行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
水庫淤泥燒結輕質粒料混凝土工程性質之研究(I)
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC91-2211-E-151-007- 執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 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： 王和源 計畫參與人員： 林仁益教授,鐘志仁先生 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢中 華 民 國 92 年 10 月 29 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
□
ˇ成 果 報 告
□期中進度報告
（水庫淤泥燒結輕質粒料混凝土工程性質之研究Ι）
計畫類別：□
ˇ個別型計畫 □ 整合型計畫
計畫編號：NSC 91 － 2211 － E － 151 － 007
執行期間： 91 年 8 月 01 日至 92 年 7 月 31 日
計畫主持人：王和源 副教授
共同主持人：林仁益 教授
計畫參與人員：鐘志仁 先生
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□
ˇ精簡報告 □完整報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
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□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
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處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、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□
ˇ二年後可公開查詢
執行單位：國立高雄應用科技大學 土木工程與防災科技研究所
中 華 民 國 92 年 10 月 28 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
計畫編號：NSC 91-2211-E-151-007 執行期限：自民國 91 年 08 月 01 日起至 92 年 7 月 31 日 計畫主持人：王和源 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 共同主持人：林仁益 國立高雄應用科技大學 土木工程與防災科技研究所 教授 一、中文摘要 南部地區水庫淤積持續惡化，淤積嚴重 影響水庫有效蓄水量，本研究主要針對南部 主要水庫淤泥量及特性，由物理性質及化學 成分評估造粒成輕質骨材可行性，並以阿公 店水庫淤泥燒結成輕質骨材，配合緻密配比 法拌製成高性能輕質混凝土，且進行新拌、 硬固與耐久性質驗證。研究結果顯示水庫物 理性質，除仁義潭水庫為細砂外，阿公店、 白河、虎頭埤、澄清湖及鳳山等水庫則介於 黏土、粉土及細砂；化學成分則受有機物污 濁，重金屬含量皆在容許範圍內。燒結之輕 質骨材具有良好物化性質，以緻密配比法之 高性能輕質骨材混凝土可達高流動性、具高 抗壓強度、表面電阻、低氯離子滲透性與熱 傳導係數等優越的硬固與耐久性質。 關鍵詞：南部水庫、水庫淤泥、輕質骨材、 緻密配比法 AbstractThe reservoirs allocated in the southern Taiwan have been silted up and this situation is getting deteriorated day by day. The sedimentary sludge may seriously affect the storage capacity of reservoirs.
This paper is mainly to do a research on the capacity and properties of the sedimentary sludge of reservoirs in the southern Taiwan, and based on physical and chemical properties, the availability of making the lightweight aggregate was estimated. Also, the sedimentary sludge taking in the A-Kon-Tien reservoir was sintered to kind of lightweight aggregate which would
be utilized for the high performance lightweight concrete based on desified mixture design algorithm. The properties of the aforementioned fresh concrete, hardened concrete and workability were studied as well. The result shows that except of Ren-Yi-Tan reservoirs, of which the physical property belongs to kind of find sand, anothers such as Bai-Ho reservoir, Hu-To-Pei reservoir, Chen-Chin lake reservoir, Fong-Shan reservoir all belong to kind of between clay, powder earth and find sand. Regarding the chemical composition, the reservoirs are dirt by organic matters, but the heavy metal are in the permitted range. The sintered lightweight aggregate has good chemical property. Thus, the high performance lightweight concrete by densified mixture design algorithm can obtain excellent harden and durability properties such as high mobility, high compressive strength, surface resistivity, low chloride penetration and low thermal conductivity.
