中華大學

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中華大學碩士論文

非破壞檢測應用於 S-CLSM 早期強度之研究 Study of Non-Destructive Testing for Early

Strength of S-CLSM

系所別：土木工程學系碩士班學號姓名：M10004006 陳志旻指導教授：吳淵洵博士

中華民國 102 年 8 月

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摘要

營建剩餘土石方日益增多，產生嚴重之環保與生態問題，研議剩餘土石方之資源化應用實屬刻不容緩。控制性低強度材料(Controlled Low Strength Materials，簡稱 CLSM，亦稱流填料，Flowable Fill)能有效解決國內填土工程品質低劣之缺點。將剩餘土石應用於CLSM之產製 (Soil-based CLSM，S-CLSM) 可解決營建工程剩餘土石方之問題，將資源有效的再利用並可降低填土工程品質不良之問題。CLSM目前主要的施工檢驗方式皆以破壞性為主，對於強度較低之早期強度檢測，只能依賴澆置時的製作圓柱試體進行間接檢驗，缺乏施工品質管制之成效，因此進行早期強度非破壞之檢測可行性探討極為必要。

本研究以寶山砂土為探討土樣，使用超音波、時域反射儀(TDR)及衝擊錘，以實驗室試驗觀察S-CLSM新拌試體之工作性與齡期1、3、7、28天硬固試體之工程性質。

研究結果顯示，藉由適當配比設計，可得符合規範之工作度。超音波檢測S-CLSM之早期強度，TDR可檢測體積含水量。衝擊值與S-CLSM之CBR值及強度均具有良好相關性。超音波及衝擊錘檢測值與強度之相關性良好，可藉此推估強度及CBR值。本研究之成果證實，剩餘土石於CLSM之應用確實可行，不但可以解決剩餘土石方之問題、

增加填方工程之品質及應用範圍，亦可紓解剩餘土石方堆置之窘境，避免剩餘土石隨意棄置汙染環境。非破壞性檢測應用於S-CLSM初步評估確實可行，惟其應用普遍性仍待進一步之驗證。

關鍵字: 控制性低強度材料、流填料、剩餘土石方、非破壞檢測、時域反射儀、超音波檢測、衝擊錘檢測、砂土

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ABSTRACT

The increasing amount of construction surplus soils is leading to severe environmental protection and ecological issues such that it is imperative to develop a resource application of surplus soils. Controlled Low Strength Materials (CLSM, also known as Flowable Fill) can effectively address the issue of poor quality of domestic backfilling construction projects. The issue of construction surplus soils can be solved by using it for production of CLSM (Soil-based CLSM, S-CLSM), and the effective reclamation of resources can reduce the impact of poor quality of backfilling construction projects. Currently the construction tests of CLSM are mostly based on destructive methods. The early strength measurements of lower strength materials can only rely on indirect tests on the cylindrical specimens fabricated during pouring, which lacks construction quality control effectiveness. Therefore, it is extremely necessary to investigate the feasibility of non-destructive testing methods of early strength.

In this study the Baoshan sand is used as the sample for investigation based on laboratory experiments where ultrasonic, Time Domain Reflectometry (TDR) and impact hammer are adopted to observe the workability of fresh S-CLSM samples and the construction properties of hardened samples at age 1, 3, 7, and 28 days. The results of this study show that the workability in compliance with regulations can be obtained by proper mix design, which means it is indeed feasible to use ultrasonic detection of early strength of S-CLSM, the volumetric water content obtained by TDR is correct, and there is good correlation between the impact value and the CBR value and strength of S-CLSM. There is also good correlation between the ultrasonic and impact hammer detection and the strength such that they can be used to estimate the strength, and the impact hammer detection can also be used to estimate CBR value. The results of this study have proven the feasibility of

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using surplus soils for CLSM, while it can not only solve the issue of surplus soils and enhance the quality and application scope of backfilling construction projects, but also relieve the dilemma of piles of surplus soils causing environmental pollution. The initial assessment has proven the feasibility of using non-destructive testing for S-CLSM, yet the popularity of such application remains to be further verified.

