行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

垃圾焚化底渣流填料應用於都市管溝回填之研究

計畫類別： 個別型計畫

計畫編號： NSC94-2211-E-216-006-

執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日 執行單位： 中華大學土木與工程資訊學系

計畫主持人： 吳淵洵

計畫參與人員： 陳怡伶 葉樺姿

報告類型： 精簡報告

報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 95 年 10 月 27 日

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

垃圾焚化底渣流填料應用於都市管溝回填之研究

The Application of Incinerator Bottom Ash Flowable Fill for Municipal Pipeline Trench Backfill

計畫編號：NSC 94-2211-E-216-006 執行期限：94 年 8 月 1 日至 95 年 7 月 31 日

主持人：吳淵洵 中華大學土木與工程資訊系 計畫參與人員：陳怡伶、葉樺姿 中華大學土木與工程資訊系 一、中文摘要

由於都市垃圾焚化處理比率逐年提 昇，國內垃圾焚化灰渣產量亦逐年增加。

過去垃圾焚化廠產出的底渣都是以衛生掩 埋處理，但是用地難尋及民眾抗爭因素，

衛生掩埋場之闢建極為困難，底渣材料化 技術無疑是解決底渣問題的最佳方式。國 內工程單位對管溝工程之施工品質控制不 良導致施工回填後常發生沉陷與孔洞，對 市容及行車安全皆有不良之影響，使用流 填料(CLSM)於管溝工程之回填可有效改 善此種缺點。以垃圾焚化底渣拌製 CLSM 應用於管溝回填工程確實可行，但因底渣 成份複雜且流填料含水量過高，以之應用 於都會地區無法符合時效性之需求。

本研究針對底渣流填料於都市管溝回 填工程應用所需之早強性予以探討，以配 合添加化學摻料之方式執行配比試驗。依 據試驗結果，一般型底渣流填料當水固比 為 0.35～0.40，灰水比為 0.2～0.3 時，具 有較理想之流度值，但齡期1 天之早期強 度均較低，無法符合都市管溝回填之安全 要求。添加減水劑、早強劑、速凝劑均可 改善底渣流填料之早強性，惟依據試驗結 果及統計分析趨勢之判斷，所添加之化學 摻料中以早強劑對於早強性之影響最為顯 著，於標準流度限制下，建議用量為1%。

超過此限值後，改善早強性則以增加水泥 量之方式較為適宜。早強型底渣流填料雖 具有長期強度折減之現象，但其28 天之強 度均達設計目標值，故本研究配比設計所 得結果應屬可行。

關 鍵 字 ： 垃 圾 焚 化 底 渣 、 都 市 管 溝 回 填、流填料、CLSM、化學摻料

Abstract

Because of the limited environment and high density of population, most of the household solid wastes in Taiwan are processed by incineration. However, the large amounts of the incinerator bottom ash (IBA) are difficult to disposal of. Therefore, resource recovery for the IBA has become a very important issue for the environment protection. The varieties of pipeline installations are necessary for the daily life of civilians. However, due to poor construction quality, the backfill of pipeline trench always lead to severe road settlement and pavement deterioration. The limited installation schedule resulting from the congested traffic conditions in a metropolitan area further make things worse.

Flowable fill also known as controlled low strength material (CLSM) is capable of

self-hardening, self-compacting, and self-leveling. In comparison with conventional backfill material, CLSM presents advantages such as flowable, free of compaction, adjustable strength, and low settlement. Therefore, it can be used as an ideal alternative for the pipeline backfill.

Furthermore, it will present additional environmental values if IBA can be used as aggregate for the flowable fill.

This research conducted an experimental study by mixing IBA with cementitious ingredients to produce flowable IBA (FIBA) and use it for the pipeline backfill in metropolitan area.

Experiments include specimen preparation, physical properties, flowability, set time, unconfined compression tests, direct shear tests, CBR values, permeability, and hydrocollapse. Because the mixtures of IBA and cement have shown slow setting behavior, therefore, this research observed the mechanism to cause the slow reaction and developed solutions to reduce the setting time. Based on the results of experiment, use of early strength admixture produced the best early setting of FIBA. The proposed proportion will be 1%. Although use of such mix design may result a reduction of long-term strength, the 28-day strength satisfied the target design value. The findings of this study should provide helpful suggestions for the production of FIBA and its application for the pipeline backfill in metropolitan area. The results tend to reuse IBA, save natural resource of granular fill and ensure the quality of pipeline backfill constructions in most cases.

Key Words: incinerator bottom ash, pipeline backfill, flowable fill, CLSM

二、緣由與目的

依據行政院環保署(2005)之統計，台 灣每年約產生100萬公噸之垃圾焚化底渣 與飛灰，這些灰渣之棄置與處理已造成政 府財政上沈重的負擔，並嚴重衝擊環境與 生態上之平衡，故探討灰渣再利用並加以 推廣極為重要。此外，由於長期以來，台 灣各項工程建設之蓬勃發展，造成砂石原 料嚴重缺乏，因此研發砂石替代材料已成 為延續國家建設之關鍵性因素。

台灣地區目前共有20座垃圾焚化廠，

每年產生之垃圾焚化底渣與飛灰，多數均 以垃圾掩埋的方式加以處置，其缺點除了 土地成本、處理費用昂貴及掩埋場場址難 尋外，灰渣所含毒性物質溶出亦可能造成 二次污染，故底渣資源化再利用為目前環 保工作之重要課題。

填土品質之優劣與管溝工程之成敗及 道路交通安危息息相關，影響填土品質之 因素中又以夯實效能具決定性之影響。國 人工程習性不佳，對於回填夯實向不予重 視，其因此而產生之災損與民怨，實屬罄 竹難書(吳淵洵等人，2002)。有鑑於此，

使用具有自流性、免夯實、高強度、低沈 陷等優良工程性質之控制性低強度材料 (controlled low strength material, CLSM亦 稱流填料，flowable fill)，取代傳統天然砂 石級配回填料，可確實提昇填土品質。改 善管溝回填品質不良之弊病，若以垃圾焚 化底渣作為CLSM之骨材，更可具有減少 廢棄物、節省天然砂石資源之環保生態價 值。由於底渣之水泥拌和物具有緩凝現 象，無法符合都會地區管溝回填之時效性 要求，因此研討底渣拌製之CLSM緩凝改 善對策，使之適用於都會地區管溝之回填

實為目前底渣再利用亟須探討之重要主 題。

鑑於垃圾焚化底渣資源化處理極其重 要，而都會地區保障管溝回填工程品質工 法及砂石替代材料之發展亦刻不容緩。本 研究遂以實驗室試驗之方式，探討垃圾底 渣流填料之早強可能性，以期此一具有環 保價值之工法得予實際應用，除可紓解國 內垃圾焚化底渣處理困難之窘境，減少天 然砂石之耗用，亦可提昇都會地區管溝回 填之工程品質。

本研究以新店垃圾焚化廠之都市垃圾 焚化底渣為骨材並添加相關摻料於實驗 室，試驗不同配比拌製之流填料，以試驗 方式觀察不同配比底渣流填料試體其工程 性質之變化，探討此種材料作為都會地區 管溝回填應用之可行性與適用性，並提出 最佳配比建議。

