臺灣博碩士論文加值系統

粒料組構對瀝青混凝土工程性質及鋪面成效影響之研究
指導教授：沈得縣
研 究 生：郭銘峰
摘 要
本研究係探討粒料組構及粒料含量對瀝青混凝土工程性質及鋪面成效之影響，研究時首先依ASTM D3515規範及交通部公路工程施工規範設定IVb級配及IVc級配作為粒料控制組，然後根據粒料堆積觀念，以智慧型選擇系統模式(ISS)與傳統方式配料，分成粒料組構組與粒料含量組探討瀝青混凝土之工程性質及鋪面成效。
研究結果顯示：在粒料組構組方面，控制組IVb級配與IVc級配之VDA差異很小，堆積程度相近，但刪除相同篩號時IVc級配之VDA小於IVb級配，IVc級配之堆積較IVb級配緻密。在IVb級配中，控制組之VDA最小，刪除No.4(4.76mm)篩號之粒料堆積有最大空隙。在IVc級配中，以刪除No.8(2.36mm)篩號之乾料間空隙最小，刪除3/8”(9.5mm)篩號之粒料堆積擁有最大空隙。瀝青混凝土工程性質最佳之組構組為刪除No.8(IVb)及刪除No.4(IVc)篩號。但最小乾料間空隙並非瀝青混凝土工程性質最佳，由於乾料間空隙小時瀝青含量容易過大，而造成粒料與粒料間滑移及流度值增加。
本研究以灰色系統模式建立方式預測粒料組構組瀝青混凝土之工程性質，發現乾粒料組構之性質以粗粒料模式建立較差，瀝青混凝土之性質以細粒料模式建立較佳。在模式建立方式方面，傳統與滾動模式建立皆有優良之準確度，而非等間距模式建立方式並不適用於本研究。就鋪面成效而言，在IVb級配粒料組構組中，以刪除No.200及No.8篩號鋪面成效最佳，刪除No.30及刪除石灰時，鋪面成效最差。在IVc級配粒料組構組中，以刪除3/4”及刪除3/8”篩號鋪面成效最佳，刪除No.30及刪除石灰時，鋪面成效最差。採用ISS模式分析系統比傳統分析方法所獲得之結果具有客觀性。
在粒料含量組方面，當粗細粒料含量比(ACR)增大及減小時，乾粒料間空隙(VDA)均隨之增加，瀝青混凝土工程性質皆會變差，尤其是粒料含量比過大及粒料含量比過小時更為明顯。就鋪面成效而言，瀝青混凝土之抗滑能力隨粒料含量比增大而增大，由車轍試驗結果可知，高粒料含量比之車轍深度較小，低粒料含量比由於細粒料增加，車轍深度遠大於高粒料含量比，且車轍深度隨粒料含量比減小而增加。IVc級配之回彈模數普遍大於IVb級配，且回彈模數值有隨粒料含量比增大而快速下降之趨勢，而低粒料含量比之回彈模數大於高粒料含量比之回彈模數。建議粒料含量比應控制於1~2之間，可獲得較佳鋪面成效。

Effect of Aggregate Gradation Constitution on Engineering Properties and Pavement Performance of Asphalt Mixture
Dissertation Advisor: Der-Hsien Shen
Ph.D. Student: Ming-Feng Kuo
This study is to investigate the effects of aggregate gradation constitution on the engineering properties and pavement performance. The gradation is applied to dry packing, in accordance with ASTM D3515 and criteria of Ministry of Transportation and Communication. Intelligent selection system (ISS) and traditional method are conducted to analysis the engineering properties and pavement performance that establish in gradation constitution and aggregate content groups.
Based on test results, IVb gradation are denser than IVc gradation in aggregate gradation constitution group. Omitted sieve size of No.4(4.75mm) and control of IVb and omitted sieve size of 3/8”(9.5mm)for IVc have maximum VDA. Omitted sieve size of No.8 for IVb and omitted sieve size of No.4 have optimum engineering properties. However, increasing flow and slips between aggregates are caused by too much asphalt content in minimum VDA.