Keyword：controlled low strength materials,CLSM, flowable fill, surplus soils,NDT, time

domain reflectometry, ultrasonic detection, impact hammer detection, sand

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誌謝

本論文承蒙授業恩師吳淵洵博士，於學生兩年的研究期間給予細心指導與指正，

不厭其煩地逐字斧正、批閱，使得本論文可以順利完成，學生在此致上最高的敬意，

師恩浩瀚學生將永銘於心。

求學期間一路走來，尤以感謝冠評、適任學長之引領，並於學業與論文研究中耐心相助，藉以提升專業領域之知識增長。感謝同學在課業上的互相砥礪及切磋，於試驗上的全力幫助與付出，方能使研究工作順利完成。

最後感謝父母親的辛勞、鼓勵與包容，於精神上的支持與鼓勵，才能使我在如此無虞的環境下，全心投入於研究工作中。

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表目錄

表 2-1 營建剩餘土石方土質分類代碼 ... 5

表 2-2 2008 年 1 月至 2013 年 1 月土石方之供需與再利用 ... 6

表 2-3 CLSM 與一般混凝土之比較 ... 10

表 2-4 國內相關單位對 CLSM 材料之性能要求 ... 12

表 2-5 砂質壤土在不同溫度下的體積含水量測量結果 ... 26

表 2-6 壤土在不同溫度下的體積含水量測量結果 ... 26

表 3-1 本研究 S-CLSM 之配比設計 ... 38

表 3-2 本試驗試體之試驗項目 ... 38

表 4-1 寶山砂土之基本物理性質 ... 47

表 4-2 李昌憲(2010)之超音波檢測結果 ... 66

表 4-3 非破壞檢測迴歸公式表(圓柱試體) ... 77

表 4-4 非破壞檢測迴歸公式表(版型試體) ... 78

表 4-5 非破壞性檢測比較 ... 80

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圖目錄

圖 1.1 研究流程圖 ... 4

圖 2.1 香港建築廢物管理架構圖 ... 7

圖 2.2 日本循環型社會流程圖 ... 8

圖 2.3 美國聯邦政府與州政府再利用執行架構 ... 9

圖 2.4 回填材料傾卸於路旁，影響交通 ... 13

圖 2.5 管溝回填不良，路面產生下陷 ... 13

圖 2.6 坍度試驗 ... 14

圖 2.7 剩餘土 CLSM 澆置 ... 14

圖 2.8 剩餘土 CLSM 回填完成 ... 14

圖 2.9 道路管溝修復六個月後 ... 14

圖 2.10 直接傳遞法 ... 18

圖 2.11 半直接傳遞法 ... 18

圖 2.12 表面傳遞法 ... 19

圖 2.13 不同取代比例抗壓強度與超音波速迴歸曲線 ... 20

圖 2.14 超音波波速與抗壓強度關係 ... 21

圖 2.15 超音波速與抗壓強度迴歸關係曲線 ... 21

圖 2.16 水泥量 125 kgf/m³不同齡期超音波與抗壓強度關係圖 ... 22

圖 2.19 典型的 TDR 測試波形 ... 25

圖 2.20 不同現地貫入形式 TDR probe（a）同軸式（b）多棒式（c）貫入式... 27

圖 2.21 水泥含量 4%時衝擊值與 CBR 值之關係 ... 28

圖 2.22 現地 CBR 值與衝擊值之關係 ... 29

圖 3.1 試驗流程 ... 31

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圖 3.2 砂質粉土 ... 32

圖 3.3 砂質黏土 ... 32

圖 3.4 比重試驗(1) ... 33

圖 3.5 比重試驗(2) ... 33

圖 3.6 液限試驗(1) ... 34

圖 3.7 液限試驗(2) ... 34

圖 3.8 塑限試驗(1) ... 34

圖 3.9 塑限試驗(2) ... 34

圖 3.10 篩分析試驗(1) ... 35

圖 3.11 篩分析試驗(2) ... 35

圖 3.12 比重計試驗(1) ... 36

圖 3.13 比重計試驗(2) ... 36

圖 3.14 管流度試驗 ... 40

