排水性沥青铺面应用於国道高速公路之探讨

–13–排水性瀝青舖面應用於國道高速公路之探討THESTUDYOFPOROUSASPHALTPAVEMENTONFREEWAYATTAIWAN陳茂雄1呂學士2陳順興3摘要台灣地區的氣候型態為屬亞熱帶，特性為潮濕多雨，夏季有颱風及午後雷雨，冬、春季中細雨綿綿且雨季綿長，在這種型式的天候狀況下，落於道路上之雨水若不易迅速排除，而停留於路面所形成之積水，則當車輛快速行駛通過之時，往往造成水花四濺，更因有水之存在使得路面濕滑，於抗滑性降低情況下，嚴重影響行車視線與行車安全，且對瀝青路面之耐久性構成不利之影響。故有以排水性舖面之構想，藉以增加瀝青混凝土路面勁度、抗變形能力、提高路面承載力及加強路面排水效能，並降低對溫度之敏感性，改善目前路面的品質，以期為往後之交通路面工程建設貢獻一己之力。關鍵詞：排水性舖面、開放級配瀝青混凝土。1交通部台灣區國道高速公路局北區工程處處長2國道高速公路局北區工程處副工程司兼中壢工務段副段長3國道高速公路局北區工程處幫工程司兼關西工務段副段長一、前言國內高速公路舖面，自中山高速公路開始，其舖面結構採用美國規範，設計有一層1.5公分厚之開放級配瀝青混凝土(Open-GradedAsphaltFrictionCourse，簡稱OGAC或OGFC)，來作為摩擦層之用，同時也可藉由其骨材高孔隙率特性來迅速排除路面部分雨水，減少雨天車行上輪胎所濺起之水花，達到行車安全之目的。然隨著交通量之增加及重載車輛比例之提高，開放級配瀝青混凝土似乎有愈來愈難承擔此角色之趨。基於養路人提供舒適安全行車空間之職責，尋求一較適合排水舖面，已成當前急迫之課題。排水性舖裝在歐洲地區於1980年代即大量使用於道路舖面，並增大骨材標稱粒徑，增加舖設厚度，稱為DrainagePavement，鄰近之日本是於1989年起廣泛在已通車的高速公路上加以試舖，且自1998年起經發舖面工程專輯土木水利第二十八卷第三期民國九十年十一月，第13–26頁CivilandHydraulicEngineeringVol.28,No.3,November2001,pp.13–26–14–土木水利第二十八卷第三期展其排水性舖裝檢討分科會制定「排水性舖裝技術指針(案)」以為該國之遵循；該指針將排水性舖裝自定義、舖面構造、材料、配合設計、施工以迄管理，均有詳盡之述說，或可為國內進行排水性舖裝之參考。美國部份州政府也鑑宜原設計之OGFC有缺陷，也在1991年起改善其排水舖面設計方法，如厚度增加至一英吋，使用纖維填充料增加抗剝能力等。本文擬該指針並與歐美及我國高速公路單位目前習用之開放級配瀝青混凝土，就其材料、配比、施工法及經濟性等方面，作一比較分析後，探討其運用於國內高速公路舖面工程整修之可行性。二、排水性舖裝2.1排水性舖裝概述2.1.1定義所謂排水性舖裝，顧名思義就是指利用高孔隙率之多孔性瀝青混合物，舖築於路面後因具有適當的空隙和凹凸面，減少輪胎與路面間水膜之形成，又稱為多孔性舖面機能(PorousAsphaltPavement)(如圖1及圖2)圖1排水性舖裝的示意圖圖2排水機能示意圖2.1.2機能排水性舖裝之機能列舉如下：(1)行車安全之改善因水花現象之緩和而提高雨天時之抗滑性。因水花現象之緩和而提高行車之視認性。在雨天之夜間行車時，燈光反射之緩和。雨天時路面標示視認性之改善。(2)沿途環境之改善讓雨水滲入舖裝內層內，加以排除可防止行車中的濺水會水霧現象產生，增加能見度，提昇行車環境的改善。行駛中的車輛輪胎胎紋內的空氣爆裂聲或引擎聲，均被舖裝面空隙吸收，因而降低噪音產生(如圖3)。傳統密集配瀝青混凝土土木水利第二十八卷第三期–15–排水性瀝青混凝土圖3排水性舖裝降低噪音示意圖2.1.3規格表層厚：歐洲與日本採用4~5cm，美國採用為1英吋厚。粘結料：高粘度改質瀝青(歐美則使用較高等級傳統瀝青膠泥加纖維物)。