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淺談台灣石膠泥瀝青混凝土(SMA)之運用 林志棟教授、國道高速公路局關西工務段 陳順興副段長 一、摘要 近幾年來，台灣地區隨著國民經濟的蓬勃發展，公路交通量迅速的增加，對路面的服務能力要求愈來愈高。特別是高速或快速公路的興建和舊路面改善之鋪設，對瀝青路面的高溫穩定、低溫抗裂等路用性能提出了更高的要求。如何延長瀝青路面之生命週期及性能表現已成為現代道路工程司的重要課題。SMA路面由於其獨特的結構，可提高路面壽命及抗車轍能力性能，已逐漸成為世界鋪面工程界的熱烈話題。 二、SMA的發展 SMA(Stone
Mastic Asphal)在台灣稱為石膠泥瀝青混合料，起源於1960年代的德國，是在澆注式瀝青混凝土的基礎上發展而來的。德國在研究新的抗磨耗面層時，發現通過採用纖維穩定劑、增加石粉用量等技術手段，形成的石膠泥瀝青，可以使瀝青的用量增加、感溫性減小。用它來填充由單一粒徑的碎石相互嵌擠而形成的骨架空隙，從而使混合料既保持了開級配抗滑表層的優點，又克服耐久性差的缺點，路用性能得到大大改善。 從1980年代起SMA在整個歐洲得到推廣和普及，美國與中國大陸也自1991年起赴歐洲考察後，也大量的開始使用SMA，一些國家也已經制定了SMA國家標準。所以SMA越來越受到道路工程司的歡迎。台灣地區自1997年來，在嘉義、高雄港過港隧道、雲林154線公路、新竹竹北、國道三號高速公路北上92∼95K及台九線蘇澳路段等，都鋪築了一些SMA的試驗道路，並在許多學術研究單位依評估報告發表下，鼓勵地方政府及公路單位推廣應用。 三、SMA的結構和特點 SMA瀝青路面是依混凝土內摩擦角最大的原則，以殘缺級配的粗粒料形成相互嵌擠的粒料骨架，然後按照空隙率較小的原則，以石膠泥瀝青填充骨架的空隙，形成一種骨架密實結構。與普通的幾種瀝青路面結構相比，SMA有著顯著的優越性。而SMA研發結果的主要特徵如：1.高溫穩定性，抗車轍變形能力強。2.良好的表面紋理，提高車輛煞車之能力。3.減少道路表面之水膜。4.增加良好的耐久性。5.提昇低溫抗裂性的能力。6.改良老化後之性質。7.減少噪音。 以瀝青混凝土結構來看，可分為下列幾種： 1.密實懸浮結構：密級配瀝青混凝土結構屬於此種結構，骨材級配一般為連續式優良級配，細粒料較多，粗骨料少且相互分開，不能形成骨架。其特點是瀝青混合料的空隙率較小、粘結力高、內摩擦角小，高溫時路面易產生永久變形，形成車轍、側擠等現象。 2.骨架空隙結構：其特點是主骨材粒料相互嵌擠形成骨架，細粒料較少，組成的瀝青混合料內摩擦角大，熱溫抗裂性較差。這種結構有開放級配(OGFC)、排水性結構(PA)等。 3.骨架密實結構：殘缺級配，主骨材粒料較多(60%∼70%)，相互接觸形成骨架，細粒料恰好填充骨料的空隙，密實度較高。組成的瀝青混合料粘結力，內摩阻力均較高，兼有密實結構、骨架結構的優點。普通的骨架密實結構由於拌和鋪設時粗細粒料易於離析，難以達到均勻一致，故採用的較少。
密級配瀝青混凝土 開放級配瀝青混凝土 SMA瀝青混凝土 SMA是改善的骨架密實結構，由於添加了纖維穩定劑(或使用粘度較高的改質瀝青)克服了普通骨架密實結構易於離析的缺點，同時增大的瀝青用量也使得骨料表面包裹著較厚的瀝青油膜，混合料的粘結力得到改善後，使各項道路性能得到顯著提高。由於粗骨料出色的相互嵌擠作用，SMA的高溫穩定性較好，即使在高溫情形下，抗車轍能力亦非常顯著。 SMA的瀝青用量較多，粗粒料表面被相當數量的石膠泥裹覆著，石膠泥具有很好的軔性和柔性，可大大地提高SMA的抗變形能力，使SMA具有較好的低溫抗裂性能。SMA的空隙率很小約3~4%，混合料受水的影響很小，而且粒料與瀝青膠漿的粘附性很好，混合料的水穩定性、抗老化性能得到較大的提高，因而SMA具有較好的耐久性。 SMA粗粒料用量多(＞60%)，表面巨觀紋理粗糙，一般超過0.8mm，使其抗滑性能提高。在雨天，由於表面有大的表面紋理空隙，雨水聚集在開口空隙內，不會在路表形成水膜，減少車輛打滑，也不會產生大的水霧和濺水，提高了行車安全性。國外的許多研究文獻表示，在相同紋理深度的情況下，SMA更安靜，路面噪音可降低約少2∼5分貝(db)。 四、配合比設計 SMA的特點是〝三多一少〞，即粗骨材料多，填充料(石粉)用量多，瀝青用量多，而細粒料少。SMA混合料的設計要保證粗骨材料間形成充分的相互嵌擠的骨架，同時使混合料的空隙率在一個適當的範圍內。關於SMA的設計，沒有特定的方法，德國使用馬歇爾設計法，美國則融合一些Superpave設計觀念，台灣地區則使用傳統馬歇爾法。設計的一般程序是： (一)選擇材料 由於SMA的特殊結構形式，與一般的密級配瀝青混凝土相比，SMA對材料的要求更嚴格。 1.粒料：SMA所用材料要求如表一： 表一 SMA骨材物理性要求
