砂土質預拌土壤材料工程性質研究

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行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

砂土質預拌土壤材料工程性質研究

研究成果報告(精簡版)

計 畫 類 別 : 個別型 計 畫 編 號 : NSC 100-2221-E-151-047- 執 行 期 間 : 100 年 08 月 01 日至 101 年 07 月 31 日 執 行 單 位 : 國立高雄應用科技大學土木工程系 計 畫 主 持 人 : 沈永年 計畫參與人員: 碩士班研究生-兼任助理人員:鄭力豪 碩士班研究生-兼任助理人員:廖盈如 碩士班研究生-兼任助理人員:周佳晏 博士班研究生-兼任助理人員:孫德和 博士班研究生-兼任助理人員:LeDucHien 公 開 資 訊 : 本計畫涉及專利或其他智慧財產權,1 年後可公開查詢

中 華 民 國 101 年 10 月 29 日

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中 文 摘 要 : 以荖濃溪河川淤砂與現場開挖剩餘土石方產製砂土質預拌土 壤材料,並以作為管溝回填材料,可有效紓解砂石資源短缺 及剩餘土石方處理等問題,並有效減少天然砂石的使用和提 升剩餘土石方再生使用率。本研究採用水膠比 3.4 配製出 12 組砂土質預拌土壤材料,膠結料(水泥+爐石)用量為 95 kg/m3,其中爐石含量分別為 0%、10%、20%、30%。試驗齡期 為 1、7、28、56 及 91 天進行抗壓強度試驗、落沉試驗與模 擬平鈑載重試驗,並藉由非破壞檢測以超音波試驗與反彈錘 試驗建立發展趨勢及抗壓強度之關係性,探討以河川淤砂製 成預拌土壤材料之工程性質。研究結果顯示,在新拌性質方 面,12 組配比皆滿足新拌性質設計目標坍度大於 200mm、坍 流度大於 400mm、修正坍流度大於 150 mm,具有良好工作性 質。其凝結時間皆隨著爐石含量的增加而延長。在抗壓強度 方面,12 組配比皆符合 1 天設計抗壓強度大於 1.3 kgf/cm2,28 天齡期之抗壓強度小於 30 kgf/cm2 均符合再開 挖性之需求。考量管溝回填材料能提供短期車輛通行之功 能,由模擬平鈑載重試驗結果顯示,爐石含量 20%以內,具 有足夠供 21 噸車輛通行的道路承載力。 中文關鍵詞: 預拌土壤材料、河川淤砂、非破壞檢測、模擬平鈑載重試驗 英 文 摘 要 : The combination use of Laonung river silt and

excavated remaining earth and gravel to produce Ready Mixed Soil as backfilled materials, which can be effectively alleviated the shortage of sandstone and the remaining earth and gravel. Cement with amount 95 kg/m3 was replaced by slag powder with ratio for 0%、 10%、20%、30% . Set W/B=3.4, to produce 12 groups of ready mixed soil materials. The compressive strength tests, ball drop tests and modify field loading tests were carried out on specimen at the age 1, 7, 28, 56, and 91days. The relationship on compressive strength between the NDT method (including ultrasonic test, rebound hammer test) and compressive test were established. Engineering properties of sandy ready mixed soil materials were investigate with river silt. The results showed that 12 groups of allocated proportion conform the design goals of slump>200mm, slump flow>400mm, and modified slump>150mm of fresh properties also meet the high workability

requirements. The initial setting time can be extended with the increasing in ratio of slag were

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replaced by cement. Another results showed that 12 ratios of the compressive strength can be meet the requirements of design strength at the age of 1 day is greater than 1.3 kgf/cm2, the compressive strength that less than 30 kgf/cm2 meet demand of

re-excavation in 28 days. Consideration of trench

backfill materials can provide the short-term vehicle passing function, through the modified field loading tests at the age of 1 day. The results showed that with the slag used to replace cement in less than 20% can provide enough strength for the 21 -ton truck passage.

英文關鍵詞: Ready-Mixed Soil Materials,River Silt,Non-Destructive Testing,Modify Field Loading Tests

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行政院國家科學委員會補助專題研究計畫

■成果報告

□期中進度報告

砂土質預拌土壤材料工程性質研究

計畫類別:■個別型計畫 □整合型計畫

計畫編號:NSC100-2221-E-151-047

執行期間:

2011 年 8 月 1 日至 2012 年 7 月 31 日

執行機構及系所:國立高雄應用科技大學土木工程系

計畫主持人:沈永年 副教授

計畫參與人員:

孫德和、鄭力豪、廖盈如、周佳晏、黎德顯

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交):■精簡報告 □完整報告

本計畫除繳交成果報告外,另須繳交以下出國心得報告:

□赴國外出差或研習心得報告

□赴大陸地區出差或研習心得報告

□出席國際學術會議心得報告

□國際合作研究計畫國外研究報告

處理方式:

除列管計畫及下列情形者外,得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權,□一年■二年後可公開查詢