三、研究計畫與試驗流程

本研究之目的為探討底渣流填料之早 強可能性及其相關工程性質，因此研究之 執行主要係以添加化學摻料之方式觀察不 同配比之試體其流動性、早強性、速凝性 之變化及其對單軸壓縮強度之影響，從而 驗證底渣於都市管溝回填工程應用之可行 性。

3.1 試驗項目與方法

試驗之進行首先為底渣之基本物理性 質觀察並予以分類；其次進行底渣流填料 之配比設計試驗，添加不同化學摻料拌製 各種不同配比之試體，進行流度、泌水率、

單軸壓縮強度之觀察；最後針對試驗結果 予以分析比較。相關之試驗項目與參考試 驗規範說明如次：

1.基本物理性質試驗：包括比重(ASTM D854-83) 與 粒 徑 分 佈 (ASTM D452-85)

等。

2.底渣流填料之配比設計：以流度為控制 變數，針對不同灰水比及水固比，添加 不同比例之減水劑、早強劑及速凝劑，

試驗項目包括流動性(ASTM D6103)、泌 水率(ASTM C940) 、單位重以及單軸壓 縮強度(ASTM D2938)。

3.2 試驗材料 3.2.1 底渣

本研究所使用之底渣係經國賓資源處 理廠前處理之北區新店焚化廠之底渣。試 樣顏色呈灰黑色且具有腐臭味。烘乾後之 底渣則呈灰白色，並具團塊的現象，惟經 由手或振動篩即可容易將部份團塊分散。

3.2.2 固化劑

本研究所使用之固化劑為台灣水泥公 司所生產之波特蘭第Ⅰ型水泥，並符合 CNS 61-R2001之規定。

3.2.3 高性能減水劑

高性能減水劑(HI CON SPF)，屬於奈 磺酸系高分子複合有機化學摻料，符合 ASTM C 494規範。由於具高分散性及低起 泡性，對水泥粒子具有分散功能，有效的 大幅降低水灰比，減少泌水現象，保持混 凝土體積之穩定性，提高混凝土強度。

依據材料廠商之建議，減水劑添加量 為水泥量之 0.75～2.4%，可產生達 12～

30%之高減水率，並使水灰比減低至 0.25 以下，而工作度仍維持不變，且每增添 0.1%約可提高 2cm 之坍度(啟欣股份有限 公司，2006)。

3.2.4 早強劑

所使用之早強劑屬無機鹽類成份的硫 酸鈉，與水泥水化時產生的Ca(OH)2可發 生下列反應：

Na2SO4+Ca(OH)2+2H2O→CaSO4． 2H2O+2NaOH

所生成的二水石膏顆粒細小，較水泥 熟料中原有的二水石膏更快地參加水化反 應：

CaSO4．2H2O+C3A+12H2O→3CaO．

Al2O3．CaSO4．12H2O

使水化產物硫鋁酸鈣更快地生成，從 而加快了水泥的水化硬化速度。它的1天強 度提高尤其明顯。由於早期水化物結構形 成較快，結構緻密程度較差一些，因而後 期28天強度會略有降低。早期強度增加愈 快，後期強度就愈易受到影響，因而硫酸 鈉摻量應有一個最佳控制量。一般在水泥 用量之1%～3%之間，摻量低於1%，早強 作用不明顯，摻量太大則後期強度損失較 大，故一般在1.5%較為適宜。

硫酸鈉早強劑在水化反應中，由於生 成了NaOH，而使鹼度有所提高，這對摻 有火山灰和礦渣的水泥及摻有活性超細摻 合料的混凝土早強作用更為明顯。但同時 對於活性骨料來說也容易導致鹼骨材反 應。

硫酸鈉在混凝土中使用，當摻量過大 或養護條件不好時，容易在混凝土表面產 生「返鹼」現象，即在混凝土表面析出一 層毛茸狀的Ca(OH)2細小晶體，而影響混 凝土表面的光澤程度，也不利於表面進一 步裝飾處理。

3.2.5 速凝劑

速凝劑最主要之目的是將水泥化合物 中之矽酸三鈣與矽酸二鈣的反應提前產 生，俾使早期強度發展可以於短時間需求 內達到一定的目標。

速凝劑的使用會同時加速漿體的初凝 與終凝時間，欲提前多少端看添加量而 定。一般而言，添加量在水泥用量之0.5%

～5%時，凝結時間可加速數分鐘至數小時 不等(啟欣股份有限公司，2006)。

使用速凝劑可促進早期強度的發展，

然而提昇多少則視配比設計、溫、溼度、

養護條件、水灰比及水泥種類等而定；不 過可確定的是，速凝劑對於所有的水泥均 有效，但添加過量仍會對強度造成折損(啟 欣股份有限公司，2006)。

3.2.6 化學掺料拌合順序

本研究之底渣流填料添加3種化學摻 料，以流度為控制因素，必須注意摻料之 添加順序。減水劑與早強劑在底渣與水泥 乾拌後添加，再加入所需拌和水，因減水 劑與早強劑可提高工作性並同時減少拌和 水用量；速凝劑則於底渣流填料拌製完成 灌模前添加。

3.3 底渣流填料之配比設計試驗 3.3.1 配比計算

底渣流填料之配比設計其添加的材料 數量乃遵循下列公式計算：

灰水比(C/W)＝水泥重/水重 (3-1) 水固比(W/S)＝水重/固體重 (3-2) 固體重＝水泥重+底渣重 (3-3) 化學摻料＝水泥重之1~3% (3-4)

配比設計流程以下例說明：

(1) 假 設 控 制 參 數 (C/W ＝ 0.3 ， W/S ＝ 0.2)。

(2) 依 所 需 澆 置 試 體 量 假 設 固 體 重 1000g。

(3) 將假設固體重代入公式 3-2 得出水重 200g。

(4) 將水重代回公式 3-1 得出所需水泥重 60g。

(5) 再將水泥重代回公式 3-3 可得到底渣 重940g。

(6) 最後依水泥重換算出所需化學摻料

的重量，例如3%即為 18g。

故底渣流填料C/W＝0.3，W/S＝0.2 所需 各材料之添加量即可求得。

3.3.2 流動性

依 照 ASTM D 6103 之 要 求 ， 以 7.5cmφ×15cmH 圓柱鋼模量測其流動性。

將烘乾之底渣與水泥量於拌和盆內先行乾 拌和均勻後，依照所需實驗配比加入適當 拌和水調勻。

1. 以濕抹布將鋼模內側壁潤濕並置於鋼 鈑上，以手固定鋼模，防止鋼模底部滲 水。

2. 將拌和好流填料倒入鋼模內，直至填滿 為止。

3. 以鏝刀刮平頂部，並立即以穩定的速度 將鋼模垂直向上提起，其速度約為5±2 秒內30 公分。

4. 以游標卡尺量測流填料之流度值。流度 值即為流填料流動範圍之直徑。

3.3.3 泌水率試驗

將烘乾之底渣與水泥量於拌和盆內先 行乾拌和均勻後，依照所需實驗配比加入 適當拌合水調勻。

1. 首先將銅模底部以橡皮套封住，倒入已 拌和好之流填料直到填滿為止，以鏝刀 依試體高度將頂部刮平，靜置24 小時。

2. 將試體由銅模內以頂土器頂出，以游標 卡尺量測試體高度並記錄之。

3. 泌水率為泌水高度（試體之高度與銅模 之高度差）與銅模高度之比值。

3.3.4 單軸壓縮試驗

本研究之試驗儀器為計測企業有限公 司製造之單軸壓縮試驗試驗儀。主要包括 壓力機、荷重儀表與垂直應變計等。試驗 速率為電子調速，本研究是以 1%/min 之 加載速率進行試驗。

