瀝青混凝土穩定值與流度值之曲線特性分析 郭文田 黃昭雄 國立高雄應用科技大學土木工程系副教授 台灣檢驗科技股份有限公司材料暨工程實驗室主任 摘要 國內目前瀝青混凝土配比設計的方法與流程大都採用馬歇爾配合設計方法, 其中流度值為瀝青混凝土中重要物理性質之一, 其意義代表瀝青混凝土的抵抗變形能力 瀝青膠泥係一感溫性材料, 其種類與含量都會影響穩定值與流度值的曲線行為 年以前, 馬歇爾配合設計中, 重點皆在分別討論穩定值與含油量及流度值與含油量的關係, 年起 ASTM D 提到穩定值與流度值的曲線關係 ; 年 ASTM D 更訂定在曲線特性異常情形下, 以平移 個單位流度 (.mm) 決定其穩定值 本研究主旨在討論傳統密級配瀝青混凝土的穩定值與流度值之曲線行為, 針對目前國內常用的瀝青混凝土配比, 進行相關物理性質及成效試驗, 並考慮合理的力學性質, 以探討其穩定值與流度值之曲線行為 研究結果顯示, 流度平移單位數會隨含油量增加而增加, 流度值也隨含油量增加而增加 ; 穩定值對於流度平移單位數無顯著的影響, 但流度值與流度平移單位數間可以迴歸方程式說明其關係 決定穩定值之平移單位流度數都在 以下, 在建議的含油量合理範圍內, 平移單位流度數可適當的下修至 關鍵字 : 馬歇爾 穩定值 流度值 ASTM D 個單位流度 一 前言瀝青混凝土是目前國內公路工程中最普遍的鋪面材料, 其生產設備 流程 及品質檢驗的方法亦都大同小異 雖各家瀝青混凝土廠生產方法有些許的差異, 但品質的檢驗方式是一致的, 由於國內目前瀝青混凝土配比設計的方法與流程大都採用馬歇爾配合設計方法, 工程會亦明確規定其配比設計必須使用 AI MS- 瀝青膠泥係一溫感性材料, 其種類與含量都會影響穩定值與流度值的曲線行為 ; 其中流度值為瀝青混凝土中重要物理性質之一, 其意義代表瀝青混凝土的抵抗變形能力 在 ASTM D- 時, 樣品製作與穩定值和流度值的測試皆在此規範中, 且流度值係使用傳統之測微計讀錶方式, 並沒有提到流度值過大的問題發生應如何處理 在 年開始改版, 將之分成 ASTM D 馬歇爾樣品製作與 ASTM D 穩定值和流度值測試, 其內容提到流度值使用 LVDT, 與流度值過大的相關問題 年 ASTM D 更訂定穩定值在最大時, 流度值等於 單位流度值 ; 如穩定值的高峰不明顯時, 可以取曲線切線平移 單位流度值決定穩定值,
如圖 及圖 所示 [,] 圖 曲線峰值明顯時, 穩定值與流度值之求法 圖 曲線峰值不明顯時, 穩定值與流度值之求法 因此為探討此規定是否適用於台灣本土地區, 本研究擬針對本土的材料特性因素, 藉由實驗室執行瀝青混凝土配比設計工作 試驗程序的進行與數據分析探討的過程中, 求得適合的平移單位流度值, 使各實驗室與瀝青廠品質對於穩定值和流度值之修正有更合理的使用 二 研究計畫本研究針對國內常使用之瀝青混凝土為主要對象, 以 AI MS- 進行馬歇爾配比設計, 級配採密級配, 標稱最大粒徑為 mm.mm 二種, 瀝青膠泥等級為 AC- AC- 與不同的含油量, 每組製作 顆試體, 以單顆試體之穩定值與流度值之關係曲線求出曲線切線右側平行移動交於最大之穩定值之單位流度數, 如圖 並藉由試驗結果的統計分析, 找出適合的單位流度 最後並以穩定值高峰不明顯, 流度值過大之實際案例加以探討 曲線切線 平移六單位曲線切線 平移曲線切線交於曲線 最高點 平移單位 流度數 圖 本研究平移單位流度數求法示意圖
