2-3-4、瀝青分子大小分佈

層相分析(Chromatography)為將物質分離成數種組成成份的化學分 析法,此種方法的基本原理為將物質之各組成,經由區分為靜止和移動 兩相而分離,靜止相可以是固態、溶液、或膠狀,形成之方式可以是填 疊成柱狀、平舖成層、或分佈成薄膜等,一般用「層相床(Chromatography Bed)」統稱這些不同型式的靜止相,而移動相則可能為氣體或液體;在 2-3-3 節瀝青的成份分析方法中,Corbett 選擇性吸附法,即利用瀝青成 份中的脂油類會被礬土吸附之特性,以礬土填疊成層析柱,含脂油類之 庚烷溶液注入柱內,形成靜止相的層相床,再依序用不同極性溶劑,注 入含有脂油的層相床內並與之反應,沖洗出移動相而將脂油類依序分離 成三種成份。

大小分子排出層相分析(Size Exclusion Chromatography、簡稱 SEC) ,雖屬於層相分析之一種,但不牽涉試樣與靜止相間的任何化學 反應,實際上,為準確獲得試樣分子之大小,應儘量避免任何化學反應 之發生,是故,一般乃採用化性較弱的矽膠或高分子膠組成多孔狀的層 相床如圖

2-9

所示,這些層相床材料的孔隙大小是預知或預先安排的孔 隙大小分佈,選擇分子較最小孔隙小很多的適當溶劑,當將試樣以溶劑 注入層析床內,比層析床內膠體孔隙大的試樣分子,因被排除於孔隙 外,而直接隨溶劑很快地通過層相床流出,分子稍大者因能進入某些孔 隙中,移動的路徑稍長,較慢時間才流出,分子更小者,因能進入大部 份孔隙,使路徑最長,經最長時間才流出,在流出端裝設濃度偵測器,

可測得不同時間流出液之濃度變化如圖

2-9

下方所示,此流出液之濃度 代表分子之數量,圖

2-9

中 C 點有大量分子流出,其後於 D 點又有大量

(50)

的較小分子流出。

2-9、大小分子排出層相分析之示意圖

大小分子排出層相分析因大部份以多孔膠體為層相床,並利用分子 透入膠孔內之特性而將大小分子分離,又被稱為膠透入層相分析

(Gel-Permeation Chromatography、簡稱 GPC) ,土木工程人員可以將 GPC 視為「瀝青的篩分析」,是求出瀝青分子大小分佈狀況的分析方法,由 於瀝青的分子較大,常需使用較高壓力將瀝青溶液注入層相床內,以縮 短量測的時間,稱為高壓膠透入層相分析(High Pressure Gel Permeation Chromatography、簡稱 HP-GPC),又若層相床使用液態的材料,則稱為 高壓液態層相分析(High Pressure Liquid Chromatography、簡稱 HPLC)。

美國蒙它拿州立大學(Montana State University)之 Jennings 教授,由

進行 (A) (B) (C) (D) 時間序:樣品注入 大小分子 大分子 小分子 逐漸分離 溶液流出 溶液流出 溶液流動

多孔材料

濃度偵測器

停留在層析柱 內的時間 開始注入

層相分析圖

(濃度時間曲線)

(51)

瀝青膠泥之 HP-GPC 偵測結果,將分子排出之時間等分為三等份,最先 排出者稱為大分子(Large Molecular Size、簡稱 LMS),其次為中分子 (Medium Molecular Size、簡稱 MMS),最後為小分子(Small Molecular Size、簡稱 SMS),圖

2-10

為 Jennings 教授求出之兩種不同瀝青膠泥的 HP-GPC 圖譜[23],縱座標為以濃度偵測器求得的相對量,橫座標則為 排出時間,由圖可知瀝青 A 與瀝青 B 有著明顯不同的分子大小分佈狀 況,應該會有不同的使用績效。

2-10、瀝青膠泥之大小分子排出層相分析圖譜[23]

為瞭解怎樣的分子大小分佈是不好的,Jennings 教授將蒙州成效不 良的熱拌瀝青混凝土路面的瀝青回收,並執行 HP-GPC 試驗,將圖譜與 成效良好者比較,發現三種大小分子之相對量中,LMS 相對量較高者,

(52)

使用成效很可能不良;或許好的瀝青膠泥,LMS、MMS、和 SMS 的相 對量,應有一種平衡,才能有良好的成效;較新的美國策略性公路研究 計畫(Strategic Highway Research Program、簡稱 SHRP),發現這種分析 方法所獲得的所謂大、小分子,經常是瀝青分子間因極性而產生的糾結 狀態,並非真的是瀝青分子的大小,但若瀝青分子因極性增強而持續糾 結,將影響其流動性而變脆,直接影響鋪面的成效。綜上所述,使用 HP-GPC 分析,所得的瀝青分子大小分佈狀況,雖不代表瀝青真正的分 子大小,但仍可經由瀝青分子間糾結狀況的變化,探討瀝青膠泥的可能 成效。

2-4、探討再生瀝青化學成份之重要性

再生瀝青混凝土的使用過程中,瀝青隨著氧化與溫度的作用而逐漸 老化,在老化的過程中,瀝青內的化學成份逐漸產生變化,而由於瀝青 內部化學性質的改變,因而導致物理性質的變化,例如黏度增高,延展 性降低等。在 Bishar[27]和 Brule[28]及 Garrick[29]的研究中都指出,瀝 青的物理性質是由不同的化學組成所決定;而 Goodrich[30]在研究瀝青 的化學成份與物理性質的相關性時,發現在相似的化學成份下,會表現 出不同的物理特性,因此探討再生瀝青的化學性質有其必要性。國外有 關瀝青化學的研究主要針對於瀝青化學性質與物理性質的關係,大多數 的研究都注重在瀝青老化過程中化學組成的變化與再生劑化學成份如 何影響老化的瀝青膠泥。根據 Peterson 等人的研究指出[15],在瀝青老 化的過程中,瀝青的化學組成產生變化,瀝青質逐漸增多,環烷芳香成 分逐漸減少,飽和成分則沒有改變,因此使瀝青的物理性質改變,瀝青 會逐漸變硬、變脆,而添加軟化劑或再生劑的目的在於分散瀝青質、補

(53)

充瀝青在老化過程中所失去的環烷芳香成分,重新調整瀝青內部化學成 份的比例,使老化的瀝青恢復原有的性質,因此再生劑中需含有較多的 環烷芳香成份。而根據 Noureldin 等人的研究則指出[31],在瀝青老化過 程中,瀝青內部的小分子因極性的增加而逐漸轉變為大分子,使得瀝青 的分子大小分佈失去平衡因而導致物理性質的改變,而使用再生劑,則 可使瀝青內部之分子大小分佈重新調整,回復為原本新鮮瀝青時的情 形。

瀝青的化學性質與物理性質有很大的相關性,由瀝青內化學成份與 性質的不同,其所表現出的物理特性也不同,因此探討瀝青的化學性質 有其必要性。本研究在查詢博碩士論文網有關瀝青混凝土的研究時 [32],發現相關研究約有 281 篇,其中有探討化學性質的研究有 8 篇,

所佔比例為 0.02%,可知國內對於瀝青化學性質的研究較少,因此本研 究嚐試從瀝青的化學性質方面進行探討。

參考文獻

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