3-1 煤灰材料組成
本研究為充分瞭解煤灰主要材料組成，以作為後續試驗規劃參考 和校正之依據，參考台灣電力股份有限公司 (2006)和相關技術報告 將煤灰之生產流程和材料組成說明如下。一般而言，火力發電廠燃燒 煤炭所產生的殘存固態產物統稱為煤灰(coal ash)，以台灣火力發電廠 之燃煤經驗而言，大都先將煤炭磨成粉狀微粒，噴入鍋爐燃燒後，約 有 3/4 的微細灰會隨著燃氣上升，當煙氣依照煙道流到靜電集塵器 時，煙氣中全部的微細灰會被吸附下來，此部分的煤灰稱為飛灰，而 另 1/4 的煤灰粒徑較粗(0.05mm~ 50mm)、質量較重，直接掉到燃煤 機組鍋爐底部，從底部灰斗取出的灰渣稱為底灰，二者總稱為煤灰(圖 3-1 為其生產流程)。至於，煤灰之組合材料主要由矽、鋁、鐵、鈣等 氧化物組合而成，為區分飛灰和底灰特性以增加對其工程性質之瞭 解，茲將其物理及化學特性分別說明如下：
1. 飛灰之物理與化學性質：飛灰為微細粉末，顆粒主要呈中空球形 狀，其比重較一般土壤為低，且液限、塑限都較高，塑性指數較 低，並具有一定活性。所以飛灰具有輕質性、流動性、且無塑性，
以及毛細管作用力強等特性。而其化學成分(如表 3-1)主要包含有 氧化矽(SiO2)、氧化鐵(Fe2O3)及氧化鋁(Al2O3)，次要成分包含氧化 鈣(CaO)、氧化硫(SO3)、氧化鉀(K2O)、氧化鎂(MgO)、氧化鈉(Na2O) 以及燃燒未完全的碳(金永斌，1995)。
2. 底灰之物理與化學性質：底灰除顆粒較粗糙外，其化學成分(如表 3-2)大致和飛灰一樣以氧化矽(SiO2)、氧化鐵(Fe2O3)及氧化鋁 (Al2O3)、氧化鈣(CaO)、氧化硫(SO3)、氧化鉀(K2O)、氧化鎂(MgO)、
氧化鈉(Na2O)為主，但是底灰之鐵含量較飛灰為多，表面粗糙為不
規則結構，微粒也較粗。煤灰因含有氧化鈣等物質，使得煤灰在 儲放過程中或用於回填時，常發生一定的凝硬作用，使其力學性 質隨時間發生變化。
圖3-1 燃煤電廠之煤灰生產流程圖 (重繪自台灣電力股份有限公司，2006)
表3-1 飛灰化學組成之試驗分析結果(台中灰塘樣本)
試樣編號 飛灰
(台中電廠樣本-1)
飛灰
(台中電廠樣本-2)
乾 基
SiO2 (%) 52.72 52.24
Al2O3 (%) 19.86 19.46
Fe2O3 (%) 7.50 7.39
CaO (%) 5.14 5.32 MgO (%) 1.79 1.83 Na2O (%) 0.75 0.75 K2O (%) 1.22 1.18
SO3 (%) 1.13 1.03
灼熱減量 (%) 8.07 7.58
含水量 (%) 0.18 0.45
PH 值 (水:灰=1:1) 11.37 11.65
表3-2 底灰化學組成之試驗分析結果(台中灰塘樣本)
試樣編號 底灰
(台中電廠樣本-1)
底灰
(台中電廠樣本-2)
乾 基
SiO2 (%) 53.41 59.27
Al2O3 (%) 13.91 19.41
Fe2O3 (%) 17.83 9.49
CaO (%) 8.93 2.82 MgO (%) 4.25 0.76 Na2O (%) 0.95 0.19 K2O (%) 0.74 0.76
SO3 (%) 0.60 0.55
灼熱減量 (%) 3.02 6.21
含水量 (%) 0.46 0.22
PH 值 (水:灰=1:1) 9.68 9.61
3-2 煤灰基本物理性質
灰塘裏的煤灰一般由不同比例的飛灰、底灰和爐渣組合而成，且 其物理性質隨組成材料之比例和水力排放堆積距離的不同而有所差 異。因此，煤灰改良施作前仍有必要對其物理性質(土壤分類、比重、
密度、含水量及阿太堡液性限度…等)有相當程度的認識，才可充分 瞭解其工程性質，以利現地試驗之規劃，故本研究以台中灰塘為例，
分別取其表層煤灰和沿灰塘深度進行取樣，並規劃一系列之室內試驗 以探討煤灰各項指標參數的變化(如表 3-3 為物理性質試驗項目和施 做參考標準)，茲說明如下：
1. 粒徑分析試驗：
本研究在台中灰塘取樣時發現，灰塘表層下方之煤灰因夾雜少量 黏灰而有塊狀堆疊現象(圖 3-2)，因此為探討表層煤灰和塊狀堆疊煤 灰之組成差異，和瞭解其與純飛灰、純底灰和不同比例之煤灰組成的 粒徑分佈情況，分別採用篩分析(sieve analysis)和比重分析(hydrometer analysis)進行試驗。如圖 3-3 由試驗結果發現，純底灰和純飛灰之曲