中 華 民 國 101 年 7 月 31

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告 計畫編號:NSC100-2221-E-151-047 執行期間:2011 年 8 月 1 日至 2012 年 7 月 31 日 計畫主持人:沈永年 國立高雄應用科技大學 土木工程與防災科技研究所 副教授 摘要 以荖濃溪河川淤砂與現場開挖剩餘土石方產 製砂土質預拌土壤材料,並以作為管溝回填材 料,可有效紓解砂石資源短缺及剩餘土石方處理 等問題,並有效減少天然砂石的使用和提升剩餘 土石方再生使用率。本研究採用水膠比 3.4 配製 出 12 組砂土質預拌土壤材料,膠結料(水泥+爐石) 用量為 95 kg/m3,其中爐石含量分別為 0%、10%、 20%、30%。試驗齡期為 1、7、28、56 及 91 天進 行抗壓強度試驗、落沉試驗與模擬平鈑載重試 驗,並藉由非破壞檢測以超音波試驗與反彈錘試 驗建立發展趨勢及抗壓強度之關係性,探討以河 川淤砂製成預拌土壤材料之工程性質。研究結果 顯示,在新拌性質方面,12 組配比皆滿足新拌性 質 設 計 目 標 坍 度 大 於 200mm 、 坍 流 度 大 於 400mm、修正坍流度大於 150 mm,具有良好工作 性質。其凝結時間皆隨著爐石含量的增加而延 長。在抗壓強度方面,12 組配比皆符合 1 天設計 抗壓強度大於 1.3 kgf/cm2,28 天齡期之抗壓強度 小於 30 kgf/cm2均符合再開挖性之需求。考量管 溝回填材料能提供短期車輛通行之功能,由模擬 平鈑載重試驗結果顯示,爐石含量 20%以內,具 有足夠供 21 噸車輛通行的道路承載力。 關鍵詞:預拌土壤材料、河川淤砂、非破壞檢測、 模擬平鈑載重試驗 Abstract

The combination use of Laonung river silt and excavated remaining earth and gravel to produce Ready Mixed Soil as backfilled materials, which can be effectively alleviated the shortage of sandstone and the remaining earth and gravel. Cement with amount 95 kg/m3 was replaced by slag powder with ratio for 0%、10%、20%、30% . Set W/B=3.4, to produce 12 groups of ready mixed soil materials. The compressive strength tests, ball drop tests and modify field loading tests were carried out on specimen at the age 1, 7, 28, 56, and 91days. The relationship on compressive strength between the NDT method (including ultrasonic test, rebound hammer test) and compressive test were established.

Engineering properties of sandy ready mixed soil materials were investigate with river silt. The results showed that 12 groups of allocated proportion conform the design goals of slump>200mm, slump flow>400mm, and modified slump>150mm of fresh properties also meet the high workability requirements. The initial setting time can be extended with the increasing in ratio of slag were replaced by cement. Another results showed that 12 ratios of the compressive strength can be meet the requirements of design strength at the age of 1 day is greater than 1.3 kgf/cm2, the compressive strength that less than 30 kgf/cm2 meet demand of re-excavation in 28 days. Consideration of trench backfill materials can provide the short-term vehicle passing function, through the modified field loading tests at the age of 1 day. The results showed that with the slag used to replace cement in less than 20% can provide enough strength for the 21 -ton truck passage.

Keyword:Ready-Mixed Soil Materials,River Silt,

Non-Destructive Testing , Modify Field Loading Tests 一、前言 社會進步人民生活品質提升,在講求城市美 觀下,電纜(線)地下化、排水及汙水管道亦需地下 化,導致使地下管線日益增多,道路開挖頻率隨 之增加,但既有道路進行挖掘後因回填施工作業 不確實,導致路面形成凹凸不平之缺失。此凹凸 不平路面缺失,不僅降低道路原設計之服務水 準,更會影響人車安全[1] 。世界各個國家為提昇填 方工程品質、降低人力成本與交通之影響衝擊, 發展出一種低強度且具自流動性、自充填性之回 填材料,可稱為控制性低強度材料(Controlled Low Strength Materials,簡稱 CLSM),廣泛應用於基礎 構造物及回填工程上[2~4] 。CLSM 材料雖然改善了 傳統回填料施工品質與效率,但有時會因 CLSM 材料晚期強度過高,造成後續再開挖之困難;並 且 CLSM 材料使用大量粗細骨材,即其資源環保 效用較差。由於許多土木營建工程施工中,開挖 回填是項必須進行的項目,但回填材料之品質與 施工良窳對結構物品質與使用性能有直接的影