keywords：reservoirs of southern Taiwan, sedimentary sludge property, lightweight aggregate, densified mixture design algorithm
二、緣由與目的
台灣地區目前大小水庫計有八十六座， 其中南部地區有二十二座水庫普遍有淤積的 問題，台灣南部地區現有重要水庫中普遍有 淤積的問題，由於受地質及自然環境風化影
響，易使分解黏土遇水形成泥砂進入河川流 入水庫經沉澱形成淤泥，使水庫有效蓄水量 逐年降低，其平均蓄水容量減少約 13﹪【1】。 如能將水庫中淤泥加工製成工程用之輕質骨 材，則不僅解決水庫蓄水的問題，恢復水庫 原有之蓄水功能，更可解決台灣砂石短缺的 問題，另外由水庫淤泥所製造出來的骨材， 其質輕的特性更有利於一些高層建築物及長 跨度的橋樑。與傳統的建築比較，輕質混凝 土的使用可使熱傳導係數降低至原有傳統建 材的一半。若所使用的輕質混凝土其單位重 更低，則其隔熱特性將有更好的表現【2】。 由於輕質混凝土具有質輕、高強度、隔 熱、消音、防水、抗火、耐久、體積穩定、 施工方便、經濟等諸多特性【3~5】，輕質粒 料混凝土可以減少結構物自重，提升抗震能 力，較一般混凝土構造或鋼骨構造具備節能 與防災功能。有利於高樓建築、隔震結構物 與節約能約之建築，可符合政府節約能源、 防火及營建自動化之政策，降低建築物使用 成本，因此輕質混凝土的發展甚具經濟效益。 由於砂石資源匱乏，水庫淤積持續惡 化，創造資源再生利用兼充實建材料源效益 有急迫性，且因所有水庫無法同步實施清 除，由取樣、檢測、造粒至使用成品之驗證 曠日費時。因此配合政府政策，選擇較重要 之水庫優先研發淤泥特性。本研究以文獻回 顧及取樣分析、造粒及輕質混凝土性質驗證 同時進行，針對台灣南部水庫作為探討範 圍。藉由水庫現況調查之文獻資料彙整，各 水庫淤泥經物理試驗，如比重、含水量、濕 密度、粒徑分析、液性限度及塑性指數，化 學分析則有強熱減量、化學需氧量、總氮、 總磷、電導度等以及重金屬含量分析，進而 評估水庫淤泥燒結之輕質骨材性質及拌製成 輕質骨材混凝土後之效益。 三、結果與討論 （一）南部水庫淤泥特性分析 針對南部地區現有水庫中淤積較嚴重作 概況介紹，並進行淤泥（砂）物理與化學特 性分析如表一及表二所示【6~15】，結果顯示 南部水庫之物化性質在允許之規範範圍內。 因水庫淤泥經燒結固化後再生為輕質骨材的 評估，需先掌握水庫集水區地質狀況，再根 據取得之淤泥進行化性分析與評估，以瞭解 燒結為輕質骨材之可行性。再進行配料或直 接造粒，探求輕質骨材之燒製技術。由於並 非任何料源在高溫下均可膨脹，材料必須滿 足一定的化學組成成分；若取得之料源無法 符合可膨脹之條件，就需根據其化學成分另 行配製或添加其他材料，使料源符合膨脹燒 結之條件。而輕質骨材之材料組成或製程方 式的不同將導致骨材性質的差異，進而影響 輕質混凝土之新拌與硬固混凝土性質。 （二）輕質骨材特性及應用於混凝土之評估 3.2.1 輕質骨材特性 將淤泥原料壓碎經脫水、造粒成型的輕 質骨材放入旋窯中高溫燒結，由不同燒結溫 度可得不同單位重之輕質骨材。燒結溫度越 高所燒結輕質骨材之孔隙越多且比重越低， 當燒結溫度達 1150℃－1200℃，可製造出表 面玻璃化，比重介於 0.8－1.6 之間的輕質骨 材，粒徑約 0.8 ㎝－1.5 ㎝之間，且骨材顆粒 密度越低者其骨材顆粒粒徑較大【16】。