石膠泥瀝青混凝土(SMA)是德國在 1960 年代研發鋪築的一種新式瀝青鋪面材料，以高品質的粗骨材形成主架構，其間的空隙再用瀝青膠泥混合細砂及礦物填縫料形成的瀝青膠砂漿來填滿，使 SMA 兼具耐久性和抗變形能力，用於交通荷重高的路面有良好成效。

國內相關道路工程單位，為改善路面受重壓產生的車轍問題，近年來已陸續引進 SMA 並進行試鋪。公路總局第四區養護工程處養護之台九線蘇花公路蘇澳路段，因有大量重載重之砂石車通行，致該路段路面有嚴重的車轍及剝脫鬆散等損壞，在九十一年度的路面改善工程中，選擇二公里路段嘗試改用 SMA 鋪築。本研究即藉由台九線蘇花公路蘇澳路段之 SMA 試鋪工程案，以本土材料參照 AASHTO 規範進行配合設計，並經由完整詳實的生產、品管、及施工紀錄，探究此種新材料在國內應用的可行性。

試鋪結果顯示，鋪築之 SMA 路面平坦度良好，壓實度也可達到要求，鋪設成效尚屬良好。但 SMA 可能是一種不能容忍錯誤的敏感材料，在配合設計、材料選用、生產製程及鋪築施工等各階段，皆必須相當謹慎，稍有疏忽則很容易因材料析離而於完成路面出現油斑。

本研究認為基於 SMA 不能容忍錯誤的敏感特性，如要在國內推廣使用，除應累積更多的鋪築經驗、案例及長期觀測資料並確認成本效益外，

在粗骨材產製之粒形控制方面、熱拌廠製程之級配控制方面、及鋪築現場之材料析離方面，皆須全面提昇改進，方能順利推行。

關鍵詞：石膠泥瀝青混凝土，車轍，試驗路面

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Abstract

Stone Matrix Asphalt (SMA), which was developed in Germany, 1960s, is composed by a coarse aggregate skeleton and a rich asphalt binder mortar.

The stone-on-stone contact provides strength and the rich mortar binder provides durability. It is therefore recognized as a tough, stable, rut-resistant material to be used on the surface of a heavy trafficked pavement.

To improve rut-resistant properties, the highway agencies recently introduced several SMA test sections in Taiwan. The eastern coastal section of Highway No. 9 is mainly trafficked by heavy trucks and shown a long time maintenance difficulties. The SMA was proposed in 2002 fiscal year to pave a 2 km section as a demonstration project. This study is mainly the detailed report of this particular SMA demonstration project. Starting from designing the local SMA mixture by using AASHTO MP8, the production, paving, compaction, and quality control were all recorded to try to evaluate the applicability of SMA. According to the results of this project, the performance is quite well in view of smooth and degree of compaction. However, it is found that SMA is very sensitive not only to the change of material properties, such as aggregate angularity and binder properties, but also to the temperature variability. The oil spot is appeared on the newly paved surface due to the material segregation.

Due to the sensitivity of SMA, this study calls for more test sections to accumulate experiences. The aggregate shape, gradation control in the hot mix plant, the segregation on the paving site as well as the long term investigation with life cycle cost analysis are proposed before routinely using SMA.

Keywords：Stone Matrix Asphalt, Rutting, Testing Pavement

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圖目錄

圖 1-1、本論文研究內容及流程... 5

圖 2-1、路面車轍破壞... 7

圖 2-2、瀝青面層壓密變形而產生車轍 ... 7

圖 2-3、面層材料被擠壓產生塑性流動 ... 8

圖 2-4、碎石底層或是路基土壤產生沉陷變形 ... 8

圖 2-5、密級配瀝青混凝土架構圖 ... 11

圖 2-6、多孔性瀝青混凝土架構圖 ... 12

圖 2-7、SMA 越級配骨材架構圖 ... 13

圖 2-8、SMA 骨材間互鎖作用承受荷重... 13

圖 2-9、SMA 材料組成 ... 15

圖 2-10、英國 BS812 扁平試驗篩... 18

圖 2-11、金屬長度規示意圖... 18

圖 2-12、用以判定粗骨材扁平顆粒的比例卡尺 ... 19

圖 2-13、美國砂石協會建議用以量測細粒料稜角性的裝置 ... 23

圖 2-14、量測礦物填縫料夯實空隙率之裝置 ... 26

圖 2-15、礦物纖維(左)與木質纖維(右)的放大照片比較... 33

圖 2-16、判斷 SMA 是否具粗骨材架構的方式... 37

圖 2-17、SMA 配合設計流程 ... 39

圖 2-18、VCA_DRC、VCA_MIX、VMA 示意圖 ... 40

圖 2-19、NCAT 網籃法試驗儀器 ... 45

圖 2-20、#4 篩過篩百分比與 VMA 間關係圖 ... 46

圖 2-21、鋪築厚度對 SMA 抗變形能力之影響... 47

圖 2-22、華盛頓州 SMA 鋪設時產生油斑現象... 51

(7)

圖 2-23、華盛頓州 SMA 鋪設採堆料方式施工... 51

圖 2-24、國內 SMA 試鋪路面產生油斑現象... 55

圖 2-25、國內 SMA 試鋪路面產生車轍及推擠現象... 56

圖 3-1、本研究 SMA 試鋪路段位置圖... 59

圖 3-2、台九線蘇澳-東澳段平均每日交通量調查資料圖... 61

圖 3-3、試鋪路段路面損壞情形(車轍)... 62

圖 3-4、試鋪路段路面損壞情形(剝脫)... 62

圖 3-5、台九線鋪設之剛性路面... 63

圖 3-6、台九線 108K+712~110K+712 路段路面結構示意圖 ... 64

圖 3-7、試鋪路段原路面鑽心取樣之試體狀況 ... 64

圖 3-8、瀝青黏度與溫度關係圖... 69

圖 3-9、混合料級配曲線圖... 72

圖 3-10、SMA 試鋪工程施工人員組織圖... 74

圖 3-11、施工順序圖... 76

圖 3-12、礦物填縫料倉... 77

圖 3-13、袋裝礦物纖維以人工投入 ... 78

圖 3-14、本研究之拌合流程圖... 81

圖 4-1、第一階段試鋪產生之油斑 ... 87

圖 4-2、第四區養護工程處人員至拌合廠瞭解拌合廠作業情形 ... 88

圖 4-3、現場試鋪施工照片... 88

圖 4-4、拌合廠生產品質管制照片 ... 90

圖 4-5、本試鋪案 SMA 之瀝青含量管制圖... 92

圖 4-6、本試鋪案 SMA 之#4 過篩百分比管制圖 ... 94

(8)

圖 4-9、本試鋪案 SMA 之垂流量管制圖... 97

圖 4-10、本試鋪案 SMA 使用之礦物纖維外觀照片... 97

圖 4-11、本試鋪案 SMA 之馬歇爾試體空隙率管制圖... 98

圖 4-12、本試鋪案 SMA 正式鋪築施工照片... 100

圖 4-13、本試鋪案 SMA 鋪築後路面產生油斑之狀況... 101

圖 4-14、本試鋪案 SMA 鋪設完成之路面狀況... 102

圖 4-15、以鋪砂法量測 SMA 試驗路面巨觀紋理情形... 104

圖 4-16、試鋪路面之平坦度檢測情形 ... 106

圖 4-17、試鋪路面鑽心取樣... 106

圖 4-18、本試鋪案完成 SMA 路面空隙率檢測數據圖... 108

圖 4-19、本試鋪案完成 SMA 路面厚度檢測數據圖... 109

(9)