1. 依照各種配比拌和後，澆置於銅模

（3.5cmφ×7cm）內，靜置 24 小時，再 以頂土器將試樣小心取出後編號歸類。

2. 依照齡期將試體取出，置於試驗儀器上 進行單軸壓縮試驗。

四、試驗結果與分析

本研究以試驗方式探討底渣流填料應 用於都市管溝回填之可行性。為求底渣之 最大資源化再利用，試驗係以全底渣配合 添加各種化學摻料之方式進行，重點探討 底渣流填料之早強可能性及工程性質，依 實際工程考量求出適當且合理之配比設計 並提出配比建議。

4.1 基本性質試驗結果

底渣試樣之比重平均值為2.62。粒徑 分析結果如圖1 所示，底渣之均勻係數(Cu) 為11.33、曲率係數(Cd)為 1.36、通過 200 號篩之細料僅為 6.82%且不具塑性，故底 渣 試 樣 應 屬 略 含 粉 土 之 優 良 級 配 砂 土 SW-SM (統一土壤分類法，USCS)。

4.2 配比設計試驗結果

底渣流填料之配比設計目標為探討底 渣、水泥及化學摻料之適當比例。觀察各 種拌合料之早強性質及速凝機制，以評估 其於都市管溝回填應用之可行性。為簡化 各種變異因素對流填料之影響，本研究以 流度為控制因素，比較各不同配比之早強 工程性質。

4.2.1 流動性

如圖2 所示，底渣流填料與前人研究 之一般流填料類似，其流度隨水固比及灰 水比之增加而增加，惟其中以水固比之影 響較為明顯(黃政昭，2005；蔡慕凡，2003；

李銘哲，2000)。良好流動性對工作性極具 助益，然而拌和水較多亦容易造成粒料析 離、泌水量增加，影響流填料之品質，故 流度應於符合強度及施工性能要求之前提

下，降低至最小限度。

依據 ASTM D 6103 建議，適當之流度 值應介於15cm 至 20cm 之間。試驗結果顯 示，底渣流填料當水固比為 0.35～0.40，

灰水比為0.2～0.3 時，具有較理想之流度 值。

4.2.2 早強性

近年來隨著國民生活水準的提昇，許 多維繫民生之重要管線如自來水管、瓦 斯、電信、電力與下水道設施等，紛紛地 下化發展且多埋設於道路下方。由於民生 管線埋設維修等問題，使得道路往往於鋪 築過後仍須面臨再開挖回填的情況。重複 挖填以及人為施工不當等因素之影響，常 造成道路品質低劣嚴重危及道路交通安 全。考量管線施工地點多涉及交通動線之 通暢，故都會地區道路挖掘回填作業另具 有急切之時效性，因此本研究針對管溝回 填之施工需求，進行流填料早強性質之研 究。

依據前人之探討(李銘哲，1999；陳雨 音，2002)，應用於管溝回填之流填料必須 兼顧強度與時間之配合，其基本要求為在 澆置4～6 小時內，單軸強度應達 100kPa 以上。一般型底渣流填料之代表性試驗結 果如圖3 所示，其單軸強度(qu)與灰水比、

水固比之關係與黃政昭(2005)所觀察者類 似。於灰水比0.2～0.5、水固比 0.35～0.45 時，其qu值皆隨水固比之降低、灰水比之 增加而增加，惟齡期1 天低於 100kPa，顯 示底渣流填料之早期強度甚低，確實無法 符合都會地區管溝回填之應用需求。由於 底渣流填料具有緩凝性質且含水量過高，

導致早強性不佳，因此必須添加化學摻料 以提昇其早強性能。考量流填料之應用特 點為其流動性，因此本研究以控制流度為 前提，探討不同化學摻料包含減水劑、早 強劑及速凝劑等對於增加底渣流填料早期 強度之可能性。又因考量管溝再開挖之需 要，因此底渣流填料之後期強度亦必須加

以限制。

4.2.3 減水劑與早強性之關係

圖4 所示為不同減水劑含量對具有相 同流度之底渣流填料之強度影響代表性結 果。由圖可知，各試體之初期強度均隨齡 期之增加而增加，且其強度均於24 小時內 急遽增加惟齡期超過1 天後，強度增加之 趨勢即逐漸減緩並於7 天後產生強度折減 之現象。試驗結果亦顯示，不論灰水比之 大小，使用不同含量之減水劑對於早強性 之影響甚微。長期強度之發展亦與減水劑 含量並無規則性之關聯。

4.2.4 早強劑與早強性之關係

早強劑對底渣流填料早強性之影響代 表性結果如圖5 所示。試驗結果顯示使用 少量早強劑對於早強性之提昇即產生具體 之影響且水泥量愈低，此種關係愈為明

顯，惟當早強劑用量超過 2%以後，早強

劑用量與早強性之關係即不明顯。由圖可 知，於一般流度之限制下，使用早強劑1%

即可使底渣流填料之6 小時強度達 100kPa

以上，惟如欲使其 4 小時強度達到目標

值，則依據試驗結果，以增加水泥量之方 式較為適宜。

4.2.5 用水量與早強性之關係

圖6 為於一定流度之限制下，使用定 量水泥、不同減水劑時，各試體之強度變 化。由圖可知，在相同流度之前提下，增 加減水劑，減少用水量並相對增加灰水 比、降低水固比。試驗結果顯示使用減水 劑雖可降低用水量但對底渣流填料之早強 性影響仍然有限。各不同減水劑含量之試 體其早期強度多大致相同，而長期強度則 與減水劑用量並未呈現規則性之關係。造 成此種現象之原因推測應係在維持一定流 度之要求下，較高之用水量限制了早期強 度之發展，而後期強度則在早強劑之影響

下呈現不規則之變化。

4.2.6 長期強度之變化

早強型底渣流填料各配比試體之長期 強度代表性結果如圖7 所示。水泥用量較 低之試體其28 天強度與 7 天強度均呈現折 減之現象，且水泥用量愈低，早強劑用量 愈高，此種情形愈為明顯。本研究使用之 早強劑為硫酸鈉，在水泥初期硬化時能與 氫氧化鈣作用，促進水泥水化故具有早強 作用，惟於較長時時間之後，水泥水化作 用趨緩，且底渣流填料含有泥質及有機物 等不良雜質均可能影響其長期強度之發 展，惟依據試驗結果，即使在低水泥量之 情形下，多數試體之28 天強度均超過最小 設計目標值(600kPa)，故配比設計所得結 果應屬可行。由於研究時程之限制，早強 型底渣流填料之長期強度變化仍待後續研 究進一步探討。