而經 燒結法製成輕質骨材最大粒徑為 13.1 ㎜，細 度模數為 6.48，每立方公尺之單位重為 658 公斤。由 X 光反射定量分析得知主要化學成 分，SiO2之含量介於 50﹪－60﹪，Al2O3介於 20﹪－30﹪，其餘成分如 MgO 及 CaO 之含量 介於 16﹪－20﹪，與 Riley【17】的研究結 果比較得知水庫沉泥之成分符合膨脹燒結輕 質骨材的材料【18】。 至於輕質骨材物理特性主要有兩種： 1.吸水性：輕質骨材因具有大量孔隙，骨 材中之孔隙會吸收大量水分，尤其燒結 型之膨脹材，其吸水率常大於常重骨 材。常重骨材之吸水率一般小於 3﹪，輕 質骨材依目前窯燒技術可將吸水率控制 在 10﹪以下，以阿公店水庫淤泥製得之 輕質骨材其吸水率約為 8﹪，遠低於以往 一般輕質骨材 20~40﹪之吸水率【19】。 降低吸水性可避免混凝土在泵送或澆置 施工時高度的吸水率導致坍度損失。 2.總體比重：膨脹頁岩骨材之面乾內飽和
比重約是常重骨材之 1/2~1/3，總體比重 隨顆粒大小而異。經檢測阿公店水庫淤 泥製成之輕質骨材比重（OD）在 1.1 左 右。 3.2.2 輕質混凝土性質 由於輕質骨材強度較低且表面充滿孔 洞，導致高吸水率及強度無法提高的現象， 且為了達到工作性要求，常提高漿量如此將 使輕質混凝土耐久性與生態性有不良影響。 因此在輕質骨材應用於混凝土的策略上，可 採用緻密配比法，透過「最緻密的堆積、最 低漿量及最大單密度」得到最小孔隙再填入 水泥漿體，調整所需的潤滑漿量，再配合摻 料的使用，提升混凝土強度，並有助於混凝 土的耐久性與生態性。一般再生骨材如以緻 密配比法製成高性能混凝土常有良好的強度 表現【20】。 而水庫淤泥經燒結固化成輕質骨材後考 量，三種水膠比（0.28、0.32、0.4）及三種 單位重（1700、1900、2000kg/m3 ），再以緻密 配比法拌製成高性能輕質混凝土、並作新拌 及硬固與耐久性質測試，如抗壓強度、超音 波波速、表面電阻、氯離子滲透及熱傳導係 數等，期能作迅速有效的驗證評估，進而提 昇南部水庫淤泥再生利用之永續價值。 （1）新拌混凝土性質 在傳統的輕質混凝土設計，為了避免骨 材上浮導致析離，可採用低坍度、低工作性 或添加摻料及纖維的方法加以解決。使用在 結構用輕質混凝土若工作性不佳，常在排筋 緊密或樑柱接頭處，容易造成蜂窩孔洞，嚴 重影響建築物強度與耐久性，若強力震動搗 實將造成輕質骨材上浮而析離【21】。而依緻 密配比的方式，是以較適度的黏滯性的漿體 方式帶動骨材，不僅可增加工作性，在黏度 提升時也減少骨材上浮的現象。此乃因緻密 高性能混凝土加入卜作嵐材料，應用摻料科 技，並依低水量及低水泥量的概念來提升工 作性的結果。 隨著輕質骨材混凝土標稱單位重不同， 在固定的水膠比和拌合水量下，除了坍流時 間有差異之外，其餘坍度、坍流度並無太大 差異。坍流時間會隨混凝土自重影響，而坍 度、坍流度隨著骨材用量和強塑劑的用量而 有所改變。各組輕質骨材混凝土均能符合坍 度為 230±20 ㎜、坍流度為 500±100 ㎜的高流 動性要求。 （2）硬固混凝土性質 輕質骨材混凝土硬固性質的良窳不僅直 接影響到結構物的安全性與耐久性，更是混 凝土服務性能的表現。 1.抗壓強度 由於常重混凝土之抗壓強度比輕質 混凝土大，但輕質混凝土之強度成長速 率卻比常重混凝土快，顯示輕質混凝土 有早強之傾向，同時輕質混凝土 7 天強 度可達 28 天強度的 80﹪－95﹪，且當骨 材強度與彈性模數越低時，早強情況越 明顯【22】。 