表目錄

表 2-1、美國參與 SMA 試鋪的州數與年度總生產噸數[4] ... 9

表 2-2、SMA 的粗粒料性質規定 ... 20

表 2-3、中華大學檢測所得之國內粗骨材粒形數據 ... 22

表 2-4、SMA 之細粒料性質規定 ... 23

表 2-5、台灣與其它地區各主要城市之月平均氣溫(℃) 比較表... 29

表 2-6、NCAT 對於 SMA 膠砂漿的韌性建議值[18]... 29

表 2-7、SMA 用的木質纖維流失抑制劑的品質要求... 31

表 2-8、SMA 用的礦物纖維流失抑制劑的品質要求... 33

表 2-9、SMA 可能採用的三類纖維的綜合比較... 34

表 2-10、SMA 與一般瀝青混凝土性質比較表... 35

表 2-11、SMA 的級配規範範圍(過篩體積百分比) ... 41

表 2-12、以旋轉夯實機夯製的 SMA 試體之性質規範... 44

表 2-13、SMA 可能遭遇的問題及建議採行的補救措施... 49

表 2-14、台灣地區試鋪 SMA 的工程 ... 54

表 3-1、台九線蘇澳-東澳段平均每日交通量調查資料表... 60

表 3-2、鋪設路段原路面鑽心取樣之試體高度 ... 64

表 3-3、3/4”骨材扁長比試驗值... 67

表 3-4、1/2”骨材扁長比試驗值... 67

表 3-5、3/4”骨材破裂面試驗值... 68

表 3-6、1/2”骨材破裂面試驗值... 68

表 3-7、粗骨材吸水率試驗值... 68

表 3-8、纖維散粒不純物試驗（SHOT CONTENT）... 70

表 3-9、本研究選定之 SMA 骨材配比... 71

(10)

表 3-10、配合設計結果... 72

表 3-11、SMA 試鋪工程使用之主要機具表 ... 74

表 3-12、混合料之拌合條件... 80

表 4-1、第二階段試鋪級配篩分析數值 ... 89

表 4-2、瀝青膠泥黏度試驗結果... 91

表 4-3、含油量檢驗結果... 92

表 4-4、粒料級配試驗結果... 94

表 4-5、垂流量檢驗結果... 96

表 4-6、理論最大密度試驗結果... 97

表 4-7、空隙率及 VMA 試驗結果 ... 98

表 4-8、路面表面紋理的描述方式[24]... 103

表 4-9、SMA 路面鋪砂法檢測結果... 104

表 4-10、不同鋪面等級之鋪砂法巨觀紋理深度規定範圍[24]... 105

表 4-11、本試鋪案完成 SMA 路面之厚度、空隙率及 VMA 檢驗結果... 107

表 4-12、完成 SMA 路面之各項檢測成果歸納表... 110

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第一章、緒論

1-1、研究背景

近年來由於台灣工業、經濟的發展，交通的運輸也大幅成長，

不僅小型自用車在各道路上川流不息的過往，大型重車如貨櫃車、

砂石車、混凝土拌合車等也在路上不停的穿梭，隨處可見。而隨著交通量的大幅成長及大型車輛之軸重、輪胎壓力的提高，路面瀝青混凝土層中所承受的應力皆大幅增加，此大幅提高的壓應力及剪應力，導致近年來國內瀝青混凝土路面之車轍破壞日趨嚴重，故如何因應解決此一因交通量及載重增加所產生的路面車轍破壞問題，是國內鋪面界所應積極努力的課題。

如何防止車轍問題的發生，無論在國內外，一直為工程界、學術界努力探討且急欲克服之問題。目前雖然可利用各種改質瀝青或添加劑來提昇高溫時瀝青混凝土的穩定性，以減少車轍問題。但因為骨材顆粒佔瀝青混凝土組成的重量百分比超過 90%，所以針對瀝青混凝土中之粒料組成，也就是粒料尺寸、粒料形狀、粒料表面組織及粒料級配等來做調整，有可能可以更有效的改善瀝青混凝土鋪面的成效，以防止車轍的產生。

德國在 1960 年代，為解決一般密級配瀝青路面在冬季受掛鍊條輪胎輾壓產生的車轍沉陷，研究以調整粒料級配、粒料形狀與瀝青性質來抵抗車轍，所發展的新型瀝青混合料，稱為石膠泥瀝青混凝土( 歐洲稱為 Stone Mastic Asphalt，美國稱為 Stone Matrix Asphalt，

兩者都簡稱為 SMA )，是一種含大量碎石比例與瀝青膠泥的越級配 (Gap Graded)瀝青混凝土，充份利用粗粒料來組成粒料主架構，亦即用約 70%的粗粒料形成主架構來抗變形，其主要的觀念在於將瀝青

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混凝土中受力的機制，由原本以整體瀝青混凝土承擔，轉換為以粒料級配中的粗粒料形成的架構承擔，其間的空隙則由細料與瀝青所組成的「瀝青膠砂漿（Mastic）」填充，以提供抗疲勞及老化的耐久能力；綜覽歐洲及美國的相關文獻報導，由 SMA 的起源、發展乃至設計理念及在世界各地的使用實績，大都顯示這種越級配瀝青混合料，具有相當良好的抗變形能力，因此，以 SMA 路面抵抗逐年增加的交通荷重，遂有擴及世界各地的趨勢。

1-2、研究動機

國內路面工程界一向習慣使用密級配瀝青混凝土，做為公路的面層主材料，但密級配瀝青混凝土在瀝青含量過多時將喪失強度，

瀝青含量過低則又無法耐久，這種耐久性與強度間的互相衝突，迫使良好的傳統瀝青混凝土配合設計，必需適當的選擇所謂「最佳瀝青含量」，以便在強度和耐久性間，互相妥協，取得平衡。而 SMA 則以高品質的骨材組成粒料主架構，此架構間的空隙，用大量瀝青膠泥混合細砂、填縫料形成的瀝青膠砂漿來填滿，整體混合料的瀝青含量有時高達 7.0%以上，使 SMA 因瀝青膜較厚而兼具耐久性和抗疲勞特性，粗粒料主架構則擁有良好的抗變形能力，使得在德國有SMA 路面平均使用壽命為 19 年的報導。

由於傳統密級配瀝青混凝土配合設計方式，在強度和耐久性間產生衝突，在互相妥協取得平衡的情況下，使得強度和耐久性皆受到削減。面對國內交通量快速成長及車輛軸重的提高，以密級配瀝青混凝土做為路面主結構層的方式，已無法承受目前之交通載重。

國內相關道路主管單位也體認到此一問題，並為改善此一問題，引進兼具抗變形能力和耐久性的 SMA，且已進行多項 SMA 的試鋪工

(13)

程。

公路總局第四區養護工程處所管養的台九線蘇花公路蘇澳路段，因有大量重載重之砂石車行駛，致該路段路面有嚴重車轍及剝脫鬆散等損壞，且損壞的路面修補後不久即再損壞，造成第四區養護工程處養護上困擾。為解決台九線蘇花公路蘇澳路段路面損壞問題，第四區養護工程處於該路段中選擇 2 公里長路段，將原先鋪設密級配瀝青混凝土之路面，亦嘗試改用具良好抗變形能力及耐久性的 SMA 來試鋪，如成效良好，則考慮將蘇花公路蘇澳路段全面改鋪設SMA，以徹底解決該路段路面損壞問題。

SMA 在國內屬新式鋪面施工材料，國內雖已有試鋪之案例，但由於對 SMA 材料選擇、配合設計及施工鋪築等技術經驗不足，致鋪設成效不如預期。本研究即參考國內外試鋪案例經驗，期藉由公路總局第四區養護工程處於台九線蘇花公路蘇澳路段之 SMA 試鋪工程案，作一實務上的研究探討，以增加國內工程人員對 SMA 材料及施工的瞭解。

1-3、研究目的

本研究參考國內外試鋪案例之經驗，藉由公路總局第四區養護工程處於台九線蘇花公路蘇澳路段之 SMA 試鋪工程案，以本土材料參照 AASHTO 規範辦理 SMA 配合設計，並於實地進行鋪設。期望經由本試鋪案，從 SMA 之材料選擇、配合設計、施工規劃、鋪築滾壓及檢測結果等各項作業，作一工程實務上的研究探討，並提出適當的結論及建議。綜言之，本研究主要目的可歸納如下：

1、除蒐集國外有關 SMA 之文獻資料外，也彙整國內 SMA 之鋪設經驗和初期成效。

(14)

2、進行取樣與試驗，以探討宜蘭地區骨材的韌性及粒形是否能夠符合SMA 的品質需求。

3、本研究案使用一般瀝青膠泥當作 SMA 膠結料，記錄施工性及初期成效，以觀察一般瀝青膠泥用於SMA 之可行性。

4、以 AASHTO 之規範進行 SMA 配合設計，並經由現場實地鋪設成效，探討國外配合設計規範之本土適用性。

5、經由現場實作鋪設來探討 SMA 鋪築之工易性，並對施工作業程序加以分析研擬，作為日後SMA 施工之參考。

6、試鋪後進行現地檢測評估，並觀察初期使用成效。

1-4、研究內容及流程

本研究首先參考國外 SMA 相關文獻，探討並瞭解國外現階段對於 SMA 的級配規範、材料要求、配合設計及施工建議，再以本土材料在實驗室內執行 SMA 配合設計，及研擬試鋪施工計畫，據以實施現地鋪設與量測評估，最後依據研究結果提出 SMA 應用於國內鋪面工程之可行性討論與建議。本研究之內容及進行流程如圖 1-1 所示。

