再生沥青混凝土拌合均匀性与再生剂软化效率之评估方法研究.docx
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再生沥青混凝土拌合均匀性与再生剂软化效率之评估方法研究
再生沥青混凝土拌合均匀性与再生剂软化效率之评估方法研究
邱垂德1黄浩昌2
1中华大学土木工程学系副教授
2中华大学土木工程学系硕士班研究生摘要
再生沥青混凝土之质量控制，乃以成份为主要考量，亦即于质量检验时，确认再生沥青混凝土之沥青含量、粒料级配、和回收沥青60oC黏度，与传统沥青混凝土相同；然因目前主要的检验方法，乃以将混合成品用溶剂作一次整体回收为主，无法判定加入的刨除料是否与新料拌合均匀，亦无法分辨新旧沥青间是否产生分子交换而达黏度一致的效果；本研究引用美国学术界对热拌再生沥青混凝土质量认定之相关研究，采华盛顿大学建议之化学染色法（DyeChemistry），判断拌合均匀性，以普渡大学采用之分段回收法（StageExtraction），判断新沥青对旧沥青的软化效率，这两种检测方法的本土化，将对国内再生沥青工法的研发及质量之确认，提供助力。
一、前言
于国内推动再生沥青混凝土之使用，已成为政府既定的政策，台湾省公路局、台北市政府工务局、及高雄市政府工务局等单位，亦将配合中央政策推出沥青混凝土资源再利用路段，国内部份拌合业者也已引进日本、德国等机具设备，开始生产，再生沥青混凝土于未来几年内，必将充斥于国内路面工程市场，然因国内负责养路之单位众多，品质规范与监督水平不一，使旧路面刨除料之质量变异性较高，加上拌合厂商良莠不齐，未来沥青混凝土产品的质量变异，很可能因再生沥青混凝土之进入市场，而急速扩大；面对此种状况，国内工程单位应尽速参考美、日各国之再生沥青混凝土质量控制方法，于施工规范中加订再生沥青补充条款，对成品的回收黏度进行规范，以确保再生后沥青
混凝土黏度之一致性；但因国内路面工程界以往较少检测沥青之黏度，对目标黏度之选
定，需依靠逐步进行的试铺路段中，经试验后研拟，而学术界更应深入分析新旧沥青的拌合均匀性，及新沥青或再生剂对旧沥青的软化效率，本研究案即为确保再生工法之顺利推行，而由行政院国家科学委员会补助进行的质量确认方法研究。
二、文献回顾
以成品回收沥青的物理性质（25℃针入度或60℃黏度）作为再生沥青混凝土的主要质量控制项目，为美、日等国普遍采行的方法，回收法中的溶剂溶解与回收的过程中，进行着不同沥青分子间的再混合，无法真实代表新沥青（或再生剂）于成品中的分布状况，也无法显现新旧沥青分子间的作用，若刨除料与新沥青、新骨材间拌合不均匀，但因皆呈现黑色，而没有由铺筑现场之工程人员察觉，则铺筑路面将因各局部之黏度不均，而于日后产生严重析离，又或新沥青虽已均匀裹覆于新旧材料上，但因新沥青无法有效地将刨除料表面之旧沥青软化，亦将因检验步骤中的再混合作用，而无法测知。
拌合均匀性与新沥青（或再生剂）对旧沥青的软化效率，受制于新旧沥青的物理特性、骨材特性、拌合温度、拌合机性能、新旧沥青的化学兼容性等，许多复杂因素交互影响，美国学术界曾分别由华盛顿大学（UniversityofWashington）[1]及普渡大学（PurdueUniversity）[2]，进行过再生沥青之拌合均匀性与再生剂的软化效率等研究，台湾地区有本土特有的环境与材料特性，应迅速进行本土化的类似研究，以确认再生沥青混凝土的质量，经由本土化经验，研拟适当的再生剂规范或判定方法，以确保沥青混凝土资源再利用的顺利进行。
评估拌合均匀性的方法，依华盛顿大学的研究结果，传统土木试验方法，如回弹模数等，无法有效测知新沥青的散布状况，在广泛地探讨包括化学染色法、光谱分析、超音波扫瞄、红外线光谱、核磁共振、X光分析等非传统土木试验法后，建议以化学染色法（DyeChemistryTechnique）评估。
此方法乃将少量化学染剂均匀溶于新沥青（或再生剂）中，于制作再生沥青混凝土时，以添加染剂之新沥青，与新、旧骨材、或沥青拌合，夯制成试体，试体之切锯面用偶氮染料处理之染布，印出代表新沥青散布痕迹之染剂分布状况，此种试验方法虽不需贵重的新仪器，但因将染剂加入新沥青的步骤，于实际生产过程中不容易执行，国内以往没有类似经验，且有可能以较国外再生剂硬的针入度