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3 響。台灣目前已限制開採砂石,造成砂石產量短 缺。近年來已朝向投入新的 CLSM 材料開發,並 具 CLSM 材料自流動性與自充填性,還能改善 CLSM 後期強度過高,而造成後續開挖困擾,及 使用砂石環保效應較差等缺點,此種材料稱為預 拌 土 壤 材 料 (Ready–Mixed Soil Material , 簡 稱 RMSM)[5~8]。RMSM 材料係將開挖土壤經分類調配 後 再 加 以 利 用 產 製 , 故 以 剩 餘 土 石 方 產 製 之 RMSM 材料,作為回填材料,其性質介於 CLSM 與 Soil Cement[5] ,在拌合過程中需使用了大量拌 合水、砂土以及少量水泥,形成鬆散狀構造,來 達到低強度的特性。此種新型回填材料具有低強 度、高流動性以及再開挖性之性質,符合回填工 程性質之需求[9] 。在施工過程中無需夯實及碾壓, 並且利用水泥之凝結特性,以滿足基底層的承載 力需求,解決許多回填工程施作時所面臨的問題 [10] 。更可解決台灣砂石資源短缺、剩餘土石方處 理應用與提升道路開挖回填施工品質等問題。本 研究計畫目的旨在利用河川淤砂以產製 RMSM 材料,開發出 SRMSM 材料。在工程實用上,以 SRMSM 材料取代傳統回填材料,在 24 小時後通 車,不會因回填不實導致路面下陷問題。 莫拉克颱風在臺灣南部降下破紀錄的暴雨, 造成南部山區受到重創,更導致多處林班地、山 坡地,因為豐沛的雨量引發山崩、地滑與土砂災 害[11] 。水利署第七河川局於莫拉克颱風後利用航 照圖初估,高屏溪流域河川淤積土石約 2 億立方 公尺,其中約 1.5 億立方公尺淤積於上游,屬於 第七河川局需就急處理之瓶頸河段。由於莫拉克 颱風八八水災之影響,洪流挾帶大量由上游集水 區而下之土石,造成下游地區堤防、橋樑、道路 等設施嚴重損壞及河床淤積。高屏溪水系主要支 流包括荖濃溪、隘寮溪、旗山溪等,河道均淤積 大量土石;為疏導水流、增加通洪斷面,淤積土 石需予以疏濬、清除,以維護河川防空安全[12] 。 莫拉克風災後所產生之超大量河川淤砂,必須立 即加以設法處理疏濬解決,以維護河川防空安 全。此以莫拉克風災高屏溪流域之河川淤砂製成 之 SRMSM 材料,具有資源回收再利用之環保 性,不僅可減少對環境污染的衝擊,更可達到解 決莫拉克風災高屏溪流域河川淤砂問題及資源材 有效應用之目標。 二、研究方法 本研究係探討以莫拉克風災高屏溪主流之荖 濃溪河川淤砂製成預拌土壤材料之工程性質,研 究項目包括:抗壓強度、超音波波速及掃描式電子 顯微鏡觀測等試驗,探討砂土質預拌土壤材料之 施工性質與應用性。並探討砂土質預拌土壤材料 之力學性質與非破壞檢測方法,藉由非破壞試驗 方法評估其施工品質、強度發展特性,以落沉儀 及反彈錘在 RMSM 材料之施工品質檢測應用。目 的在建立以高屏溪主流之荖濃溪河川淤砂製成砂 土質預拌土壤材料之工程性質基本資料,及應用 非破壞試驗方法來評估砂土質預拌土壤材料之強 度發展與施工品質。 2.1 試驗材料 本研究使用之水泥為品牌水泥第 I 型,性質符 合 CNS 61 規定;爐石粉採用中聯資源所生產之水 淬高爐石粉(100 級),符合 CNS 12549 規範。;細 粒料來自高屏溪流域主流之荖濃溪下游河川淤 砂,統一土壤分類法為 SP,比重 2.66,吸水率 3.5%,經由篩分析試驗,符合 ASTM C33 規定, 河川淤砂粒徑分佈圖如圖 1 所示。土壤取至工地 開挖之剩餘土石方,統一土壤分類法為 SP-SM, 比重 2.69,最佳含水率 12%,土壤粒徑分佈圖如 圖 2 所示。材料基本性質如表 1 所示。 2.2 配比設計 本研究考量到環境保護及經濟效益的觀念, 採用爐石取代部分水泥及應用河川淤砂與工程開 挖之剩餘土石方產製砂土質預拌土壤材料來進行 試驗。水膠比為 3.4,以 6:4、5:5、4:6 三種土壤 比例組合配比設計,膠結用量為(水泥+爐石)固定 95 kg/m3,分別以爐石取代水泥用量 0%、10%、 20%、30%,配比表如表 2 所示。 三、結果與分析 3.1 工作性 由表3與圖3至圖5所示,在6:4、5:5及4:6三種 土 壤 比 例 中 , 坍 度 值 分 別 為 245~265mm 、 255~275mm 及 267~280mm , 坍 流 度 值 分 別 為 410~540mm、466~592mm及516~772mm,修正坍 流 度 值 分 別 為 156~223mm 、 161~245mm 及 187~270mm。結果顯示,12組配比符合新拌性質 設計目標為坍度200mm、坍流度400mm、修正坍 流度150mm以上。隨著爐石含量(0%、10%、20%、