(15)

研究背景、動機、目的及方法

文獻回顧 SMA 起源與發展狀況 SMA 設計理念與組成 SMA 組成材料性質探討 SMA 配合設計方法

國外鋪設案例及國內引進 SMA 之現況

試鋪路段交通量、路面狀況及路面結構調查

預算編製及發包

材料選擇、試驗及配合設計

施工人員、施工機具、施工方式、施工時程、拌合設備、拌合程序及鋪築作業等施工計畫擬定

二階段試鋪作業

拌合廠生產及工地施工品質管制

完成路面抗滑性、平坦度、壓實度及厚度檢測

結論與建議

圖1-1、本論文研究內容及流程

(16)

第二章、文獻回顧

石膠泥瀝青混凝土(SMA)對國內鋪面界而言，是一種比較新型的瀝青混合料，主要是由高品質的粗骨材所組成，具有良好的抗變形能力，可防止重載重及重交通量之路面車轍產生，非常適合於國內推廣使用。由於 SMA 是利用粗粒料形成主架構來抵抗車轍變形，

對骨材品質要求較高，且其材料組成及設計理念亦與傳統瀝青混凝土有所不同，因此本研究首先就國內外相關規範、文獻進行蒐集與整理，內容包括 SMA 起源與發展狀況、SMA 設計理念與組成、

SMA 組成材料性質探討、SMA 配合設計方法、國外鋪設案例及國內引進SMA 之現況等，以期為本研究建立基礎。

2-1、SMA 起源與發展狀況

由於 SMA 主要是為抵抗重載重交通所形成之路面車轍破壞而發展的一種新型瀝青混合料，故本節先探討路面車轍破壞形成原因及類型，再說明SMA 之起源及國外發展情形。

2-1-1、瀝青混凝土車轍破壞

車轍是造成傳統瀝青混凝土鋪面損壞的主要原因，尤其在重交通載重及高溫地區更容易產生鋪面車轍損壞，其特徵是在鋪面輪跡處產生縱向沉陷，如圖 2-1 所示。車轍大都同時出現在兩個輪跡處，有時也只出現在單一輪跡處，有些車轍情況可以觀察到凹陷處的兩邊有突起的現象。剛開始發生的車轍，大部份只有在雨後輪跡處積水時才被發覺。

(17)

圖2-1、路面車轍破壞[1]

車轍固然是因為外在車輛載重所造成，但大都肇因於鋪面本身的因素。對於車轍形成的機理，可歸類為下面幾項：

1、施工品質不當，如壓實不當，將使面層的空隙率偏高，在重車輾壓下被壓密而產生沉陷變形，此類形的車轍大都在開放交通後不久就出現，如圖2-2 所示。

圖2-2、瀝青面層壓密變形而產生車轍[1]

2、因面層材料被擠壓產生塑性流動，而產生車轍，如圖 2-3 所示，若瀝青混合料本身抗剪強度不足，則在重壓下即產生塑性流動，這類的車轍沉陷處兩側大都有突起的變形。SMA 因具有良好抗剪強度，可用來防止此種材料塑性流動產生的車轍。

原鋪面高程

面層產生車轍

底層或基層

(18)

圖2-3、面層材料被擠壓產生塑性流動[1]

3、面層底下的碎石底層及路基穩定性不足，或是面層厚度設計不夠，都將使碎石底層或是路基土壤產生沉陷變形，而在面層上出現車轍，如圖2-4 所示。

圖2-4、碎石底層或是路基土壤產生沉陷變形[1]

2-1-2、SMA 研發起源與發展

SMA 是德國於 1968 年所研發鋪築成功，而當時所鋪築的 SMA 路面至今已三十餘年，使用狀況依然良好[2]。當初德國研發的動機是因為冬季下雪時為利車輛行駛，通常都會在輪胎上加掛鏈條，由於輪胎上加掛鏈條後，使得路面很容易產生磨耗車轍，為抵抗輪胎加掛鏈條對路面所產生的磨耗車轍，德國研究人員於是研究調整粒

原鋪面高程

面層材料側向移動

車轍

底層或路基

原鋪面高程

軟弱底層或基層面層產生車轍

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料級配、粒料型狀與瀝青含量而發展出一種新型瀝青混合料稱為 SMA。由於 SMA 含大量高品質粗粒料及瀝青膠泥，具有相當良好的高溫抗車轍能力、低溫抗裂性能、耐久性及水穩定性，故在 1980 年代起首先在北歐的丹麥、瑞典、芬蘭等國使用，由於使用成效良好，很快就推廣到全歐洲，故歐洲可說是最早使用SMA 的地區。

美國相關組織於 1990 年聯合派出一代表團到瑞典、丹麥、德國、義大利、法國及英國等國考察瀝青路面，代表團對改質瀝青及 SMA 印象尤其深刻[3]。於是美國從 1991 年起，針對 SMA 面層進行研究與試鋪路面，因 SMA 對抗車轍的能力獲得肯定，參與的州由 1991 年的 4 個州，增加到 1997 年的 30 個州，生產 SMA 的噸數亦由 1991 年的不及 5 萬噸，增加到 1994 年起的每年 50 萬噸，如表 2- 1 所示[4]；由美國 1997 年提出的研究報告[5]，指出至少已鋪了 140 段 SMA 路面，這些路面的車轍量測結果，顯示 90%以上的路面只有小於 4mm 的沉陷量，所有路面都沒有產生任何形式的裂縫，表現可以說是相當良好。

表2-1、美國參與 SMA 試鋪的州數與年度總生產噸數[4]

年度參與的州數總生產噸數

1991 4 小於5,0000

1992 12 100,000

1993 15 200,000

1994 23 500,000

1995 28 500,000

1996/1997 30 500,000

2-2、SMA 設計理念與組成

SMA 是利用粗粒料形成主架構來抵抗車轍變形，與一般瀝青混凝土抵抗荷重的粒料承載架構不同，且為達到強度高及耐久性之目的，其設計理念及材料組成亦與傳統瀝青混凝土有所不同。本節即

(20)

比較 SMA 與一般瀝青混凝土設計理念不同之處，暨 SMA 組成內容及優缺點分析。

2-2-1、一般瀝青混凝土設計理念

一般常見的瀝青混凝土有普遍使用的密級配瀝青混凝土及用於路面排水功用的多孔性瀝青混凝土二種，這二種瀝青混凝土的設計理念說明如后：

1、密級配瀝青混凝土設計理念

一般密級配乃由顆粒大小分佈均勻的石料所組成，細粒料是粒料架構的一部份，粗細粒料排列緻密形成的粒料間孔隙，

則再由瀝青和極細粉塵組成的膠漿填充，為了要有足夠的工作性，混合料中需有較多的細料，亦即粗顆粒間不可以相互接觸，而必需要有間隙，這些間隙的寬度大約在 0.2mm 到 0.5mm 之間，如圖 2-5 所示，在這樣的體積分佈關係中，所謂用來抵抗荷重的粒料主架構，乃主要由粒徑在 0.2mm 到 0.5mm 間的顆粒組成[6]，顆粒較大的粗粒料，則像是「浮」

在由細粒料組成的架構上；在瀝青含量過多時會將粗粒料推開，而喪失強度，對於較重的車輪荷重，也較容易發生流動而產生車轍，瀝青含量過低則因瀝青膜厚度太少而造成耐久性喪失，這種耐久性與強度間互相衝突的本質，迫使良好的配合設計，必需適當的選擇所謂的「最佳瀝青含量」，以便在強度和耐久性間，互相妥協，取得平衡，成為其主要的缺點。

(21)

圖 2-5、密級配瀝青混凝土架構圖 2、多孔性瀝青混凝土之設計理念[7]

多孔性瀝青混凝土細粒料含量甚少，粗粒料較多，屬跳躍式級配骨材構架，與瀝青膠泥、纖維穩定劑、礦物粉末組成之瀝青膠漿混合壓實後，瀝青膠漿包覆於骨材顆粒表面，因粗粒料較多，有 20%的孔隙不被瀝青膠漿所填充，粒料間孔隙比值大，如圖 2-6，因此瀝青容易老化，逐漸失去黏結效果與骨材剝脫，所以此種級配之混凝土結構強度較低，但因孔隙大能在此層級配內形成水道網，使降於面層上的水能迅速排除，避免在路面上形水膜，因而減少行車打滑與飛沫現象。