率相似，皆屬優良級配，但純底灰之顆粒尺寸較大，大都集中在#10~#2 準(AASHTO soil classification)可分類為粉土或砂土(ML-SM)。
表3-3 煤灰物理性質試驗項目、施做依據規範和產出參數 (台中灰塘樣本)
試驗項目 依據規範 產出參數
1. 粒徑分析試驗 ASTM D452-85 ASTM D422-63
煤灰粒徑分佈曲線、
ASTM D4253-83
現 地 煤 灰 最 大 乾 密 度、最小乾密度和孔 隙比
6. 阿太堡試驗 ASTM D4318-84 ASTM D427-83
煤灰液限指數和塑限 content)較多(細粒料含量高達 15%)，其 SPT-N 值為 12，於統一土壤 分類標準中亦可分類為粉土或砂土(ML-SM)。
0.001 0.010
0.100 1.000
10.000 100.000
Particle Size (mm)
020 40 60 80 100
Percent Finer (%)
Bottom ash Fly ash
Bottom ash (75%) + Fly ash (25%) Bottom ash (50%) + Fly ash (50%) Coal ash (Taichung damp site) Block coal ash (Taichung damp site)
Gravel Coarse sand Medium sand Fine sand Silt
圖3-2 台中灰塘表層下方煤灰之塊狀堆疊情形
圖3-3 台中灰塘煤灰之粒徑分佈曲線
0 6 12 18 SPT-N Value
0 25 50 75 100
Grain Size Distribution (%)
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Depth (m)
< 0.075 mm <
< 0.002 mm <
Soil Classification
？
SP | SM
SM ML 1.5 m
圖3-4 台中灰塘煤灰沿深度變化之 SPT-N 值和粒徑分佈情形 2. 含水量試驗
由於欲改良土壤之含水量是為地盤改良配比和施工參數設計之 重要參考依據，本研究依上述試驗內容分別沿灰塘深度進行含水量試 驗，由試驗結果發現，因灰塘之高地下水位影響，大多數煤灰常年浸 漬於地下水位之下，其含水量隨深度加深而增加(表 3-4)，但仍須注 意，隨現地情況的不同，煤灰表層之含水量的多寡和取樣當時的降雨 情形、溫度以及地下水位高程的變化有直接關係。
表3-4 台中灰塘煤灰之含水量試驗結果 樣本
含水量(%) Sample 1 Sample 2 Sample 3 平均
表層煤灰 28 27 29 28%
地表下 1.5 m 37 31 35 34%
地表下 4.5 m 43 35 35 38%
地表下 7.5 m 74 80 74 76%
3. 比重
一般而言，砂性土壤之比重約為 2.67，黏土比重約介於 2.6~2.9 之間，本研究由比重試驗結果發現：灰塘煤灰之比重沿深度變化大約 介於1.97~2.18(表 3-5)較一般土壤為輕，此結果與吉興工程 (2009)之 實驗結果類似(介於 1.89~2.26)，證明本研究之可靠性。但因燃煤發電 後產出之大量煤灰，以水力排放方式填注至臨海灰塘內，因此其堆積 分布相當不均勻，比重輕的會被沖到遠處，比重重者則先行沉澱，故 現地之比重變異性相當大。
表3-5 台中灰塘煤灰之比重試驗結果 樣本
比 重 Sample 1 Sample 2 Sample 3 平均 表層煤灰 2.18 2.16 2.25 2.18 地表下 1.5 m 2.04 1.99 2.01 2.01 地表下 4.5 m 1.96 1.97 1.97 1.97 地表下 7.5 m 2.12 2.09 2.07 2.09 4. 單位重
同煤灰含水量說明，單位重亦為地盤改良配比和施工參數之重要 參考依據，本研究由乾(濕)單位重試驗結果得知，沿灰塘深度變化其 乾 單 位 重 約 介 於 4.25 ~ 6.49 /kN m3 ， 濕 單 位 重 約 介 於
7.48 ~ 8.92 /kN m3(表 3-6)，後續現地改良試作工法可以此結果做為參
考依據。
表3-6 台中灰塘煤灰之單位重試驗結果
max min .max .min
( )
表3-8 台中灰塘煤灰之孔隙比試驗結果 樣本
