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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:簡圳銘
論文名稱:石膠泥瀝青混凝土之試鋪實例研究
指導教授:邱垂德邱垂德引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:中華大學
系所名稱:土木工程學系碩士班
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2003
畢業學年度:91
語文別:中文
論文頁數:165
中文關鍵詞:石膠泥瀝青混凝土車轍試驗路面
外文關鍵詞:Stone Matrix AsphaltRuttingTesting Pavement
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石膠泥瀝青混凝土(SMA)是德國在1960年代研發鋪築的一種新式瀝青鋪面材料,以高品質的粗骨材形成主架構,其間的空隙再用瀝青膠泥混合細砂及礦物填縫料形成的瀝青膠砂漿來填滿,使SMA兼具耐久性和抗變形能力,用於交通荷重高的路面有良好成效。
國內相關道路工程單位,為改善路面受重壓產生的車轍問題,近年來已陸續引進SMA並進行試鋪。公路總局第四區養護工程處養護之台九線蘇花公路蘇澳路段,因有大量重載重之砂石車通行,致該路段路面有嚴重的車轍及剝脫鬆散等損壞,在九十一年度的路面改善工程中,選擇二公里路段嘗試改用SMA鋪築。本研究即藉由台九線蘇花公路蘇澳路段之SMA試鋪工程案,以本土材料參照AASHTO規範進行配合設計,並經由完整詳實的生產、品管、及施工紀錄,探究此種新材料在國內應用的可行性。試鋪結果顯示,鋪築之SMA路面平坦度良好,壓實度也可達到要求,鋪設成效尚屬良好。但SMA可能是一種不能容忍錯誤的敏感材料,在配合設計、材料選用、生產製程及鋪築施工等各階段,皆必須相當謹慎,稍有疏忽則很容易因材料析離而於完成路面出現油斑。
本研究認為基於SMA不能容忍錯誤的敏感特性,如要在國內推廣使用,除應累積更多的鋪築經驗、案例及長期觀測資料並確認成本效益外,在粗骨材產製之粒形控制方面、熱拌廠製程之級配控制方面、及鋪築現場之材料析離方面,皆須全面提昇改進,方能順利推行。

Stone Matrix Asphalt (SMA), which was developed in Germany, 1960s, is composed by a coarse aggregate skeleton and a rich asphalt binder mortar. The stone-on-stone contact provides strength and the rich mortar binder provides durability. It is therefore recognized as a tough, stable, rut-resistant material to be used on the surface of a heavy trafficked pavement.
To improve rut-resistant properties, the highway agencies recently introduced several SMA test sections in Taiwan. The eastern coastal section of Highway No. 9 is mainly trafficked by heavy trucks and shown a long time maintenance difficulties. The SMA was proposed in 2002 fiscal year to pave a 2 km section as a demonstration project. This study is mainly the detailed report of this particular SMA demonstration project. Starting from designing the local SMA mixture by using AASHTO MP8, the production, paving, compaction, and quality control were all recorded to try to evaluate the applicability of SMA. According to the results of this project, the performance is quite well in view of smooth and degree of compaction. However, it is found that SMA is very sensitive not only to the change of material properties, such as aggregate angularity and binder properties, but also to the temperature variability. The oil spot is appeared on the newly paved surface due to the material segregation.
Due to the sensitivity of SMA, this study calls for more test sections to accumulate experiences. The aggregate shape, gradation control in the hot mix plant, the segregation on the paving site as well as the long term investigation with life cycle cost analysis are proposed before routinely using SMA.