由於淤泥輕質骨材混凝土常具有強 度夠且自重輕的優點，可依工程需求的 不同而設計不同的配比應用於結構物 上。經驗證輕質骨材混凝土可依不同配 比條件得到 3000psi－6000psi，抗壓強 度可適用於不同條件及需求的工程使 用。如圖二所示，輕質骨材混凝土標稱 單位重1900kg/m3、w/cm=0.32，不同拌 和水量抗壓強度發展，在緻密配比設計 法，固定水膠比下，拌和水量的增加相 當於提高漿量，由於輕質骨材強度較水 泥漿體強度低，因此高漿量的配比有較 好的強度成長趨勢，如在相同漿量及水 膠比下，骨材比重越大，其強度越高。 當骨材強度大於水泥強度時，裂縫將沿 著骨材與漿體間的弱面開裂破壞【23】。 同時當不同標稱單位重，不同配比對水 泥效益的影響顯示，標稱單位重較大之 混凝土，由於其骨材顆粒強度較高，而 有較佳的水泥強度效益表現。 2.超音波波速 一般混凝土材料組成中對波速的影 響大小依序為粗骨材、細骨材及水泥漿 體，孔隙與裂縫會降低超音波速，堆積越 緻密，顆粒介面產生缺陷的機會越少。然 輕質骨材混凝土，因輕質骨材內部具有孔 隙結構，對超音波速有不利影響。 由圖三所示輕質混凝土在固定漿 量、與水膠比及不同骨材比重下，顯示隨 著齡期的增加其波速越快；骨材比重越 大，波速亦越快。而固定用水量與不同水 膠比，如水泥體質提升，且低水膠比時有
較佳的超音波速。單位重較大的其超音波 速也傳遞較快，由於單位重較大的混凝 土，其內部孔隙較少，使得混凝土更為緻 密，減少波傳的路徑和時間，提升波傳速 率，顯示波傳速率正比於骨材顆粒單位 重，且相對正比於混凝土單位重【24】。 3.熱傳導係數 台灣地區夏季氣候炎熱，常重混凝土 由於熱導係數高，導致屋內冷氣耗電量大 增；使用輕質混凝土有助於降低夏季冷氣 的耗電量。熱傳導係數受材料影響很大， 輕質混凝土之骨材內部充滿孔洞，能有效 降低混凝土的熱傳係數。一般混凝土的熱 傳導係數約為 1.5w/mk，輕質骨材的熱傳 導係數隨單位重增加而變大的趨勢為拋 物線形；當單位重大於 1600kg/m3 時，其 熱傳導係數的變化率增大。熱傳導係數越 低則隔熱性能越佳，輕質混凝土熱傳導係 數介於0.4－0.8kcal/mh℃之間，優於一般 常重混凝土熱傳導係數1.0－1.5 kcal/mh ℃。以水庫淤泥輕質粒料混凝土取代一般 混凝土外牆將可降低建築物外殼耗能量 （ENVLOAD），用於屋頂將可減少屋頂 熱傳透率（Uar），降低熱源進入室內，減 低建築物熱負荷，對於建築物省能具有良 好效益【25】，並符合綠建築節約能源的 指標。 （3）耐久性質 1.表面電阻 緻密高性能輕質混凝土加入化學摻 料，並以卜作嵐材料作為細骨材來填充微 小孔隙，配合卜作嵐反應將界面的缺陷與 孔隙補強，轉化CH 為具膠結能力的 C-S-H 膠體，使內部越緻密，有害物質入 侵管道受阻，電導通路變長，進而提高混 凝土的表面性質。當電阻值超過 20kΩ-㎝，混凝土內的鋼筋較不易腐蝕，可提升 鋼筋混凝土的耐久性能【26】。硬固輕質 混凝土90 天齡期電阻值量測結果如圖四 所示。整體而言各種輕質混凝土之電阻皆 超過20kΩ-㎝，但隨著水膠比提高，電阻 值隨之降低。而以緻密配比理念設計，三 種不同單位重及水膠比，其混凝土表面電 阻均能達到20kΩ-㎝以上，顯示淤泥輕質 骨材混凝土優越的耐久性能。 2.