圖 3.15 坍度試驗 ... 41

圖 3.16 坍流度試驗 ... 41

圖 3.17 單軸壓縮試驗 ... 42

圖 3.18 超音波檢測(1) ... 43

圖 3.19 超音波檢測(2) ... 43

圖 3.20 時域反射儀檢測(1) ... 44

圖 3.21 時域反射儀檢測(2) ... 44

圖 3.22 CBR 試驗(1) ... 45

圖 3.23 CBR 試驗(2) ... 45

圖 3.24 落沉試驗(1) ... 45

圖 3.25 落沉試驗(2) ... 45

圖 3.26 衝擊錘檢測(1) ... 46

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圖 3.27 衝擊錘檢測(2) ... 46

圖 4.1 寶山砂質粉土之土壤粒徑分佈曲線 ... 48

圖 4.2 寶山砂質黏土之土壤粒徑分佈曲線 ... 48

圖 4.3 C/W＝0.3、W/S＝0.36 之管流度 ... 49

圖 4.4 C/W＝0.4、W/S＝0.36 之管流度 ... 49

圖 4.5 C/W＝0.5、W/S＝0.36 之管流度 ... 49

圖 4.6 C/W＝0.5、W/S＝0.45 之管流度 ... 49

圖 4.7 C/W＝0.3、W/S＝0.36 之坍(流)度 ... 50

圖 4.8 C/W＝0.4、W/S＝0.36 之坍(流)度 ... 50

圖 4.9 C/W＝0.5、W/S＝0.36 之坍(流)度 ... 50

圖 4.10 C/W＝0.5、W/S＝0.45 之坍(流)度 ... 50

圖 4.11 各配比之管流度值 ... 50

圖 4.12 各配比之坍度值 ... 51

圖 4.13 各配比之坍流度值 ... 51

圖 4.14 S-CLSM 試體之強度與配比及齡期關係 ... 52

圖 4.15 S-CLSM 試體之強度與水泥量關係 ... 53

圖 4.16 各齡期落沉試驗 ... 54

圖 4.17 C/W＝0.3、W/S＝0.36 各齡期之 CBR 值 ... 55

圖 4.18 C/W＝0.4、W/S＝0.36 各齡期之 CBR 值 ... 55

圖 4.19 C/W＝0.5、W/S＝0.36 各齡期之 CBR 值 ... 56

圖 4.20 C/W＝0.5、W/S＝0.45 各齡期之 CBR 值 ... 56

圖 4.21 各配比不同齡期 CBR 值 ... 57

圖 4.22 S-CLSM 圓柱試體超音波發展情形 ... 58

圖 4.23 以超音波量測 S-CLSM 表面傳遞示意圖 ... 59

圖 4.24 S-CLSM 版型試體之超音波發展情形 (P-3-3) ... 59

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圖 4.28 S-CLSM 版型試體之超音波發展情形 ... 61

圖 4.29 S-CLSM 圓柱試體之超音波發展情形 ... 62

圖 4.34 S-CLSM 版型試體之超音波發展情形 ... 65

圖 4.35 水泥量與強度、波速之關係 ... 65

圖 4.36 TDR 量測含水量變化(圓柱試體) ... 67

圖 4.37 重量含水量與體積含水量(圓柱試體) ... 67

圖 4.38 重量含水量與體積含水量(版型試體) ... 68

圖 4.39 TDR 檢測(圓柱試體)... 68

圖 4.40 TDR 檢測(版型試體)... 68

圖 4.41 重量含水量與體積含水量之關係(圓柱試體)... 69

圖 4.42 重量含水量與體積含水量之關係(版型試體)... 69

圖 4.43 單軸壓縮強度與波速之關係(圓柱試體)... 70

圖 4.44 單軸壓縮強度與波速之關係(版型試體)... 71

圖 4.45 體積含水量與波速之關係(圓柱試體) ... 72

圖 4.46 體積含水量與波速之關係(版型試體) ... 72

圖 4.47 體積含水量與單軸壓縮強度之關係(圓柱試體)... 73

圖 4.48 體積含水量與單軸壓縮強度之關係(版型試體)... 73

圖 4.49 單軸壓縮強度與波速關係之綜合彙整(圓柱試體) ... 74

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圖 4.50 單軸壓縮強度與波速關係之綜合彙整(版型試體) ... 75