中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 III
圖目錄 VI
表目錄 IX
第一章、緒論 1
1-1、研究背景 1
1-2、研究動機 2
1-3、研究目的 3
1-4、研究內容及流程 4
第二章、文獻回顧 6
2-1、SMA起源與發展狀況 6
2-1-1、瀝青混凝土車轍破壞 6
2-1-2、SMA研發起源與發展 8
2-2、SMA設計理念與組成 9
2-2-1、一般瀝青混凝土設計理念 10
2-2-2、SMA設計理念 12
2-2-3、SMA組成內容 14
2-2-4、SMA優缺點分析 15
2-3、SMA組成材料性質探討 16
2-3-1、粗粒料 16
2-3-2、細粒料 22
2-3-3、礦物填縫料 24
2-3-4、瀝青膠泥 26
2-3-5、流失抑制劑 29
2-4、SMA配合設計方法 35
2-4-1、SMA配合設計原理 36
2-4-2、SMA配合設計流程 38
2-4-3、SMA配合設計注意事項 45
2-4-4、SMA配合設計的問題與調整方法 47
2-5、國外鋪設案例及國內引進SMA之現況 50
2-5-1、美國華盛頓州SMA鋪設案例 50
2-5-2、國內SMA試鋪案例 52
2-5-3、國內試鋪SMA案例之問題檢討 54
2-5-4、國內SMA規範研擬 56
第三章、試鋪路段施工規劃 57
3-1、試鋪路段資料調查 57
3-1-1、試鋪路段背景及位置 58
3-1-2、試鋪路段交通量調查 58
3-1-3、試鋪前路面狀況 61
3-1-4、試鋪路段結構確認 63
3-2、施工前置作業 64
3-2-1、預算編製及發包 65
3-2-2、材料選擇與試驗 65
3-2-3、配合設計結果 71
3-3、施工計畫 73
3-3-1、施工人員組織及機具 73
3-3-2、施工方式及時程 75
3-3-3、拌合廠設備 76
3-3-4、拌製程序 78
3-3-5、鋪築作業 81
第四章、施工品管作業及檢測結果 86
4-1、試鋪作業 86
4-1-1、第一階段試鋪 86
4-1-2、第二階段試鋪 87
4-2、施工品質管理 89
4-2-1、拌合廠生產品質管制 90
4-2-2、工地施工品質管制 99
4-3、完成路面檢測結果 101
4-3-1、目視檢測結果 101
4-3-2、抗滑性檢測結果 102
4-3-3、平坦度檢測結果 105
4-3-4、壓實度及厚度檢測結果 106
第五章、結論與建議 111
5-1、結論 111
5-2、建議 113
參考文獻 115
附錄一、石膠泥瀝青(SMA)混凝土配比設計試驗報告 118
附錄二、石膠泥瀝青(SMA)混凝土試鋪段檢測報告 132
附錄三、SMA瀝青混凝土工廠拌製自主檢查表 135
圖目錄
圖1-1、本論文研究內容及流程 5
圖2-1、路面車轍破壞 7
圖2-2、瀝青面層壓密變形而產生車轍 7
圖2-3、面層材料被擠壓產生塑性流動 8
圖2-4、碎石底層或是路基土壤產生沉陷變形 8
圖2-5、密級配瀝青混凝土架構圖 11
圖2-6、多孔性瀝青混凝土架構圖 12
圖2-7、SMA越級配骨材架構圖 13
圖2-8、SMA骨材間互鎖作用承受荷重 13
圖2-9、SMA材料組成 15
圖2-10、英國BS812扁平試驗篩 18
圖2-11、金屬長度規示意圖 18
圖2-12、用以判定粗骨材扁平顆粒的比例卡尺 19
圖2-13、美國砂石協會建議用以量測細粒料稜角性的裝置 23
圖2-14、量測礦物填縫料夯實空隙率之裝置 26
圖2-15、礦物纖維(左)與木質纖維(右)的放大照片比較 33
圖2-16、判斷SMA是否具粗骨材架構的方式 37
圖2-17、SMA配合設計流程 39
圖2-18、VCADRC、VCAMIX、VMA示意圖 40
圖2-19、NCAT網籃法試驗儀器 45
圖2-20、#4篩過篩百分比與VMA間關係圖 46
圖2-21、鋪築厚度對SMA抗變形能力之影響 47
圖2-22、華盛頓州SMA鋪設時產生油斑現象 51
圖2-23、華盛頓州SMA鋪設採堆料方式施工 51
圖2-24、國內SMA試鋪路面產生油斑現象 55
圖2-25、國內SMA試鋪路面產生車轍及推擠現象 56
圖3-1、本研究SMA試鋪路段位置圖 59
圖3-2、台九線蘇澳-東澳段平均每日交通量調查資料圖 61
圖3-3、試鋪路段路面損壞情形(車轍) 62
