水泥穩定材料

2.4.1 土壤水泥定義土壤水泥定義土壤水泥定義土壤水泥定義

美國混凝土學會(American Concrete Institute, ACI)定義，土壤水泥 (soil cement)是將水泥、土壤、骨材，以及水充分攪拌後夯實而成之 混合物，性質與低強度混凝土相近，但其與混凝土的差別在於，土壤 水泥之土顆粒並非完全被水泥砂漿包覆。

FHWA(1979)提出四種土壤穩定處理之方法，而水泥穩定處理土 壤為其中之一種土壤穩定之方法（見：張育維，2001）。

波特蘭混凝土學會(Portland Concrete Institute, PCA)定義土壤水 泥是一種土壤或者粒狀材料、水泥和水的混合物，其混合物具有高密 度，且經由水化反應後強度與耐久性皆能成長。然而土壤水泥依據改 良特點及應用條件的不同也可稱作：「水泥處理基底層」、「水泥穩 定」、「水泥改良土壤」、「水泥處理級配料」等（公共工程委員會，

2001）。

公 共 工 程 委 員 會 製 訂 之 公 共 工 程 施 工 規 範 第 02715 章 ， 將 soil-cement泛指水泥處理土壤，其定義如下：「水泥處理土壤係將土 壤、水泥及水，依照本章規定及設計圖說所示之線形、坡度、斷面及 壓實厚度等，以路拌法或其他方法予以拌和均勻充份壓實而成。」

房性中(1997)說明水泥處理土壤係指在土壤材料中加入若干比 例之水泥，藉以改善土壤之塑性、固結性或減少膨脹、收縮，因而達 到增加工程強度或承載力之目的（見：張育維，2001）。表 2-1 為波 特蘭水泥之基本特性。

水泥穩定處理土壤之主要機制為卜作蘭反應和硬化效果，也就是 因為水泥含石灰成分，石灰中之鈣離子與土壤礦物中之矽酸鹽及鋁酸 鹽產生膠結反應，形成矽鈣膠體(CSH)及鋁鈣膠體(CAH)；此種膠體 有助於顆粒間之鍵結和土壤中孔隙之填塞，對於提昇強度、降低滲水 性有相當大之助益(圖 2-9)。

一般認為水泥穩定處理土壤其工程性質之改變主要是因為水泥 之硬化，當水泥硬化作用產生時，水泥顆粒和周遭之土壤顆粒固結，

形成極強硬的骨架，可以視骨架為塞入土壤之孔隙中之填塞作用(翁 銘祥，2004)。水泥穩定處理土壤可適用於瀝青混凝土鋪面之基底層、

邊坡及路堤之穩定材料。

雖然水泥穩定處理土壤具有節省鋪面之路基材料的優點，但土壤 水泥內所產生之收縮裂縫對於鋪面之服務性仍具有極大之影響，因此 對於土壤水泥之含水量必須注意控制，使土壤水泥之收縮裂縫對鋪面 之反 射影響 降到最小，而 道路鋪 面亦能提供最佳服務品質 (ACI, 1994)。Kenneth and Cliff (2000)以美國西南部之土壤水泥護岸及填壩 護坡工程為例，提到土壤水泥與傳統工法之比較，土壤水泥具有費用 較低，施工性較佳並能縮短施工所需時間等優點，且其安全性亦經驗 證無虞(見：翁銘祥，2004)。

2.4.2 土壤穩定處理之方式土壤穩定處理之方式土壤穩定處理之方式土壤穩定處理之方式

由於現地土壤未必能完全配合工程載重之需要，因此常須透過土 壤改良之方式對土壤進行工程性質之改良，以提高穩定度，故以人工 方式處理土壤，藉改善工程性質以增加穩定性，稱之為土壤穩定處 理，如圖 2-10 所示，以水泥穩定土壤能提升強度並減低變形量。

土壤改良(soil modification)之定義為，改變土壤之液限、塑限等 物理性質，使該土樣能符合現地施工之要求，並達成工程目的；而土

壤穩定(soil stabilization)，係指改變土壤之工程性質如壓縮性、強度、

變形等力學行為，以符合工程之力學穩定要求。

方恩緒、楊延英(1989)將土壤穩定方法歸納為四大類：機械穩定 法、水泥穩定法、瀝青穩定法、化學穩定法，其運用原理及程序如下 所述。

(1)機械穩定法機械穩定法機械穩定法機械穩定法(Mechanical Stabilization)

機械穩定法係利用人力或機械夯壓作用，獲得穩定之土壤，並增 加土壤密度，提高承載力且減少沉陷發生率，夯壓過程應隨時注意最 佳含水量之控制，每種土壤應保持最佳含水量( OMC)。

利用夯實效果穩定土壤之方法包括擠壓砂樁工法、振動棒工法、

振動揚實法、強夯法、淺層振動法。工地土壤之乾密度與試驗室內測 得之最大乾密度比，即為壓實度。

土壤最大乾密度 100%

工地土壤乾密度

壓實度= ×

AASHTO規定各種路基土壤之最小壓實度如表 2-2，若土壤無法 藉夯壓獲得穩定，可摻拌適當粒料，改變土壤之級配物理性質後再行 夯壓。

此一土壤粒料穩定過程主要使用於高級公路之基層和一般公路 之底層或面層。影響土壤粒料強度之因素主要有三點：即粒料之級 配，土壤(200 號篩以下者)與粒料之配比及細粒材料(40 號篩以下者) 之塑性。