圖 4.51 體積含水量與波速關係之綜合彙整(圓柱試體)... 75

圖 4.52 體積含水量與波速關係之綜合彙整(版型試體)... 76

圖 4.53 體積含水量與單軸壓縮強度關係之綜合彙整(圓柱試體) ... 76

圖 4.54 體積含水量與單軸壓縮強度關係之綜合彙整(版型試體) ... 77

圖 4.55 各配比不同齡期衝擊值 ... 79

圖 4.56 衝擊值與 CBR 值之關係 ... 79

圖 4.57 衝擊值與強度之關係 ... 80

圖 4.58 非破壞性檢測應用說明-依據 V 推測 qu ... 82

圖 4.59 非破壞性檢測應用說明-依據 q_u推測 I_V ... 82

圖 4.60 非破壞性檢測應用說明-依據 IV推測 CBR 值 ... 83

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符號說明

符號定義單位

V 波速 m/s

L 距離 m

T 傳遞時間 μs

V_a 視傳遞波速 m/s

c 光速 m/s

K_a 視介電常數無因次

L_p 探頭長度 cm

Δt 時間差 μs

t 溫度 ℃

θ_V 體積含水量 %

w

重量含水量 %

C 水泥重 kgf/m³

W 水重 kgf/m³

S 固體重 kgf/m³

q_u 單軸壓縮強度 kPa

I_V 衝擊值無因次

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1

第一章緒論

1.1 研究背景

由於都會地區經濟與民生發展之需求，普遍造成各類型工程設施之地下化，例如捷運系統、隧道工程及地下室工程等，因此導致地下開挖頻率隨之增加，營建剩餘土石方日益增多，產生嚴重之環保與生態問題。依據內政部營建署(2013)之統計，2008 年 1 月至 2013 年 1 月，全台土石方總產出量為 170,819,373.1 立方公尺，總需求量為 15,393,053.6 立方公尺，剩餘土石方為 155,426,319.5 立方公尺，其中可再利用量總計為 8,088,752.7 立方公尺，剩餘皆為廢棄土石方，研議剩餘土石方之資源化應用實屬刻不容緩。

1.2 研究動機

控制性低強度材料(Controlled Low Strength Materials,CLSM，亦稱流填料，

Flowable Fill) 具有自流性、免夯實、低沈陷等優良工程性質。前人研究證實任何非制式粒料如工程剩餘土石、水庫淤泥、資源回收粒料及燃煤底灰等均可應用於CLSM，

並具有良好之物理與工程性質(吳淵洵等人，2009；林義堅，2009；侯昌辰，2010；

廖政彥，2007)，因此推廣剩餘土石於CLSM之應用，以土壤產製CLSM(Soil-based CLSM，S-CLSM) 不僅可解決營建工程剩餘土石方之問題，將資源有效的再利用紓解剩餘土石方堆置之窘境，亦可增進填方工程之品質。然而目前CLSM施工品質之判斷，一般均參照混凝土標準，以現場取樣製作標準圓柱試體為之，對於早期強度之 CLSM品質控制成效不彰。

近年來，非破壞性檢測盛行，內容包括超音波法、地電阻法、電磁波法、震波探測法、時域反射儀(TDR)檢測法及衝擊錘檢測法等，可快速、精確的檢測結構物之材料性質，且不會對檢測物體造成任何的破壞，對於強度較低的材料，更可快速精確的檢測其安全性及完整性，用於施工品質管制可以大幅提升品質及安全。前人研究證實

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利用超音波檢測CLSM之強度確為可行（沈永年、林彥余，2006），惟目前非破壞檢測應用於CLSM之研究較少，針對S-CLSM，其相關研究更為不足，因此探討非破壞性檢測於S-CLSM之應用確有必要。