三 結果與討論. 等級為 AC-, 不同標稱最大粒徑之各含油量流度平移單位數由圖 得知, 流度平移單位數隨含油量的增加而遞增, 流度平移單位數介於.~ 之間, 顯然在此條件之下, 不同含油量適用於不同的流度平移單位數, 但含油量從.~.%, 流度平移單位數就介於. 單位間跳動, 雖然藉由回歸曲線有增加的趨勢, 但並沒有十分明顯區分, 一般依經驗而言配比設計建議含油量約介於.~.%, 流度平移單位數約介於.~., 含油量約.% 由表 統計結果得知, 流度平移單位數之變異係數隨著含油量的增加而有上昇之趨勢, 變異係數從 ~% 不等, 含油量.% 之流度平移單位數全距有. 個流度平移單位數, 變異係數.%, 範圍很大, 平均數是. 個流度平移單位數, 針對此條件之下, 流度平移單位數建議使用. 個流度平移單位 [] 由圖 得知, 流度平移單位數隨含油量的增加而遞增, 但在含油量.% 處趨於極限, 到含油量.% 時, 流度平移單位數反而有下降的趨勢, 會造成此種狀態的原因是粒料可承受載重能力與瀝青可承受之載重能力, 粒料與瀝青由平衡狀態到粒料大於瀝青可承受之載重能力, 粒料之間產生錯動之後, 穩定值便達到高點, 之後試體便產生迅速的破壞 [], 流度平移單位數介於 ~ 之間, 顯然在此條件之下, 不同含油量也適用於不同的流度平移單位數, 從含油量.~.% 之單位數也是在. 單位數間變化, 在含油量 ~.% 之間, 每增加.% 含油量, 單位數就增加., 依照一般配比設計經驗, 建議含油量約介於.~.%, 流度平移單位數約介於.~., 含油量約.% 由表 統計結果得知 [], 流度平移單位數的變異係數範圍從 ~% 不等, 在含油量.%, 變異係數高達 %, 全距有. 個流度平移單位數, 平均數是. 個流度平移單位數, 故流度平移單位數建議使用 個流度平移單位. 瀝青等級為 AC-, 不同標稱最大粒徑之各含油量流度平移單位數由圖 得知, 流度平移單位數隨含油量的增加而遞增, 由回歸曲線得知含油量從.~.% 趨於平緩, 含油量.% 趨於極限, 粒料與瀝青之承受載重能力趨於平衡, 流度平移單位數介於.~. 之間, 顯然在此條件之下, 不同含油量適用於不同的流度平移單位數, 含油量從.~.%, 流度平移單位數也從.~., 相距有. 個單位數, 接近每.% 含油量就有. 個單位數的增加, 依一般配比設計經驗, 建議含油量約介於.~.%, 流度平移單位數約介於.~., 含油量約.% 由表 統計結果得知 [], 流度平移單位數之變異係數範圍從 ~%, 含油量.% 之變異係數.% 最小, 全距. 個流度平移單位數, 最為穩定, 變化量最小, 平均數. 個流度平移單位數, 故流度平移單位數建議使用 個流度平移單位較符合此條件
由圖 得知, 流度平移單位數隨含油量的增加而遞增, 但在.% 含油量, 粒料與瀝青可承受的載重達到平衡, 在.% 含油量, 粒料可承受的載重大於瀝青, 故流度平移單位數反而下降, 流度平移單位數介於 ~ 之間, 顯然在此條件之下, 不同含油量適用於不同的流度平移單位數, 含油量從 ~%, 流度平移單位數介於.~., 相距. 單位數, 在含油量 ~.% 之間, 每增加.% 含油量, 單位數就增加., 依經驗, 一般配比設計建議含油量約介於.~., 相對流度平移單位數約介於.~., 含油量約.