孔隙比 Sample 1 Sample 2 Sample 3 平均 表層煤灰 1.18 1.11 1.06 1.12 地表下 1.5 m 0.75 0.73 0.60 0.70 地表下 4.5 m 0.84 1.06 1.19 1.03 地表下 7.5 m 1.43 1.27 1.13 1.28 6. 阿太堡試驗
由於取樣煤灰之含水量豐富，於阿太堡試驗時，因土樣有泌水現 象，使得土樣凹槽閉合受泌水控制而非真正土體之滑動，故試驗所得 之液性限度(Liquid Limit, LL)變化非常大，約介於 30%~70%(一般土 壤約為16%~32%)，較無實際參考價值。此外，由塑性實驗時因無法 搓成直徑 3mm 之土條，無法得出實驗數據，可判定整體灰塘之煤灰 皆不具塑性(No Plastic，N.P.)。
3-3 煤灰基本力學性質
一般工程分析、設計及施工，除需藉由土壤之物理性質試驗結果 提供相關指標參數，以增加工程師對地質狀況和特性之瞭解外，現地 土壤之強度、壓縮性和透水性等力學參數更為直接影響工程成敗之關 鍵參數。因此，同前節之試驗樣本說明，將相關力學參數試驗結果說 明如下(表 3-9 為力學性質試驗項目和施做參考標準)：
1. 剪力強度試驗
剪力強度試驗的種類有好幾種，包含直接剪力試驗、無圍壓縮試 驗、三軸試驗和動態強度試驗等。本研究考量僅欲求得直剪強度參數 c'和'(直接剪力試驗係假設試驗土樣為完全排水狀態)，以作為長期 穩定分析之依據，謹以最簡單之直接剪力試驗作為試驗標準。如圖 3-5 為本試驗使用之直接剪力儀器，係由英國 ELE 公司所產製
(EL28-009 SERIES)，衡圈最大荷重為2 kN ，測微錶之讀數範圍為 1.5cm、最小讀數為 0.02mm、直剪盒長寬為 10cm×10cm、高為 5cm。
表3-9 煤灰力學性質試驗項目、施做依據規範和產出參數 (台中灰塘樣本)
試驗項目 依據規範 產出參數
1. 剪力強度試驗 ASTM D3080-90 有效凝聚力(c')及有 效摩擦角(
')2. 單向度壓密試驗 ASTM D2435-96
壓縮係數(av )、體積 壓縮係數(mv)、壓縮 指數(Cc)、回脹指數 (Cs)、壓密係數(Cv)、
滲透係數(k)
3. 三軸試驗
(壓密不排水) ASTM D4767-04
凝聚力(c)、摩擦角 ( ) 、 有 效 凝 聚 力 ( c' ) 、 有 效 摩 擦 角 (
')、模氏模數(切線 模數及割線模數…)圖3-5 直接剪力強度試驗儀器 (產製型號：EL28-009 SERIES) 一般而言，直接剪力試驗可以乾搗方式或靜壓方式進行試驗，但 因乾搗方式係以分層搗實將試驗樣本置入直剪盒內，不易控制試驗體
積且無法合理反應現地土層所受靜壓，故本研究係以靜壓方式進行試
Shear Stress (kg/cm2)
Mohr-Coulomb Model
Normal Stress= 1.0 (kg/cm2) Normal Stress= 2.0 (kg/cm2) Normal Stress= 4.0 (kg/cm2)
Sample 1
0.0E+0 2.0E-1 4.0E-1 6.0E-1 8.0E-1 Horiztonal Displacement (cm)
0 1 2 3 4
Shear Stress (kg/cm2)
Direct Shear Test Normal Stress= 1.0 (kg/cm2)
Shear Stress (kg/cm2)
Sample 2 Mohr-Coulomb Model
Normal Stress= 1.0 (kg/cm2) Normal Stress= 2.0 (kg/cm2) Normal Stress= 4.0 (kg/cm2)
0.0E+0 2.0E-1 4.0E-1 6.0E-1 8.0E-1 1.0E+0 Horiztonal Displacement (cm)
0 1 2 3 4
Shear Stress (kg/cm2)
Sample 2 Direct Shear Test
Normal Stress= 1.0 (kg/cm2)
0 2 4 6 8
Shear Stress (kg/cm2)
Sample 3 Mohr-Coulomb Model
Normal Stress= 1.0 (kg/cm2) Normal Stress= 2.0 (kg/cm2) Normal Stress= 4.0 (kg/cm2)
0.0E+0 2.0E-1 4.0E-1 6.0E-1 8.0E-1 1.0E+0 Horiztonal Displacement (cm)