時域反射儀(Time Domain Reflectometry,TDR)係以電磁波為介質之檢測儀器，可檢測土壤體積含水量，且檢測快速，前人研究證實此儀器檢測體積含水量誤差值小於 3%，應用範圍廣泛且野外與室內皆可適用(李姿潔，2010)。混凝土相關材料含水量與強度成反比之關係，含水量降低其強度增加。利用TDR快速檢測S-CLSM之含水量用以推估與強度之關係。衝擊錘之主要原理為藉由落錘落於土壤表面所造成之反彈，用以反應土壤之強度、密度或勁度。前人研究證實利用衝擊錘檢測水泥固化剩餘土石方之承載力，可藉由衝擊值得知土壤承載力之變化(王明德，2002)。本研究以超音波檢測之波速推估強度，TDR檢測之含水量推估強度，衝擊錘檢測推估強度及承載力，探討非破壞性檢測應用於S-CLSM之可行性。

1.3 研究目的

為了解決CLSM早期強度檢驗問題，本研究以寶山砂土為試驗樣本，製作S-CLSM，

以實驗室試驗觀察S-CLSM之工程性質及應用超音波檢測、TDR檢測及衝擊錘之可行性，以期達成下列目的:

1. 解決CLSM早期強度檢驗成效不彰的缺點，增加施工品質；

2. 建立超音波、TDR及衝擊錘於S-CLSM早期強度檢測之可行性評估。

1.4 研究方法與流程

本研究之研究流程如圖1.1所示，以寶山砂土為研究對象，進行試驗室之試驗，

首先藉由物理性質試驗了解砂土的基本性質，依工作性規範進行配比試拌；其次再以工程性質測定，觀察不同配比S-CLSM性質之變化，最後以強度試驗、超音波檢測、

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TDR檢測及衝擊錘檢測探討S-CLSM早期強度評估之可行性。

1.5 研究範圍與限制

由於研究時程之限制，本研究僅針對寶山砂土進行試驗及探討，試驗結果屬可行性之初步驗證。

1.6 論文架構

本論文共分為五章，其內容概要說明如下：

第一章緒論：說明研究背景、研究動機、研究目的、研究方法與流程、研究範圍與限制。

第二章文獻回顧：首先說明目前剩餘土石方之處理方式，其次針對控制型低強度材料及非破壞性檢測相關文獻進行資料的蒐集及整理，瞭解目前試驗項目及規範。

第三章研究方法與流程：以寶山砂土為研究對象，於實驗室內進行CLSM配比試驗，

再以超音波儀器檢測S-CLSM波速及時域反射儀檢測體積含水量，搭配破壞性檢測抗壓試驗、落沉試驗，整理並分析所得之試驗數據，說明試驗之研究流程、方法及設備。

第四章試驗結果分析與探討：針對S-CLSM之各項試驗結果加以彙整、歸納及分析，

探討各項觀察參數之合理性，研判超音波與時域反射儀應用於S-CLSM檢測之可行性。

第五章結論與建議：本研究之結果與心得加以總結，並提出後續研究之建議。

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圖 1.1 研究流程圖試驗結果分析與探討

抗壓強度

承載力試驗衝

擊錘檢測

落沉試驗 T

D R 檢測

超音波檢測坍

流度試驗流

度試驗

工程性質試驗非破壞性檢測

工作性試驗

配比設計確認研究方向

實驗室試驗文獻回顧

基本物理試驗

阿太堡限度試驗粒徑分析試驗比重試驗

結果與討論

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第二章文獻回顧

本研究主要目的為探討CLSM應用於路基時，其強度之非破壞檢測之可行性。本章針對CLSM及非破壞檢測相關文獻加以彙整與回顧，作為後續研究之參考。

2.1 剩餘土石方處理

2.1.1 國內剩餘土石方處理

根據內政部頒佈之「營建廢棄土處理方案」，營建工程剩餘土石方之種類，包括建築工程、公共工程及其他民間工程所產生之剩餘泥、土、砂、石、磚、瓦、混凝土塊等，經暫屯、堆置可供回收、分類、加工、轉運、處理、再生利用者，屬有用之土壤砂石資源。

由於土石方成份複雜，營建剩餘土石方之土質可概括分成七大類如表 2-1 所示。

表 2-1 營建剩餘土石方土質分類代碼(內政部營建署，2011)