85/100沥青为新沥青而不使用再生剂，会否有拌合无法均匀之疑问，应可以化学染色法
于试验室内进行评估。
在新沥青均匀裹覆的先决条件下，新沥青是否具有将旧沥青软化、以形成再生沥青
混凝土中黏度一致的黏结料，Carpenter及Wolosick[3]针对再生剂的软化程序，提出所谓扩散模型（DiffusionModel），黏度低的新沥青先裹覆于旧沥青之最外层，经由扩散作用渗入旧沥青层内，使内层旧沥青之黏度降低，外层新沥青黏度增加，终达平衡，此种扩散模型，解释新旧沥青之交互作用，并获得工程实务上的认同，由于扩散作用与时间相关，美国沥青协会（AsphaltInstitute）即以实务经验认为新旧沥青之作用需于拌合后一段时间才会达成，而认为储料仓之使用有助于此种作用之达成[4]。
新沥青能扩散入黏度高的旧沥青中，依靠的是两者间的兼容性（Compatibility），此相容性对化学成份复杂的沥青材料而言，不容易定义与检测，普渡大学的研究显示，可以使用分段抽取法（StageExtraction）对新沥青的软化效率进行评估，此法乃将传统抽油试验（ASTMD2172MethodA），以使用溶剂之量与浸泡时间分成四个阶段，各阶段抽取所得溶液，经回收得之沥青，代表整体沥青膜之四个层次，量测此四层次之沥青黏度，可用以判定新沥青（或再生剂）之适用与否。
三、化学染色法判断拌合均匀性
化学染色法可用以判断新沥青或再生剂于再生沥青混凝土中散布状况，本研究经由与财团法人中国纺织工业研究中心染整工业部之咨询，选择采用TeronRedAFG酸性染料，该染料为黑色粉末，遇水则溶解成红色，较大部份需以有机溶剂为染剂之染料更适于本研究所需。
化学染色法执行之方式，为将适量染料与新沥青均匀拌合，再将新沥青加入再生沥青混凝土中，制成马歇尔试体，将马歇尔试体干锯为数个切锯面，再以用水湿润过的滤纸或染布接触切锯面，含有染剂之部份因染料溶解而呈红色，其它不含染料之部份则不产生任何颜色，由于新沥青或再生剂与染料拌合均匀，含染剂之部份即代表切锯面上新沥青或再生剂的部份，观察滤纸或染布之颜色是否分布于整个圆面上，即可判断试体切锯面中新沥青的分布状况，亦即再生沥青混凝土中，新旧材料有否拌合均匀，试验方法流程简图，如图1所示。
新沥青或再生剂
高剪力拌合机均匀拌合
色粉（TeronRedAFG）
刨除料
实验室内拌制
新粒料
夯制马歇尔试体
干锯
试体切锯面
厚滤纸
薄滤纸专用染布洗车棉布
选择适当染布
新沥青分布状况
判定拌合均匀性
图1、本研究进行之化学染色法试验流程
本研究先于试验室中，以高剪力拌合机（SilversonHighShearMixer），将色粉均匀拌入新沥青内，再以此新沥青，分别制作全新沥青混凝土与刨除料添加量为50%之再生沥青混凝土马歇尔试体（IVb级配），再生沥青混凝土则又区分为搅拌均匀与搅拌不均匀两种，搅拌不均匀试体之制作方式，乃将刨除料烘至130℃，新料与新沥青于拌合机内拌
合均匀后，以另一容器装，于夯制马歇尔试体时，先将一部份新沥青混凝土放入试模底
端，再将烘热刨除料全部填入试模中央，最后将新沥青混凝土置于其上，依标准方法捣
25次后，夯成试体内部新旧料拌合不均匀之再生沥青混凝土试体；此类试体之切锯面与全新沥青混凝土试体切锯面，或拌合均匀再生沥青混凝土试体切锯面，未以湿润染布接触前，无法判断有拌合不均之现象，但经以湿润染布接触后，则有明显不同的染色效果，验证化学染色法，可以用作拌合均匀性之判断。
由于色粉浓度与染布种类会影响染印效果，进而影响化学染色法之判段断能力，本研究以三种不同色粉浓度与四种不同染布，进行化学染色法试验，并定义染色效果及配分如表一所示，以不同色粉浓度新沥青制作之三种马歇尔试体之切锯面，分别以四种染布印染，观察染印效果，并将定性的染印效果，依表一化为定量的配分，以决定建议化学染色法使用之色粉浓度与染布种类，试验结果如表二所示，由表二选择最高配分者，亦即使用色粉浓度为8%，以薄滤纸为染布时，将有最好的染印效果。
表一、化学染色法之染印效果及其定量配分
染印效果描述
染印效果总评
配分
染布上无色粉反应
无反应
0
少数色粉反应
太淡
1
有色粉反应，但有些部位不明显或色痕扩散
色淡或扩散
2
色粉分布均匀，但无法辨识骨材分布
尚可
3
色粉分布均匀，可辨识部份骨材分布
