簡介AI MS-2(笫六版)瀝青混凝土馬歇爾配合設計方法(二)

吳 學 禮

中 華 顧 問 工 程 司

試 驗 中 心 副經理

八、傳統式馬歇爾配合設計作業﹒

8.1試驗方法:依接CNS 12395, AASHTO T245, ASTM D1559及AI MS-2(1993年版)。

8.2試驗儀器:列於表7內

8.3配合設計試驗步驟

1.流程圖如圖12.

2.試驗步驟敘述

(1) 取樣

(A)粒料:依據AASHTO T2粗細粒料每一種各取25Kg，填充料取10Kg,

(B)瀝青:依據AASHTO T40，最少取 4公升。

(C)粒料要在拌合廠之泠堆或碎石場取樣，不可以取熱斗料之樣品。

(2)粒料篩分析

(A粗細粒料、填充料之篩分析試驗，必須依據表2相關之規定方法。

(B)試驗步驟:烘乾→沖洗→烘乾→篩分析。

(C)篩分析時之篩號須依據級配規格所規定之篩號(多作其他篩號自應可行)。

(D)粗粒料作過篩分析者可用為比重，洛杉磯及健度試驗，但細粒料則不行。

(F)各種粒料篩分析結果列於表12內o

(3)決定各種粒料配比

(A)利用圖解法如圖1可得A料使用24%，B料使用20%,C料使用32%,D 料使用16%,

及E料使用8%。

(B)經過計算所得之級配如表13，合乎規範之規定(本例題規範為AI SS- 1 1992年版)。

(C )評估瀝青混合料性質

將表13混合後之級配代入圖9瀝青混凝土粒料級配曲線圖，校核結果皆在曲線內，屬

於良好之級配。

(4)一般物理性試驗

(A)粒料試驗結果列於表14內, (B)瀝青：(a)針入度=90, (b)比重=1.021.

(5)配料

依照表13之各種粒料配比取樣作篩分析(不可以沖洗),然後將相同篩號之粒料混在一

起。

(A)若每一試體假設為1130g, (Max Size 愈大所需之重量要愈多，通常瀝青砂，只要1030

g即可,但密級配在1100-1030之間,亦可先作導體,其公式為校正後粒料重,

g=[63.5(mm) ×導體粒料重,g]/[導體試體高度(mm)] 。起碼要打15個試體及求最大理論

密度用，故約需30kg ,因此各種粒料需稱之重量為:

A料: 3Okgx24%=7.2kg,B料：30Kg×20%=6.0Kg,C料：30kg×32%=9.6Kg,D料：30Kg×

16%=4.8Kg,E料：30kg×8%=2.4Kg, 合計

=30Kg.

(B)將各種粒料相同之篩號混在一起後，若配合設計時間允許應再作1〃~3/4〃, 3/4〃~3/8〃 ，3/8〃~ No.4,No.4 ~ No.8，No.8以下等篩號之篩分析，(試驗者勿忽略此步讓) ,其結果

列於表15內。

(C )調整配比

從表15得知3/4〃~3/8〃,中有2.9%末在其中,3/8〃~No. 4有3.2%,No.4~No. 8者有4.0%，因此必

須予以調整配比，其公式為 P2=[(P1－W)/(100－W)]100------------公式(11)

公式中:P2=校正後通過除棄篩號之百分率. P 1=原來通過除棄篩號之百分率

W=除棄百分率

現將表1調整為:

(a)3/4〃~3/8〃=P2=[(71.3－2.9)÷(100－2.9)]100=70.4

(b) 3/8〃~No. 4=P2=[(54.9－3.2)÷(100－3.2)]100=53.4

(c ) No.4~No. 8=P2=[(937.9－4.0)÷(100－4.0)]100=36.4

(D)調整後各篩號使用百分率及所得之級配

(a)調整後各篩號使用百分翠

‧ 1〃~3/4〃=100－90=10%, ‧3/4〃~3/8〃=90－70.4=19.6%

‧3/8〃~o.4=70.4－53.4=17.0%, ‧No.4~No.8=53.4－36.4=17.0

﹒No.8以下=36.4－8.0=28.4%, ‧石粉=8%, 合計=100%

(b)調整後之級配列於表16內.