代碼類別

B1 岩塊、礫石、碎石、砂

B2-1 土壤與礫石及砂混合物(土壤體積比例少於30%)

B2-2 土壤與礫石及砂混合物(土壤體積比例介於30%至50%) B2-3 土壤與礫石及砂混合物(土壤體積比例大於50%)

B3 粉土質土壤(沉泥) B4 黏土質土壤 B5 磚塊或混凝土塊

B6 淤泥或含水量大於 30%之土壤 B7 連續壁產生之皂土

表2-2為近年來(2008年1月至2013年1月)全台公共工程與建築工程土石方之產出量、需土量及可再利用物料之統計。由表可知，我國各項工程產生之剩餘土石方達 155,426,319.5m³，已造成嚴重之環境負擔，剩餘土石方之再利用探討實屬刻不容緩。

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表 2-2 2008 年 1 月至 2013 年 1 月土石方之供需與再利用(營建剩餘土石方資訊服務中心，2013)

區域別

公共工程建築工程總計

產出量 (m³)

需土量 (m³)

可再利用物料 (m³)

產出量 (m³)

需土量 (m³)

可再利用物料 (m³)

產出量 (m³)

需土量 (m³)

可再利用物料 (m³) 北部

區域

39,006,882.8 7,688,748.6 2,361,896.8 74,335,769.0 281,093.6 661,291.0 113,342,651.8 7,969,842.2 3,023,187.8

中部區域

9,196,478.8 1,723,095.3 2,490,308.4 17,223,453.5 0.0 785,794.1 26,419,932.3 1,723,095.3 3,276,102.5

南部區域

16,741,262.6 4,847,640.4 1,539,492.0 10,301,191.4 422,470.2 27,187.6 27,042,454.0 5,270,110.6 1,566,679.6

東部區域

3,074,622.8 145,299.1 165,799.8 378,022.4 0.0 995.0 3,452,645.1 145,299.1 166,794.8

外島區域

381,906.8 251,388.2 50,371.0 179,783.0 33,318.2 5,617.0 561,689.8 284,706.4 55,988.0

合計 68,401,153.9 14,656,171.6 6,607,868.0 102,418,219.3 736,882.0 1,480,884.7 170,819,373.1 15,393,053.6 8,088,752.7

1.產出量為工程產出之所有土石方 2.需土量為工程所需之土方量 3.產出量與需土量之差為剩餘土石方 4.可再利用物料為剩餘土石方中可再利用之材料

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營建剩餘土石方所回收資源材料，經過分類與處理可再利用，可再利用方向可分為以下幾個方向 (廖政彥，2007):

1. 填土方：諸如工地道路、回填、路基、堤防、構造物積處底層、護岸拋石、雨水

滲透設施等土石料。

2. 再生骨材：CLSM、道路護欄、消波塊、人工魚礁等凝土製品之骨材。

3. 燒製建築用磚瓦及輕質骨材之材料。

4. 生產水泥之材料。

5. 衛生掩埋場之覆土、填海造地等。

2.1.2 國外營建土石方處理

1. 香港

工地平整、掘土、樓宇建築、裝修、翻新、拆卸及道路等工程所產生的剩餘物料，

統稱建築廢物。建築廢物區分為惰性和非惰性兩類，惰性物料約為全部建築廢物80%

以上，即為公眾填料包括建築碎料、瓦礫、泥土及混凝土，適合用來填海和平整土地。

只要經過適當物料分類，混凝土和瀝青等物料可以循環再用，作為建材。非惰性物料，

如竹、木料、植物、包裝廢物及其他有機物料，有別於公眾填料，不能用來填海，經回收再用/再造後，餘下的廢物會運往堆填區棄置(香港環境保護署)。廢物管理架構如圖2.1所示(潘建舜，2011)：

圖 2.1 香港建築廢物管理架構圖(潘建舜，2011) 建築廢棄物

分類處理建築廢棄物棄置於堆填區的

建築廢棄物

可再利用資源

公眾填料接收設施

回收再用的

公眾填料填海造陸

付費處理或運離香港

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2. 日本

建設副產物意旨建設施工工程過程所產生之全部物品，種類分為建設發生土、廢混凝土塊、瀝青混凝土、建設發生木材、建設污泥、廢紙、廢金屬及建設混合廢棄物等，建設混合廢棄物為新建、裝修過程中，產生陶瓷碎塊、有害廢棄物、殘餘廢棄物等無法回收再利用之廢棄物等(潘建舜，2011)。