多孔性瀝青混凝土因級配缺少細粒料以填充孔隙，所以不如密級配瀝青混凝土穩定，故需添加纖維或使用改質瀝青增加穩定性，其主要功能如下：

(1)雨水可迅速排除，故下雨天時可確保路面的抗滑能力。

(2)雨水難以在路面形成水膜，可減少雨夜車燈光線反射。

(3)路面水膜減少，可降低水珠飛濺起霧現象。

(4)由於孔隙大，可有效減低行車所造成的噪音。

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圖 2-6、多孔性瀝青混凝土架構圖 2-2-2、SMA 設計理念

SMA 使用高瀝青含量，且使用大量粗骨材以組成相當強壯之粒料主架構，使得 SMA 較傳統密級配瀝青混凝土具有更好的穩定性，

其剖面如圖 2-7 所示。SMA 設計理念主要在於將瀝青混凝土中受力機制，由原本以整體瀝青混凝土承擔，轉換為以粒料級配中粗粒料形成的架構承擔，即來自於粗骨材間的互鎖作用，如圖 2-8 所示，

其間的空隙則由細砂、礦物填縫料、瀝青膠泥及流失抑制劑所組成的瀝青膠漿填充。SMA 瀝青含量較一般瀝青混凝土高，再加上流失抑制劑和礦物填縫料，形成瀝青膠漿緊密包覆住粗粒料，可提高 SMA 耐久性；同時藉由纖維流失抑制劑對瀝青膜的穩定作用，使得 SMA 較傳統瀝青混凝土具有較佳的抗車轍及抗推擠變形能力。

SMA 與傳統密級配及多孔隙瀝青級配最主要的不同在於骨材架構中粗細粒料用量的差別，傳統密級配粗細粒料用量平均，結構相當緊密；而 SMA 及多孔隙級配皆使用較多的粗粒料，主要功用在提供骨材間的互鎖作用，增加強度。而 SMA 與多孔隙級配的不同又在

(23)

於孔隙大小的差別，SMA 粗骨材間的孔隙由瀝青膠泥、纖維流失抑制劑、填縫料及少量細粒料混合而成的瀝青膠漿所填充，孔隙較小。但多孔隙級配僅由瀝青膠泥、纖維穩定劑、礦物粉末組成之瀝青膠漿包裹於骨材顆粒表面，沒有細粒料填充孔隙，所以孔隙較 SMA 為大，以便於形成排水網道。

圖2-7、SMA 越級配骨材架構圖

圖 2-8、SMA 骨材間互鎖作用承受荷重

(24)

2-2-3、SMA 組成內容

SMA 組成材料包括有粗粒料、細粒料、礦物填縫料、瀝青膠泥及流失抑制劑等，SMA 之特點為三多一少，三多就是粗粒料多、礦物填縫料多及瀝青膠結料多，一少則是細粒料少。SMA 藉由三多一少之組成方式，形成以粗粒料為主的堅強架構，具有較佳的抗車轍及抗推擠變形能力，加上高含量瀝青膠泥及礦物填縫料，形成瀝青膠漿緊密包覆住粗粒料，更可提高 SMA 耐久性。SMA 以組合的結構而言，可分成粗骨材及由細粒料、礦物填縫料、瀝青膠泥、流失抑制劑所組成之瀝青膠漿二部份，如圖 2-9 所示，粗骨材是形成承載的主構架，而瀝青膠漿係填充粗骨材間之空隙。

一般傳統密級配瀝青混凝土乃由顆粒大小分佈均勻的石料所組成，粗細粒料排列緻密，所形成的粒料間孔隙則由瀝青膠泥和極細填充料組成的膠漿填充。SMA 骨材級配不同於一般密級配瀝青混凝土，屬於越級配，級配分佈大致遵守所謂的 30-20-10 法則[8]，即整體級配在#4 篩過篩率約為 30%，#8 篩過篩率約為 20%，#200 篩過篩率約為 10%。級配分佈為使用較高比例之粗骨材及細粒填充料，

中間骨材粒料之比例較少，而中間骨材粒料之比例較少原因，係得以容納大量瀝青膠漿及粗骨材，藉由高瀝青用量、填縫料及流失抑制劑，來穩定粗骨材顆粒與顆粒結合構架。

SMA 各組成材料之比率約略如下[9]：

1、高品質粗粒料佔較大比例，約為 70%~75%。

2、通過#4 篩網的量較少，約為 20%~28%。

3、瀝青膠泥含量較高，約為 6%~8%。

4、礦物填縫料含量較高，約為 8%~10%。

(25)

5、避免瀝青垂流之流失抑制劑添加量約為 0.3%~1.5%。

圖2-9、SMA 材料組成[2]

2-2-4、SMA 優缺點分析

SMA 主要是用來承受重載重交通，抵抗鋪面之車轍變形，其與一般瀝青混凝土比較之優缺點分述如下：

1、優點

(1)交通荷重主要改由粗粒料承擔，不再藉由瀝青膠泥的抗剪變能力，故穩定性增加，尤其是夏季高溫時的抗車轍能力。

(2)由於高瀝青含量與小粒料表面積，造成較厚的瀝青膜，可降低鋪面的浸水損壞與減少瀝青長期老化的影響，增加耐久性。由於瀝青膜較厚，故具有更高的抗疲勞能力，且在夏季時，高瀝青含量對裂縫有自行癒合的效果，減少維護成本。

(3)由於流失抑制劑的使用，使 SMA 具有高溫抗變形能力、抑制瀝青膠泥的老化、提高疲勞強度及增加耐久性的特性。

(26)

(4)因為含有高比例的粗粒料，故其抗磨損作用較傳統瀝青優良，且提高路面摩擦力，增加行車安全。

(5)由於表面較傳統瀝青混凝土粗糙，可以減少雨天水膜的發生及路面反光，增加能視度。

(6)由於表面結構粗糙及高含量的黏結物，能夠有效降低行車噪音。

(7)抵抗永久變形能力佳，延長道路的服務年限。

2、缺點

(1)由於採用高品質的碎石級配與各種添加劑，不論在原料成本及施工成本上，均比傳統瀝青高。

(2)SMA 對瀝青含量、改質劑種類、粒料級配的敏感度較高，

不論在生產或鋪設過程，品管需更為嚴格。

(3)由於需添加各種改質材料，且拌合廠需延長拌合時間與提高拌合溫度，故其產量較低且能源消耗較高。

2-3、SMA 組成材料性質探討

SMA 組成材料包括有粗粒料、細粒料、礦物填縫料、瀝青膠泥及流失抑制劑等，本節就 SMA 各組成材料之性質及相關規範要求加以說明。

2-3-1、粗粒料

SMA 主要為利用粗骨材間接觸互鎖作用形成主構架，使瀝青混凝土穩定性提高，故 SMA 粗骨材之品質對 SMA 之成效有絕對的影響性，因此 SMA 對粗骨材之顆粒形狀、破裂面與韌性的要求，比傳統瀝青混凝土為嚴格。

(27)

1、粗粒料形狀

用於 SMA 的粗粒料大都指定必需是 100%的碎石，且扁長率是個重要指標。所謂扁長率在歐洲一般是引用英國標準 (British Standard，簡稱為 BS)的扁平指數(Flakiness Index)及狹長指數(Elongation Index)兩個測定方法(BS812, Part I)，扁平指數使用如圖 2-10 所示的扁平篩，通過的顆粒即為扁平顆粒，

狹長指數則使用如圖 2-11 所示的長度規，顆粒最大長度大於對應長度規之柱間距者，即為狹長顆粒；依據中華大學的研究 [10]，採用這種試驗方法雖較方便且迅速，很適合現地評估骨材的粒形，但因 BS 標準篩的尺寸不同於國內慣用的 ASTM 標準篩，引用時需作適當的修正；依目前所獲得資料，並沒有以此種試驗方法而擬定的 SMA 粗骨材扁平指數或是狹長指數界限值，由其它文獻推測[6]，歐洲各國對 SMA 骨材的限制是

「不得有」扁長顆粒。

美國的研究人員曾用同一粒料來源，採用不同加工方式，製成不同扁長率顆粒含量的粒料，組成 SMA 混合料，以馬歇爾夯錘每面各夯打 50 下，以 4.75mm 通過率的變化多寡，代表粗粒料受夯後破碎的情況，發現粗粒料受夯破碎率與扁長率的相關性判定係數 R²達 0.89[11]，亦即粗粒料的受夯破碎情況與粗粒料的扁長率關係密切，當粗粒料顆粒越扁長時，