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30%)以及剩餘土石方含量 (6:4<5:5<4:6) 的增 加時,工作性有相對明顯的提升。其中又以土壤 比例4:6時,坍度值、坍流度值及修正坍流度值皆 為最佳。探討其原因,係因為爐石粉之表面較水 泥不吸附水分,使游離水增加,在相同的用水量 之下,亦增加了工作性;而剩餘土石方經統一土 壤分類法為SP-SM,因含# 200之土粒較少,故剩餘 土石方含量增加時工作性有明顯的提升。 3.2 貫入度試驗 砂土質預拌土壤材料是應用於開挖之管溝回 填,對於可繼續施工以及鋪築面層承載力的時間 要求上是以回填材料之貫入強度達 400psi 時,即 認定可繼續施工。由表 4 所示,在 6:4、5:5 及 4:6 三種土壤比例中的凝結時間分別為 805 至 1086 min、855 至 1135 min 及 902 至 1500 min。結果顯 示,凝結時間與土壤比例及爐石含量有著高度的 相關性,在固定水膠比的條件之下,其凝結時間 會隨著爐石含量(0%、10%、20%、30%)以及剩餘 土石方比例 (6:4<5:5<4:6) 的增加時,相對延長 了凝結時間。 3.3 抗壓強度試驗 由表 5 所示,在 6:4、5:5 及 4:6 三種土壤比 例中,12 組配比符合 1 天齡期設計抗壓強度為 1.3 kgf/cm2 以 上 , 28 天 齡 期 抗 壓 強 度 控 制 在 30 kgf/cm2以下之要求。預拌土壤材料符合 1 天抗壓 強度低於 3.5 kgf/cm2,僅需人工開挖方式即可完 成,且 28 天抗壓強度介於 5~30 kgf/cm2可以用小 型挖土機完成開挖[2] 。結果顯示,隨著爐石含量 (0%、10%、20%、30%)的增加而抗壓強度有下降 的趨勢,然而在固定水膠比及相同齡期的條件 下,隨著河川於砂含量增加(6:4>5:5>4:6)而有較 佳的抗壓強度,其中又以土壤比例 6:4 時,抗壓 強度為最佳。主要是河川淤砂屬於 SP,本身的剪 力強度比土壤高,因此淤砂含量增加,所產製的 預拌土壤材料強度會偏高。由於使用低膠結用料 情況下,於 28 天齡期以後並未能有效的發揮其卜 作嵐反應,其中以爐石含量 0%之抗壓強度最高, 最低為爐石含量 30%。 3.4 落沉試驗 由表 6 所示,落沉值分別為 8.4~9.8 cm、 8.7~10.7 cm 及 9.2~10.8 cm。結果顯示,12 組配 比之落沉值介於 8.4~10.8cm 之間,皆大於 7.6 cm 不符合 ASTM D6024-96 規範之要求;但是本研究 設 計 一 天 齡 期 抗 壓 強 度 為 1.3 kgf/cm2 小 於 ASTM4832 之控制性低強度材料規範要求一天齡 期抗壓強度需達到 3.5 kgf/cm2。因此砂土質預拌 土壤材料對於 ASTM D6024-96 之規範要求可進 一步探討一天齡期抗壓強度與一天落沉值之關 係。 3.5 模擬平鈑載重試驗 以模擬平鈑載重模擬回填現場是否有足夠承 載力,並求出各配之比極限承載力(Qult)、沉陷量 (△H)與路基反彈係數(K值),評估預拌土壤材料 是否能於一天後開放交通,模擬平鈑載重結果如 表7所示。藉由各類常見卡車最大活載重與各配比 極限承載力相互比較,如表8所示。符合車輛15T 前後單軸型TS與21T前單後雙軸型TD之配比,其 中有R-64-0、R-64-10、R-64-20 、R-55-0、R-55-10、 R-46-0,共6組。符合車輛21T前單後雙軸型TD之 配 比 , 其 中 有 R-64-0 、 R-64-10 、 R-64-20 、 R-64-30、R-55-0、R-55-10、R-55-20、R-55-30、 R-46-0、R-46-10、R-46-20,共11組。結果顯示, 各類常見卡車最大活載重與各配比極限承載力相 互比較,當該配比之極限承載力值大於卡車的最 大活載重時,即表示具有足夠得承載力於1天齡期 開放車輛之通行,從試驗結果發現,在6:4、5:5 及4:6三種土壤比例中,爐石含量20%以內,表示 皆有足夠供21噸車輛通行的道路承載力,其中又 以R-64-20之配比可同時承載15噸及21噸車量之 道路承載力。 以極限承載力(Qult)、路基反彈係數(K)值與一 天抗壓強度之相對關係比較,以模擬回填現地是 否有足夠承載力和評估路基之承載力。建立其抗 壓強度與極限承載力(Qult)、路基反彈係數(K)值之 關係,依線性迴歸方程式建立其相關性,線性迴 歸方程式如下: 極限承載力(Qult) 與抗壓強度: y = 11.255x -2.0084 R² = 0.866 路基反彈係數(K)值與抗壓強度: y = 25.943x + 5.6723 R² = 0.840 圖 6 為極限承載力、路基反力係數與抗壓強 之度關係,將 12 組配比之極限承載力(Qult)、路基 反彈係數(K)值與一天抗壓強度進行線性迴歸分 析,極限承載力(Qult)與一天抗壓強度之相關係數