佳
4
色粉分布均匀，且可清楚辨识骨材分布
优
5
经由本研究之试验结果，采用新沥青重量8%的酸性染料TeronRedAFG，以高剪
力拌合机拌合均匀，制成的马歇尔试体，经干锯成切锯面后，可以一般沥青试验室夯制马歇尔试体使用的薄滤纸润湿后，作为染布，以染色法判断再生沥青混凝土之拌合均匀性。
于实务工程上，此种方法可用于评估不同再生制程的拌合均匀性，但较大的困难是要将8%的色粉，均匀拌入热拌厂之新沥青或再生剂储油槽内，且需不影响沥青之工作性，此一难处是化学染色法离实务应用有一段距离之主要原因。
表二、不同浓度色粉及染布的染印效果配分
染印效果配分
色粉浓度
小计
试体种类
染布种类
3%
5%
8%
全新沥青混凝
土试体
厚滤纸
1
3
4
8
薄滤纸
1
4
4
9
专用染布
1
3
3
7
洗车棉布
1
2
2
5
50%RAP添加
量之再生沥青混凝土试体（拌合均匀）
厚滤纸
1
2
2
5
薄滤纸
0
2
3
5
专用染布
1
3
3
7
洗车棉布
1
2
2
5
50%RAP添加
量之再生沥青混凝土试体（拌合不均匀）
厚滤纸
1
2
2
5
薄滤纸
1
3
4
8
专用染布
1
1
3
7
洗车棉布
1
1
2
4
小计
11
28
34
总分：
厚滤纸18、薄滤纸22、专用染布21、洗车棉布14。
四、分段回收法判断新沥青的软化效率
普渡大学使用之分段回收法为将1,200克沥青混凝土试样，以200ml、200ml、300ml、及700ml四阶段溶剂，各浸泡5分钟后离心分离，而为使每阶段都可由分离溶液中回收得足够执行量测之沥青试样量，必需以7个试体，才能组成一个回收沥青试样；本研究为确保各阶段之回收试验，可依ASTMD1856于8小时内完成，以消除溶剂造成的硬化现象，乃采将样品量扩大为2,000克，各皆段溶剂量依比例增为300ml、300ml、450ml、及1,000ml，并将浸泡时间缩短为2分钟，第四阶段浸泡3分钟且增加搅拌，进行之流程如图2所示。
本研究于热拌再生厂内，取得新粒料、新沥青（针入度85/100）、与刨除料之样品，先用中华大学提出之「沥青混合物中沥青的回收试验方法（草案）」[5]，求得刨除料之沥青含量、粒料级配、与回收沥青60℃黏度，并检测新沥青之60℃黏度，再于试验室内拌制40%刨除料添加量之再生沥青混凝土样品（IVb级配，沥青含量5.5%），因刨除料之沥青含量为4.15%，取部份刨除料烘热后（130℃），加新沥青至沥青含量达5.0%，制成
100%刨除料之再生沥青混凝土试样，另以新粒料与新沥青拌成全新沥青混凝土试样，
共四种不同沥青混合料，分别进行图2之分段回收试验，其中刨除料及两种再生沥青混
凝土，又以回收试验法进行一次整体回收。
沥青混凝土样品一
沥青混凝土样品二
沥青混凝土样品三
沥青混凝土样品四
第一階段:
300ml溶劑浸泡2分鐘
灰份离心回收
第二階段:
300ml溶劑浸泡2分鐘
灰份离心回收
第三階段:
450ml溶劑浸泡2分鐘
灰份离心回收
第四階段:
1000ml溶劑浸泡、攪拌3分鐘
灰份离心回收
各阶段沥青回收量计算与沥青黏度试验
图2、本研究进行之分段回收法试验流程
分段回收之沥青量部份，试验结果整理如表三所示，由表三可知含刨除料之混合物皆较全新沥青混凝土难将沥青以溶剂洗出，与刨除料相比，添加新沥青的再生料有沥青较易于前三阶段洗出之现象，是否可以代表新沥青之分子已扩散入旧沥青，而使旧沥青较易被洗出，研究人员认为仍只是一种证据薄弱的推论，由于此种试验方法废时费力，本研究并未进行重覆试验，因此无法对各试验值的差异是否显著作统计分析。
由表三亦可看出，无论哪一种混合料，第一阶段皆洗出大于40%以上的沥青，前二皆段则可洗出
75%以上的沥青。
表三、本研究四种沥青混合料分段回收各阶段累积洗出沥青量百分比
沥青混合物类别
各阶段累积洗出沥青重量百分比
阶段一
阶段二
阶段三
阶段四
全新沥青混凝土
51.29
88.18
97.43
100
刨除料
44.76
77.3
92.13
100
40%RAP再生沥青混凝土
48.38
82.86
95.18
100
100%RAP再生沥青混凝土
44.81
78.94
95.31
100
至于各种混合料分段回收各阶段之回收沥青60℃黏度值，整理如表四所示，刨除料