% 由表 統計結果得知 [], 流度平移單位數的標準差都是隨瀝青含量增加而有上升的趨勢, 流度平移單位數的變異係數範圍較高, 從 ~%, 含油量. % 變異係數高達.%, 全距為. 個流度平移單位數, 平均數為. 個流度平移單位數, 所以流度平移單位數建議使用 個流度平移單位. 標稱最大粒徑 /, 不同瀝青膠泥各含油量之流度平移單位數 由圖 得知, 三條曲線,AC- 曲線之單位流度高於 AC-, 在標稱最大粒徑 / 狀態下, 也表示 AC- 之承受載種能力與變形量高於 AC-, 兩條之曲線近視直線, 表示粒料與瀝青之承受載重與變形量在此含油量區間呈現平衡狀態, 流度平移單位數隨含油量的增加而遞增, 平均曲線之流度平移單位數介於.~. 之間, 在平均曲線的條件之下, 不同含油量適用於不同的流度平移單位數, 此條件含油量從.~.%, 單位數相距., 依經驗, 一般配比設計建議含油量約介於.~.%, 平均曲線之流度平移單位數介於.~., 含油量約. % 由表 統計結果得知 [], 流度平移單位數之變異係數是隨著含油量的增加, 而有上升趨勢, 流度平移單位數的變異係數範圍介於 ~ 之間, 標準差從.~., 全距從 ~, 含油量. % 之變異係數為.%, 全距. 個流度平移單位數, 平均數. 個流度平移單位數, 故平均曲線之流度平移單位數建議使用 個流度平移單位. 標稱最大粒徑 /, 不同瀝青膠泥各含油量之流度平移單位數 由圖 得知, 流度平移單位數隨含油量的增加而遞增, 流度平移單位數介於 ~ 之間, 在平均曲線的條件之下, 不同含油量適用於不同的流度平移單位數, 在含油量.~. %,AC- 和 AC- 之流度平移單位數近視相同, 表示在低含油量時, 其瀝青影響不大, 主要由粒料主導, 在含油量.~.%, 有明顯區分出來, 在含油量.%,AC- 大於 AC- 約. 單位數, 表示在含油量足過的狀態下, 粒料可承受的載重大於瀝青,AC- 的流度延伸量大於 AC-, 依經驗, 一般配比設計建議含油量約介於.~. %, 平均曲線之流度平移單位數介於.~., 含油量約.% 由表 統計結果得知 [], 流度平移單位數之變異係數都隨含油量增加而有
上升趨勢, 且範圍都很大, 流度平移單位數的變異係數從 ~%, 含油量.%, 變異係數.%, 全距. 個流度平移單位數, 平均數. 個流度平移單位數, 故平均曲線之流度平移單位數建議使用 個流度平移單位 流度平移單位數...... 平均曲線 y =.x -.x +.x -. AC-,/" AC-,/" 流度平移單位數...... y = -.x +.x -.x +. AC-,/" 平均曲線 AC-,/"......... 含油量 (%) 含油量 (%) 圖 含油量與流度平移單位數 (AC-,AC-, / ) 圖 含油量與流度平移單位數 (AC-,AC-, / ) 表 標稱最大粒徑 / 平均流度平移單位數統計結果 含油量 (%)..... 最大值..... 最小值..... AC- 全距..... 平均數..... 標準差..... 變異係數 (%)..... 最大值..... 最小值..... AC- 全距..... 平均數..... 標準差..... 變異係數 (%)..... 表 標稱最大粒徑 / 平均流度平移單位數統計結果含油量 (%)..... AC- 最大值..... 最小值..... 全距..... 平均數.....