This study is performed using grey model to predict engineering properties of gradation constitution group. The results show that fine aggregate constitution provided better construction predicted model. Traditional and Rolled model are more precise than Non EquiGap model in this study. Based on the pavement performance test analysis, omitted sieve sizes of No.200 and No.8 for IVb and omitted sieve sizes of 3/4” and 3/8” for IVc have optimum pavement performance, omitted sieve sizes of No.30 and lime for IVb and IVc have worth pavement performance. However, ISS model is more objective than traditional method.
In aggregate content group, when the ratios of coarse and fine aggregate contents (ACR) increased the VDA has increased, and the ratios decreased the VDA has increased as well. The properties of asphalt concrete mixtures become worse.. In view of pavement performance, the ability of resistant skid is increased by ACR increasing and rutting test results shows that higher ACR values have lower rut depth. The other hand, lower ACR values have higher rut depth. Resilient modulus of IVc gradation is more than IVb’s, and MR decreased by ACR increasing. The MR for low ACR is more than MR for high ACR. The ACR for better performance is recommended between 1 and 2.

目 錄
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅲ
誌謝 V
目錄 VII
表目錄 XI
圖目錄 XV
符號及代號說明 XVIII
第一章 緒論 1
1-1 研究動機 1
1-2 研究目的 2
1-3 研究範圍 3
1-4 研究方法 3
1-5 研究步驟與流程 4
第二章 文獻回顧 7
2-1 瀝青混凝土之工程性質 7
2-2 瀝青混凝土粒料級配 9
2-2-1富氏曲線 9
2-2-2粒料級配設計 11
2-2-3粒料含量比 12
2-3 BAILEY 級配選擇法.. 13
2-4粒料之聯鎖行為 14
2-5粒料級配之限制區與控制點 16
2-6粒料之品質要求 18
2-7顆粒組構模式 19
第三章 灰色系統理論 23
3-1灰關聯分析 23
3-2灰預測模式 27
3-3 灰預測方法 30
第四章 試驗材料與試驗計劃 32
4-1 試驗材料準備 32
4-2 試驗變數與試驗流程 32
4-2-1 試驗變數 32
4-2-2 試驗流程 42
4-3 材料試驗計劃 44
4-3-1 瀝青材料物性試驗 44
4-3-2 粒料物性試驗 46
4-3-3粗粒料扁長率試驗 47
4-3-4 粒料之乾搗單位重及空隙率試驗 47
4-4 馬歇爾配合設計試驗計劃 48
4-4-1 馬歇爾法配合設計特性 48