(E)稱料

假設每一試體之重量為1130 g, 則各篩號所需之重量為:

(a)1〃~3/4〃'=113Og X 10.0%=113.0 g , (b3/4〃~3/8〃=1130 g X 19.%=221.4 g

( c) 3/8〃~o.4= 1130g×17.0%=192.1g, (d) No.4~No.8=1130g×17.0=192.1g

(e) No.8以下=1130g×28.4%=321.0g (f) 石粉=1130g×8%=90.4g. 合計=1130g

(6)瀝青混合料夯製試體

(A) 瀝青

(a)須以60°C養治2 ~3天,當加溫夯打到擬夯打之溫度時不可以有水泡之現象。

〈編者註:經查相關文獻,除ASTM D1559-89對油溶氣有加溫使溶劑揮發之步驟外，未見

有地瀝青須加溫養治之規定，長時間加溫時若瀝青與空氣接觸面較大時，可能有瀝青老

化之顧忌，若為改質瀝青,亦可能產生化學變化,此操作尚待研擬〉。

(b)拌合料夯壓溫度:

瀝青以AASHTO T201, ASTM D2170試驗方法求出60°C及135°C之動粘度值，然後依

照圖13 (編者註: 圖13為一範例，不同瀝育有不同關係曲線)方法求出:

﹒拌合溫度=動粘度為170±20cts., 夯壓溫度=動粘度為280±3Octs.

如果未作動粘度試驗可假設拌合之溫度150℃ (A C -10), 160° C (A C –20)

(c)無論如何瀝青加溫到拌合溫度後，不可以持續1小時以上。(不要用中型鋁碗 ,用小碗

加溫即可)

(B)粒料加溫

粒料在未與瀝青拌合前，須加溫到瀝青所需溫度之10℃左右，但不可以超過 163° C ,

時間約1~2小時較宜。

(編者註:MS-2未明定粒料溫度，但 ES-1建議粒料加溫到約高於拌合適度 28° C)

(C)工作人員安排:

(a) 瀝青加溫者1位 , (b)粒料稱重及拌合者1~2位, (c) 夯打試體者1~2位.

(D)夯打次數

視使用之工程而異, AI MS-2 , A I SS-l規定重級交通量(設計EAL>106者)為75下

(上下面各打之次數),中級交通量為50下(設計EAL=104~106者) , 輕級交通量(設計EA

L<104 )為35下，臺灣地區國道，省縣道以75次居多。

(E)夯壓錘及模等皆須予以加溫(95~150℃ ) ,不要超過瀝青溫度之28°C·以上。

(F)夯製試體

(a)試體分為5組，每組三個試體，每組瀝青含量以密級配或粗級配為0.5%,細級配及瀝青

砂為1.0%。

(b) 粗略估計瀝青含量的方法可用C.K.E. (Centrifuge Kerosene Equivalent Method)或用級配

通過百分率方法:

P =0.035 a+0.045b-+K············…公式(12) P=粗估之瀝青含量(對混合料)%.

a=停留No.8之百分率, b=通過No.8，停留No. 200之百分率

c=通過No. 200號篩之百分率.

F = 0~2.0%，基於粒料之吸水率而定,若無資料可循，可假設F=0.7。 K=通過No. 200號篩11~15%時取0.15 , 通過No.200號篩6 ~10%時取0.18, 通過No.200號篩5%或少

於5%當時取0.20。

(c)放料前先放瀘紙,放料時先放較細者在底,然後均勻放入,.最後也留些較細者在上面。

(d)未夯壓前以小刀在鐵模周邊先插15下及中間10下,然後在上面再放瀘紙。

(e) 夯打次數如上所述

(f)試體夯打後馬上以粉筆編號，俟翌日才將試體頂出。

(7)馬歇爾試驗

(A)面乾虛比重(單位重)

(a)在未作面乾虛比重前先量測每只試體之高度。

(b)試體表面組織較密、不易透水者以 AASHTO T166 ASTM D2726方法求之，其公式為:

面乾虛比重(Bulk S.G) Gmb =A/(B－C)------------------------公式(13)

公式中A=試體在空氣中質量, g. B=試體在空氣中飽和面乾重,g.