受夯破碎情況越嚴重。此種受夯破碎率，可以用來限制 SMA 粗骨材在施工滾壓及開放交通後，荷載作用而破碎的可能性，

確保粗骨材構架的穩定及耐久性。

(28)

圖2-10、英國 BS812 扁平試驗篩

圖2-11、金屬長度規示意圖

美國 ASTM D4791 規定測定 1/2、1/3 和 1/5 不同標準扁長比的粒料扁長率試驗法，判斷的方式乃依 ASTM D4791 之規定[12]，用如圖 2-12 之比例卡尺(Proportional Caliper)，選擇欲檢測的扁長比支點後，將支點固定於底座上，可以該支點轉

(29)

動，底座上另有兩固定點 A 及 B，判定時先以粒料顆粒之最長方向之一端固定於 A 點，旋轉卡尺之迴旋臂，使其尖端接觸顆粒最長部份的另一端，此時將卡尺固定不動，則卡尺另一端與 B 點形成間隙，若粒料可以其長度方向通過此間隙，則判定該顆粒為狹長顆粒，相同的方法以粒料顆粒之最寬方向固定於 A 點，再以其厚度方向可通過 B 點之間隙者，即為扁平顆粒，所謂扁長率即扁平顆粒和狹長顆粒佔所有顆粒的百分比；

AASHTO 之 SMA 規範規定[13]扁長比小於 1/3 之扁長率最多佔20%，扁長比小於 1/5 之扁長率最多佔 5%。

圖 2-12、用以判定粗骨材扁平顆粒的比例卡尺 2、粗粒料的破裂面與韌性

為使粗粒料形成之骨架於荷重時不會因粒料滑動產生變形，顆粒表面組織需粗糙，以利於顆粒間的互鎖作用，規定粗粒料必需 100%是碎石以外，選擇具破裂面的骨材，即控制粒料具較粗的表面紋理，將使粒料顆粒間互鎖良好，提供較佳的抗變形能力，AASHTO 之 SMA 規範規定[13]，具有 1 破裂面

(30)

的顆粒須佔總粒料的 100%，具有 2 破裂面的顆粒須佔總粒料的90%以上。

粗粒料骨架承受荷重時，除了利用其顆粒間接觸造成之互鎖作用外，粗粒料本身尚須有良好的韌性與強度。美國使用洛杉磯磨損試驗值評估粒料的韌性，相關的研究證明[14]，洛杉磯磨耗損失是粗粒料堅韌性(toughness)的重要指標，與粗粒料抗破碎性能有良好的相關性，若粗粒料洛杉磯磨耗損失過高，

鋪設於現場則可能在進行滾壓過程會導致骨材破裂，降低骨材間的互鎖能力。一般用於傳統瀝青混凝土的粗骨材，洛杉磯磨損率大都要求在 40%以下，用於 SMA 的粗骨材則要求較嚴，

典型的規範值為30%以下。

3、吸水率

為避免骨材吸水性過高而吸收瀝青膠泥，相對降低瀝青含量，故對粗粒料之吸水率必須加以限制，AASHTO 之 SMA 規範規定粗粒料吸水率不得大於2%。

AASHTO 之 SMA 規範[13]對粗粒料之性質規定如表 2-2 所示。

表2-2、SMA 的粗粒料性質規定

試驗方法規定最小規定最大

洛杉磯磨損率(%) AASHTO T96 - 30

小於1/3 - 20

扁長率(%)

小於1/5 AASHTO D4791

- 5 吸水率(%) AASHTO T85 - 2

硫酸納 - 15

健性(5 次循

環，損失%) 硫酸鎂 AASHTO T104

- 20

一面 100 -

破碎% 二面 AASHTO D5821

90 -

(31)

國內砂石料源，傳統採用河川砂石，因為早期河川砂石充裕且品質均勻，對於軋製品質不甚重視，也不像歐、美、日等國，針對不同的用途，訂有不同的砂石規範，近年來由於陸續有重大的工程建設，再加上水資源保護，河川砂石日漸枯竭，陸上砂石則因土地利用價值高及居民抗爭等因素不易開採，是故工程界普遍有砂石料源匱乏狀況，很難要求一般的砂石場提高軋製品質，或是凝聚產、

官、學共識，擬定砂石規範供採行。

針對 SMA 的需求，鋪面工程師應充份理解粗骨材特性的重要，

確實針對欲採用的料源進行檢測，以免因粗骨材的性質不良而產生失敗。依據中華大學對北部及中部各一處特定料源，及針對北部的料源，經由對砂石場特別要求，將原產品再回軋一次，這三種粗骨材的檢測結果，數據如表 2-3 所示。由表 2-3 可知三種料源的洛杉磯磨損率皆可符合美國規範之規定，但只有經再回軋一次的料源可以符合粒形的規定，但三種料源都無法符合 100%具有至少一面破裂面的規定，究其原因[15]，主要是砂石場的軋製過程太過簡化，大都將開採所得的大小卵礫石混軋，小的顆粒未受軋而混在碎石中，致使表 2-3 中的「圓石率」過高，而分段軋製程序也因太過簡化，使碎石成品的破碎比(Reduction Ratio)過大，造成扁長顆粒較多。為達到 SMA 粗粒料的粒形需求，應要求砂石場改變製程，降低成品的破碎比及圓石率。

(32)

表2-3、中華大學檢測所得之國內粗骨材粒形數據

檢測項目方法北部料源中部料源北部再回軋

洛杉磯磨損率(%) ASTM C131 17.3 14.5 14.0

圓石率(%)* -* 17.1 12.8 6.8

扁長比小於 1/3(%)

ASTM

D4791 20.9 25.6 8.8

扁長比小於 1/5(%)

ASTM

D4791 12.6 15.7 1.1

*圓石率乃指完全沒有破裂面的顆粒佔總重量的百分比。

2-3-2、細粒料

細骨材也應具粗的表面紋理與較好的粒形，以提供較高的粒料契合力，天然砂如河砂及海砂，因經水流搬運過程之磨蝕，呈圓形且表面光滑，大量使用於瀝青混凝土粒料的主架構中，具有因容易滾動而使粗粒料顆粒間發生「潤滑作用」的效果，以往文獻中曾提出限制傳統瀝青混凝土中的天然砂含量，以防止路面車轍之發生。

SMA「三多一少」指的就是細骨材少，頂多只有 10%是屬於細骨材的部份，然而細骨材對SMA 的性能影響也不可忽視。

在歐洲，採用 SMA 時，細骨材一般要求使用人工砂，即機製砂，而德國 ZTV asphalt-StB 94 規範有關 SMA 級配規定，機製砂與天然砂的比例必須大於 l：1，即機製砂用量必須大於天然砂[2]，由於機製砂是採用堅硬岩石反覆破碎製成，所以它有良好的稜角性與互鎖性能，對於提高混合料的高溫穩定性有好處。

AASHTO 之 SMA 規範[13]，針對細骨材之規定如表 2-4 所示，

表中的健性規定與一般瀝青混凝土用砂的規定相近；另外細粒料若以粗粒料的方式，一顆顆判斷破裂面，費時費力，故有檢測細粒料稜角性(Fine Aggregate Angularity，簡稱為 FAA)的所謂「FAA 空隙

(33)

率」，此一空隙率愈高，即代表細粒料的稜角性愈高，此種檢驗方法乃使用如圖 2-13 所示的裝置，將樣品經由一標準漏斗以一定的落差卸入已知容積之容器中(容積為 V)，求出裝滿該容器之樣品重量 (W)，以該樣品的虛比重(Gsb)，可計算「FAA 空隙率」:

FAA 空隙率%=

V G V W

sb

−

×

%

100 (2-1) 表2-4、SMA 之細粒料性質規定

試驗方法規定最小規定最大

硫酸納 - 15

健性

(5 次循環，損失%) 硫酸鎂 AASHTO Tl04

- 20 液性限度(%) AASHTO T89 - 25

塑性指數(%) AASHTO T90 非塑性

國內工程界較少使用機製砂，依據中華大學對國內拌合廠所用細骨材的有限檢測經驗，北部陸砂的 SMA 空隙率大約在 46%附近，

可符合大於 45%的要求。針對 SMA 細骨材的需求，初期應商請砂石業者生產機製砂，再逐漸依本土的習性，探討採用天然砂的可行性。

圖2-13、美國砂石協會建議用以量測細粒料稜角性的裝置

(34)