4-4-2 馬歇爾配合設計步驟 49
4-5 力學性質試驗 54
4-5-1回彈模數試驗 54
4-5-2間接張力試驗 55
4-5-3單軸動態潛變試驗 56
4-6 耐久性質試驗 57
4-6-1抗滑試驗 57
4-6-2浸水剝脫試驗 58
4-6-3車轍輪跡試驗 59
第五章 瀝青混凝土工程性質分析 68
5-1試驗材料基本性質 68
5-2粒料單位重與孔隙率 70
5-3馬歇爾試驗結果 77
5-3-1粒料組構組 77
5-3-2粒料含量組 83
5-3-3最佳瀝青含量 87
5-4 瀝青混凝土工程性質分析 101
5-4-1粒料組構組 101
5-4-2粒料含量組 107
5-5瀝青混凝土工程性質之預測模式分析 108
5-5-1粗細粒料模式建立之相互預測 108
5-5-2傳統與滾動模式建立 112
5-5-3 NON-EQUIGAP非等間距模式建立 115
5-5-4 模式可行性 117
5-6綜合分析 118
第六章 瀝青混凝土鋪面成效分析 120
6-1鋪面成效試驗結果 120
6-1-1 粒料組構組試驗結果 120
6-1-2 粒料含量組試驗結果 129
6-1-3 綜合分析 137
6-2 ISS分析鋪面成效試驗結果 140
6-2-1 ISS原始數列 140
6-2-2 ISS生成 142
6-2-3 ISS模式分析結果 146
6-2-4 SUPERPAVE級配限制 147
第七章 結論與建議 149
7-1 結論 149
7-1-1 粒料組構組 149
7-1-2 粒料含量組 153
7-2 建議 155
參考文獻 156
附表 161
作者簡介 168
表目錄
表2-1 各種瀝青混凝土配合設計法之粒料級配 11
表2-2 各粒料級配粒料係數之範圍 13
表2-3 SUPERPAVE標稱最大粒徑之限制區及控制點 17
表4-1 本研究採用之粒料級配(標稱最大粒徑=1/2") 33
表4-2 本研究採用之粒料級配(標稱最大粒徑=3/4") 33
表4-3 IVB密級配組構組所採用級配 35
表4-4 IVC密級配組構組所採用級配 37
表4-5 IVB密級配含量組級配 40
表4-6 IVC密級配含量組級配 43
表5-1 針入度60/70瀝青物理性質試驗值 68
表5-2 粒料基本物性試驗結果 69
表5-3 粒料組構組單位重及粒料間孔隙 71
表5-4 粒料含量組單位重及粒料間孔隙 74
表5-5 各級配之細度模數 75
表5-6 IVB級配組構組馬歇爾試驗結果 80
表5-7 IVC級配組構組馬歇爾試驗結果 81
表5-8 IVB級配含量組馬歇爾試驗結果 85
表5-9 IVC級配含量組馬歇爾試驗結果 86
表5-10 IVB級配各組馬歇爾配合設計之最佳瀝青含量 92
表5-11 IVC級配各組馬歇爾配合設計之最佳瀝青含量 92
表5-12 ANOVA 馬歇爾試驗值與刪除篩號之單因子分析( =0.05)93
表5-13 粒料組構組之灰關聯生成結果 93
表5-14 粒料組構組之灰關聯係數 94
表5-15 粒料組構組之灰關聯序 94
表5-16 IVB級配各組馬歇爾配合設計之最佳瀝青含量 99
表5-17 IVC級配各組馬歇爾配合設計之最佳瀝青含量 100
表5-18 粒料組構組刪除篩號與空隙率迴歸分析方程式 106
表5-19 以刪除粗粒料模式建立預測刪除細粒料之工程性質 109
表5-20 以刪除細粒料模式建立預測刪除粗粒料之工程性質 110
表5-21 以刪除粗粒料模式建立預測刪除細粒料工程性質之殘差(%)111
表5-22 以刪除細粒料模式建立預測刪除粗粒料工程性質之殘差(%)111
表5-23 傳統模式建立預測殘缺級配瀝青混凝土之工程性質 113
表5-24 滾動模式建立預測殘缺級配瀝青混凝土之工程性質 114
表5-25 傳統模式建立預測殘缺級配瀝青混凝土工程性質之殘差(%)114
表5-26滾動模式建立預測殘缺級配瀝青混凝土工程性質之殘差(%)115
表5-27非等間距模式建立預測殘缺級配瀝青混凝土之工程性質 115
表5-28非等間距模式建立預測殘缺級配瀝青混凝土工程性質之殘差116
表6-1 60 ℃粒料組構組11.4KGF/CM2車轍試驗結果(MM) 120
表6-2 60 ℃粒料組構組16.8KGF/CM2車轍試驗結果(MM) 121
表6-3 粒料組構組之回彈模數 125
表6-4 粒料組構組之抗滑試驗結果 127