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5 R² = 0.866,屬於高度相關性,路基反彈係數(K) 值與一天抗壓強度之相關係數 R² =0.419,屬於中 度相關性。 3.6 反彈錘試驗 由表 9 所示,12 組配比之 7 天齡期反彈錘值 分別為 11~19 N,28 天為 22~34 N,56 天為 27~40 N,91 天為 29~42 N、32~40 N 及 29~38。結果 顯示,於 1 天齡期施打反彈錘時,試體會有破壞 之現象,故反彈錘試驗以齡期 7、28、56、91 天 進行施測。反彈錘值隨著齡期成長隨之增加,與 抗壓強度呈正比關係,可得知與抗壓強度發展情 形是相似的。 以反彈錘與抗壓強度之相對關係比較,推測 固定之趨勢,預估預拌土壤材料之強度發展,建 立其反彈錘值與抗壓強度之關係,依對數迴歸方 程式建立其相關性,對數迴歸方程式如下: y = 29.519ln(x) - 24.623 R² = 0.761 圖 7 為反彈錘值與抗壓強度之關係性,將 12 組配比之反彈錘值與抗壓強度進行對數迴歸分 析,反彈錘值與抗壓強度之相關係數 R2 = 0.761, 屬於高度相關性。由上述之關係數 R2可得知,反 彈錘值與抗壓強度成正比,並具有高度相關性, 可以利用低強度反彈錘試驗作為預拌土壤材料初 步強度評估。 3.7 超音波試驗 如表 10 所示,12 組配比之 1 天齡期波速為 327~590 m/s 、 7 天 為 692~917 m/s 、 28 天 為 818~1044 m/s、56 天為 842~1070 m/s、91 天為 855~1090 m/s。結果顯示,隨著齡期的成長超音波 波速亦上升,在 1 天齡期至 28 天齡期時發展趨勢 較為明顯,齡期到達 56 天及 91 天之超音波波速 趨於平緩。預拌土壤材料不同於一般混凝土材料 中有使用粗骨材,故其超音波波速相較於一般混 凝土之波速低。 以超音波波速與抗壓強度之相對關係比較, 推測其波速發展趨勢,預估預拌土壤材料之強度 發展,建立其超音波波速與抗壓強度之關係,依 對數迴歸方程式建立其相關性,對數迴歸方程式 如下: y = 347.16ln(x) + 277.13 R² = 0.978 圖8為超音波波速與抗壓強度之關係性,將12 組配比之超音波波速與抗壓強度進行對數迴歸分 析 , 超 音 波 波 速 與 抗 壓 強 度 之 相 關 係 數 R2 = 0.978,屬於高度相關性。由上述之關係數R2可得 知,超音波波速與抗壓強度成正比,並具有高度 相關性,可應用超音波檢測於判斷預拌土壤材料 之抗壓強度與材料內部品質為可行的。 3-8 微觀結構 在齡期 7 天時,部分尚未進行水化物反應, 造成水化物結構較為鬆散零亂,如圖 9(a)(b)所 示。隨著齡期的增長,水泥經水化作用產生的水 化產物愈明顯,如不規則狀片狀與針狀之 C-S-H 膠體、氫氧化鈣(CH)及鈣釩石(AFm)。圖 9(c)(d) 為齡期 7 天與 28 天所示,由於爐石之顆粒較水泥 顆粒小,故將爐石適量摻用於材料中,可使其原 有的顆粒堆積程度更加緻密化。 圖 10(a)(b)顯示在齡期 7 天時,因早齡期尚有 許多未反應之水化物,造成孔隙結構較大,但仍 然可以發現單硫型鋁酸鈣水化物呈薄板狀或不規 則玫瑰狀與 C-S-H 膠體散布於各處。齡期到達 28 天時,由於 C-S-H 膠體水化物,形成高密度之 C-S-H 膠體面,使的水化結構較為緻密及完整。 圖 10(c)(d)中顯示爐石之水化作用較水泥為慢,藉 由水泥在水化作用期間,隨著齡期增加,使爐石 的玻璃質結構破裂及溶解,消耗氫氧化鈣,生成 水化產物 C-S-H 膠體,進而增加材料之間的緻密 性。結果顯示,水泥經水化作用後,產生的膠結 性反應,水泥漿體即會產生強度的特性;主要的 水化產物有 C-H-S 膠體、氫氧化鈣(CH)、硫鋁酸 鈣水化物及孔隙等產物。水化產物會隨著齡期的 增長而增加,增加材料之間的連結性,故以爐石 之顆粒可填充於水泥顆粒之間,使漿體微觀結構 更加緻密。 四、結論 1. 僅以水泥用量 95 kg/m3及應用河川淤砂產製 砂土質預拌土壤材料,符合工程性質要求, 並且降低水泥用量符合節能減碳和減少工程 成本,進一步使廢棄物資源化以及提高材料 再生使用率。 2. 在 6:4、5:5 及 4:6 三組土壤比例之新拌性質 方 面 , 皆 符 合 新 拌 性 質 設 計 目 標 為 坍 度 200mm、坍流度 400mm、修正坍流度 150mm 以上,當爐石含量 30%時,各組配比具有良 好的工作性。

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3. 凝結時間在相同水膠比的條件之下,土壤比 例為 4:6 時,凝結時間較為延長,且隨著爐 石含量增加時,相對增加了凝結時間。 4. 利用河川淤砂產製砂土質預拌土壤材料,於 齡期 28 天時,抗壓強度低於 30 kgf/cm2,顯 示晚期強度低有利於回填工程再開挖性之功 能,符合工程性質之要求。 5. 藉由模擬平鈑載重試驗得知,爐石含量 20% 以內,表示皆有足夠供 21 噸車輛通行的道路 承載力,其中又以 R-64-20 之配比可同時承 載 15 噸及 21 噸車量之道路承載力。 6. 非破壞檢測藉由反彈錘值、超音波波速與抗 壓強度分別建立其相關模式,相關係數分別 為 R² = 0.761 和 R² = 0.978,具有高度相關 性,因此應用反彈錘試驗與超音波試驗評估 於砂土質預拌土壤材料之抗壓強度與材料品 質是可行的。 五.計畫成果自評 本研究採用高屏溪流域河川淤砂與現場開挖 剩餘土石方製成砂土質預拌土壤材料,經由新拌 性質、硬固性質、道路承載力分析及非破壞檢測 探討其效益。分別從學術與實務角度來驗證本研 究成果之可行性,其成果與貢獻之自評如下: (1) 學術研究成果 本研究利用河川淤砂之再生運用取代天然砂石的 使用,將國內在道路搶工、道路永久回填,達到 低耗損高經濟價值之砂土質預拌土壤材料。並且 應用於回填管道等工程,可提昇社會大眾對公共 工程施 工品質之信心。 (2) 實務運用成效 本研究預期使用河川淤砂來達到降低天然砂石資 源的耗用,因此有效利用資源材,解決莫拉克風 災後高屏溪流域河川淤積泥砂問題。並且降低水 泥用量,進而有效達到節能減碳之訴求,降低對 環境的衝擊及節省成本。對成為具經濟效益之低 強度混凝土。而將其河川淤砂充分的應用在營建 材料上,成為眾多工程材料其中之一,可大大提 升工程成本之經濟效益,在土木工程材料中有了 高回收率兼具環保的最佳選擇,以其增加國內對 於再生材料之研發技術的提升,並提升國家整體 經濟的貢獻。 參考文獻 1. 李昌憲,2010,資源回收土應用於預拌土壤 材料之性質研究,國立高雄應用科技大學土 木工程暨防災科技研究所,碩士論文。 2. 鍾文豪,2005,不銹鋼爐碴 CLSM 之基本性 質建立研究,國立高雄應用科技大學土木工 程與防災科技研究所,碩士論文。 3. 沈永年、孫德和、鐘文豪,2008,不銹鋼爐 碴含量對 CLSM 材料抗壓強度之影響,防蝕 工程,第二十二卷、第三期,217~230 頁。 4. ACI 229R-99 Report Controlled Low Strength

Materials, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, USA, 1999.