4.3 試驗結果之統計分析

由試驗結果可知，影響焚化底渣流填 料早強性之試驗參數眾多，其散佈圖形狀 之間的因果關係亦未顯示規則性之趨勢。

為探討各試驗參數與強度之相關性，本研 究以商業軟體SPSS 及 Excel 執行複迴歸分 析，相關細節說明如次。

4.3.1 迴歸模型之檢定

迴歸分析是在討論變數間的關係，並 根據一些相關的理論建立預測模型，進而 討論其重要的統計推論。在迴歸分析中，

必有一因變數稱為被解釋變數或被預測變 數，一般以y 表示；另可能有數個自變數，

又稱為獨立變數或預測變數或解釋變數，

一般以xi表示。如果自變數只有一個，稱 為簡單迴歸；若自變數有二個或二個以上 者，則稱為複迴歸。另外，若變數之間具 有統計關係，則進行迴歸分析的目的即在 於找出一適當的數學方程式以表示其關 係，此方程式謂之迴歸方程式(方世榮，

1998；林惠玲、陳正倉，2002)。

評定一個迴歸模式的實用性及相關程 度解釋能力或配適度能力之優劣，主要可 由三個的統計量來判斷，包括判定係數 (R²)、相關係數(R)與 F 值檢定，每一種方 法各有其特別的涵意及適用情況。一般而 言，在表示一迴歸模型及其估計結果與相 關的統計量，皆有一定型式。以下即針對 三 種 主 要 的 統 計 量 分 析 介 紹(方世榮，

1998；林惠玲、陳正倉，2002)。

1.F 值檢定(顯著性檢定)

複迴歸分析可利用F 檢定探討迴歸方 程式所有自變數(Xi)對依變數(Y)是否具 有聯合解釋能力，並具有方程式關係：

E(Y)=β0+β1X1+β2X2+β3X3 +····+βkXk， 檢定該迴歸方程式是否可被接受時，虛無 假設與對立假設分別為：

H0 ： 迴 歸 方 程 式 無 解 釋 能 力 (β1=β2=…=βk=0)

H1：迴歸方程式有解釋能力 (βi=不全 為 0)

虛無假設H0為全體迴歸係數均為0，

表示迴歸方程式的解釋變數無聯合解釋能 力；而H1為至少有一個迴歸係數不為0，

或迴歸方程式的解釋變數有聯合解釋能力 (方世榮，1998；林惠玲、陳正倉，2002)。

利用F 統計檢定量來做檢定：

= ~

F

_k,n−k−1

MSE

F MSR

檢定法則：

cF＞Fk,n-k-1, α，則拒絕H0。 dF≦Fk,n-k-1,α，則接受H0。 拒絕 H0 表示迴歸方程式的自變數對 依變數具有解釋能力，迴歸模型可接受；

反之，若接受H0，則表示迴歸方程式不具 解釋能力。

2.判定係數(R²)

前述F 值檢定可知迴歸模式其統計是 否具有顯著性，然而對於顯著關係間的強 度大小或迴歸模型對應於相關資料的配適

程度(解釋能力)，則可利用判定係數 R²(coefficient of determination)加以判斷。

判定係數介於0 與 1 之間，當比值愈接近 1 時，表示迴歸關係愈強或迴歸模型的解 釋能力愈高(方世榮，1998；林惠玲、陳正 倉，2002)。

3.相關係數(R)

探討變數間的關係，除了前述的迴歸 分析外，另一種方法即是相關分析

(correlation analysis)。迴歸分析為尋求因變 數與自變數之間關係的數學方程式，而相 關分析則在探討各變數之間的相關程度及 相關方向。因此，用以衡量相關程度大小 與方向的數量稱為相關係數。

4.3.2 減水劑對早強性影響之統計分析

探討不同減水劑含量對強度之影響，

針對其試驗結果執行迴歸分析。表1～表 4 顯示試驗參數為灰水比、水固比及齡期時 以強迫進入變數法(enter)進行複迴歸分析 之統計結果。由表可知上述三個變數僅可 解釋強度 43.9%之變異量。複迴歸變異數 分析(analysis of variancc , ANOVA)F 值檢 定顯示整體而言，強度與灰水比、水固比 及齡期具有顯著之線性關係。然而檢定個 別試驗參數與強度之迴歸關係時則發現僅 有齡期具有顯著之預測力。此組試驗是針 對不同比例之減水劑對強度之影響，整體 顯示結果其對試體強度並無太大影響，齡 期為顯著影響因子。

統計迴歸預測模式如下：

1.齡期 4 小時

qu=347.95+125.83x1-1205.29x2

式中：

qu =單軸壓縮強度(kPa) x1=灰水比

x2=水固比 (1)F 值檢定

檢定統計量 F 值=45.80，在顯著水準 α=0.05 下，F(2,9)=4.26。

由於 F 值大於 Fα，因此結論拒絕H0， 亦即表示強度與其二個變數x1及x2具有 顯著的線性關係，可利用迴歸估計方程式 來預測強度。

(2)判定係數 R²

判定係數 R²=0.91，表示在控制條件 下有91%試驗參數強度關係，觀察資料對 迴歸模型的解釋能力極佳。

2.齡期 6 小時：

qu =574.91+193.35x1-1878.82x2

(1)F 值檢定

檢定統計量 F 值=28.78，在顯著水準 α=0.05 下，F(2,9)=4.26。

由於 F 值大於 Fα，因此結論拒絕H0， 亦即表示強度與其二個變數x1及x2具有 顯著的線性關係，可利用迴歸估計方程式 來預測強度。

(2)判定係數 R²

判定係數R²=0.86，表示在控制條件 下有86%試驗參數強度關係，觀察資料對 迴歸模型的解釋能力極佳。

3.齡期 1 天：

qu =5758.54+1401.53x1-19125.84x2

(1)F 值檢定

檢定統計量 F 值=50.73，在顯著水準 α=0.05 下，F(2,9)=4.26。

由於 F 值大於 Fα，因此結論拒絕H0， 亦即表示強度與其二個變數 x1及 x2具有 顯著的線性關係，可利用迴歸估計方程式 來預測強度。

(2)判定係數 R²

判定係數R²=0.92，表示在控制條件 下有92%試驗參數強度關係，觀察資料對 迴歸模型的解釋能力極佳。

4.齡期 7 天：

qu =9106.71+3308.09x1-32543.50x2

(1)F 值檢定

檢定統計量 F 值=38.22，在顯著水準 α=0.05 下，F(2,9)=4.26。

由於 F 值大於 Fα，因此結論拒絕H0， 亦即表示強度與其二個變數x1及x2具有 顯著的線性關係，可利用迴歸估計方程式 來預測強度。

(2)判定係數 R²

判定係數 R²=0.89，表示在控制條件 下有89%試驗參數強度關係，觀察資料對 迴歸模型的解釋能力極佳。

5.齡期 28 天：

qu =997.79+5151.65x1-7519.23x2

(1)F 值檢定

檢定統計量 F 值=89.60，在顯著水準 α=0.05 下，F(2,9)=4.26。

由於 F 值大於 Fα，因此結論拒絕H0， 亦即表示強度與其二個變數x1及x2具有 顯著的線性關係，可利用迴歸估計方程式 來預測強度。

(2)判定係數 R²

判定係數R²=0.95，表示在控制條件下有 95%試驗參數強度關係，觀察資料對迴歸 模型的解釋能力極佳。

4.3.3 早強劑對早強性影響之統計分析

本節所討論者為早強劑與強度關係之 相關分析與迴歸結果(表 5～表 8)。由表可 知，添加早強劑後，灰水比、齡期及早強 劑含量可解釋76.9%之變異量。ANOVA F 值檢定顯示，整體而言，強度與灰水比、