表6-5 粒料含量比例與試驗溫度對回彈模數之ANOVA 134
表6-6 粒料含量組之抗滑試驗結果 136
表6-7 評比分析之原始數據 138
表6-8 評比分析結果 138
表6-9 細粒料組構組鋪面成效試驗結果 141
表6-10 ISS分析之原始數列 141
表6-11 ISS之灰生成 143
表6-12 ISS之灰關聯係數 144
表6-13 ISS之灰關聯度與灰關聯序 145
表6-14 SUPERPAVE級配之限制 148
附表1粒料組構組車轍之ANOVA分析 161
附表2粒料組構組回彈模數之ANOVA分析 162
附表3粒料組構組抗滑值之ANOVA分析 163
附表4粒料組構組間接張力值之ANOVA分析 164
附表5粒料組構組動態潛變時間門檻值之ANOVA分析 165
附表6粒料組構組動態潛變中點斜率值之ANOVA分析 166
附表7粒料組構組浸壓指數值之ANOVA分析 167
圖目錄
圖1-1 研究步驟流程圖 6
圖2-1 富勒曲線(N=0.45) 10
圖2-2 BAILEY 由粗粒料單位重選擇級配之方法 14
圖2-3 不同通過NO.4篩比例與VMA、VCAMIX及VCADRY之關係 15
圖2-4 顆粒之幾何組構 21
圖2-5 膠結切片試體之準備方式 21
圖2-6 各種粒料級配曲線 22
圖3-1 非等距數列 31
圖3-2 經線性轉換後之等間距數列 31
圖3-3 轉換前後兩橫軸之對應關係 31
圖4-1 IVB組構組級配曲線之一 35
圖4-2 IVB組構組級配曲線圖之二 36
圖4-3 IVC組構組級配曲線之一 38
圖4-4 IVC組構組級配曲線圖之二 38
圖4-5 IVB含量組級配曲線 41
圖4-6 IVC含量組級配曲線 44
圖4-7 針入度試驗 62
圖4-8 BROOKFIELD黏度儀 63
圖4-9 延展性試驗 63
圖4-10 馬歇爾試驗機 64
圖4-11 馬歇爾夯壓機 64
圖4-12 電動拌合機 65
圖4-13 馬歇爾配合設計流程 53
圖4-14 回彈模數試驗機 65
圖4-15 單軸動態潛變試驗機 66
圖4-16 單擺式手提輕便抗滑儀 66
圖4-17 車轍試驗滾壓機 67
圖4-18 車轍輪跡試驗機 67
圖5-1 粒料組構組之單位重 72
圖5-2 粒料組構組之乾料間孔隙(VDA) 73
圖5-3 IVB及IVC乾料單位重與粒料含量比之關係 75
圖5-4 IVC及IVB乾料空隙率與粒料含量比之關係 76
圖5-5 智慧型選擇系統(INTELLIGENT SELECTION SYSTEM,ISS)89
圖5-6 IVB級配刪除篩號與單位重及穩定值、流度值之關係 90
圖5-7 IVC級配刪除篩號與單位重及穩定值、流度值之關係 91
圖5-8 IVB級配ACR與單位重及穩定值、流度值之關係 97
圖5-9 IVC級配ACR與單位重及穩定值、流度值之關係 98
圖5-10 粒料組構組刪除篩號與VMA之關係 104
圖5-11 粒料組構組刪除篩號與空隙率之關係 105
圖5-12 灰預測模式發展圖 109
圖5-13 滾動模式建立灰預測模式發展圖 113
圖6-1 60 ℃粒料組構組11.4KGF/CM2車轍試驗結果 122
圖6-2 60 ℃粒料組構組16.8KGF/CM2車轍試驗結果 123
圖6-3 粒料組構組回彈模數迴歸結果 126
圖6-4 粒料組構組抗滑試驗結果 128
圖6-5 60℃變化粒料含量比11.4KGF/CM2車轍試驗結果 131
圖6-6 60℃變化粒料含量比16.8KGF/CM2車轍試驗結果 132
圖6-7 回彈模數與粒料含量比之關係 135
圖6-8 抗滑值與粒料含量比之關係 136

1.經濟部礦業司，「礦業統計－礦業自產量值增減表」，http://www.moea.gov.tw/~meco/dom/doc/minerals1.doc，(2003)。
2.Roberts F. L., Kandhal P. S., Brown E. R., Lee D. Y. and Kennedy T. W., Hot mix asphalt materials, mixture design and construction (2nd edn), NAPA research and education foundation, Maryland, 1996.