氯離子滲透 依據ASTM C1202 進行氯離子滲透 量量測，利用外加直流電壓60V，使電解 液（NaCl，NaOH）解離產生帶電陰離子， 並加速對混凝土的滲透，量取時間與電流 量變化，再將其轉換為電量（庫倫）以作 為混凝土滲透性的指標，並以此作為混凝 土防蝕性能的依據【26】。經測得輕質混 凝土之氯離子滲透值在670 庫倫左右，遠 優於文獻建議的2000 庫倫以下，顯示輕 質混凝土之配比具有良好的耐久性指標。 四、結論與建議 4.1 結論 1.淤泥粒徑分佈阿公店水庫主要介於黏 土、粉土及細砂，白河水庫無有機質 土壤與粉土（ML）或有機質粉土（OL）， 虎頭埤為粉土質土壤，澄清湖水庫及 鳳山水庫以粉土及細砂居多，仁義潭 水庫則幾乎是細砂。 2.化學分析具有機之污濁，輕微重金屬 污染但未達毒害程度。 3.燒結造粒之輕質骨材，比重 0.8 ~1.6，粒徑約 0.8~1.5 ㎝，細度模數 6.48，單位重 658kg/m3 ，吸水率 8﹪， 品質優良。 4.應用於輕質混凝土以緻密配比法新拌 性質可達高流動化要求。 5.硬固輕質混凝土，相同單位重及水膠 比，拌和水量較低，則抗壓強度佳。 6.以超音波速量測，混凝土齡期增加，骨 材比重越大，則波速傳遞越快。 7.輕質混凝土具20kΩ-㎝以上表面電 阻，低氯離子滲透性（670 庫倫）及較 低的熱傳導係數（0.4－0.8kcal/mh℃） 等優越的硬固與耐久性質。 4.2 建議 1.輕質骨材混凝土之力學行為，不同水 膠比、用水量及單位重、粒徑等之影 響值得再探討。 2.對於輕質骨材混凝土之抵抗硫酸鹽侵 蝕、鹼骨材反應等耐久性問題值得進 一步研究。 3.輕質混凝土之防火性、耐震性、骨材 本質強度及摻用卜作嵐材料後之影響 等仍值得深入探討。
五、計畫成果自評 本研究除在輕質粒料來源提出新的方法 外，在印證研究中更以高性能輕質混凝土為 對象，從實務工程之角度驗證本研究成果之 可行性，其成果與貢獻之自評如下： (一) 學術研究方面之成果 本研究完成輕質粒料物化分析，並應用 於高流動高性能輕質混凝土上，此一成果可 應用實務工程，其學術成果與貢獻分析如下 （1）創新輕質骨材之製程方法，建立「高流 動高性能輕質混凝土配比設計模式」， 為混凝土材料研究開啟新的視野 （2）建立建立「高流動高性能輕質混凝土」 資料庫，可做為其他學者進行類似研究 時之參考。 (二)營建產業應用方面之成果 本研究所提出之高流動高性能輕質混凝 土，經實際驗證其實用性，對於公共工程實 務專案之應用具有實用價值。 本研究計劃探討水庫淤泥燒結輕質粒料 工程性質之研究(Ι)，經由預定執行之粒料 性質檢測與配比設計、工程性質量測等項 目，與實際執行項目如表三所示，顯示計劃 執行成果良好。 表三 本計劃研究成果自評 NO 計畫執行項目 實際執行項目 1. 文獻探討 相關文獻調查收集 彙整 2. 輕質粒料基本性質 分析 輕質粒料基本性質 分析 3. 混凝土配比開發 混凝土配比開發 4. 新拌性質量測 新拌性質量測 5. 硬固性質量測 硬固性質量測 6. 撰寫研究報告 撰寫研究報告 六、參考文獻 【1】 林襟江，「台灣地區水庫淤積浚渫面面 觀」，水庫淤積浚渫工程研討會，台中 （2002）。 【2】 顏聰，「輕質混凝土的隔熱性能與能源 節約」，營建知訊，120，台灣營建研 究中心，台北（1992）。 【3】 Zhang,M-HandO.E.Gjorv, ”Characterist ics of Lightweight Aggregate for High-strength Concrete,”ACI Material Journal,pp.150-158.（1991）.