粗骨材最大粒徑：13mm或20mm。目標空隙率：15~20左右或20以上。2.1.4適用上應注意事項需視道路之交通條件、沿途條件、自然條件等及構造上之限制或施工條件及開放通車後維修之難易、排水機能之期待等而定，對合適之構造、材料及工法之選定是非常必要的。2.1.5排水性舖裝今後課題適用於中輕交通量規格之研究較經濟規格之開發骨材規範之確定機能持續性之研究噪音減低之適用2.2排水性舖裝之材料排水性混合物較之一般瀝青混合物，用更多之粗骨材，以達其高空隙率是其特徵之一，因此為維排水性舖裝耐久性及機能持續性，選用材料成為重要課題。排水性混合物，通常粗骨材約佔80、細骨材佔10、填充料佔5、瀝青膠泥佔5(如圖4)，茲將各材料之規範略述如下：排水性瀝青混合物粗骨材80細骨材10填充料5瀝青5~6傳統密級配瀝青混合物粗骨材55細骨材34填充料5瀝青6圖4排水性與密級配骨材比較[1]2.2.1瀝青膠泥排水性舖裝因需具有骨材飛散抵抗性、耐候性、耐水性等，因此在日本選用60C粘度、韌性、粘結性均較高之高粘度改質瀝青，規格如表1所示：表1日本高粘度改質瀝青性質之標準試驗項目道路協會標準性質[1]道路公團標準[2]針入度(25C)1/10mm40以上40以上軟化點C80以上80以上延展性(15C)cm50以上50以上閃火點C260以上－薄膜加熱後質量變化率0.6以下0.6以下–16–土木水利第二十八卷第三期TFO後針入度殘留率65以上65以上韌性(25C)(kgfcm)(Nm)200(20.0)以上200(20.0)以上黏結力(25C)(kgfcm)(Nm)150(15.0)以上150(15.0)以上60C黏度Poise200,000以上40,000以上2.2.2粘層排水性舖裝，因其空隙率高而使得與底層之粘著面積較小，故層間之接著性需求較高，原則上採用攙加橡膠之瀝青乳劑，其規格如表2所示：表2橡膠瀝青乳劑標準的性狀[1]記號項目PKR–T12英格爾粘度(25C)1~10留篩殘留份(1.18mm)0.3以下粘著性2/3以上粒子之電荷陽(+)蒸發殘留份50以上蒸發殘留物針入度(25C)1/10mm60~100100~150延展性(7C)100以上–(5C)–100以上軟化點C48.0以上42.0以上韌性(25C)Nm(kgfcm)2.9(30)以上–(15C)Nm(kgfcm)–3.9(40)以上粘結力(25C)Nm(kgfcm)1.5(15)以上–(15C)Nm(kgfcm)–2.0(20)以上灰份1.0以下貯藏安定度(24hrs)1以下凍結安定度(–5C)–無粗粒子塊狀等情事2.2.3骨材骨材之品質、形狀及級配，對排水性舖裝之性狀影響甚大，故骨材之選用需十分留意，茲將骨材之規格略述如下：(1)粗骨材排水性舖裝所使用之粗骨材，需為均質、潔淨、堅硬且具耐久性者，避免細長扁平之石片、塵埃、泥塊、有機物等有害物。原則上以具有兩個破碎面佔90以上者為要求標準，粗骨材之品質規格如表3所示。母岩若為含花崗岩或頁岩者，其加熱後之磨損率大，較易產生舖面破壞，需禁止使用。(2)細骨材排水性舖裝之細骨材可為天然砂、人工砂、碎石屑及特殊砂，天然砂依採取之場所，可分為河砂、山砂及海砂，因天然砂之級配較難控制，故採用前需充分調查，海砂之鹽份並不影響排水性混合物之品質，故可以使用。土木水利第二十八卷第三期–17–(3)填充料排水性舖裝之填充料，原則上使用石灰岩粉碎之石粉。含水量1以下，級配需求如表4所示。集塵器回收料之是否使用，需經過試驗，其目標值如表5所示。表3粗骨材品質之目標值項目目標值日本道路學會[1]日本道路公團[2]面乾內飽和比重（S.S.D.）2.45以上2.50以上吸水率()3.0以下3.0以上洛杉磯磨損率()30.0以下20.0以下健度試驗()12.0以下12.0以下粘土、粘土塊()0.25以下―軟石片()5.0以下5.0以下細長、扁平片()10.0以下15.0以下表4填充料之級配需求篩號通過篩號3010010090~10020070~100表5回收料之目標值項目目標值PI4以下流度試驗()50以下回收料之使用量通常為填充料的50以下，當使用量30以上時，需進行剝脫試驗。