齡期及早強劑含量具有顯著之線性關係。

檢定個別試驗參數與強度之迴歸關係時則 發現以齡期預測強度具有 44.5%的解釋能 力，以早強劑含量預測強度具有 26.1%的 解 釋 力 ， 而 以 灰 水 比 預 測 強 度 則 具 有 69.3%的解釋力，顯示灰水比解釋力較其 他兩者更具有統計上的意義。此組試驗是 針對不同比例之早強劑對強度之影響，整 體顯示結果其對試體強度均有影響，而灰

水比為最顯著之影響因子。

根據SPSS 之統計結果，減水劑對於 早強性並無顯著之影響；而添加早強劑則 對於早強性則具有較顯著之影響。

統計迴歸預測模式如下：

1.齡期 4 小時：

qu =1077.89+45.43x1-3710.49x2

(1)F 值檢定

檢定統計量 F 值=8.93，在顯著水準 α=0.05 下，F(2,9)=4.26。

由於F 值大於 Fα，因此結論拒絕H0， 亦即表示強度與其二個變數x1及x2具有 顯著的線性關係，可利用迴歸估計方程式 來預測強度。

(2)判定係數 R²

判定係數R²=0.66，表示在控制條件 下有66%試驗參數強度關係，觀察資料對 迴歸模型的解釋能力尚可。

2.齡期 6 小時：

qu =733.58+235.43x1-2507.49x2

(1)F 值檢定

檢定統計量 F 值=11.42，在顯著水準 α=0.05 下，F(2,9)=4.26。

由於F 值大於 Fα，因此結論拒絕H0， 亦即表示強度與其二個變數x1及x2具有 顯著的線性關係，可利用迴歸估計方程式 來預測強度。

(2)判定係數 R²

判定係數R²=0.72，表示在控制條件 下有72%試驗參數強度關係，觀察資料對 迴歸模型的解釋能力極佳。

3.齡期 1 天：

qu =9728.08+1712.91x1-34962.31x2

(1)F 值檢定

檢定統計量 F 值=13.41，在顯著水準 α=0.05 下，F(2,9)=4.26。

由於F 值大於 Fα，因此結論拒絕H0， 亦即表示強度與其二個變數x1及x2具有 顯著的線性關係，可利用迴歸估計方程式

來預測強度。

(2)判定係數 R²

判定係數R²=0.75，表示在控制條件 下有75%試驗參數強度關係，觀察資料對 迴歸模型的解釋能力極佳。

4.齡期 7 天：

qu =2859.79+4820.95x1-12470.04x2

(1)F 值檢定

檢定統計量 F 值=51.64，在顯著水準 α=0.05 下，F(2,9)=4.26。

由於F 值大於 Fα，因此結論拒絕H0， 亦即表示強度與其二個變數x1及x2具有 顯著的線性關係，可利用迴歸估計方程式 來預測強度。

(2)判定係數 R²

判定係數R²=0. 92，表示在控制條件 下有92%試驗參數強度關係，觀察資料對 迴歸模型的解釋能力極佳。

5.齡期 28 天：

qu =-3611.17+6984.82x1+6388.71x2

(1)F 值檢定

檢定統計量 F 值=62.92，在顯著水準 α=0.05 下，F(2,9)=4.26。

由於F 值大於 Fα，因此結論拒絕H0， 亦即表示強度與其二個變數x1及x2具有 顯著的線性關係，可利用迴歸估計方程式 來預測強度。

(2)判定係數 R²

判定係數 R²=0.93，表示在控制條件 下有93%試驗參數強度關係，觀察資料對 迴歸模型的解釋能力極佳。

五、結論與建議

本研究以試驗方式探討底渣流填料應 用於都市管溝回填工程之可行性，藉以提 昇底渣資源化之再利用。研究之主要目的 為評估垃圾焚化底渣流填料之早強性，以 添加化學摻料之方式，探討合理之設計配 比及其工程性質。依據研究成果可獲致之 結論與建議如次。

5.1 結論

1. 底渣流填料建議之流度與一般流填料 所表現者類似，隨水固比及灰水比之增 加而增加，且以水固比之影響較為明 顯。底渣流填料之水固比為 0.35～

0.40，灰水比為 0.2～0.3 時可具有適當 之流度。

2. 底渣流填料之強度隨灰水比之增加、水 固比之降低而增加，惟因其具有緩凝性 質，齡期1 天之試體其強度均較低，無 法符合都會地區管溝回填之時效要求。

3. 添加減水劑、速凝劑及早強劑均可改善 底渣流填料之早強性，惟依據試驗結果 之觀察及統計分析趨勢之判斷，三種摻 料之中以早強劑對於早強性之影響最 為顯著。於標準流度之限制下，早強劑 之建議用量為1%。超過此限值之後，

改善早強性則以增加水泥量之方式較 為適宜。

4. 早強型底渣流填料各配比之長期強度 均呈現折減之現象，且水泥用量愈低、

早強劑用量愈高，此種情形愈為明顯，

其原因應與水泥水化作用趨緩及底渣 包含雜質有關。由於多數試體之28 天 強度均達設計目標值，故配比設計所得 結果應屬可行。

5.2 建議

1. 本研究所探討者為規模較小之實驗室 試驗，且底渣試樣料源單純。欲推廣早 強型底渣流填料之實際應用，未來應再 推行現地大型澆置試驗，檢測現地工程 性質，並與實驗室參數比對，確認底渣 流填料作為都會地區管溝回填之最佳 配比設計。

2. 底渣資源化應用對於紓解我國垃圾焚 化底渣處理之困境極為重要，以其拌製 流填料並用之於管溝回填不僅可以解

決底渣處理問題亦可改善管溝回填品 質。然而底渣成份複雜且可能包含有害 物質，鑑於流填料之水泥用量不高，固 化能力偏低，未來應就底渣流填料滲出 水析出成份之環境相容性進行完整探 討，以確認其安全性。

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表1 輸入/移除之變數(減水劑)

模

式 輸入之變數 移除之變數 分析方法

1 齡期、水固比、灰水比 無 強迫進入

變數法 a.所有要求輸入之變數

b.依變數：強度

表2 模式摘要(減水劑)

模 式

相關係數 (R)

判定係數

(R²) 調整R² 估計標準誤差 1 0.662 0.439 0.409 1144.57230 a.預測變數：(常數)、齡期、水固比、灰水比

b.依變數：強度

表3 變異數分析(減水劑)