圖3-4、試鋪路段路面損壞情形(剝脫) 62
圖3-5、台九線鋪設之剛性路面 63
圖3-6、台九線108K+712~110K+712路段路面結構示意圖 64
圖3-7、試鋪路段原路面鑽心取樣之試體狀況 64
圖3-8、瀝青黏度與溫度關係圖 69
圖3-9、混合料級配曲線圖 72
圖3-10、SMA試鋪工程施工人員組織圖 74
圖3-11、施工順序圖 76
圖3-12、礦物填縫料倉 77
圖3-13、袋裝礦物纖維以人工投入 78
圖3-14、本研究之拌合流程圖 81
圖4-1、第一階段試鋪產生之油斑 87
圖4-2、第四區養護工程處人員至拌合廠瞭解拌合廠作業情形 88
圖4-3、現場試鋪施工照片 88
圖4-4、拌合廠生產品質管制照片 90
圖4-5、本試鋪案SMA之瀝青含量管制圖 92
圖4-6、本試鋪案SMA之#4過篩百分比管制圖 94
圖4-7、本試鋪案SMA之#8過篩百分比管制圖 95
圖4-8、本試鋪案SMA之#200過篩百分比管制圖 95
圖4-9、本試鋪案SMA之垂流量管制圖 97
圖4-10、本試鋪案SMA使用之礦物纖維外觀照片 97
圖4-11、本試鋪案SMA之馬歇爾試體空隙率管制圖 98
圖4-12、本試鋪案SMA正式鋪築施工照片 100
圖4-13、本試鋪案SMA鋪築後路面產生油斑之狀況 101
圖4-14、本試鋪案SMA鋪設完成之路面狀況 102
圖4-15、以鋪砂法量測SMA試驗路面巨觀紋理情形 104
圖4-16、試鋪路面之平坦度檢測情形 106
圖4-17、試鋪路面鑽心取樣 106
圖4-18、本試鋪案完成SMA路面空隙率檢測數據圖 108
圖4-19、本試鋪案完成SMA路面厚度檢測數據圖 109
表目錄
表2-1、美國參與SMA試鋪的州數與年度總生產噸數[4] 9
表2-2、SMA的粗粒料性質規定 20
表2-3、中華大學檢測所得之國內粗骨材粒形數據 22
表2-4、SMA之細粒料性質規定 23
表2-5、台灣與其它地區各主要城市之月平均氣溫 (℃) 比較表 29
表2-6、NCAT對於SMA膠砂漿的韌性建議值[18] 29
表2-7、SMA用的木質纖維流失抑制劑的品質要求 31
表2-8、SMA用的礦物纖維流失抑制劑的品質要求 33
表2-9、SMA可能採用的三類纖維的綜合比較 34
表2-10、SMA與一般瀝青混凝土性質比較表 35
表2-11、SMA的級配規範範圍(過篩體積百分比) 41
表2-12、以旋轉夯實機夯製的SMA試體之性質規範 44
表2-13、SMA可能遭遇的問題及建議採行的補救措施 49
表2-14、台灣地區試鋪SMA的工程 54
表3-1、台九線蘇澳-東澳段平均每日交通量調查資料表 60
表3-2、鋪設路段原路面鑽心取樣之試體高度 64
表3-3、3/4”骨材扁長比試驗值 67
表3-4、1/2”骨材扁長比試驗值 67
表3-5、3/4”骨材破裂面試驗值 68
表3-6、1/2”骨材破裂面試驗值 68
表3-7、粗骨材吸水率試驗值 68
表3-8、纖維散粒不純物試驗(SHOT CONTENT) 70
表3-9、本研究選定之SMA骨材配比 71
表3-10、配合設計結果 72
表3-11、SMA試鋪工程使用之主要機具表 74
表3-12、混合料之拌合條件 80
表4-1、第二階段試鋪級配篩分析數值 89
表4-2、瀝青膠泥黏度試驗結果 91
表4-3、含油量檢驗結果 92
表4-4、粒料級配試驗結果 94
表4-5、垂流量檢驗結果 96
表4-6、理論最大密度試驗結果 97
表4-7、空隙率及VMA試驗結果 98
表4-8、路面表面紋理的描述方式[24] 103
表4-9、SMA路面鋪砂法檢測結果 104
表4-10、不同鋪面等級之鋪砂法巨觀紋理深度規定範圍[24] 105
表4-11、本試鋪案完成SMA路面之厚度、空隙率及VMA檢驗結果 107
表4-12、完成SMA路面之各項檢測成果歸納表 110

1、Zhanmin Zhang, David W.Fowler, W.Ronald Hudson, Lu Sun , ”Detailed Diagnostic Manual for Flexible Pavements, ” Research Project 0-1867-2,Texas Department of Transportation, June 2001.