2-3-3、礦物填縫料

在普通的瀝青混合料中，礦物填縫料的數量一般不會超過瀝青用量的 1.2 倍，用量太多不僅拌合困難，對混合料之性質亦有顯著的影響，例如礦物填縫料對混合料會產生加勁效應，即填充料與瀝青膠泥結合之後，改變了原有瀝青膠泥的流動特性，而形成感溫性較低、黏滯度較大、稠度較高的瀝青膠漿體。但是在 SMA 中，須添加大量礦物填縫料，是所謂「三多」中的一多，以便能與高瀝青量及細砂混合成瀝青膠漿，來填充粗粒料架構形成後產生的空隙，因此 SMA 所需要的礦物填縫料數量一般達到瀝青用量的 1.8~2.0 倍 [2]。

根據 ASTM D242-95 之定義，填縫料(Mineral Filler)是一極細、

無活性、且至少有 65%通過 200 號篩之礦物材料[16]；在歐洲則定義為能通過 0.09mm(介於 100 號與 200 號之間)篩的材料即為礦物填縫料[17]。普通瀝青混合料使用的礦物填縫料，除了熟石灰、石粉之外，有時亦採用水泥、燃煤飛灰等。少量使用熟石灰或水泥對改善混合料的水分侵害有明顯的好處，具有防剝脫的效用，且能減緩瀝青的老化，提高混合料的耐久性。這些微細的粉末在使用時，應乾燥不黏聚而能自由流動，需不含有機雜質且塑性指數應該小於 4。

美國的研究人員曾針對填縫料的顆粒大小(小於 20μm 含量)、

表面積及 Rigden 空隙等三種特性，以十一種不同的礦物填縫料進行實驗室內的研究比較，確定改良的 Rigden 空隙率與 SMA 膠砂漿的性質間有良好的相關性；因此，AASHTO 之 SMA 規範[13]建議用於 SMA 的礦物填縫料，以改良的 Rigden 空隙測得之空隙率應小於

(35)

50%，以往經驗顯示改良 Rigden 空隙率大於 50%的礦物填縫料會使 SMA 之膠砂漿變得過硬[18]，而降低工作性，造成施工困難。所調 Rigden 空隙率原為 BS812 中，將細粒料以固定夯實法夯實，求其間的空隙率以判定細料性質的方法，使用的儀器如圖 2-14 所示。將經真空烘乾的填縫料，以震動或是夯錘的方式，填入固定體積的試模內夯實，稱得夯實填縫料的重量，即可求得夯實填縫料虛比重 (Gfb)，配合填縫料的視比重值(Gfa)，即可求得夯實填縫料的空隙率 [19]：

Rigden 空隙率%=

_ ^





 



 −

×

fa fb

G 1 G

%

100

(2-2)

此一空隙率值受到填縫料的粒形、顆粒大小、粒徑分佈、及顆粒表面紋理所影響；美國賓州將夯實的方法加以改變，求得的空隙率稱為改良 Rigden 空隙率，目前是判斷填縫料是否適用於 SMA 的主要檢測方法。

填縫料與瀝青膠泥混合形成瀝青膠漿，可使瀝青混凝土表面較為緊密，水分較不易滲入，及其內部較不易變形。若以大量瀝青膠泥填充空隙，則瀝青混凝土容易產生變形；且若空隙未被填充則水分很快的進入瀝青混凝土中。另值得注意的是，如添加之填縫料極細時，將有擴油的效用，會造成添加之瀝青膠泥量雖不高，但卻有含油量過多的現象。

國內路面工程界以往較少使用礦物填縫料，因此市場上較少穩定的料源，也較少相關的檢測經驗，可儘速進行相關的檢測與研究，並探討使用燃煤飛灰的可行性。綜合上述，添加礦物填縫料之瀝青混凝土之優點為：

(36)

1、降低路面孔隙率 2、增加穩定性

3、增加混合料之勁度

4、增加混合料抗剝脫分離之能力 5、提高抗車轍變形及破裂之能力 6、降低瀝青膠泥之感溫性

圖2-14、量測礦物填縫料夯實空隙率之裝置

2-3-4、瀝青膠泥

瀝青膠泥為一種高感溫性的材料，在低溫時呈現硬脆之彈性行為，隨著溫度的增加，在鋪面服務溫度下，則兼具黏性與彈性之黏彈性行為；若在拌和廠生產及路面鋪築時之較高溫度下，則表現出黏性行為，亦即瀝青膠泥隨溫度的變化，性質變化相當大。而理想的瀝青膠泥，需在高溫生產及鋪築過程中，具有較低的黏度以利工作性，而在鋪設完成後，於鋪面高溫時能維持較高的強度以承受車輛載重，而於鋪面溫度較低時能減低其脆性，避免發生低溫開裂或

(37)

疲勞開裂。依據美國 AASHTO 之 SMA 規範[13]，SMA 採用的瀝青膠泥，只要依所在環境選擇適當的成效等級(PG 級)即可，也就是使用該地區慣用的瀝青混凝土使用的等級即可，例如若原密級配瀝青混凝土使用針入度 60/70 者，則 SMA 亦採用針入度 60/70，但因 SMA 大都用於重交通量，一般會採用比原瀝青硬一級的瀝青，甚至使用改質瀝青。所謂改質瀝青即在瀝青膠泥加入其他材料，成為複合材料，以克服鋪面不利之性質，目前改質瀝青常見加入之其他材料有橡膠、聚合物、纖維、礦物填縫料等。SMA 添加改質瀝青之主要功效如下：

1、為增加抵抗永久變形的能力。

2、為增長鋪面的使用年限。

3、尤其是在鋪的較薄的埸合，用改質瀝青以降低失敗的機率。

4、欲減少對流失抑制劑的需求量。

對於是否在 SMA 中使用改質瀝青，依據中國大陸學者的看法如后[2]：「SMA 路面對瀝青黏結料的要求比普通的瀝青混凝土要高，

但是否一定需要用改質瀝青，國際上並無一致的肯定結論。這是因為各個國家、地區的氣候條件和交通條件不一樣的緣故，而且與經濟實力也有很大關係。另外與廠商的立場和宣傳也有關係，例如生產纖維的公司往往誇大纖維的功效，排斥使用改質瀝青；改質瀝青公司則往往一而再、再而三的宣傳必須使用改質瀝青。整體而言，

改質瀝青的使用是目前的趨勢。例如德國在 1996 年修訂規範時，規定在高速公路、炎熱地區、及交通量較大的路段，應使用改質瀝青。法國、日本、澳洲等國，在鋪築 SMA 時，也大都使用改質瀝青」。

(38)

美國在引進歐洲的 SMA 技術時，至少有級配的修正、標稱最大粒徑稍微變大、瀝青材料的變化及最明顯的含油量偏低，這些修正是針對美國的國情、材料特性、施工機具、交通、和經濟狀況，經仔細研究後決定的；中國大陸的學者[2]認為這些改變的根源是氣候條件的不同，歐洲位於北緯 38 度至 68 度之間，氣溫終年均衡，年溫差最南端為 l0℃，最北方約 20℃，很少超過 25℃；中國大陸和美國地理位置比歐洲南移了約 20 度，但年溫差南方約 15℃為，北方則達 45℃，德國位於北歐大平原的北方，終年受偏西風影響，海洋性氣候顯著，如漢堡全年月平均溫不低於 0℃，柏林一月平均氣溫為-0.3℃，七月平均氣溫為 l9℃；由表 2-5 的各都市月平均氣溫比較；可知相較美國及大陸大部份地區，台灣地區之緯度比之歐洲又更南移，又同為海洋性氣候，年溫差更低於 10℃，對瀝青材料的要求實在不必太過嚴苛，因此，除了應學習美國及中國大陸將 SMA 的瀝青含量降低外，是否採用改質瀝青，更應詳細以本土環境和路面使用狀況加以評估。

由於 SMA 中大量礦物填縫料的存在，改變了原有瀝青膠泥之流變性質，為了掌握 SMA 中膠砂漿之性質，美國瀝青科技中心 (National Center for Asphalt Tecnoloogy，NCAT)的研究報告[18]中建議規定膠砂漿高溫時的最小勁度值(Stiffness)來避免車轍的發生及規定低溫時之最大勁度值來規範 SMA 的韌性，相關規定如表 2-6 所示。