AC- 標準差..... 變異係數 (%)..... 最大值..... 最小值..... 全距..... 平均數..... 標準差..... 變異係數 (%)...... 最大穩定值不明顯, 流度值過大案例分析. 樣品規格條件 : 樣品使用標稱最大粒徑 / in, 密級配, 瀝青膠泥使用中油出產 AR-. 含油量與篩分析測試結果 : 如表 表,No. (μm) 篩之馬歇爾試體回收篩分析結果與實際鋪設瀝 青混合料回收篩分析結果, 明顯高出規範, 粒料之形狀如圖 表 案例含油量測試結果 設計規範 配比設計建議值 馬歇爾試體回收含油量 實際鋪設瀝青混合料回收含油量 含油量 (%) ~... 篩號 設計規範 (%) 表 案例篩分析測試結果配比設計建議值 (%) 馬歇爾試體回收篩分析結果 (%) 實際鋪設瀝青混合料回收篩分析結果 (%) in(.mm) / in (.mm) ~ / in (.mm) --- / in (.mm) ~ No. (.mm) ~ No. (.mm) ~ No. (.mm) --- No. (μm) --- No. (μm) ~
No. (μm) --- No. (μm) ~... 圖 案例抽油後粒料樣品. 黏度測試結果 : 瀝青配比設計瀝青膠泥黏度試驗結果, 與現場鋪設瀝青廠取瀝青膠泥黏度試驗結果, 和實際鋪設瀝青混合料回收黏度試驗結果, 如表 所示, 實際黏度老化非常嚴重, 是造成最大穩定值不明顯, 流度值過大的原因之ㄧ 表 案例黏度測試結果不同狀況黏度配比設計黏度廠內黏度實際鋪設瀝青混合料回收黏度黏度 (poises),,,. 穩定值與流度值試驗結果 : () 配比設計結果在各種材料都處於合格狀態, 如圖, 穩定值處於明顯與流度值處於正常狀態
圖 配比設計穩定值與流度值 ( 案例 ) () 實際鋪設瀝青混合料結果因填充料高出規範與瀝青膠泥高出原始數倍, 導致如圖 所示, 最大穩定值不明顯, 流度值過大 圖 實際鋪設瀝青混合料穩定值與流度值 ( 案例 )
() 配比設計與實際鋪設瀝青混合料結果如圖 所示, 配比設計曲線斜率低於實際鋪設曲線斜率, 表示在黏彈性範圍內, 在穩定值最大時, 實際鋪設之延展性大於配比設計, 從流度值.~. 是瀝青膠泥之黏度與填充料之勁度所提供, 表示可承受更大的變形, 抗衝擊性就越好, 不易產生破壞裂縫, 抗車撤變形及破裂能力就越好, 虛線為實際鋪設曲線切線平移五單位流度, 其結果配比設計曲線 實際鋪設曲線與實際鋪設曲線切線平移五單位流度相交於一點........ 配比設計曲線 配比設計曲線切線 實際鋪設曲線 穩定值 (KN) 實際鋪設曲線切線 配比設計曲線切線平移六單位實際鋪設曲線切線平移六單位 實際鋪設曲線切線平移五單位........ 流度值 (mm) 圖 配比設計與實際鋪設瀝青混合料穩定值與流度值 ( 案例 ). 不同條件下之試驗結果分析 : 由表 表 圖 得知, 粒料的曲線並沒有差異太大, 粒料的形狀也非常漂亮, 但填充料的含量高出配比許多, 黏度也是配比的 倍之多, 這兩項是影響案例曲線異常的主要因素, 故本文做了以下之延伸探討 : () 樣品製作條件 : A. 粒料使用原配比粒料材料, 粒料拌合曲線使用配比建議值, 瀝青膠泥使 AC-, 含油量使用對混合料.%, 填充料使用 % % %, 並且分成兩種填充料, 一種為石粉 ( 白色 ), 一種為集塵回收料 ( 黑色 ) B. 粒料使用原配比粒料材料, 粒料拌合曲線使用配比建議值, 瀝青膠泥使 AC-, 含油量使用對混合料.%, 填充料使用石粉, 粗粒料使用 % 無破