3.Annual Book of ASTM Standards, USA, 1995.
4.交通部，「公路工程施工規範」，幼獅文化事業公司，台北 (2001)。
5.蔡攀鰲，公路工程學，國立成功大學公共工程研究中心，台南，(2000)。
6.吳學禮，鋪面、材料工程實務，詹氏書局，台北，(1996)。
7.Brown, E.R. , Mallick , R.B., ”Evaluation of Stone on Stone Contact in Stone Matrix Asphalt.”, Transportation Research Record 1492, pp. 208-219, (1995)。
8.陳虹潔（蔡攀鰲，陳建旭教授指導），「骨材顆粒組構及型態對瀝青混凝土抗變形之影響」，碩士論文，國立成功大學土木工程研究所，台南 (2000)。
9.林志棟，瀝青混凝土配合設計與其原理，科技圖書公司，台北，(1983)。
10.Association of Japan pavement, Porous pavement technology, Japan, (1992).
11.黃兆龍，混凝土性質與行為，詹式書局，台北，(1999)。
12.沈得縣，「石膠泥瀝青混凝土路面設計與施工」，道路及下水道工程施工技術研討會論文集，第59-77頁，(1999)。
13.Committee on Characteristics of Bituminous-aggregate Combinations to meet Surface Requirements (A2D03), “Bailey Method for Gradation Selection in Hot-Mix Asphalt Mixture Design”, Transportation Research Board, (2002).
14.許志淇(蕭志銘教授指導)，「粗粒料骨材性質對瀝青混凝土抗變形能力之研究」，國立成功大學碩士論文，(2001)。
15.蘇禎濤(沈得縣教授指導)，「粗粒料級配對瀝青混凝土工程性質與鋪面成效影響之研究」，國立台灣科技大學碩士論文，(2002)。
16.莊奇昇(沈得縣教授指導)，「細粒料級配對瀝青混凝土工程性質與鋪面成效影響之研究」，國立台灣科技大學碩士論文，(2003)。
17.Mahomood, A. and J.K. Mitchell, “Fabric-Property Relationship in Fine Graunlar Materials”, Clays Minerals, Vol.22, pp.397-408,(1976)。
18.Oda, M., “Significance of Fabric in Granular Mechanics”, Proc. Of the U.S.-Janpan Seminar on Continuum-Mechanical and statistical Approaches in the Mechical of Granular Materials, Tokyo, Janpan,pp.77-94,(1978)。
19.陳堯中，「以實驗方法決定粒狀土壤之組構」，第二屆大地工程學術研究討論會論文集，(1987)。
20.J. L. Deng, “Introduction to grey system theory”, Journal of grey system, Vol.1, pp. 1-24 , (1989).
21.W.C. Chang, Grey relational model method and application, Gau-lih Book Co., LTD., Taiwan,(2000).
22.W.C. Chang, K.L. Wen, H.S. Chen and T.C. Chang, “The selection model of pavement material via grey relational grade”, Proceedings of the IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics, v 5, 2000, pp. 3388-3391.
23.鄧聚龍等，「灰預測模型方法與應用」，高立圖書有限公司，(1999)。
24.J. H Wu, K. L. Wen, and M. L. You, “A multi-decision making on grey relational grade”, Journal of grey system, Vol.11, 1999, pp. 381-386.
25.T.C. Chang, K.L. Wen, H.T. Chang and M.L. You, “A new method for evaluation and design alternatives based on the fuzzy gray relational analysis”, IEEE International Fuzzy Systems Conference proceedings, Vol. 2, Korea, 1999, pp. 708-713.
26.W.C. Chang, “Grey relational analysis on evaluated pavement materials”, 10th conference reports of pavement engineering, Taiwan, 1999, pp. 333-342.