C=試體在水中質量, g.

(cJ試驗結果列於表17，馬歇爾法熱拌瀝青混合物設計

(d)若試體表面組織較為疏鬆,易於透水時必須改用AASHTO T275. ASTM Dl188試驗方法求

之，其公式為:面乾虛比重(Bulk S. G) Gmb =A/[(D－E)－(D－A)/F]------------公式(14)

公式中A=試體在空氣中質量,g. D=試體封臘後在空氣中質量, g.

E=試體封臘後在水中質量, g. F=石臘比重(250 C時)

(B)馬歇爾穩定值及流度試驗

(a)將試體浸在室溫水箱內養治30 ~40分鐘(60±1℃) .

(b)取出試體用布拭乾後放在馬歇爾壓模內, ,導引桿加潤滑油，將壓力錶及流度表歸零，或用荷重

計,自動記錄式者亦可。

( c)穩定儀之速度為51mm (2吋)/每分鐘，開啟後在試體破壞(穩定值最高時) 由另外1 人讀出流度值，或用固定不轉回者。(現用之儀器部分已有自動記錄者)。

(d)試體從恒溫水箱取出到試驗完竣應在30秒內完成.。

(e)試驗值列於表17內。

(f)試體高度若不是正好63.5mm (2.50吋)時,應以表18校正穩定值。

(8)求最大理論比重(Max Bulk Sp. Gr) Gmm.

(a)試驗方法: AASHTO T209, ASTM D2041.

(b)公式 ：Gmm=A/[(A+D)－E]---------------- 公式(15)

公式中：Gmm=最大理論比重, A=瀝青混合料在空氣中質量,g.

D=瓶+水重,g. E=瀝青混合料抽氣後加滿水之質量,g.

( c)本文例題

Gmm(瀝青含量6%,對粒料)=1189/[(5391＋1189)－6097]=2.431.

(9)計算分析

(A)粒料虛比重Gsb=(P1+P2---+Pn)/[(P1/G1)+(P2/G2)----+(Pn/Gn)] -----公式(1)

=(24+20+32+16+8)/[(24÷2.632)+20÷2.630+32÷2.629+16÷2.600+8÷

2.690]

=2.630

(B)粒料有效比重(Effective Sp.Gr)

Gse =(Pmm－Pb)/[(Pmm/Gmm)－(Pb/Gb)]----------- 公式(2)

=(100－5.66)/[(100÷2.431)－(5.66÷1.021)]=2.650

(C)瀝青吸收量; Pba

Pba=100{(Gse－Gsb)/(Gse×Gsb)}Gb}

=100{[(2.650－2.630)÷(2.650×2.630)]×1.021}=0.293(對粒料)

(D)有效瀝青含量,Pba

Pba=Pb－(Pba/100)Ps----------- 公式(5)

=5.66－(0.293/100)×94.34=5.38,

(E)V.M.A.

V.M.A.計算方式因瀝青含量之表示方法不同有兩種方法：

(a)對混合料使用公式(6)=100－(Gmb×Ps)/Gsb =100－(2.353×94.34)/2.630=15.6, (b)對粒料時使用公式(7)=100－{(Gmb/Gsb)×[100/(100+Pb)]×100}} =100－{(2.353/2.630)×[100/(100+6.0)]×100}

=15.6

(F)空隙率,Va(公式8)

Va=100[(Gmm－Va)/Gmm]

=100[(2.431－2.353)/2.353]=3.21%

(G)V.F.A.( 公式9)

V.F.A.=(VMA－Va)/VMA=(15.6－3.21)÷15.6=79.4,

(H) 將計算所得之容積性質代入表19或表20及表17。

(10)繪圖 將表17試驗資料繪製下列六種與瀝青含量有關之圖:

(A)圖14瀝青含量與單位重之關係圖. (B)圖15瀝青含量與穩定值之關係圖 。 (C)圖16瀝青含量與流度之關係圖 (D)圖17瀝青含量與空隙率之關係圖 (E) 圖18瀝青含量與V.M.A之關係圖 (F)圖19瀝青含量與V.F.A之關係圖 (11)決定最佳瀝青含量 (A)所決定之最佳瀝青含量,其所得之試驗值必須符合配合設計準則。 (B)考慮瀝青混凝土耐久性與強度之平衡。 ( C)應考量該舖面使用之特性,如行駛重車居多時,歷青含量宜較少，穩定值取較大者。 (D)AI. MS- 2 1988年前年以最大單位重，空隙率中間值及最大穩定值等三者所得之

瀝青含量平均值，但AI MS- 2 1993年版改以空隙率中間值為基準,然後考量VMA VFA

及穩定值等為主要項目，如圖20 ,決定最佳瀝青含量示意圖。。

(E)本例題當瀝青含量:5.65% (對粒料)時,其穩定值為2600磅，流度=14.0 (0.01吋) , Va=空

隙率=4.0%,V.M.A= 15.6%, V. F . A=74.0%，將各試驗值與配合設計值比較列於表21, 尚屬可行。 (12) 撰寫報告 (A) 報告內容應涵蓋工程名稱、級配類別、試驗日期、料源、粒料及瀝青等一般物性試驗值。

(B) 夯打次數及溫度、粒料之虛比重、有效比重、瀝青吸收量、最大理論比重及各種試驗值在最佳瀝青含量情況下與配合設計準則之比較等。

九.改良馬歇爾配合設計方法

9 .1簡述

AI MS- 2 (1993年版所提之Modified Marshall Method for Large Aggregate 為該學會1992年T B－5 ( Technical

Bulletin No.5)之延伸。AI依照AAPT (The Association of Paving Technologists)1990年之文件,

，先行訂定簡略之配合設計準則。其實美國Kentucky州研究較為周詳,其目的在於減少

車轍之發生，筆者建議以KYDOH研究報告成果作為參考.。

9.2試驗方法

試驗方法原則上仍然依照AASHTO T245. ASTM Dl559之規定，惟試體之尺寸夯打次數及配合設

計準則不同。

9.3試驗儀器及器具列於表7內。

9.4級配規格:筆者建議使用表9其中A及B 規格為ASTM D3515-89.,C及D為 FHWA之規格。

9.5 配合設計試驗步釀與傳統式馬歇爾方法相同,惟求穩定值時,試體高度之校正係數，

須改用表22之校正係數。

9 .6配合設計準則

由於AI MS- 2只有規定穩定值及流度等兩項，故建議台灣地區先以[KYDOH](註 7) 之規定

辦理:

1穩定值：3,000lb以上;(夯打112次). 2, 流度：28(0.01 吋) 以下(夯打112次).

3. 空隙率： 3.5 ~5.5 %(夯打112次), 4.V.M.A.：11.5%以上(夯打112次).

十.增列VFA緣由

VFA、VMA及Va等三者互有關係，任何兩者皆影響到第三者，增列VFA之目的在於

使VMA及瀝青含量等更能表示出瀝青混凝土之性質。尤其是重級交通量之配合設計〈夯

打75次或112次〉時，如果空隙率Va低於3.5%,那麼VFA無法合乎規定，如此不會造成車轍

或冒油現象，同時亦可避免變形之發生。

. 十一、瀝青混凝土耐久性質

AI MS一2 (1993年版)對於瀝青混凝土耐久性質(Durability of Asphalt Mixtures)提供粒

料材質及瀝青混凝土等有關事項。

11.1粒料之尺寸、形狀與耐久性

粒料在瀝青混凝土成份中佔有95%左右，因此其性質影響瀝青混凝土之材實頗大，AI

MS-2 建議之試驗項自為:

1.健度試驗(AASHTO T104, ASTM C88) :試驗值在12 ~20%之間。

2粒料形狀(ASTM D4791)

粗糙、稜角、粘著力(Bonding)等與粒料之形狀有關，因此該學會建議粗拉料破碎一面者

要佔60~100%，兩個破碎面者要佔50 ~80%。

。至於細粒料使用天然砂峙，若屬於重級交通量以15~25%較宜。

3.含砂當量(AASHTO T176. ASTM D2419)

含砂當量表示與粘土成份之關係,亦可用液性限度及塑性指數之規定。通常含砂當量

要在40以上。

4.洛杉磯磨損率(AASHTO T96,ASTM C131)

洛杉磯磨損率係用於表示粒料風化之程度，期冀在拌合及滾壓不發生碎裂現象，因此

重級交通量規定在40或45%以下。

5. 通過No. 200號篩百分率與瀝青含量之比值，FAWA建議值為0.6 ~1.2%之間。

11.2粒料與瀝青之相容性

表示瀝青混凝土耐剝脫之能力以滯留強度示之,亦即是粒料拌合瀝青後對於水之親合

性問題, 其試驗之法共有:

1.浸壓方法:

(1)ASTM DI075. AASHTO T165 浸水40℃ 4天或60℃ 1天，求浸水與否之比較，其滯留強

度(Retained Strength )要大於75%才行。

(2)ASTM D1559之馬歇爾試驗值亦可以表示其滯留強度。

2.抗張試設方法: AASHTO T283, 抗張試驗比值70 ~75%以上。

11.3改善剝脫、耐久性之方法

1.增加瀝青含量, 2.使用粘度較高之瀝青.

3.使用較為乾淨或不同之粒料料源 . 4填加防剝劑或石灰.

5.改變粒料級配或密度.

十二、工地檢驗

12.1簡述

HMA (Hot- Mix Asphalt )在室內作配合設計，工地就必須作些檢驗,以確保工地生產之瀝

青混凝土在施工上毫無問題，亦可以符合工地拌合公式(JMF)及允許公差，若有不良現象

亦可以調整粒料級配，甚至於瀝青含量。因此工地之檢驗規劃頗為重要。其品保試驗

項目列於表23內。

12.2工地檢驗

工地檢驗項目基於施工規範或合約而定，通常依據馬歇爾配合設計方法其因乃儀器便宜

，工地使用方便,其次Texas之轉動夯壓 ( Gyralory Compaction)亦有人使用。下列試驗項目係基

於材料檢驗用的:

1.瀝青含量: AASHTO T164, ASTM D2172，或用核子儀量測(AASHTO T237.

ASTM D4125 )。

2.粒料級配:

取樣地點可從輸送帶，熱斗料，或抽油後之粒料。

3.最大理論比重，Gmm

AASHTO T209,ASTM D2041要求室內及工地之試驗值以資比較分析空隙率。

4夯壓試體虛比重(Bulk Specific Gravity) 在拌合廠取樣夯壓試體，其夯壓次數須與配合設計者相

同，試驗方法為AASHTO T166. ASTM Dl189或D2726。

5.穩定值及流度

有些單位亦規定穩定值及流度需要控制,不過影響穩定值及流度之因素頗多，尤其是粒

料級配及瀝青含量。如果能夠將Va, 瀝青含量及級配等控制得宜，那麼穩定值及流度，

通常可以符合要求的。

12.3密度(壓實度)規範(Density Specification)

HMA之檢驗包括試驗及分析工地瀝青混合料之材質及施工後之性質，因此壓實度之要

求頗為重要。壓實度所需之分母,AI MS-2介紹三種方式如下:

1.試議室內夯打之密度(壓實度〉

試驗室之壓實度(密度)=(工地密度/室內密度 )×100-------------公式(20)

2.最大理論密度之密度(壓實度)

最大理論密度之壓實度= (工地密度/最大理論密度 )×100-------公式(21)

3.控制帶壓實度(密度) (Control Strip Density)