5. 王圍任,2008,添加爐灰與聚丙烯纖維對預 拌土壤材料粒學性質之研究,國立成功大學 土木工程研究所,碩士論文。 6. 許富程,2006,預拌土壤材料配比開發之研 究,國立中興大學土木工程研究所,碩士論 文。 7. 林建三,2005,預拌土壤材料工程性質之研 究,國立成功大學土木工程研究所,碩士論 文。

8. Cheng-Feng Chang, Ph.D. and Jing-Wen Chen,2006,Development and Production of Ready-Mixed Soil Material , Journal of Materials in Civil Engineering.

9. 張政豐,2005 ,膠結性回填材料之工程性質 研究,國立成功大學土木工程研究所,博士 論文。

10. Siddique Rafat(2009) Utilization of waste materials and by-products in producing controlled low-strength materials. Resour Conserv Recycl, 54, pp. 1–8.

11. 國科會、成功大學,2009,88 水災災後重建 研討會,88 水災災後重建研討會論文集。 12. 經 濟 部 水 利 署 第 七 河 川 局 網 站 ,

(10)

7 表 1 材料基本性質 表 2 砂土質預拌土壤材料配比表 No. W/B 水 (kg/m3) 水泥 (kg/m3) 爐石 (kg/m3) 河砂 (kg/m3) 土壤 (kg/m3) R-64-0 3.4 323 95 0 1000 674 R-64-10 85.5 9.5 1000 674 R-64-20 76 19 1000 674 R-64-30 66.5 28.5 999 674 R-55-0 3.4 323 95 0 834 843 R-55-10 85.5 9.5 833 843 R-55-20 76 19 833 842 R-55-30 66.5 28.5 833 842 R-46-0 3.4 323 95 0 667 1012 R-46-10 85.5 9.5 667 1011 R-46-20 76 19 666 1011 R-46-30 66.5 28.5 666 1010 備註:R-64-0:R 為 RMSM 簡稱、64 為砂:土、0 代表爐石 取代水泥量為 0%,各配比編號依此類推。 表 3 砂土質預拌土壤材料工作性 No. 坍流度(mm) 坍度(mm) 修正坍流度(mm) R-64-0 410 245 156 R-64-10 432 245 164 R-64-20 494 261 205 R-64-30 540 265 223 R-55-0 466 255 161 R-55-10 531 265 200 R-55-20 592 273 220 R-55-30 610 275 245 R-46-0 516 267 187 R-46-10 563 273 221 R-46-20 704 273 257 R-46-30 772 280 270 表 4 貫入度試驗結果 No. 凝結時間(min) R-64-0 805 R-64-10 870 R-64-20 980 R-64-30 1086 R-55-0 855 R-55-10 976 R-55-20 1054 R-55-30 1135 R-46-0 902 R-46-10 1051 R-46-20 1253 R-46-30 1500 表 5 抗壓強度試驗結果 No. 1 天 (kgf/cm2) 7 天 (kgf/cm2) 28 天 (kgf/cm2) 56 天 (kgf/cm2) 91 天 (kgf/cm2) R-64-0 2.31 5.91 8.62 9.01 9.21 R-64-10 1.91 5.03 7.84 8.22 8.40 R-64-20 1.72 4.56 6.72 7.01 7.31 R-64-30 1.54 4.01 6.02 6.22 6.62 R-55-0 2.19 5.04 7.47 7.88 8.17 R-55-10 1.81 4.49 6.85 7.33 7.69 R-55-20 1.62 4.21 6.53 6.81 6.92 R-55-30 1.5 3.73 5.97 6.29 6.40 R-46-0 1.92 4.67 6.23 6.34 6.54 R-46-10 1.63 4.21 5.44 5.59 5.90 R-46-20 1.55 3.85 4.81 5.03 5.35 R-46-30 1.43 3.44 4.21 4.32 4.55 荖濃溪河川淤砂 剩餘土石方 統一土壤分類 SP 統一土壤分類 SP-SM AASHTO A-1-b AASHTO A-2-6 吸水率 AC(%) 3.5 最佳含水量(%) 12