(39)

表2-5、台灣與其它地區各主要城市之月平均氣溫 (℃) 比較表

城市 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月全年柏林 0 0 4 9 14 18 19 19 15 10 5 1 10 漢堡 0 0 3 8 12 16 17 17 14 9 5 2 9 慕尼黑 -2 -1 3 8 12 16 18 17 14 8 5 -1 8 華盛頓 3 3 7 13 19 23 25 22 21 15 9 3 16 拉斯維加斯 6 9 13 13 23 29 32 31 27 20 12 7 19 洛杉磯 13 14 15 16 18 20 22 23 22 19 17 14 18

廣州 12.8 14.9 18.2 21.9 25.1 27.8 29.2 29.1 28.1 25.1 20.2 15.6 22.3 上海 5.5 5.6 9.5 14.5 18.9 23.7 26.2 27.1 23.9 18.6 12.5 7.2 16.1 北京 -2.6 1.6 8.4 16.1 21.4 24.8 25.7 25.1 19.3 13.8 4.6 -0.2 13.2 台北 15.5 15.5 17.5 21.5 24.6 27.3 28.9 28.6 26.9 23.5 20.7 17.7 22.4 台中 15.8 16.1 18.7 22.4 25.5 27.1 28.0 27.7 26.8 24.1 20.9 17.5 22.5 高雄 18.6 19.4 21.9 24.8 27.2 28.0 28.4 28. 27.7 26.0 23.2 20.1 24.5 台東 18.9 19.3 21.1 23.5 25.7 27.2 28.1 27.8 26.9 24.8 22.5 20.1 23.9

表2-6、NCAT 對於 SMA 膠砂漿的韌性建議值[18]

試驗項目 AASHTO 方法性質規定值

Original Mortars

Dynamic Shear TP5 G^﹡/sinδ 5.0kPa min RTFO Avged Mortars

Dynamic Shear TP5 G^﹡/sinδ 11.0kPa min RTFO and PAV Avged Mortars

Bending Beam TP1 S(Creep Stiffness) 1500Mpa max

2-3-5、流失抑制劑

瀝青多是 SMA 的特性之一，高瀝青量的膠砂漿填充於粗骨材間的空隙及提供高溫工作性。為防止裹覆於骨材表面的厚瀝青膜於運送過程中流失，SMA 的組成材料中，加入所謂的流失抑制劑 (Drainage Inhibitor)[10]，美國將此類材料稱為穩定添加劑(Stabilizing Additives)[15]，可以是各種纖維或高分子瀝青改質劑，大部份的研究顯示使用纖維比使用改質瀝青有效。由於流失抑制劑不溶於瀝青，因此對於瀝青的稠度影響不大，但可吸住瀝青，防止流動，對

(40)

高溫 SMA 之儲存、運送、和鋪築時有抑制瀝青流失的效果，並具有增加下列SMA 鋪面性質：

1、增加瀝青膠泥之粘滯度，增加其韌性，提高瀝青混凝土之勁度，對瀝青混凝土高溫抗變形能力有所助益。

2、降低瀝青膠泥之感溫性，減少車轍及裂縫發生，提高疲勞強度。

3、提高瀝青混凝土路面抗摩擦力，提昇行車之安全。

4、添加纖維之瀝青混凝土空隙率較一般瀝青混凝土大，但纖維及瀝青在粒料表面形成較厚之瀝青膜，使水份不易侵入，而不致造成路面剝脫分離，增加其耐久性

5、抑制瀝青膠泥的老化。

可用於 SMA 中當流失抑制劑之纖維種類有木質纖維、礦物纖維及聚合物有機纖維三大類[16]，茲將該三類纖維說明如下：

1、木質纖維

木質纖維來自於天然木材或廢紙，主要成份為木質纖維素，是一種中空管狀的細胞；未經處理的天然木質纖維也可用作食品添加物，所以對人體無害，不會影率環境，不會造成公害；經過化學處理可得到用於 SMA 的木質纖維，由於處理溫度高達 250℃以上，是非常穩定的物質，不會因熱拌過程而變質，也不被一般的溶劑、酸、鹼所腐蝕。有些供應 SMA 用木質纖維的廠商，事先將木質纖維調拌部份瀝青膠泥，製成團丸狀，使得市場上有鬆散狀木質纖維及團丸狀木質纖維兩種。此兩種形態的木質纖維，與瀝青混合料拌合的均勻性如何，目前有不同的說法。由鬆散狀纖維與團丸狀纖維的比較試驗可以發現，鬆散狀纖維的拌合均勻性優於團丸狀纖維，且吸油能力較

(41)

強。但團丸狀纖維的最大優點為添加較方便，便於機械化施工。對團丸狀木質纖維而言，在短時間的拌合過程中，木質纖維能否在混合料中分散均勻，則尚有待證明。目前在歐洲和美國很少使用團丸狀木質纖維，日本使用纖維數量不多，但一般也不使用團丸狀纖維。AASHTO 之 SMA 規範[13]，針對木質纖維規定的標準如表 2-7 所示，由表 2-7 可知木質纖維的檢測項目，除了纖維長度用特殊的篩分析法求得外，另外還有以燒失法測得的灰份含量、水溶液 PH 值、吸油率及含水量等，大都不是土木工程人員慣用的試驗方法，因此不容易作為施工中品質控制的項目，應以品質鑑定認可的方式執行。

表2-7、SMA 用的木質纖維流失抑制劑的品質要求

特性品質要求

纖維長度最大6mm

A 法：Alipine 篩分析¹

通過0.15mm(#100)篩 70±10%

纖維長度最大6mm

通過0.85mm(#20)篩 85±10%

通過0.425mm(#40)篩 65±10%

篩分析

B 法：篩網法²

通過0.106mm(#140)篩 30±10%

灰含量³ 非揮發性18±5%

PH 值⁴ 7.5±1.0

吸油率⁵ 纖維重量的5±1 倍

含水量⁶ 小於纖維重量的5%

註 1：Alipine 篩分析法使用空氣噴射篩 (Alipine Air Jet Sieve , Type 200 LS)，用 5 公克具代表性的纖維，在相當於 75kPa 的水壓下篩 14 分鐘。

註 2 ：篩網法乃使用標準的 0.850 、 0.425 、 0.250 、 0.180 、 0.150 及 0.106mm 篩網，配合使用尼龍毛刷和搖篩器，使用具代表性的 10 公克纖維樣品，每個篩網的一個搖篩器及二個尼龍毛刷，稱留在每一個篩網上的留篩重，並計算過篩百分比。本試驗方法的重覆性存有疑問而須加以確認。

註 3：灰分含量以約 2~3 公克的代表性纖維樣品，置於坩堝內精密稱重後，以 595 至 650⁰ C 的高溫燒至少 2 個小時後，將坩堝擺在乾燥器內冷卻後稱重。

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註 4：將 5 公克代表性纖維加入 100m1 蒸餾水攪拌後放置 30 分鐘後，測此溶液之PH 值。

註 5：精確稱得具代表性的纖維 5 公克浸入指定的油中至少 5 分鐘，確認飽和浸泡，撈出放在 O.5mm²開口之篩網上濾乾，再搖篩 10 分鐘後，稱留篩重，增加的重量即為吸入的油量，一般以原重量(5 公克) 的倍數表示。

註6：稱代表性纖維樣品 10 克，放置在 121℃強制對流烘箱內 2 小時，取出後馬上稱重。

2、礦物織維

最典型的礦物纖維為石棉，但因石棉對人體危害，先進國家大都不予採用，美國及歐洲目前採用的礦物纖維都來自玄武岩，美國喬治亞州的 SMA 路面，大都使用礦物纖維[16]。與木質纖維比較，礦物纖維的表面直而光滑，木質纖維則柔曲、

有絨毛、且為中空的管狀細胞，故礦物纖維絲的表面較不會吸附過多瀝青，一般的經驗證實採用礦物纖維，可使 SMA 的瀝青含量少用約 0.5%。德國木質纖維的廠商推動採用 SMA 時，

有瀝青含量要儘量高的說法，中國大陸的研究人員認為，被木質纖維吸入管狀細胞中空處的瀝青膠泥，很可能並沒有增加 SMA 粒料的油膜厚度，對「SMA 使用木質纖維會有較高的保油性而達到較好的成效」的說法，持保留的態度。