控制帶為工程之一部分，施工時先行試舖試壓而得之參考值，其壓實度規定為100%。

如果基於工地滾壓後之空隙為8%，那麼公式(20)之要求要達到96%以上，公式(21)要達到92%

以上，控制帶之目標值要100%，其關係可參考圖21。

12.4資料分析

1.資料分析包括與JMF之比較及逐日( Da－To－Day)之檢驗值之比較。

2.材料檢驗之資料分析

材料檢驗項目包括瀝青含量、級配及空隙率等,每一個項目皆繪製管制圖，即可以了解

相互之關係而消除其不良之原因。

3.逐日檢驗分析

逐日檢驗分析以每天每批之瀝青混凝土予以分析,可分成隨機取樣之個數試驗或每批平

均之試驗值，然後繪成如圖22 a及圖22b之管制圖 ,即可發現其變化狀況，進而了解其問題

所在。

圖21密度與空隙率關係圖

十三.結論及建議事項

13.1 AI SS- 1 1992年版、AI MS一2 1993年版及AI MS一22 1983年修訂版等同時修訂馬歇

爾配合發計準則,增列VFA控制項目。

13.2馬歇爾配合設計方法若只從AASHTO T245及ASTM Dl559之敘述，能否求出Va, VMA

及VFA等分析容積率實不得而知，因為AI MS-2之資料較為詳細清楚。

13.3 AI MS- 2 1988年版求最佳瀝青含量，以空隙率中間值，最大單位重及最大穩定值等

等三項之瀝青含量平均之,但1993年版改以空隙率中間值為基準，求VMA及VFA，能夠合

乎配合設計準則為主，同時考量道路使用狀況予以調整瀝青含量。

13.4 AI MS- 2 1993年版正式將VFA納入之主因在於VF A、VMA及Va等三種試驗值，可以互相

校核，求出適宜之瀝青混凝土材質，因此最大單位重及最大穩定值反而成為次要之項目。

13.5大顆粒瀝青混凝土(LSAM) A I稱為改良馬歇爾方法，試體尺寸及夯壓次數與美國 Kentucky州

公路局相同。

13.6 LSAM之配合設計準則，AI MS- 2僅列穩定值及流度等兩項，但KYDOH己列出

穩定值、流度、空隙率及V.M.A等，筆者建議先以KYDOH為基準予以試用,以資解決車

轍問題。

13.7 LSAM所用之級配，筆者建議使用 ASTM D3515-89及FHWA之級配規格。

13.8瀝青混凝土的耐久性與粒料及「粒料和瀝青相容性」有關本文依據AI MS- 2提

出其相關之試驗項目及試驗值之規定。

13.9工地檢驗試驗屬於品質管制範圍，其品保管制試驗已涵蓋施工階段常設之製程及施

工作業所需之瀝青混凝土試驗項目。惟仍以AI MS-22較為詳細周延，或依據AASHTO

T172等較宜。

13.10工地檢驗分析及其管制圖,係依據AI MS-2所述而列,筆者認為簡易可行,

惟重要的工程或拌合廠長期性之發展, 宜用其他類別之管制圖。

參考資料

註l.AI MS - 2， "Mix Design Methods forAsphalt Concrete and Other Hot-Mix Types" Asphalt Institute Manual Series No.2 (MS - 2) Sixth Edition. 1993.

註2.ASTM〝Road and Paving Materials Paving Management Technologies" 04. 03，1993.

註3.HRB, 17〝Development of Guidelines for Practical and Realistic Construction Specifications"

P.1965.

註4.日本道路協會[瀝青混凝土鋪裝要綱, 平成4年12月pp. 308.

註5.吳學禮「馬歇爾配合設計方法」中華顧問工程司,路面工程手冊(下冊) pp. 566

註6.Al SS- 1〝 Model Construction Specification for Asphalt Concrete

and Other Plant-Mix Types "Asphalt Institute Specification SeriesNo.1SS-1) 1992年版。

註7."KYDOH" The Kentucky Department of Highway Desin of

Large-Stone Asphalt Mixes To Minimize Ruting" TRR 1259 1990年。