比重 GS 2.66 比重 GS 2.69 細度模數 F.M. 2.57 液性限度 LL 22

均勻係數 Cu 4.5 塑性限度 PL 19.7 曲率係數 Cd 1.4 塑性指數 PI 2.3

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表 6 落沉試驗結果 No. 落沉試驗 落沉值(cm) 裂縫(cm) R-64-0 8.4 0.15 R-64-10 8.7 0.20 R-64-20 9.5 0.12 R-64-30 9.8 0.17 R-55-0 8.7 0.12 R-55-10 9.4 0.15 R-55-20 9.7 0.20 R-55-30 10.7 0.25 R-46-0 9.2 0.23 R-46-10 9.6 0.20 R-46-20 10.3 0.18 R-46-30 10.8 0.22 表 7 車型種類 車型 車輛示意圖 軸重比 法定載重 (T) 最大活載重 (kgf/cm2) TS 37:63 15 18.9 TD 30:70 21 14.7 表 8 模擬平鈑載重試驗結果 No. 1 天抗壓 強度 (kgf/cm2) 模擬平鈑載重 qult (kgf/cm2) ΔH (cm) K 值 (kgf/cm3) R-64-0 2.31 23.75 0.45 52.78 R-64-10 1.91 20.06 0.30 66.87 R-64-20 1.72 18.94 0.48 39.46 R-64-30 1.54 15.06 0.31 48.58 R-55-0 2.19 20.81 0.32 65.03 R-55-10 1.81 19.44 0.33 58.91 R-55-20 1.62 16.81 0.37 45.43 R-55-30 1.50 13.44 0.44 30.55 R-46-0 1.92 20.00 0.31 64.52 R-46-10 1.63 17.31 0.34 50.91 R-46-20 1.55 16.25 0.32 50.78 R-46-30 1.43 11.88 0.28 42.43 表 9 反彈錘試驗結果 No. 平均反彈錘值 (N) 7 天 28 天 56 天 91 天 R-64-0 19 34 40 42 R-64-10 17 30 36 37 R-64-20 16 29 33 36 R-64-30 13 27 31 33 R-55-0 17 31 38 40 R-55-10 15 28 35 37 R-55-20 14 27 33 34 R-55-30 13 26 32 32 R-46-0 15 31 37 38 R-46-10 14 28 33 34 R-46-20 13 25 29 31 R-46-30 11 22 27 29 表 10 超音波試驗結果 No. 1 天 (m/s) 7 天 (m/s) 28 天 (m/s) 56 天 (m/s) 91 天 (m/s) R-64-0 590 917 1044 1070 1090 R-64-10 540 860 986 995 1032 R-64-20 520 796 917 943 963 R-64-30 490 767 888 901 926 R-55-0 550 830 967 982 1005 R-55-10 490 790 930 947 957 R-55-20 440 753 897 917 927 R-55-30 390 722 861 878 890 R-46-0 470 800 940 950 960 R-46-10 430 750 877 899 905 R-46-20 400 720 845 870 880 R-46-30 327 692 818 842 855

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9

圖 1 河川淤砂粒徑分佈曲線

圖 2 土壤粒徑分佈曲線

Slump Flow Slump Modify Flow 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 W o rk a b il it y (m m ) R-64-0 R-64-10 R-64-20 R-64-30 圖 3 坍(流)度與修正坍流度(土壤比例 6:4)

Slump Flow Slump Modify Flow 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 W o rk a b il ity (m m ) R-55-0 R-55-10 R-55-20 R-55-30 圖 4 坍(流)度與修正坍流度(土壤比例 5:5)

Slump Flow Slump Modify Flow 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 W o rk a b il ity (m m ) R-46-0 R-46-10 R-46-20 R-46-30 圖 5 坍(流)度與修正坍流度(土壤比例 4:6) 圖 6 極限承載力、K 值與一天抗壓強度之關係性

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圖 7 低強度反彈錘值與抗壓強度之關係性 圖 8 超音波波速與抗壓強度之關係性 (a) 爐石含量 0%,齡期 7 天 (b) 爐石含量 0%,齡期 28 天 (c) 爐石含量 30%,齡期 7 天 (d) 爐石含量 30%,齡期 28 天 圖 9 預拌土壤材料 SEM 影像圖(土壤比例 6:4) (a) 爐石含量 0%,齡期 7 天 (b) 爐石含量 0%,齡期 28 天 (c) 爐石含量 30%,齡期 7 天 (d) 爐石含量 30%,齡期 28 天 圖 10 預拌土壤材料 SEM 影像圖(土壤比例 4:6)

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國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表

日期:2012/09/02

國科會補助計畫

計畫名稱: 砂土質預拌土壤材料工程性質研究 計畫主持人: 沈永年 計畫編號: 100-2221-E-151-047- 學門領域: 土木材料

無研發成果推廣資料

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100 年度專題研究計畫研究成果彙整表

計畫主持人:沈永年 計畫編號: 100-2221-E-151-047-計畫名稱:砂土質預拌土壤材料工程性質研究 量化 成果項目 實際已達成 數(被接受 或已發表) 預期總達成 數(含實際已 達成數) 本計畫實 際貢獻百 分比 單位 備 註 ( 質 化 說 明:如 數 個 計 畫 共 同 成 果、成 果 列 為 該 期 刊 之 封 面 故 事 ... 等) 期刊論文 0 0 100% 研究報告/技術報告 0 0 100% 研討會論文 0 0 100% 篇 論文著作 專書 0 0 100% 申請中件數 0 0 100% 專利 已獲得件數 0 0 100% 件 件數 0 0 100% 件 技術移轉 權利金 0 0 100% 千元 碩士生 3 3 100% 博士生 2 2 100% 博士後研究員 0 0 100% 國內 參與計畫人力 (本國籍) 專任助理 0 0 100% 人次 期刊論文 0 0 100% 研究報告/技術報告 0 0 100% 研討會論文 0 0 100% 篇 論文著作 專書 0 0 100% 章/本 申請中件數 0 0 100% 專利 已獲得件數 0 0 100% 件 件數 0 0 100% 件 技術移轉 權利金 0 0 100% 千元 碩士生 0 0 100% 博士生 0 0 100% 博士後研究員 0 0 100% 國外 參與計畫人力 (外國籍) 專任助理 0 0 100% 人次

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其他成果

(

無法以量化表達之成 果如辦理學術活動、獲 得獎項、重要國際合 作、研究成果國際影響 力及其他協助產業技 術發展之具體效益事 項等,請以文字敘述填 列。) 無 成果項目 量化 名稱或內容性質簡述 測驗工具(含質性與量性) 0 課程/模組 0 電腦及網路系統或工具 0 教材 0 舉辦之活動/競賽 0 研討會/工作坊 0 電子報、網站 0 目 計畫成果推廣之參與(閱聽)人數 0