0 1 2 3 4
Shear Stress (kg/cm2)
Sample 3 Direct Shear Test
Normal Stress= 1.0 (kg/cm2)
Shear Stress (kg/cm2)
Sample 1 Mohr-Coulomb Model
Normal Stress= 1.0 (kg/cm2) Normal Stress= 2.0 (kg/cm2) Normal Stress= 4.0 (kg/cm2)
0.0E+0 1.0E-1 2.0E-1 3.0E-1 4.0E-1 5.0E-1 Horiztonal Displacement (cm)
0 1 2 3 4
Shear Stress (kg/cm2)
Sample 1 Direct Shear Test
Normal Stress= 1.0 (kg/cm2) Normal Stress= 2.0 (kg/cm2) Normal Stress= 4.0 (kg/cm2)
(a) 剪應力-正向應力關係圖 (b) 剪應力-位關關係曲線
Shear Stress (kg/cm2)
Sample 2 Mohr-Coulomb Model
Normal Stress= 1.0 (kg/cm2) Normal Stress= 2.0 (kg/cm2) Normal Stress= 4.0 (kg/cm2)
0.0E+0 2.0E-1 4.0E-1 6.0E-1 8.0E-1 1.0E+0 Horiztonal Displacement (cm)
0 1 2 3 4
Shear Stress (kg/cm2)
Sample 2 Direct Shear Test
Normal Stress= 1.0 (kg/cm2) Normal Stress= 2.0 (kg/cm2) Normal Stress= 4.0 (kg/cm2)
(a) 剪應力-正向應力關係圖 (b) 剪應力-位關關係曲線
0 2 4 6 8
Shear Stress (kg/cm2)
Sample 3 Mohr-Coulomb Model
Normal Stress= 1.0 (kg/cm2) Normal Stress= 2.0 (kg/cm2) Normal Stress= 4.0 (kg/cm2)
0.0E+0 2.0E-1 4.0E-1 6.0E-1 8.0E-1 1.0E+0 Horiztonal Displacement (cm)
0 1 2 3 4
Shear Stress (kg/cm2)
Sample 3 Direct Shear Test
Normal Stress= 1.0 (kg/cm2)
Shear Stress (kg/cm2)
Sample 1 Mohr-Coulomb Model
Normal Stress= 1.0 (kg/cm2) Normal Stress= 2.0 (kg/cm2) Normal Stress= 4.0 (kg/cm2)
0.0E+0 2.0E-1 4.0E-1 6.0E-1
Horiztonal Displacement (cm) 0
1 2 3 4
Shear Stress (kg/cm2)
Sample 1 Direct Shear Test
Normal Stress= 1.0 (kg/cm2)
Shear Stress (kg/cm2)
Sample 2 Mohr-Coulomb Model
Normal Stress= 1.0 (kg/cm2) Normal Stress= 2.0 (kg/cm2) Normal Stress= 4.0 (kg/cm2)
0.0E+0 1.0E-1 2.0E-1 3.0E-1 4.0E-1 5.0E-1 Horiztonal Displacement (cm)
0 1 2 3 4
Shear Stress (kg/cm2)
Sample 2 Direct Shear Test
Normal Stress= 1.0 (kg/cm2)
0 2 4 6 8
Shear Stress (kg/cm2)
Sample 3 Mohr-Coulomb Model
Normal Stress= 1.0 (kg/cm2) Normal Stress= 2.0 (kg/cm2) Normal Stress= 4.0 (kg/cm2)
0.0E+0 1.0E-1 2.0E-1 3.0E-1 4.0E-1 Horiztonal Displacement (cm)