27.施能仁、賴富珍，「應用灰色系統預測新台幣匯率」，2001年灰色系統理論與應用學術研討會論文集，D54~d58，(2001)。
28.陳志良等，「非等間距數列建模之研究」，第四屆灰色系統理論與應用學術研討會論文集，pp217~pp223，(1999)。
29. Mix design techniques-part I. NAPA TAS-14, National Asphalt Pavement Association, Instructors manual, (1982).
30.蕭良豪(林志棟教授指導)，「SMA瀝青混凝土力學特性之研究」，碩士論文，國立中央大學土木工程研究所，中壢，第4-6頁，(1994)。
31.Nienelt, G., and Thamfald, H. “Evaluation of the Resistance to Deformation of Different Road Structures and Asphalt Mixtures Determined the Pavement Rutting Tester.” AAPT, 57, (1988).
32.P. S. Pell, and K. E. Cooper, “The effect of testing and mix variables on the fatigue performance of bituminous materials”, Journal of the association of asphalt paving technologists, Vol.44, pp1-37, (1975).
33.Frederick Hugo, and Thomas W. Kennedy, ”Surface cracking of asphalt mixtures in southern Africa”, Journal of the association of asphalt paving technologists, Vol.54, pp454-501, (1985).
34.Basil M. Harris, and Kevin D. Stuart, ” Analysis of Mineral Fillers and Mastics Used in Stone Matrix Asphalt”, Journal of the association of asphalt paving technologists, Vol.64, pp54-80, (1995).
35. Asphalt Institute (MS-2), Mix design methods for asphalt concrete and other hot mix types, (1984).
36.Iowa Highway Research Board, ”Evaluation of Gap Graded Asphalt Concrete Mixtures”, HR-157, (1973).
37.劉如濡(沈得縣教授指導)，「廢混凝土在瀝青混凝土路面工程上應用之研究」，國立台灣科技大學碩士論文，(2000)。
38.鄭福欽(沈得縣教授指導)，「營建廢棄物拌製瀝青混凝土可行性之研究」，台灣科技大學碩士論文，(1999)。
39.Superpave Level 1 Mix Design, Asphalt Institute Superpave Series, U.S.A. ,pp.l-88, (1995)。
40.C.L.Monismith and J.A.Epps，”Asphalt Paving Mixtures :Design，Construction，And Performance，”Institute of Transportation Studies，1984。
41.Harry S. Pink，Richard E. Merz and David S. Bosniack，”Asphalt Rheology:Experimental Determination of Dunamic Muduli at Low AAPT，Vol. 49，pp. 64-93, (1980)。
42.C. W. Curtis, R. L. Terrel, L. M. Perry, S. Al-Swailm and C. J. Braanan，”Importance of Asphalt-Aggregate Interaction in Adhesion”, SGRP，pp. 477-531, (1980)。
43.沈得縣，”瀝青混凝土材料品質管制”，道路工程材料品質管制研討會論文集，(1985)。
44.徐演政，「灰色預測與決策教案」，國立台灣科技大學，(2002)。
45.Fang X., Zou S.G. and Tang Y.Z., “The grey comprehensive evaluation of regional scientific technological innovation”, Journal of grey system, Vol.12, 347-356, (2000).
46. Li Y.P., Tang Y.Z., and Chen R.Q., “The grey comprehensive evaluation method on investment item”, Journal of grey system, Vol.12, 383-390, (2000).
47. Wu J. H., Wen K. L., and You M. L., “A multi-decision making on grey relational grade”, Journal of grey system, 11, 381-386, (1999).
48. Zhu J.M., Wang Z.G., Zhou F.Z. and Bin H.Z., “A grey evaluation model of measurement uncertainly”, Journal of grey system, Vol.12, 207-218, (2000).
49.王景信(黃兆龍教授指導)，「顆粒材料組構與力學行為之研究」，國立台灣科技大學碩士論文，(1991)。
50.李正中（蕭志銘教授指導），「粒料性質對瀝青混凝土永久變形之影響」，國立成功大學碩士論文，(1999)。