(4)纖維質補強材在歐美部份國家在排水性舖面上添加纖維質材料，添加動機為補強材是為了確保油膜厚度及防止垂流。其種類為植物性纖維、礦物性纖維或化學纖維等。添加量為混合物重量比(外添加)之0.1~0.5或瀝青混合料重量比1%左右。(5)防剝劑防剝劑一般用消石灰，其添加量約為填充料之50以內，可代替填充料使用。三、排水性舖裝之配合設計3.1舖面的構成如圖5：以國道高速公路舖裝為例。圖5國道高速公路舖裝圖3.2配合設計的基本考量排水性混合物的最佳含油量，原則上以垂流試驗決定其最大用油量，以肯塔堡試驗求出其最小用油量，通常以最大用油量作為配合設計用油量之依據。–18–土木水利第二十八卷第三期排水性瀝青混凝土路面配比設計的概念如圖6[6]。3.3級配規範為確保目標空隙率骨材之配合比，其級配範圍如表6及表7所示。圖6排水性舖裝設計概念表6排水性混合物之級配規範篩號級配範圍日本道路協會[1]美國喬治亞州DOT[3]最大粒徑3/4最大粒徑1/21/2OGFC1/2PEM通過百分率()1100–––3/495~1001001001001/264~8490~10085~10080~1003/855~7535~60410~3111~3515~2510~25810~2010~205~105~102003~73~72~41~4瀝青量()4.0~6.05.75~7.255.5~7.0資料來源：參考文獻[1,3]表7歐洲部分國家的級配建議表篩號(mm)西班牙P級配西班牙PA級配瑞典OR12瑞典OR161(25.0)3/4(19.0)1001001001001/2(12.5)75~10070~10088~10053~673/8(9.5)60~9050~8053~6726~40#4(4.75)32~5015~3020~3017~27#8(2.36)10~1810~228~158~15#16(1.18)7~147~14土木水利第二十八卷第三期–19–可否#30(0.60)6~126~136~126~12#50(0.30)5~105~10#100(0.15)4~84~8#200(0.075)3~63~63~63~6資料來源：參考文獻[4]3.4配合設計之流程排水性混合物之配合設計流程如圖7所示。設定空隙率期望值(15~20)選定材料選定三種級配，使其2.36㎜(8篩)過篩量在基準中值之3內計算瀝青含量初值混合物垂流試驗試拌決定粒料配合比測定空隙率辦理混合物物理試驗選定最佳瀝青含量選定室內配比、設計瀝青含量混合物之Cantabria(製作試體時有滲流情形時)●密度試驗●透水試驗●馬歇爾穩定試驗●車轍輪跡試驗可可否否●Cantabria試驗(記於報告)–20–土木水利第二十八卷第三期圖7配合設計之流程3.5配合設計注意事項(1)配合設計所使用之材料，需與製造時使用之材料相同。(2)排水性混合物之級配係粗骨材、細骨材及填充料之組合，而且為確保排水機能及空隙率，採用4與8通過百分比之差較小為原則。(3)排水性混合物之最大粒徑選定，為維噪音低減之效果，以採用最大粒徑小者為原則。(4)基於防剝效果之考量，建議使用添加硝石灰或防剝劑。(5)細骨材通常使用天然砂或碎石屑，若使用200含量較多之碎石屑，需注意含水量及級配之管理。3.5.1室內設計瀝青量之設定排水性混合物之設計瀝青量，以垂流試驗所求得之最適瀝青量進行密度試驗、馬歇爾穩定試驗、透水試驗及輪跡載重試驗，並使均能滿足目標值。(1)最適瀝青量之設定：以表6建議之級配表參考過去之施工例或取其中間值進行。試拌之試體，填充料取定值約5左右，僅作粗細骨材配合比之變化即可，8篩取其中間值15±3之三個級配，亦