模式 平方和 自由度 平均

平方和 F 檢定 顯著性

迴歸 殘差 總和

57320230.689 73362561.740 130682792.429

3 56 59

19106743.56 1310045.745

14.585 0.000

a.預測變數(常數)、齡期、水固比、灰水比 b.依變數：強度

表4 統計分析結果(減水劑)

未標準化係數

標準 化係 數 模式

B 之估計

值 標準誤差 Beta

分配

t 顯著性

Const C/W W/S Age

2934.122 2036.091 -12454.536 2.477

7687.220 1756.120 25343.518 0.577

0.358 -0.152 0.430

0.382 1.159 -0.491 4.295

0.704 0.251 0.625 0.000 a. 依變數：強度

表5 輸入/移除之變數(早強劑)

模

式 輸入之變數 移除之變

數 分析方法

1 齡期、早強劑、灰水比 無 強迫進入變數

法 a.所有要求輸入之變數

b.依變數：強度

表6 模式摘要(早強劑)

模 式

相關係數 (R)

判定係數

(R²) 調整R² 估計標準誤差 1 0.887 0.769 0.735 54.50886 a.預測變數：常數、齡期、早強劑、灰水比

b.依變數：強度

表7 變異數分析(早強劑)

模式 平方和 自由度 平均

平方和 F 檢定 顯著性 迴歸

殘差 總和

198111.666 59424.323 257535.989

3 20 23

66037.222 2971.216

22.226 0.000

a.預測變數：(常數)、齡期、早強劑、灰水比 b.依變數：強度

表8 統計分析結果(早強劑)

未標準化係數 標準化

模式 係數

B之估計 值

標準 誤差

Beta 分配

t 顯著

性

Const C/W W/S Age

-299.903 292.856 24.228 46.073

67.612 45.469 9.971 11.127

0.693 0.261 0.445

-4.436 6.441 2.430 4.141

0.000 0.000 0.025 0.001 a.依變數：強度

0 20 40 60 80 100

0.0 0.1

1.0 10.0

顆粒粒徑(mm) 累積

過 篩百 分率 (%)

圖1 焚化底渣之粒徑分佈

0 5 10 15 20 25 30 35 40

0.35 0.40 0.45 0.35 0.40 0.45 0.35 0.40 0.45 0.35 0.40 0.45 水固比(w/s)

流度值 (cm)

圖2 底渣流填料之流度值與各控制參數之 關係

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

0 5 10 15 20 25 30

齡期(天)

單軸壓縮強度(kPa)

c/w=0.40,w/s=0.35 c/w=0.40,w/s=0.40 c/w=0.40,w/s=0.45

圖3 底渣流填料之單軸壓縮強度與水固比 及齡期之關係 (灰水比=0.40)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

0 5 10 15 20 25 30

齡期(天)

單軸壓縮強度(kPa)

減水劑1%,c/w=0.63,w/s=0.27 減水劑2%,c/w=0.65,w/s=0.26 減水劑3%,c/w=0.66,w/s=0.25 減水劑4%,c/w=0.67,w/s=0.25

圖4 底渣流填料之單軸壓縮強度與減水劑 添加量之關係

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

0 5 10 15 20 25 30

齡期(天)

單軸壓縮強度(kPa)

早強劑1%,c/w=0.62,w/s=0.27 早強劑2%,c/w=0.64,w/s=0.26 早強劑3%,c/w=0.65,w/s=0.26 早強劑4%,c/w=0.67,w/s=0.25

圖5 底渣流填料之單軸壓縮強度與早強劑 添加量之關係

圖6 減水劑與底渣流填料單軸壓縮強度之 關係

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

1/6 1/4 1 7 28 1/6 1/4 1 7 28 1/6 1/4 1 7 28 1/6 1/4 1 7 28 齡期(天)

單軸壓縮強度(kPa)

早強劑1%

灰水比=0.32 水固比=0.28

早強劑4%

灰水比=0.33 水固比=0.27 早強劑2%

灰水比=0.33 水固比=0.28

早強劑3%

灰水比=0.32 水固比=0.29

圖7 早強劑與底渣流填料單軸壓縮強度之 關係

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

1/6 1/4 1 7 28 1/6 1/4 1 7 28 1/6 1/4 1 7 28 1/6 1/4 1 7 28 齡期(天)

單軸壓縮強度(kPa)

減水劑1%

灰水比=0.31 水固比=0.29

減水劑2%

灰水比=0.32 水固比=0.29

減水劑3%

灰水比=0.32 水固比=0.28

減水劑4%

灰水比=0.33 水固比=0.27

附件

一、出席國際學術會議報告

二、發 表學術論文

行政院國家科學委員會補助國內專家學者出席國際學術會議報告 94 年 9 月 20 日

報告人姓名 吳淵洵

服 務 機 構 及 職 稱

中華大學土木工程系副教 授

時間 會議 地點

2005/8/21-2005/8/24 美國德州休斯頓市

本 會 核 定 補 助 文 號

NSC 94-2211-E-216-006

會議 名稱

(中文)美國土木工程學會 2005 管線工程研討會 (英文) ASCE Pipeline Conference 2005

發表 論文 題目

(中文) 土壤流填料於管線工程之應用

(英文) Soil-Based Flowable Fill for Pipeline Construction 報告內容應包括下列各項：

一、參加會議經過

美國土木工程師學會(ASCE)管線工程組(Pipeline Division)為促進世界管 線工程技術之發展，每年均會針對特定主題召開國際性研討會，廣邀世界各 地專家、學者及業者與會交流討論。由於ASCE 在國際土木工程界素負權威 及其慎重規劃之態度，故每次研討會多吸引全美及世界各地產官學界菁英與 會，蔚為風潮。今年該組以「現代經濟條件下，管線工程設計、營運與維護 之最佳化」為主題，籌辦「2005 管線工程研討會」，針對近年來管線工程技 術於世界各地眾多管線建設中之影響與發展，邀請與會者專案討論。報名參 與會議人數達206 人，參展相關廠商亦達 56 家。會議內容涵蓋管線工程技術 於各類建設之應用包括自來水、廢水、各類油品，以及瓦斯之輸送等，相關 領域包括無開挖管線技術、規劃與施工、研究與發展、現況評估、修復與監 造、緊急修復、地震設計、油品及瓦斯、管線流量計算、管線內襯及外膜技 術、暫態流及水力分析及模擬、管線基礎及回填、壓力管線監造技術等總計 達33 項議程。8/21 為訓練課程，正式會議則分別於 8/22~8/24 次第展開。會 場設於休斯頓市之InterContinental Hotel。

報告人於 8/20 自臺灣啟程赴美，於當地時間 8/21 下午抵達會場 InterContinental Hotel 報到，領取會議資料。8/22 會議正式展開，早上 8:00 至10:00 首先由美國管線工程重量級的專家 Ken Kirk(National Association of Clean Water Agencies 總 裁 ) 進 行 開 幕 專 題 演 講 ， 介 紹 美 國 基 礎 建 設 (infrastructure)的近況。休斯頓市公共工程局局長 Michael Marcotte 說明都市 老舊設施更新的迫切性與必要性。環保署飲水計畫主持人Tom Poeton 報告美 國計畫於未來五年內持續投資約 1.6 兆美元，用以修復、汰換老舊的基礎設 施，其中包括各種民生管線如自來水、廢污水下水道管線，以及天然瓦斯、

