[[alternative]]A study on engineering properties of warm mix asphalt

碩士[[abstract]]瀝青混凝土產業本身就是一項大量消耗資源與能源的工業，尤其是熱拌瀝青混凝土（hot mix asphalt, HMA），它的製造過程需要消耗大量能源。隨著公路品質的提升，熱拌瀝青混凝土路面已成為台灣主要路面形式，現在台灣每年生產大量熱拌瀝青混凝土，以因應路面興建與維修所需。然隨著國際原油價格飛漲對於相關產業造成一定之影響，研究如何節約資源與能源已變成各國瀝青混凝土產業發展之方向。 溫拌瀝青混凝土（warm mix asphalt,WMA）是一種可降低能源消耗、減少污染氣體排放之新型材料，它在加入一些添加劑或是改變拌合方式下，可在相對較傳統熱拌瀝青混合料有更低拌合溫度與夯壓溫度，且與傳統熱拌瀝青混凝土有著相同成效及性能的表現， 本研究採用國內可得之瀝青添加劑（Sasobit®）依不同添加量（添加量為瀝青膠泥重量1％、3％及5％）分別預混加入AC-20等級瀝青膠泥中，以檢驗瀝青膠泥在添加劑添加前後之基本物性的變化。再進行密級配瀝青混凝土Marshall配比設計，進行後續熱拌瀝青混凝土與溫拌瀝青混凝土工程性質之試驗，了解兩者間之差異，以提供國內鋪面工程應用溫拌瀝青混凝土時之參考。 本研究主要結論如下： 1. 由瀝青黏度試驗中可發現到Sasobit®在溫度低於凝固點時提供瀝青膠泥勁度，提高黏滯度用以抵抗外力破壞；當溫度高於凝固點時降低瀝青黏滯度提供良好的工作性。隨著Sasobit®含量的增加，高溫改善流動性能力亦增加，瀝青混凝土拌合溫度也愈低，本研究中傳統熱拌瀝青混凝土與溫拌瀝青混凝土拌合溫度可相差18℃。 2. 在間接張力試驗與穩定值試驗中，1％含量Sasobit®之強度都低於控制組，但隨添加量增加強度有上升之趨勢。 3. 根據車轍輪跡試驗結果，3％含量動態穩定值為最優秀，控制組次之，最差者為1％含量。 4. 經過本研究各種試驗因子相互評比排序，3％Sasobit®含量為本研究中最佳瀝青添加劑使用量。[[abstract]]Many warm mix asphalt (WMA) technologies have been developed recently to reduce the temperatures at which asphalt mixtures are produced and compacted. Although several WMA projects have been explored in the United States, Europe, and some countries in Asia, there is a need for the research to evaluate the applicability of WMA in Taiwan. In this study, the engineering properties of asphalt binders and mixtures modified with one of the commonly used additives (Sasobit®) were evaluated. The properties examined include penetration, viscosity, softening point, indirect tensile strength, rutting resistance and resilient modulus. In addition, properties of mixtures after AASHTO R30 long-term aging were also investigated. Four addition rates (0%, 1%, 3% and 5% by weight of binder) of Sasobit® were selected to evaluate their effects and to determine the optimum addition rate. Major conclusions were summarized as follows: 1. WMA containing Sasobit® had decreased viscosity at higher temperature, and increased viscosity at lower temperature. The reduction of WMA mixing temperature was found to be 18℃ with both 3% and 5% Sasobit®. Binders with Sasobit® resulted in increased softening point and reduced penetration. 2. Test results showed that both indirect tensile strength and Marshall Stability of WMA with 1% Sasobit® were lower than those of the control (0%), but were increased with higher addition rates (3% and 5%). 