之沥青含量为4.15%，100%RAP之再生沥青混凝土中，新沥青只占总沥青量之17%，由表四中可知，整体回收黏度为9,626poise，已超出一般铺路等级沥青之黏度范围，但由各阶段黏度值，可知新沥青似乎有将旧沥青软化之效果，然因新沥青百分比过低，软化的量，若改以黏度较低之新沥青，则应可将黏度调至铺路沥青之8,000poises以下，此时各阶段黏度是否均匀，则未可知。
表四、本研究四种沥青混合料分段回收各阶段回收沥青60℃黏度值
沥青混合物类别
（新沥青60℃黏度：
1,174）
各阶段收沥青60℃黏度值（poises）
依各阶段计算
整体黏度**
整体回收
阶段一
阶段二
阶段三
阶段四
全新沥青混凝土
未测
2,079
2,282
2,217
*
略
刨除料
10,887
10,146
11,745
10,684
8,196
10,566
40%RAP再生沥青混凝土
2,080
1,840
2,436
2,540
2,280
2,129
100%RAP再生沥青混凝土
9,626
9,218
9,054
9,369
6,782
9,053
注：
*本阶段所得沥青量不够执行黏度试验。
**计算式[6]为：
log（logη）=p1log（logη1）+p2log（logη2）+p3log（logη3）+p4log（logη4）
此中
η为混合整体黏度、η1、η2、η3、η4为各阶段之黏度。
p1、p2、p3、p4则为各阶段占整体比例。
至于40%RAP再生沥青混凝土，表四中明显显示，黏度为1,174poises的针入度
85/100沥青，已将再生沥青混凝土中沥青黏度软化为2,080poises，此数值与分段回收各阶段沥青量与黏度，用理论计算[6]之2,129poises相当接近，且各阶段之黏度差异不大，应可用以说明本研究采用之针入度85/100沥青，具有将旧沥青软化的效果，此现象可以图3表示，图3中纵坐标为黏度，横坐标为裹覆骨材沥青膜由外至内之厚度，依刨除料
沥青含量为4.15%，拌制之再生成品沥青含量5.50%计算，新沥青占总沥青量之69.8%，
与前述100%RAP再生样品中，新沥青只占17%，差异相当大；目前工程会「再生沥青混凝土铺面施工特定条款」（以下简称特定条款）[7]，限定刨除料上限为40%，若以针入度85/100沥青为新沥青，假设刨除料沥青含量为4.50%、再生成品总沥青量为5.00%，则新沥青占64%，新沥青黏度为1,000poises。
既使刨除料黏度高达1,000,000poises，依理论计算，成品整体黏度也只有7,084poises，仍在一般铺路沥青黏度范围内，足可见限定刨除料上限为40%的效果，将可使国内本土再生沥青混凝土之成品黏度，被有效控制在一般铺路沥青之范围，不必采用更软的再生剂。
60
oC1840
黏
24362540
2280
4.8
度
poises
48.4%
34.5%
12.3%
%
区分层次
骨材
40%RAP再生沥青混凝土分段回收总沥青含量5.50%，新沥青占69.8%新沥青黏度：
1,174poises、旧沥青黏度：
10,887poises
图3、分段回收法试验结果之图示
五、结论与建议
本研究为确认本土产制再生沥青混凝土之拌合均匀性，和新沥青对旧沥青的软化效率，以本土材料，完成美国学术文献中引用的化学染色法与分段回收法之试作，本研究建议采用的化学染色法，将可用于制程设备的选择，以排除拌合不均的制程，而建议采用的分段回收法，可用于排除软化效率不佳的新沥青或再生剂。
依目前工程会之特定条款规定，生产热拌再生沥青混凝土的搅拌站，必需具有刨除料之加热设备，将刨除料加热后再与新料拌合，对再生成品拌合均匀性，将有很大的提升，应较少拌合不均的状况发生，若对制程的此项能力有顾率时，可采用化学染色法进行评估，依本研究试作之结果，采用新沥青重量8%的酸性染料TeronRedAFG，以高剪力拌合机拌合均匀，制成的马歇尔试体，经干锯成切锯面后，可以一般沥青试验室夯制马歇尔试体使用的薄滤纸润湿后，作为染布，以染色法判断再生沥青混凝土之拌合均匀性。
此种检验方法的困难处，是必需将色粉均匀拌入所用新沥青中，在试验室中可以本研究采用之高剪力拌合机执行，在实际制程中则较为困难。