電氣、通訊、油料管線等。專題演講結束後隨即同步展開各場次之議程。報

告人上午參加「無開挖管線技術」，下午則參加「老舊管線狀況評估及更新」

及「管線施工與監造」等場次。報告者分別來自美、加國各地。其中以無開 挖管線公司總裁 Thomas Meinhart 提出關於「無挖管線技術應用於高壓管線 之設計與施工」令報告人印象最為深刻。無開挖管線技術對於都市市容及道 路品質之維護，以及交通安全之保障均具有極高之效益。高壓管線之施工要 求與一般民生管線迥異，故其設計與施工均具有特殊考量。報告人以實務案 件為例，說明無開挖管線技術應用於高壓管線之設計與施工之方法，所遭遇 之困難與改善對策，以及注意事項等。無開挖管線技術在國內之研究方興未 艾，其中多項創新工法聞所未聞，值得再進一步蒐集資料學習。

8/23 上午議程主題包括管線緊急修復、油料與瓦斯管線、流量分析與計算等

。下午則為管線之滲漏及管線規劃與設計等。各場次均有多篇論文值得多所 學習與探討。其中以 LAN 副總裁 Ortega 提出之管線破損緊急修復之創新工 法最具價值。由於管線老舊以及使用人口增加，導致流量倍增，因而使得休 斯頓市在過去五年來頻頻發生爆管事件，造成市民極度反感，質疑施工品質 影響政府威信。Ortega 先生依據其整治及搶修經驗，以實例說明爆管避免對 策以及緊急修復工法，其中以加壓滑動內模工法極具創新性。我國近年來亦 頻傳管線破壞事件，本篇論文值得國內加以借鏡。

8/24 參加之場次為地震及水下管線之設計、壓力管線之施工技術，以及墊 層、回填料之施工。由來自美、日、伊朗等地之專家與學者分別發表數篇有 關地震及水下管線之工法與實務案例之經驗分享，其中由日本神戶大學研究 員 Kuwata 報告之論文「斷層位移之計算、對管線之影響及其對策」與我國 情形相似性最高。Kuwata 以差分元素法建立管線模型用以模擬分析計算斷層 可能造成之管線位移。依據分析結果建立計算公式，並得以歸納可能產生之 位移。依據計算結果設計管線之柔性接頭從而避免地震位移對管線造成可能 之損害。我國管線甚多位於斷層地區，故此種分析技術頗值得參考。8/24 上

午報告人出席「墊層及回填料」並發表論文：「土壤流填料於管線工程之應用

」，說明此種以現地土石作為流填料之工法優缺點、配比設計實驗方式，以及

大型現地試驗結果。本日雖為研討會的最後一日，出席者仍相當踴躍，且對 於本人之論文提出相當多的詢問與討論，並多著重於實務應用方面。說明土 木研究應理論與實務並重，僅專注於理論而疏於實務應用，則再好的研究也 僅只於空談，不具應用價值。8/24 下午，大會安排的活動為現場工程參觀 (technical tours)或參展區自由交流活動。由於飛機行程之限制，報告人僅能於 參展區作最後的瀏覽。本次研討會參展廠商眾多，展示商品種類及內涵包括 材料、設計、施工及電腦程式等均極為豐富。報告人如入寶山收獲甚多。在 參展場次結束後隨即離開會場，結束此次美國2005 管線工程研討會學習之旅

。

二、與會心得

本次研討會參加者達206 人，對於一個單一工程主題的會議，竟然可吸 引如此眾多的與會者，其主要原因當係主辦單位素負權威、規劃週詳，且會 議主題切合潮流，使得會議內容豐富精彩；其二則為產官學界之全力支持，

由此可見得美國工程界對整合研究與實務方面之重視及用心。我國管線工程

界相關單位眾多，每年於研究方面亦分別投入不少人力與經費，但整合效果 似乎不彰殊為可惜。ASCE 籌辨研討會之模式實值得國內管線相關單位之參 考。

管線工程建設包含各種專業領域，土木工程僅為其中一部分，而報告人 所屬之大地工程更僅為土木工程之一支，但因其與任何管線工程設施之基礎 安全息息相關，故其重要性十分明顯，而此點亦在此次會議中眾多發表之論 文得到印証。在所有場次中，不少論文相當精闢且意義重大，值得令人學習 與深思。對個人而言，當以管線回填材料性質這一部分價值最為重要。經過 本次研討會之研習，不但印証報告人過去數年來於國科會支持下，針對此一 研究方向努力之正確性，符合世界潮流與趨勢，同時亦增加不少關於管線流 量分析、生命週期與緊急修復對策之新知。感謝國科會與中華大學對於相關 研究計畫及對於參加本次研討會經費之支持。

此次參加會議亦得以認識大會承辦人美國德州休斯頓大學 Vipulanandan 教授、San Diego 自來水公司資深工程司 Galleher、Lockwood 顧問公司 Henry 經理、URS 公司副總裁 Urlich 等 20 餘位世界各地的專家與學者並就研究所 知與工程經驗交換心得。綜合言之，本次參加研討會研習收獲豐碩，鑑於 ASCE 舉辦之學術研討會價值與地位倍受世界各地之重視，報告人至盼未來 仍有機會再度與會研習新知。

三、考察參觀活動(無是項活動者省略)

本次會議因行程限制未參加任何工程參觀活動。

四、建議

依據報告人之研習與參訪所得，建議：

1. 美國 ASCE 相關主題之研討會學術與實務價值極高，對整合理論與實 務極具成效，落實研發成果與技術之推廣，國內工程界應引為借鏡。

國科會歷年舉辦之研究成果發表會具有類似功能，惜工程界參與者不 甚踴躍，建議比照ASCE 模式廣邀實務界擴大辦理。

2. ASCE 相關主題之研討會吸引世界各地菁英與會，國人不應缺席，應 儘量爭取國際地位，惜此次會議看到之國內同業僅一中興大學的博士 生，建議國科會宜寬列預算，儘量鼓勵國內學者專家參加此種大型國 際研討會。

五、攜回資料名稱及內容

美國ASCE 「20042005 管線工程研討會會議論文集」及大會各參展廠商 提供之資料等。

Soil-Based Flowable Fill for Pipeline Construction

Jason Y. Wu¹, D.Eng.Sc., P.E.

Abstract

This research investigated the performance of a soil-based flowable fill as an alternative backfill for pipeline construction. The excavated natural silty sand from a trench was used as the major ingredient in the flowable fill. The study consisted of two phases. In phase I, laboratory experiments were conducted to develop optimum mix formula. Tests included physical properties, flowability, and strength. In phase II, field trial construction was conducted to verify the accuracy of laboratory results and evaluate the field performance of the material.