3. The wheel tracking test results indicated that WMA with 3% Sasobit® had the highest dynamic stability (DS) which was a general indicator of rutting resistance. 4. The recommendation addition rate of Sasobit® was 3% based on overall performance evaluation in this study.[[tableofcontents]]目 錄 目錄…………………………….……………………………………….Ⅰ 表目錄…………………………………………………………………..Ⅱ 圖目錄…………………………………………………………………..Ⅲ 第一章 緒論 1 1-1 研究背景與動機 1 1-2 研究目的 2 1-3 研究過程與範圍 3 第二章 文獻回顧 5 2-1 瀝青混凝土 5 2-1-1 瀝青混凝土之組成及特性 5 2-1-2 瀝青膠泥 7 2-1-3 瀝青膠泥老化 8 2-2 溫拌瀝青混凝土 12 2-2-1 溫拌瀝青混凝土特性 12 2-2-2 溫拌瀝青混凝土發展 14 2-2-3 國外溫拌瀝青混凝土研究與應用 19 2-2-4 國內溫拌瀝青混凝土研究應用 20 2-2-5 溫拌瀝青混凝配合設計 21 2-2-6 溫拌瀝青混凝土單位成本比較 22 第三章 試驗計畫 24 3-1 試驗材料 24 3-1-1 瀝青膠泥 24 3-1-2 有機添加劑 24 3-1-3 試驗粒料 26 3-2 試驗配置 27 3-3 瀝青膠泥基本物性試驗 28 3-3-1 針入度試驗 28 3-3-2 軟化點試驗 28 3-3-3 黏滯度試驗 29 3-4 粒料基本物性試驗 30 3-4-1 篩分析 30 3-4-2 比重及吸水率 30 3-4-3 扁長率 31 3-4-4 洛杉磯磨損試驗 31 3-5 馬歇爾配合設計法 31 3-6 瀝青混凝土性質試驗 36 3-6-1 間接張力強度試驗 36 3-6-2 穩定值試驗 37 3-6-3 回彈模數試驗 37 3-6-4 車轍輪跡試驗 39 3-7 加速老化試驗 43 3-7-1 滾動薄膜烘箱試驗 43 3-7-2 短期老化試驗 44 3-7-3 長期老化試驗 45 第四章 試驗結果與分析 46 4-1 基本粒料物性試驗結果 46 4-2 瀝青膠泥基本物性試驗結果 47 4-2-1 針入度試驗結果 47 4-2-2 軟化點試驗結果 48 4-2-3 黏滯度試驗結果 49 4-3 馬歇爾配合設計結果 51 4-4 混凝土性質試驗結果 53 4-4-1 間接張力試驗結果 53 4-4-2 穩定值試驗結果 55 4-4-3 回彈模數試驗結果 57 4-4-4 車轍輪跡試驗結果 58 4-5 老化試驗結果 59 4-5-1 滾動薄膜烘箱試驗結果 60 4-5-2 老化後間接張力強度試驗結果 62 4-5-3 老化後穩定值試驗結果 64 4-5-4 老化後回彈模數試驗結果 65 4-6 整體成效評估 67 4-6-1 瀝青混凝土工程性質比較 67 4-6-2 成本比較 69 第五章 結論與建議 70 5-1 結論 70 5-2 建議 71 參考文獻 73 附 錄 76 附錄一、物性試驗及配比設計 76 附錄二、瀝青混凝土性質試驗數據 81 附錄三、加速老化作用試驗結果 84 表目錄 表 2- 1 瀝青組成成分表 7 表 2- 2 溫拌與熱拌瀝青混凝土氣體排放比較 12 表 2- 3 WMA與HMA現地與實驗室績效之比較 14 表 2- 4 歐洲各國溫拌瀝青混凝土排放氣體檢測 20 表 2- 5 Sasol Wax公司於美國鋪設之路段 21 表 2- 6 歐洲國家對於溫拌瀝青混凝土之配合設計法 22 表 2- 7 WMA成本比較表 23 表 3- 1 瀝青添加劑性質.......……………………………………...…..25 表 3- 2 本研究採用之級配規範與試驗值 26 表 3- 3 本研究使用代號說明 27 表 3- 4 本研究瀝青膠泥基本物性試驗項目 28 表 3- 5 粒料基本物性試驗項目 30 表 4- 1 粒料基本物性試驗果..…….……………..………..……..…...46 表 4- 2 基礎瀝青膠泥（AC-20）基本物性試驗值 47 表 4- 3 不同Sasobit®含量對瀝青軟化點的影響 48 表 4- 4 Sasobit®添加量與瀝青混凝土之拌合與夯壓溫度關係 50 表 4- 5 瀝青混凝土配合設計結果 52 表 4- 6 間接張力強度變異數分析表 54 表 4- 7 間接張力強度Duncan多重比較檢定表 55 表 4- 8 穩定值的變異數分析表 56 表 4- 9 穩定值Duncan多重比較表 56 表 4- 10 車轍試驗結果 59 表 4- 11 經RTFO後瀝青膠泥針入度 60 表 4- 12 Sasobit®含量對殘留針入度的關係 61 表 4- 13 Sasobit®含量對老化指數之關係 61 表 4- 14 Sasobit®添加量與老化作用對間接張力強度的影響 63 表 4- 15 Sasobit®添加量與老化作用對穩定值的影響 64 表 4- 16 Sasobit®添加量與老化作用對回彈模數的影響 66 表 4- 17 瀝青膠泥評估排序表 67 表 4- 18 標準化分數與排序表 68 表 4- 19 瀝青混凝土綜合評比表 69 圖目錄 圖 1- 1 研究流程圖 4 圖 2- 1 瀝青60℃黏度隨時間變化情形……...