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表一 南部水庫淤泥物理性質分析 項目 水庫 含水量 （﹪）W 含水率 （﹪） 比重 （Gs） 孔隙比 （e） 濕潤 密度 （g/cm3 ） 液性 限度 （LL,﹪） 塑性 限度 （PL,﹪） 塑性 指數 （PI,﹪） D10 （mm） D30 （mm） D60 （mm） 砂 質 （﹪） 粉 土 （﹪） 黏 土 （﹪） 說明 上 158.61 59.93 2.39 - 1.310 0.008 0.012 0.018 澄清湖 下 115.77 52.55 2.45 - 1.396 53 26 0.004 0.007 0.013 7.85 89.75 2.4 *上下層各 20 個土樣 平均值 *屬中粒徑粉土 鳳山 338.02 68.23 2.24 - 1.239 58 - 23 0.008 0.022 0.050 41.41 55.44 3.16 *16 個土樣平均值 阿公店 74.85 - 2.70 1.78 － 50.0 24.7 24.3 － － － － － － *13 個土樣平均值 白河 20.73 17.22 2.72 1.54 － 46.06 19.4 26.66 － － － － － － *統一土壤：ML 或 OL 虎頭埤 - 11.4 - - - 24.3 - 75.7 *屬灰褐色粉質壤土 （SL）
表二 南部水庫淤泥化學性質分析 強熱 減量 化學需 氧量 （COD） 總氮 （T-N） 總磷 （T-P） 電導 度 （EC） 鉻 （Cr） 鋅 （Zn） 銅 （Cu） 鉛 （Pb） 鎘 （Cd） 鎳 （Ni） 砷 （As） 汞 （Hg） ph 說明 項目 單位 水庫名稱 ﹪ ﹪ mg/g mg/g ms/cm mg/kg Mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg ppb 上 5.281 3.100 1.057 0.533 澄 清 湖 下 4.701 2.049 0.79 0.37 1.080 0.07 0.79 0.19 0.35 0.09 1.17 10.80 6.29 上層厚度約 30 公分餘為下層。 鳳山 10.18 3.142 1.930 0.879 1.160 0.80 34.2 15.3 2.22 1.66 7.61 10.5 6.29 虎頭埤 － － 409 366 - 12.53 - 6.52 5.14 ND - - ND 7.09 有機質 0.464﹪ 阿公店 － － －- － － 3.57 （0.016） 14.48 （ND） 3.16 （0.022） 4.46 （ND） 0.067 （ND） - - 2.044 （ND） - 白河 － － － － － 0.34 13.74 （0.01） 71.25 （0.76） 8.99 （ND） 24.17 （0.20） - - ND 6.96 可燃份 3.1﹪ 灰份 80.3﹪ 總固體物 83.41 ﹪ 備註 。（ ）係溶出試驗即 TCLP 之測試值 。ND（not detected）：濃度過低無法偵測。
圖一 阿公店水庫淤泥粒徑分析圖 3500 3700 3900 4100 4300 4500 4700 1 10 100 Age(days) Pl us e Vel oci ty (m /s
) U2000 U1900 U1700
圖二 不同拌和水量輕質骨材混凝土之抗壓強度 圖三 不同單位重輕質骨材混凝土之超音波波速 0 20 40 60 80 100 0.28 0.32 0.40 0 0 0 0 0 0 0.28 0.32 0.40 0.32 0.28 0.40
Mixing Water=150kg/m3，90Days
圖四 不同水膠比及單位重輕質混凝土之表面電阻 0.001 0.01 0.1 1 graine size(mm) pe rcen t of pa sse d w ei ght (% ) 阿公店水庫粒徑曲線 1 0 0 8 0 6 0 W=150kg/m3；w/cm=0.32 0 10 20 30 40 50 60 1 10 100 Age(days) Com pr es ive S tr ength (Mp a) W140W160 W150W223 U=1900kg/m3；W/C=0.32 U=2000 Co nc re te Resistiv ity （ kΩ -cm ） U=1900 U=1700