Based on the research, for strength values ranging from 300 to 1,000 kPa, the cement-to-water and water-to-solid ratios were the two most important parameters controlling the engineering performance of the material. Laboratory and field observations provided strong evidence that the use of soil-based flowable fill can be a practical solution and promote optimum quality for pipeline construction.

Introduction

The quality of the backfill around pipelines has great importance for pipeline safety (Kaneshiro, et al., 2001). It is important regarding bearing safety, settlement minimization, and service ability of the constructed facility. However, the compaction criteria in many instances are difficult to achieve because site restriction, soil conditions, equipment limitation, and workmanship. In addition, backfill sometimes even with controlled compaction still exhibits a collapse phenomenon or other adverse problems leading to difficult pipeline remedial works (Lawton et al. 1989).

________________________________

1Associate Professor, Department of Civil Engineering, Chung Hua University, 707 Sec. 2, Wufu Road, Hsinchu, Taiwan 30012, ROC

Pipeline 2005, Proceedings of the Pipeline Division Specialty Conference, ASCE, Houston, Texas, 2005, pp. 925-938

Controlled low-strength material (CLSM) or flowable fill is a self-compacting, flowable, durable strength, cementitious material used primarily as backfill, void fill, and utility bedding in lieu of conventional compacted fill (Kaneshiro et al. 2001; Du et al. 2002). It consists of water, cement, fly ash or other similar by-products, and fine or coarse aggregates or both (Hitch 1998; ACI 1994). Its performance and criteria for pipeline construction are well documented in the literature (Webb et al. 1998; Hook and Clem 1998; Kaneshiro et al. 2001).

In comparison with conventional granular backfill, it exhibits many advantages such as easy construction, low cost, high strength, and low compressibility. In many cases, it facilitates the backfill operation and ensures the construction quality (Kaneshiro et al. 2001; Samadi and Herbert 2003). However, there are also several disadvantages to the use of flowable fill such as industry unfamiliarity, unclear specifications, possible corrosivity, potential material variability, long-term removability, deeper frost penetration, and a delayed setting time (Baker 1998; Kaneshiro et al. 2001; Samadi and Herbert 2003).

Another problem associates with conventional flowable fill is that the use of specified aggregate has imposed natural resource deficiencies and ecological problems in many areas. In many cases, it is also difficult to find a proper place to disposal of the excavated soil for the pipelines (Kaneshiro et al. 2001; Du et al.

2002). Developing a better solution for pipeline backfill appears to be necessary to optimize the pipeline construction.

This paper presents the results of an experimental study and field observation using a soil-based flowable fill as an alternative for the conventional granular backfill used in pipeline construction. Laboratory experiments developing a suitable mix design are first described, followed by performance observations during field installation.

The native silty sand excavated from the trench for a conduit bank was mixed with cement and water to produce a modified version of conventional flowable fill. Use of such material tended to: (1) ensure backfill quality; (2) lower construction cost; (3) reduce consumption of natural quarry resource; and (4) promote resource recovery for spoil soil and ecological benefit.

Experimental Program

The purpose of this study was to develop a practical scheme for pipeline construction using a soil-based flowable fill with local site material. The ideal properties of the material would be flowable, strong, and durable. Based on other studies, flowability and strength are the two most important properties for flowable fill (ACI 1994; Hitch 1998; Du et al. 2002). Therefore, the weight ratio

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of cement-to-water (C/W) and water-to-solid (W/S) were selected as control parameters for the mix design.

To verify the engineering properties in detail, the experimental program consisted of two series of laboratory studies. Series I conducted an initial evaluation of the proper design mixes for flowable fill. Tests included physical properties, flowability, and strength. An optimum design mix formula corresponding to the most appropriate flowability and strength were selected for the series II study. Representative samples were then examined for permeability, compressibility, hydrocollapse, bearing capacity, and undrained shear strength based on the aspects of geotechnical engineering. All tests were performed in accordance with the procedures and corresponding standards outlined in the ASTM. The laboratory mixtures were then used as the basis for the field trial installation.

The materials used in this study consisted of silty sand, cement, and water.

The sand was taken at the proposed construction site. It was a yellowish brown fine sand with some non-plastic silt. It was classified as SM for USCS system or A-2-4 for AASHTO system. For regular samples, portland type I cement was used.

For early-strength studies, a special calcium aluminate cement (CAC) was used.

All samples were first blended in dry following the prescribed mix formula. Water was then introduced and sample was mixed and tested accordingly.

Test Results and Discussion

Flowability. Flowability is the most promising feature for flowable fill in superior

to a conventional backfill. In general, flowability is controlled by the amount of water contained in the composite. The larger amount of water it uses, the higher the flowability it has. However, a greater water content may cause aggregate segregation, bleeding increase, and strength reduction. Therefore, the selection of a suitable water content making the material exhibit the best engineering performance was the first priority for the mix design.

Procedures recommended by the ASTM D-6103 were used to measure flowability. Measurements were conducted by filling a 75 mmφ×150 mmH open-end plastic cylinder with flowable fill on a leveled non-absorptive surface and then raising the cylinder quickly allowing the slurry to spread freely on the surface. When the slurry stopped flowing, the diameter of the slurry was measured in two orthogonal directions. The average diameter was recorded and defined as flowability for that composite. For most applications, specification requires a typical diameter to be 200 mm or greater with no visible segregation (Crouch et al.

1998).

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Figure 1 presents the effect of the C/W and W/S ratios on the flowability of each sample tested. The results indicated that flowability increased with the increase of the W/S ratio but the rate of increase became insignificant when the W/S ratios were greater than 0.5. Increasing the amount of water tended to reduce the shear resistance within the soil particles. Therefore, the flowability was increased. When the shear resistance dropped to the minimum, further increasing the amount of water showed only a minor effect on the flowability. A W/S ratio of 0.6 appeared to be the threshold value for the maximum flowability.

0 10 20 30 40 50

0.4 0.5 0.6 0.4 0.5 0.6 0.4 0.5 0.6 0.4 0.5 0.6

W/S Ratio

Flowability (cm)

C/W＝0.2 C/W＝0.3 C/W＝0.4 C/W＝0.5

Figure 1. Comparison of flowability for samples with different compositions.

The change of flowability with the C/W ratio was insignificant. This is because the amount of solid was fixed for a specified mix proportion. Increasing the amount of cement would cause the soil used to be reduced an equal amount.

Based on the above discussion, the W/S ratio is the predominant parameter that controls flowability. Laboratory observations indicated that a flowability of 150 to 300 mm would satisfy the requirements of flowability and self-leveling. Therefore, W/S ratios of 0.4 to 0.6 can be used as a criterion for flowability design.

Strength. The flowable fill gradually hardened and achieved strength through the

hydration of the cement. The composites were examined for strength after curing them for 1, 7, and 28 days. Figure 2 and Figure 3 present the effects of all parameters on the unconfined compression strength (qu) for samples cured with 1-day and 28-day. The values of qu increased with the increase of the cement content and curing time. However, higher W/S ratios tended to reduce qu. The values of qu cured for one day ranged from 52 to 773 kPa and those for a 28-day curing period were 312 to 6,549 kPa. The tendency to increase was more significant for samples with higher C/W ratios and curing time. Such phenomenon

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