2、沈金安,「改性瀝青與SMA路面」,人民交通出版社,1999年7月。
3、Brown, E.R., J.E.Haddock, R.B. Mallick, and T.A.Lynn, “Developm- ent of a Mixture Design Procedure for Stone Matrix Asphalt (SMA),”AAPT, Vol.66,1997,pp.1-30.
4、Highway Technet, Technology Application, “Stone Upon Stone Put to the Test,” U.S. Department of Transportation, Federal Highway Administration, 1998.
5、Brown, E. R., J. E. Haddock, R. B. Mallick, and J. Bukowski, Performance of Stone Matrix Asphalt (SMA) in the U. S., AAPT Vol. 66, 1997.
6、Heavy Duty Surfaces: The Arguments for SMA, European Asphalt Pavement Association, P.O. Box 175, 3620 AD Breukelen, The Netherlands, 1998.
7、劉守益、林志棟、藍義隆、陳世晃,”多孔性瀝青混凝土成效之評估”,第九屆鋪面工程學術研討會論文集,民國八十六年八月,pp.113-119
8、Scherocmam, J.A.,”The Design Contsruction of Stone Mastic Asphalt Pavement “AASHTO Annual Meeting ,1992
9、張明華,「添加纖維對石膠泥瀝青混凝土性質影響之研究」,淡江大學碩士論文,民國八十九年六月。
10、陳兆鑫,「石膠泥瀝青混凝土配比設計之研究」,中華大學碩士論文,民國八十八年六月。
11、Brown, E. R. and R. B. Mallick, “Evaluation of Stone-on-Stone Contact in Stone-Matrix Asphalt,” Transportation Research Record 1492, TRB, National Research Council, Washington, D. C., 1995, pp. 208-219.
12、ASTM D4791-89, Standard Test Method for Flat or Enlongated Particles in Coarse Aggregate, 1993 Annual Book of ASTM Standards, Vol. 04.03.
13、AASHTO MP8-02, Standard Specification for Designing Stone Matrix Asphalt.
14、Highway Technet, Technology Application, “Stone Upon Stone Put to the Test,” U.S. Department of Transportation, Federal Highway Administration, 1998.
15、林永吉、邱垂德,「軋石製程與瀝青混凝土粒料品質之關係研究」,臺灣公路工程,第二十四卷第二期,頁2-23,民國86年8月。
16、ASTM D242-95, Standard Specification for Mineral Filler for ituminous Paving Mixtures, 2000 Annual Book of ASTM Standards, Vol. 04.03.
17、林志棟、王劍能,「台北市瀝青合材適當配比之研究」,台北市政府工務局養護工程處,民國八十八年六月。
18、Brown, E. R. and L. A. Cooley, “Designing Stone Matrix Asphalt Mixtures for Rut-Resistance Pavement,” NCHRP Report 425, 1999.
19、Prithvi,S.K., C. Y. Lynn, and Frazier Parker, Jr., “Characterization Tests for Mineral Fillers Related to Performance of Asphalt Paving Mixtures,” NCAT Report No. 98-2, January 1998.
20、邱垂德、胡文虎,「密級配的迷失是否會被打破?」,台灣公路工程,第25卷,第8、9期,民國八十八年三月,第55-58頁。
21、林志棟等,「石膠泥瀝青混凝土(SMA)應用於高速公路之評估(I)」,國立中央大學土木工程研究所,中華民國九十一年五月。
22、蔡攀鰲等,「嘉義市興業路石膠泥瀝青(SMA)試驗路面成效之評估」,期末報告,內政部營建署委託研究案,國立成功大學土木工程系執行,中華民國九十一年六月。
23、台大慶齡工業研究中心,西濱動態地磅重型車輛載重資料分析報告,民國90年7月。
24、Elsenaar, P. M. W., Reichert, J., Sauterey, R., “Pavement Characteristics and Skid Resistance,” Transportation Research Record 622, Transportation Research Board, National Academy of Sciences.
25、ASTM E965-96,“Standard Test Method for Measuring Surface Friction Properties Using the British Pendulum Tester, ”ASTM Volume 04.03,2000.

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