(2)水泥穩定法水泥穩定法水泥穩定法水泥穩定法(Cement Stabilization)

水泥穩定法係以水泥及水與土壤均勻拌和，並在水泥水化作用開 始前，予以充分壓實。水泥水化後，可使壓實之土壤形成硬塊，浸水 不致產生軟化，縱使霜凍作用，仍不輕易破裂。水泥土壤由於對車輪 磨蝕之抵抗較差，故不適用於面層材料，但如作為瀝青路面之基層材

料則甚為理想。水泥穩定處理基層之設置厚度通常為 15.2 公分，此 乃規定之最小厚度，如厚度超過 20.3 公分，則應分兩層或多層施工。

除含有機物土壤外，大部分土壤都能以水泥加以穩定，而水泥用 量亦隨土壤種類而異，如以體積為準，通常水泥量佔體積之 8~16%。

各類土壤之水泥用量比例如表 2-3 所示。

水泥另一用途為降低現地砂石粒料之塑性，亦可稱為減塑劑，經 研究證明，使用極少量之水泥即對於土壤之塑性指數及 CBR 值具有 顯著之影響。Wood’s(1960)將水泥穩定系統(cement-stabilized systems) 分為三大類(見：張育維，2001)：

1.土壤水泥(Soil-Cement)

土壤和水泥及水按比例加以拌合、夯壓之後硬化的產物，常用於 路面的基底層、壩堤或者溝渠襯底。

2.水泥改良土壤(Cement-Modified Soil)

以水泥改善粒料、黏土、沉泥之物理及化學性質，是一種半硬性 (semi-hardened)或非硬性(unhardened)的水泥土壤混合物，可降低基 礎或道路基底層之收縮與膨脹潛能。

3.塑性土壤水泥(Plastic Soil-Cement)

常用於有水分滲入或陡峭、不規則的難施工區域，灌置後硬度與砂 漿相似，例如不規則的水道、管溝回填的下方區域。水泥反應的機 制與石灰相類似，除了可以降低塑性指數外，對其工作性也有幫 助，水泥本身適合與低塑性砂土配合使用，並且強度隨著齡期增 加，可以提高土壤的承載力。

(3)瀝青穩定法瀝青穩定法瀝青穩定法瀝青穩定法(Asphalt Stabilization)

瀝青穩定法係以瀝青薄膜包裹土壤顆粒，以供給土壤所需之粘結 力，如為黏性土壤，此一粒輕薄膜可兼具有防水之作用，以改進黏性

土壤之品質。

黏性土壤之粘結力通常由顆粒間薄水膜之牽引而產生，一旦此水 膜為瀝青所取代，則水膜無法包裹土壤，土壤之粘結力改由瀝青膜提 供。

採用瀝青穩定法具有以下優點：(1)提供次級材料之工程性質；(2) 減少路面設計厚度及節省天然砂石資源、縮短工期；(3)可作為永久 性或暫時性的防水、防塵表層。

瀝青的種類分為地瀝青(asphalt cement)及液體瀝青，一般用於穩 定土壤者為液體瀝青。液體瀝青又細分為三種，一為地瀝青與溶劑混 和，於低溫下藉揮發而成之油溶瀝青(cut-back asphalt)；再者為地瀝 青、乳化劑及水依比例拌和而成之乳化瀝青(asphalt emulsion)；其次 為較少使用於土壤穩定之柏油(tar)。

美國瀝青學會建議以通過 200 號篩少於 25%，PI 少於 6、含砂當 量少於 25 的土壤較適合利用瀝青作土壤之穩定。

(4)化學穩定法化學穩定法化學穩定法化學穩定法(Chemical Stabilization)

化學穩定乃利用材料之膠結特性改善土壤工程性質，施工時將膠 結料及土壤均勻拌合，並予以噴灑適當水量，再施行機械夯壓(如羊 腳滾)，其原理係利用膠結材料、水及土壤三者產生之化學變化，進 而提升土壤之工程性質。

膠結材料大致可分為水泥、卜作蘭材料及不透水材料等，其中不 透水材料有瀝青、塑膠、樹脂、金屬鹽類等；卜作蘭材料係指所含氧 化矽及氧化鋁等能與水泥水化生成氫氧化鈣，或外加鹽質產生緩慢卜 索蘭水化反應，而有類似水泥水化產物之膠結性反應之任何材料，例 如石灰、飛灰、爐石等。

一般而言，以膠結穩定土壤具有下列優點：

(a)改變土壤之工程性質。

(b)不影響甚至縮短工期。

(c)降低滲透性及壓縮性。

(d)增加土壤強度即耐久性。

(e)提升次級材料用途。

(f)減少河川砂石用量。

(g)減少路面所需厚度。

(h)延長路面使用年限。

化學反應用於土壤穩定主要有下列四種方式：

(a)離子交換：乃將土壤顆粒之某種離子轉換為另一種離子，一般常 用於含粘土質之土壤改良，以石灰石及氯化鈣穩定土壤即屬此 類。

(b)沉澱：許多化合物溶液可相互作用，產生一不溶於水之新化合 物，因此沉澱而出。此產生之沉澱物有時會具有穩定性土壤之特 性，其中矽酸鈉與氯化鈣溶液化合而成之矽酸鈣即屬此類。

(c)重合：許多化合物在某些情況下，可相互或自行重合，以產生一 較大之化合物或重量較大分子。重合作用主要有兩種形式，一為 加成重合，另一種為凝縮重合。

(d)氧化：鉻鹽與木質穩定法所需穩定劑即係由氧化作用產生者。