…...……………..…….9 圖 2- 2 不同溫度下試體的孔隙率 16 圖 2- 3 Asphalt-Min®經老化作用後HMA與WMA之差異 16 圖 2- 4 EvothermTM已施工路段 17 圖 2- 5 添加Sasobit®之瀝青膠泥降低黏滯度示意圖 18 圖 2- 6 L.E.A拌合過程示意圖 19 圖 3- 1 添加劑（Sasobit®）外觀........…………………………………25 圖 3- 2 Sasobit®投料示意圖 25 圖 3- 3 瀝青膠泥黏度試驗儀 29 圖 3- 4 馬歇爾配合設計流程圖 35 圖 3- 5 間接張力強度試驗示意圖 37 圖 3- 6 回彈模數試驗之重複載重與變形示意圖 39 圖 3- 7 車轍試體滾壓機 41 圖 3- 8 車轍輪跡試驗儀 42 圖 3- 9 滾動薄膜烘箱試驗儀 44 圖 4- 1 不同Sasobit®含量對瀝青針入度（25℃）的影響........……...48 圖 4- 2 不同Sasobit®含量對AC-20瀝青黏度的變化 50 圖 4- 3 Sasobit®添加量變化對瀝青動黏度的變化 51 圖 4- 4 馬歇爾配合設計相關圖形 53 圖 4- 5 25℃間接張力強度結果 54 圖 4- 6 穩定值與Sasobit®添加量的變化 56 圖 4- 7 回彈模數與Sasobit®含量變化 57 圖 4- 8 回彈模數之盒鬚圖（Box plot） 58 圖 4- 9 車轍試驗結果 59 圖 4- 10 經RTFO後瀝青膠泥溫度對黏度關係圖 62 圖 4- 11 Sasobit®添加量與老化作用對間接張力強度的影響 64 圖 4- 12 Sasobit®添加量與老化作用對穩定值的影響 65 圖 4- 13 Sasobit®添加量與老化作用對穩定值的影響 66 附表目錄 附表-1 粒料比重及吸水率結果 76 附表-2 洛杉磯磨損試驗結果 76 附表-3 粒料扁長率試驗結果 77 附表-4 不同Sasobit®含量瀝青膠泥之針入度 77 附表-5 AC-20黏滯度數據 78 附表-6 AC-20+1％Sasobit®黏滯度數據 78 附表-7 AC-20+3％Sasobit®黏滯度數據 78 附表-8 AC-20+5％Sasobit®黏滯度數據 79 附表-9 密級配馬歇爾配配合設計數據 80 附表-10 HMA間接張力試驗結果 81 附表-11 1％Sasobit®含量的WMA間接張力試驗結果 81 附表-12 3％Sasobit®含量的WMA間接張力試驗結果 81 附表-13 5％Sasobit®含量的WMA間接張力試驗結果 81 附表-14 HMA穩定值試驗結果 82 附表-15 1%Sasobit®含量的WMA穩定值試驗結果 82 附表-16 3%Sasobit®含量的WMA穩定值試驗結果 82 附表-17 5%Sasobit®含量的WMA穩定值試驗結果 82 附表-18 Sasobit®添加量於回彈模數試驗結果 83 附表-19 Sasobit®含量之車轍輪跡試驗結果 83 附表-20 AC-20等級瀝青膠泥經RTFO後黏度結果 84 附表-21 添加Sasobit®1%含量瀝青膠泥經RTFO後黏度結果 84 附表-22 添加Sasobit®3%含量瀝青膠泥經RTFO後黏度結果 84 附表-23 添加Sasobit®5%含量瀝青膠泥經RTFO後黏度結果 85 附表-24 HMA經短期老化作用後之間接張力強度 85 附表-25 1%Sasobit®含量的WMA經短期老化作用之間接張力強度 85 附表-26 3%Sasobit®含量的WMA經短期老化作用之間接張力強度 85 附表-27 5%Sasobit®含量的WMA經短期老化作用之間接張力強度 86 附表-28 HMA經短期老化作用之穩定值 86 附表-29 1%Sasobit®含量的WMA經短期老化作用之穩定值 86 附表-30 3%Sasobit®含量的WMA經短期老化作用之穩定值 86 附表-31 5%Sasobit®含量的WMA經短期老化作用之穩定值 87 附表-32 不同Sasobit®含量WMA經短期老化作用後之回彈模數 87 附表-33 HMA經長期老化作用後之間接張力強度 87 附表-34 1%Sasobit®含量的WMA經長期老化作用之間接張力強度 88 附表-35 3%Sasobit®含量的WMA經長期老化作用之間接張力強度 88 附表-36 5%Sasobit®含量的WMA經長期老化作用之間接張力強度 88 附表-37 HMA經長期老化作用之穩定值 88 附表-38 1%Sasobit®含量的WMA經長期老化作用之穩定值 89 附表-39 3%Sasobit®含量的WMA經長期老化作用之穩定值 89 附表-40 5%Sasobit®含量的WMA經長期老化作用之穩定值 89 附表-41 不同Sasobit®含量WMA經長期老化作用後之回彈模數 90 附表-42 老化作用後間接張力強度統計分析表 91 附表-43 老化作用後穩定值統計分析表 93 附表-44 老化作用用後回彈模數統計表 95[[note]]學號: 692311581, 學年度: 9