设若分段回收法各阶段回收所得沥青，确可代表再生沥青混凝土中沥青膜之各层次，则本研究采用之针入度85/100沥青，将具有将刨除料软化之良好效率，而工程会特定条款中限制刨除料添加量为40%之条款，将可确保现阶段生产再生沥青混凝土成品之黏度在铺路沥青范围内，只要采用惯用针入度85/100沥青为新沥青即可，不必特别选用其它的再生剂，但长期而言，发展一种评估再生剂软化效率的方法是必需的，本研究采用之分段回收法，执行上耗时费力，尚无法作为一般检验单位检测用的试验方法，研究人员认为仍有改进或寻求其它较方便试验方法的必要。
志谢
本研究得以进行，乃由行政院国家科学委员会NSC87-2211-E-216-010之经费补助，研究所用之色粉，则由财团法人中国纺织研究中心染整工业部纺织化学研究组组长陈崇裕博士，按本研究之需求，代为选择并免费提供，南阳辽原筑路机械有限公司高级工程师李玉志先生提供了相关机械技术咨询，于此一并致以谢忱。
参考文献
1、T.C.Lee,RonaldL.Terrel,andJoeP.Mahoney,“MeasurementofMixingEfficiencyin
PavementRecycling,”APPTVol.52,1983,pp.61~87.
2、AsmedSamyNoureldinandLeonardE.Wood,“RejuvenatorDiffusioninBinderFilmforHot-MixRecycledAsphaltPavement,”TransportationResearchRecordNo.1115,1985,pp.51~61
3、H.C.SamuelandJ.R.Wolosick,“ModifierInfluenceintheCharacterizationofHot-Mix
RecycledMaterials,”TransportationResearchRecordNo.777,1980,pp.12~22.
4、TheAsphaltInstitute,PrinciplesofConstructionofHotMixAsphaltPavement,Manual
SeriesNo.22,1983.
5、邱垂德等，热拌再生沥青混凝土质量验证期中报告，行政院公共工程委员会项目研究计划，中华大学土木工程学系执行，民国86年12月，附录一。
6、MangTia,“FundamentalsofAsphaltPavementRecycling-MixDesignandQualityContral”,www.asphalt-,ProceedingofTheFirstNationalConferenceonPavementRecycling,Taiwan,1993.
7、行政院公共工程委员会，「再生沥青混凝土铺面施工特定条款」，民国86年8月。
英文摘要
AStudyonTestMethodsforEvaluatingMixingEfficiencyand
AsphaltDiffusionofRecycledHotMixAsphalt
C.T.Chiu1H.C.Huang2
1AssociateProfessor,DepartmentofCivilEngineering,ChungHuaUniversity
2GraduateStudent,DepartmentofCivilEngineering,ChungHuaUniversity
Abstract
TheenvironmentalconsiderationsandlackofaggregateresourcesmaketherecyclingofoldpavementsanimminenttaskforpavementengineersinTaiwan.Thisparticularstudy
issponsoredbyNationalScienceCounciltoevaluatetestmethodsforidentifyingthemixingandasphaltdiffusionofrecycledhotmixproducedinTaiwan.Thedyechemistrytechniqu
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