2.瀝青 台灣地區瀝青之選擇依國外施作經驗使用針入度60~70（AC-20）較佳，根據需要可使用改質瀝青更好。以文獻及研究成果顯示，使用改質瀝青較傳統瀝青更能發揮SMA的成效，增加瀝青道路面層的抗裂性能，。其改質瀝青膠泥物理性質指標可以參考中國國家標準CNS
14183之相關規定。 3.礦物填充料(石粉) (1)SMA混合料所用的填充料(石粉)宜採用石灰石或玄武岩等礦石材料加工而得。也有採用水泥、飛灰等礦物填充料。美國NCAT建議SMA路面之礦物填充料為乾燥不黏聚而能自由流動，且不含有機雜質及塑性指數應該小於4。 (2)礦石石粉應乾燥、潔淨，其品質應符合下表二要求。 表二 石粉品質
(3)不得將拌和廠回收的粉塵作為礦物石粉使用。 4.穩定劑 穩定劑在SMA是扮演混凝土在高瀝青含量下防止瀝青析漏現象的使用材料，這些纖維材料在對高溫SMA之儲存、運送及鋪築時都有抑制瀝青膠泥流失效果。經過世界各國經驗，目前可使用礦物纖維、木質素纖維及聚合物纖維(壓克力材)三種，台灣目前使用木質素纖維及礦物纖維的量較多，而且價廉、對環境無害，所以應用較廣。一般添加量以瀝青混凝土重量計，礦物纖維為0.4%計、木質素纖維為0.3%、聚合物纖維為0.1∼0.2%之間。 (二)配合比設計步驟 1.選擇級配 根據混合料生產設備及粒料料源情況，首先確定級配的最大標稱粒徑。歐洲通常使用0/5、0/8、0/11，由於美國習慣於生產密級配瀝青混凝土，所以美國引進SMA技術之後，做了一些改進，粒徑變大，通常採用的最大標稱粒徑為1/2”、3/4”、1.0”。台灣的瀝青混凝土起源於美國，所以要考慮結合本地區石料來源情況及使用路況而定，在高速公路上的經驗是採用3/4”，一般道路通常使用1/2”。 (1)初擬級配。 (2)馬歇爾試驗：試體製作皆採用雙面各夯打五十下。 (3)垂流試驗：此試驗是對SMA三種試驗級配的混合料在施工最高溫或試驗溫度165℃，保持恆溫1小時的條件下，進行垂流試驗。 (4)確定拌合級配公式。 2.確定設計含油量： a.訂定最小瀝青含量，取空隙率3%~4%之含油量為設計值。 b.傳統馬歇爾決定方式。。 五、結論 1.SMA是一種新型的路面結構，其配合比設計方法尚處於發展及研究階段中，實際工程應用中往往要有很有經驗的工程司來執行。台灣地區自開始嘗試試鋪SMA道路以來，迄今已陸續完成十餘條SMA試鋪道路，從中累積不少經驗，堪為後續使用之借鏡，中國大陸在累積數次失敗經驗後，檢討其原因並加以改進，現已大規模使用SMA路面且成效良好，台灣地區亦應於此課題上加緊努力研究以求迎頭趕上。 2.馬歇爾試驗作為瀝青混合料配合比設計的一種手段，至今已沿用多年。但SMA為骨架密實結構，採用馬歇爾夯實法成型試體，容易擊碎骨料，且試體偏小，因而試驗誤差較大。如果採用旋轉壓實儀(SGC)來進行體積設計，效果應該會更好。在目前仍沿用馬歇爾法時，重點是進行混合料的體積設計，保證空隙率和VMA，穩定值和流度僅作參考。 3.歐洲EAPA認為成功的SMA路面，必須依靠（1）精良的材料設計，（2）高水準的製程，（3）完整的契約規範。如果公路單位要引用SMA瀝青路面，必須加強監督承包廠商負責施工，嚴格的駐廠查驗，若再加以合理的標案獲得承包廠商全力配合，則將有極大的成功機會，因而進能使路面服務生命週期得以延長，節省國家的資源。 4.經過許多產、官、學單位的努力及行政院公共工程委員會多次審查檢討下，終於在92年初頒訂「石膠泥瀝青混凝土」（第02743章）技術規範，工程司在經過配合比設計要點，對於SMA骨架密實結構的理解。瀝青、粒料、氣候發生變化，配合比設計方法都可能會有一些變化。設計時做到掌握原則，結合情況，靈活處理。 |
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