0 1 2 3 4
Shear Stress (kg/cm2)
Sample 3 Direct Shear Test
Normal Stress= 1.0 (kg/cm2)
壓，量測其回脹量，並持續再加壓以測定相關參數。因此，當設定施 Taylor Time Fitting Method
(a) 壓密曲線圖 (b) 加載平方根時間調整圖 Taylor Time Fitting Method
(a) 壓密曲線圖 (b) 加載平方根時間調整圖 圖 3-16 台中灰塘單向度壓密試驗結果(地表下 1.5 m，Sample 2)
0 1 10 100 Taylor Time Fitting Method
(a) 壓密曲線圖 (b) 加載平方根時間調整圖 Taylor Time Fitting Method
(a) 壓密曲線圖 (b) 加載平方根時間調整圖
Settlement ( mm )
Sample 2 Taylor Time Fitting Method
(a) 壓密曲線圖 (b) 加載平方根時間調整圖 圖 3-19 台中灰塘單向度壓密試驗結果(地表下 4.5 m，Sample 2)
0 1 10 100 Taylor Time Fitting Method
(a) 壓密曲線圖 (b) 加載平方根時間調整圖 Taylor Time Fitting Method
(a) 壓密曲線圖 (b) 加載平方根時間調整圖 Taylor Time Fitting Method
(a) 壓密曲線圖 (b) 加載平方根時間調整圖 圖 3-22 台中灰塘單向度壓密試驗結果(地表下 7.5 m，Sample 2)
0 1 10 100
Settlement ( mm )
Sample 3 Taylor Time Fitting Method
(a) 壓密曲線圖 (b) 加載平方根時間調整圖
Cc 0.0210 0.0240 0.0233 0.0228 Cs 0.0026 0.0025 0.0026 0.0026
2/ sec
av 0.0021 0.0006 0.0014 0.0014 mv 0.0010 0.0003 0.0007 0.0007 Cc 0.0281 0.0079 0.0180 0.0180 Cs 0.0015 0.0056 0.0053 0.0041
2/ sec
Cv cm 0.0318 0.0285 0.0261 0.0288
/ sec
k cm 1.01 10 4 1.11 10 4 1.15 10 4 1.09 10 4
地表下 4.5 m
av 0.0015 0.0021 0.0015 0.0017 mv 0.0008 0.0011 0.0007 0.0009 Cc 0.0196 0.0281 0.0193 0.0223 Cs 0.0008 0.0012 0.0011 0.0010
2/ sec
Cv cm 0.0459 0.0256 0.0314 0.0343
/ sec
k cm 1.76 10 4 1.65 10 4 1.59 10 4 1.67 10 4 地表下 av 0.0013 0.0028 0.0295 0.0112
Cc 0.0176 0.0370 0.0245 0.0264 Cs 0.0001 0.0015 0.0015 0.0010
2/ sec
Cv cm 0.0246 0.0139 0.0217 0.0200
/ sec
k cm 1.29 10 4 1.20 10 4 1.25 10 4 1.25 10 4
3. 三軸試驗
三軸壓縮試驗是一般土壤強度試驗中最精密的試驗，試驗過程依 據排水狀況可區分為不壓密不排水(Unconsolidated Undrained, UU)、
壓密不排水(Consolidated Undrained, CU)和壓密排水(Consolidated Drained, CD)三種試驗。本研究為探討直接剪力試驗所得參數之可靠 性，並進一步瞭解有效應力狀態下，現地煤灰之強度情況以及代表模 數值(切線模數、割線模數、E50、E70)，乃採用三軸壓密不排水試驗 進行試驗，如圖3-24 為三軸透水試驗儀器設備。
圖3-24 三軸試驗儀器設備
由於三軸試驗較精密且相對其他試驗耗時許多，因此試驗結果之 可靠度與試驗取樣品質和試驗程序具有相當程度之關聯性。同上述試 驗樣本數說明，本研究參考現地覆土厚度分別取有效圍壓1 /
kg cm 、
22 /