根據美國聯邦公路總署(Federal Highway Administration, FHWA)的建議，礦物纖維的用量為混合料的 0.4%，木質纖維的用量要求為混合料的 0.3%。按規定加入纖維後，混合料的乾拌時間須延長 5 秒~10 秒，溼拌時間須增加 5 秒(木質纖維) 或 5 秒以上(礦物纖維)。從放大的照片可以看出，如圖 2-15 所示，礦物纖維表面直而光滑，而木質纖維表面柔曲而且有絨毛，可以吸附瀝青的表面積較礦物纖維大的多。

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AASHTO 之 SMA 規範中[13]，針對礦物纖維的規定，如表 2-8 所示。由表 2-8 可知 SMA 用的礦物纖維的主要品質檢測項目為纖維長度、直徑及非纖維含量，這些試驗項目也不是一般土木工程人員慣用的項目，與木質纖維相同，應以品質鑑定認可的方式執行。

表2-8、SMA 用的礦物纖維流失抑制劑的品質要求

性質品質要求

纖維長度¹ 試驗平均值最大6mm 篩分析纖維厚度² 試驗平均值最大0.005mm

通過0.25mm(#60)篩 90±5%

Shot Content ³

通過0.005mm(#230)篩 70±10%

註1：此纖維長度乃依據 Bauer McNett 區分法求得(Bauer McNett fractionation)。

註2：纖維直徑(或厚度)乃以顯微鏡至少量測 200 條纖維而得。

註3：Shot content 乃指非纖維含量，以震動篩求得，一般使用 0.250mm，

及0.063mm 兩個篩子，詳細試驗方法請參照 ASTM C612。

圖2-15、礦物纖維(左)與木質纖維(右)的放大照片比較 3、聚合物有機纖維

除了木質纖維和礦物纖維以外，SMA 所需的流失抑制劑，也可以採用聚脂類或是壓克力纖維，根據中國大陸研究人員針對一種壓克力纖維和木質纖維的比較，認為壓克力纖維很

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容易均勻拌入 SMA 中，只要 0.1% 劑量即可達到木質纖維 0.3% 劑量的流失抑制效果，又因壓克力纖維的強度較高，比木質纖維更能防止路面變形開裂，再加上壓克力纖維的耐候性較佳，可能優於木質纖維，缺點是價格較木質纖維高。

依中國大陸研究人員的分析[2]，上述之木質纖維、礦物纖維及聚合物有機纖維的比較可整理如表 2-9 所示，吸油性最好的是木質纖維，但是對 SMA 而言，吸油性最好是否就是優點，則尚無定論；價格上雖以聚合物有機纖維最高，但這類纖維的劑量最低；若以施工性的角度分析，則將纖維均勻地分散在 SMA 混合料中是最重要的關鍵，鬆散狀木質纖維較團丸狀木質纖維容易分散均勻，但在運送和存放的過程中很容易受潮或結塊，又必需採用特別的添加機具來加入；團丸狀纖維運送、存放及添加較容易，但在加入後的短暫拌合時間內，似乎不容易分散均勻，因此在選用纖維時，更必需將施工的狀況，

例如拌合機的型式(鼓式或分拌式)，有否專用纖維加入設備等納入考慮。

表2-9、SMA 可能採用的三類纖維的綜合比較

木質纖維比較項目

鬆散狀團丸狀礦物纖維聚合物有機纖維

運輸及貯存性易受潮成塊較佳佳佳

拌合時分散均勻性佳未知佳佳

添加方便性機械方便人工方便機械方便人工方便

使用劑量 0.3% 0.4% 0.1%

價格較高較低最高

吸油性最佳普通佳

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前述章節已就 SMA 設計理念及組成材料性質作一探討，綜合以上所述，比較 SMA 與一般密級配瀝青混凝土及多孔性瀝青混凝土之各項性質如表2-10 所示。

表2-10、SMA 與一般瀝青混凝土性質比較表

2-4、SMA 配合設計方法

德國為最早使用 SMA 的國家，其在發展 SMA 技術時，是以馬歇爾配合設計法為基礎，僅作小幅度更改。事實上德國在 SMA 配合設計上都是按照一定的配方，有的甚至是某些材料公司的獨家配方，而沒有詳細的所謂配合設計法，而是在選擇級配下，儘量選用不會有瀝青流失發生的最高瀝青含量，甚至沒有如何夯成試體評估各部體積關係的規定，此種狀況下，很難確實瞭解 SMA 成功的原因，有時按照配方執行有可能得不到相同的結果。

項目密級配瀝青混凝土多孔性瀝青混凝土 SMA

骨材級配密級配越級配越級配

粗骨材磨損率要求＜40% ＜30% ＜30%

粗骨材破碎面要求具 2 破碎面需 60%

以上

具 1 破碎面需 100

%，具 2 破碎面需 90%以上

具 1 破碎面需 100

%，具 2 破碎面需 90%以上

粗骨材扁長率要求未嚴格規定

扁長率小於 1/3 者不超過 20%，扁長率小於 1/5 者不超過5%

瀝青含油量適中適中較多

添加劑添加無添加流失抑制劑添加流失抑制劑

抗滑性尚可最佳佳

耐久性尚可不佳佳

透水性很小佳很小

抗車轍能力尚可不佳佳

抗剝脫能力尚可不佳佳

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歐洲瀝青鋪面協會(European Asphalt Pavement Association,EAPA) 總部所在地的荷蘭，則以「細骨材則用較多瀝青拌成膠砂漿，膠砂漿填充粗骨材架構之空隙時不要填滿」的原則，發展完整的體積關係配合設計法，在符合級配容許範圍內，選擇 2mm 篩過篩百分比不同的四種骨材含量，每種四個試樣，膠砂漿部份則用固定的細砂與填充料之含量比(sand/filler ratio)，以便使膠砂漿的黏度相同，以固定瀝青含量、固定流失抑制劑含量的膠砂漿，配合四種骨材含量，

拌成混合料，夯製每面 50 下的馬歇爾試體，使馬歇爾試體之孔隙率達4%時的組合為最佳配合比[20]。

FHWA 於 1991 年成立技術工作小組 (Technology Working Group ，TWG)，進行 SMA 的一系列研究，這個小組對美國早期的 SMA 配合設計有很大的貢獻。在該小組的研究基礎上，由 NCAT 於國家公路研究計劃(National Cooperation Highway Research Program, NCHRP)所提出的 SMA 配合設計規範，已經審理通過為 AASHTO 正式規範，因該規範為現行較完整、有系統之 SMA 設計方法，故本研究即以該規範做為SMA 配合設計依據，並加以闡述說明。

2-4-1、SMA 配合設計原理

AASHTO 規範的 SMA 配合設計主要在於，用選定的粒料級配，以初選瀝青含量使用旋轉夯實機(Gyratory Compactor)拌合夯製 SMA 試體，以體積關係決定最佳的粗細骨材比，這種粗細骨材比，

必需使瀝青膠泥與細骨材組成的膠漿，在填充粗骨材組成的空隙時，不會破壞相互契合接觸的粗粒料主構架。基本上 AASHTO 規範的 SMA 配合設計是體積設計法，與美國策略性公路研究計劃 (Strategic Highway Research Program，SHRP)的性能設計法不同，但

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其目的同樣是要確定粒料的級配及瀝青用量。SMA 配合設計分成粗粒料骨架和瀝青膠漿填充料兩部分設計：

1、緊密互鎖的粗粒料骨架，SMA 混合料中起互鎖作用的是 4.75 mm 以上的部分，所以 4.75mm 通過率是關鍵性指標，在骨架設計部分規定 SMA 混合料必須有充分的粒料間孔隙率 VMA 及適當的粗粒料間骨架孔隙率VCA 等。

2、含有足夠的瀝青膠漿填充料，填充在粗粒料骨架孔隙中，這部分的設計規定了最小瀝青用量和孔隙率等標準。

因此，SMA 配合設計的原理就是確定骨架和瀝青膠漿各部分材料的規格和比例，以便形成粗粒料骨架，而骨架間又剛好填充了瀝青膠漿，使之成為具有高度穩定性的混合料，判斷 SMA 是否具粗骨材架構的方式如圖 2-16 所示。

圖2-16、判斷 SMA 是否具粗骨材架構的方式填入的細料恰當骨材顆粒互鎖形成

填入的細料顆粒太大填入的細料過多

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中文摘要

Abstract

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圖目錄

表目錄

第一章、緒論

第二章、文獻回顧

V G V W

 





 



 −

×

G 1 G

%

100

_ ^