碎面 % 二面破碎面與 % 扁平率 () 樣品測試結果 : 使用石粉, 通過 No. 篩含量使用 %, 流度並沒有明顯之增加, 使用石粉, 通過 No. 篩含量使用 %, 流度就有明顯之增加, 到使用石粉, 通過 No. 篩含量使用 %, 流度的延伸就超出規範許多, 其試驗結果如圖 所示 使用集塵回收料, 通過 No. 篩含量使用 %, 流度並沒有明顯之增加, 曲線的斜度也有較大, 使用集塵回收料, 通過 No. 篩含量使用 %, 流度也有明顯之增加, 斜度也較大, 到使用集塵回收料, 通過 No. 篩含量使用 %, 流度也有明顯之延伸, 斜度也很大, 其試驗結果如圖 所示 粗粒料使用 % 無破碎面 % 二面破碎面與 % 扁平率, 如圖 所示, 無破碎面與扁平之粒料流度值與穩定值都降低許多,% 扁平率之圖形較圓弧, 最大穩定值較不明顯, 但流度值無過大, 試驗完成的試體之粗粒料有明顯的破壞........ 穩定值 (KN) 通過 No. 篩含量 % 通過 No. 篩含量 % 通過 No. 篩含量 %........ 流度值 (mm) 圖 穩定值與流度值相關圖形 ( 石粉 )
通過 No. 通過 No. 篩含量 % 篩含量 % 穩定值 (KN) 通過 No. 篩含量 % 流度值 (mm) 圖 穩定值與流度值相關圖形 ( 集塵回收料 )..... 粗粒料 % 破碎面 穩定值 (KN) 粗粒料 % 破碎面 粗粒料 % 扁平率..... 流度值 (mm) 圖 穩定值與流度值相關圖形 ( 粗粒料異常 ) () 結果分析 : 使用石粉, 流度會隨著通過 No. 篩含量增加而增加, 有一定的趨勢, 使用集塵回收料, 在含量較高的狀態下, 穩定值會隨著通過 No. 篩含量增加而
降低, 但流度會隨著通過 No. 篩含量增加而增加, 曲線斜度隨著通過 No. 篩含量增加而變大, 也表示單位載重下變形量較大 [] 在兩種材料的比較下, 石粉提供了較好的穩定性與抵抗變形能力, 但實際案例施工, 瀝青拌合廠並沒有辦法提供如此大量的石粉, 使用集塵回收料已經是常態, 又加上瀝青膠泥使用 AR-, 拌合後膠泥老化嚴重, 導致穩定值與流度值曲線異常是必定的趨勢 粗粒料無破碎面或 % 扁平率其抵抗載重之能力較 % 破碎面差, 但並沒有明顯的影響到變形量的增加, 在黏彈性的範圍, 曲線之線形與斜率卻有明顯的不同,% 扁平率曲線趨向柔性變形, 大部份載重由瀝青承受, 最大穩定值較不明顯 四 結論. 在標稱最大粒徑 / 含油量.% 時,AC- 之流度平移單位數大於 AC- 者 ; 而標稱最大粒徑 / 含油量.% 時, AC- 之流度平移單位數反大於 AC- 者, 但其流度平移單位數都在 以下. 流度平移單位數會隨含油量增加而增加, 流度值也隨含油量增加而增加 ; 穩定值對於流度平移單位數無顯著的影響, 但流度值與流度平移單位數間可以迴歸方程式說明其關係. AC- 之流度平移單位數的變異係數有隨含油量增加而有上升趨勢, 而 AC- 之變異係數卻是在含油量中間點時有最小的現象. 流度平移單位數會因樣品變數的多樣性, 導致試驗結果的全距與變異係數大, 標稱最大粒徑 / 較 / 之穩定值 Va VMA VFA 的變異係數較佳, 但流度值剛好相反. 標稱最大粒徑 /, 含油量在.% 時, 流度平移單位數達最大值, 但到含油量.% 時, 流度平移單位數反而有下降的趨勢. 不管使用石粉或集塵回收料, 通過 No. 篩含量過高, 流度值會隨著通過 No. 篩含量增加而增加 如使用集塵回收料, 穩定值明顯反而降低, 粗粒料的形狀並沒有明顯的影響流度值, 無破碎面或 % 扁平率其抵抗載重之能力較 % 破碎面差 五 參考文獻 []AI MS-, 瀝青混凝土及其他熱拌類之配合設計方法 () []ASTM D, Standard Test Method for Marshall Stability and Flow of Bituminous Mixtures(). []Mendenhall Beaver, 統計學, 高立圖書有限公司, 台北 () [] 畢玉峰 張宏超, 馬歇爾試驗曲線特性分析, 山東交通學院學報, 第 卷, 第 期, 第 ~ 頁 () [] Peter E. Sebaaly, Edgard Hitti, and Dean Weitzel, Effective of Lime in Hot-Mix Asphalt Pavements, Transportation Research Record, pp. - ().