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國科會補助專題研究計畫成果報告自評表

請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究成果之學術或應用價

值(簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性)

、是否適

合在學術期刊發表或申請專利、主要發現或其他有關價值等,作一綜合評估。

1. 請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況作一綜合評估

■達成目標

□未達成目標(請說明,以 100 字為限)

□實驗失敗

□因故實驗中斷

□其他原因

說明:

2. 研究成果在學術期刊發表或申請專利等情形:

論文:■已發表 □未發表之文稿 □撰寫中 □無

專利:□已獲得 □申請中 ■無

技轉:□已技轉 □洽談中 ■無

其他:(以 100 字為限)

3. 請依學術成就、技術創新、社會影響等方面,評估研究成果之學術或應用價

值(簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性)(以

500 字為限)

預拌土壤材料(Ready–Mixed Soil Material,簡稱 RMSM)係將開挖土壤經分類調配後再加 以利用產製,以剩餘土石方產製之 RMSM 材料,作為回填材料,其性質介於 CLSM 與 Soil Cement,在拌合過程中需使用了大量拌合水、砂土以及少量水泥,形成鬆散狀構造,來達 到低強度的特性。此種新型回填材料具有低強度、高流動性以及再開挖性之性質,符合回 填工程性質之需求。在施工過程中無需夯實及碾壓,並且利用水泥之凝結特性,以滿足基 底層的承載力需求,解決許多回填工程施作時所面臨的問題。 本研究係探討以莫拉克風災高屏溪主流之荖濃溪河川淤砂與工地現場開挖剩餘土石方製 成預拌土壤材料之工程性質,研究項目包括:抗壓強度、超音波波速及掃描式電子顯微鏡 觀測等試驗,探討砂土質預拌土壤材料之施工性質與應用性。並探討砂土質預拌土壤材料 之力學性質與非破壞檢測方法,藉由非破壞試驗方法評估其施工品質、強度發展特性,以 落沉儀及反彈錘在 RMSM 材料之施工品質檢測應用。目的在建立以高屏溪主流之荖濃溪河 川淤砂製成砂土質預拌土壤材料之工程性質基本資料,及應用非破壞試驗方法來評估砂土 質預拌土壤材料之強度發展與施工品質。其成果與貢獻之自評如下: (1) 學術研究成果 本研究利用河川淤砂與工地現場開挖剩餘土石方之再生運用取代天然砂石的使用,將國內 在道路搶工、道路永久回填,達到低耗損高經濟價值之砂土質預拌土壤材料。並且應用於 回填管道等工程,可提昇社會大眾對公共工程施工品質之信心。

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本研究預期使用河川淤砂與工地現場開挖剩餘土石方來達到降低天然砂石資源的耗用,因 此有效利用資源材,解決莫拉克風災後高屏溪流域河川淤積泥砂問題。並且降低水泥用 量,進而有效達到節能減碳之訴求,降低對環境的衝擊及節省成本。對成為具經濟效益之 低強度混凝土。而將其河川淤砂充分的應用在營建材料上,成為眾多工程材料其中之一, 可大大提升工程成本之經濟效益,在土木工程材料中有了高回收率兼具環保的最佳選擇, 以其增加國內對於再生材料之研發技術的提升,並提升國家整體經濟的貢獻。

數據

表 6  落沉試驗結果  No.  落沉試驗  落沉值(cm)  裂縫(cm)  R-64-0  8.4  0.15  R-64-10  8.7  0.20  R-64-20  9.5  0.12  R-64-30  9.8  0.17  R-55-0  8.7  0.12  R-55-10  9.4  0.15  R-55-20  9.7  0.20  R-55-30  10.7  0.25  R-46-0  9.2  0.23  R-46-10  9.6  0.20  R-46-20  10.3  0.

表 6

落沉試驗結果 No. 落沉試驗 落沉值(cm) 裂縫(cm) R-64-0 8.4 0.15 R-64-10 8.7 0.20 R-64-20 9.5 0.12 R-64-30 9.8 0.17 R-55-0 8.7 0.12 R-55-10 9.4 0.15 R-55-20 9.7 0.20 R-55-30 10.7 0.25 R-46-0 9.2 0.23 R-46-10 9.6 0.20 R-46-20 10.3 0. p.11
圖 1  河川淤砂粒徑分佈曲線

圖 1

河川淤砂粒徑分佈曲線 p.12
圖 2  土壤粒徑分佈曲線

圖 2

土壤粒徑分佈曲線 p.12
圖 7  低強度反彈錘值與抗壓強度之關係性  圖 8  超音波波速與抗壓強度之關係性        (a)  爐石含量 0%,齡期 7 天          (b)  爐石含量 0%,齡期 28 天        (c)  爐石含量 30%,齡期 7 天      (d)  爐石含量 30%,齡期 28 天  圖 9  預拌土壤材料 SEM 影像圖(土壤比例 6:4)        (a)  爐石含量 0%,齡期 7 天          (b)  爐石含量 0%,齡期 28 天      (c)  爐石含

圖 7

低強度反彈錘值與抗壓強度之關係性 圖 8 超音波波速與抗壓強度之關係性 (a) 爐石含量 0%,齡期 7 天 (b) 爐石含量 0%,齡期 28 天 (c) 爐石含量 30%,齡期 7 天 (d) 爐石含量 30%,齡期 28 天 圖 9 預拌土壤材料 SEM 影像圖(土壤比例 6:4) (a) 爐石含量 0%,齡期 7 天 (b) 爐石含量 0%,齡期 28 天 (c) 爐石含 p.13

參考文獻

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