日本於2000 年公佈「循環型社會形成促進基本法」，將日本由廢棄物單向通行全面轉型為循環型社會如圖2.2所示，廢棄物處理之優先順序為（1）減量（2）再使用（3）再生利用（4）能源回收（5）適當處置(林韋辰，2012)。

圖 2.2 日本循環型社會流程圖(林韋辰，2012)

3. 美國

美國環保署將營建副產物定義為所有構造物新建、拆除、修建過程中所產生之廢棄物。其中廢棄物組成包括混凝土、瀝青、木材、金屬、石膏、壁板與樓板等；有些州之建築廢棄物定義尚包含土地清理物，如樹木殘株、岩石及土壤等(廖政彥，2007)。

美國政府執行再利用相關架構如圖2.3，美國環境保護署已針對新建及拆除物料

(24)

9

設定處理目標首重減量、再利用及回收再利用策略(潘建舜，2011)。

圖 2.3 美國聯邦政府與州政府再利用執行架構(潘建舜，2011)

2.2 控制性低強度材料

國內道路工程品質不良，因管線開挖回填過程，多未遵照道路工程規範採分層滾壓，導致壓實度不佳，因此開放通行後常造成道路下陷或路面不平整，對用路人造成困擾，須經常維護嚴重浪費資源。

根據美國混凝土協會(ACI)之定義，控制性低強度材料為一種具自我充填之材料，

亦稱流填料，主要當作需回填夯實之替代材料，組成之基本材料與混凝土材料類似，

具有低強度、高坍度、高流動、自我填充性、免夯實、低強度及易於再開挖性等之多重優點。

(25)

10

2.2.1 CLSM 材料特性

CLSM以膠結料、水、粒料組成之低強度材料，其材料強度低將來可用人工或機具方式開挖，其組成材料與混凝土類似，對粒料之要求並無特殊限制，資源回收粒料、工程剩餘土石、爐石、玻璃屑、輪胎屑及水庫淤泥等，皆可作為CLSM之粒料使用。表2-3為CLSM、一般混凝土及現場土壤拌製CLSM所需材料之比較，由表可知現場土壤拌製CLSM不需天然之粗細骨材，直接使用現地之土石方，可減少剩餘土石方造成環境之危害，既經濟且環保(李昌憲，2010)。

表 2-3 CLSM 與一般混凝土之比較(李昌憲，2010)

組成材料 CLSM 現場土壤拌製CLSM 一般混凝土

水泥 (kgf/m³) 100 ~ 200 100 ~ 200 250 ~ 450 卜作嵐材料 (kgf/ m³) 50 ~ 100 - 0 ~ 100

拌合水 (kgf/ m³) 180 ~ 220 200 ~ 500 180 ~ 220 水膠比 (W/B) 1 ~ 1.5 2 ~ 4 0.4 ~ 0.55 粗粒料 (kgf/ m³) 200 ~ 400 - 700 ~ 1100 細粒料 (kgf/ m³) 1280 ~ 1480 - 700 ~ 1000 土石方 (kgf/ m³) - 1300 ~ 1700 -

摻料速凝劑、發泡劑早強劑、減水劑減水劑、強塑劑

1. 流動性

CLSM因本身具有良好的流動性及免搗實的特性，故可以解決管溝狹窄，導致夯實機械無法作業之困擾。針對CLSM之流動性ASTM已建立標準檢驗方式，包括坍度 (ASTM C143)、坍流度(ASTM C143)及管流度(ASTM D6103)，坍度係指將拌合好 CLSM分三層填入坍度錐，將坍度錐模頂刮平並將坍度模在5秒內垂直提起後量測 CLSM至三角圓錐頂部之垂直距離的高度則為坍度，坍流後CLSM在地面攤開往四週

(26)

11

擴散至停止後之近似圓直徑即為坍流度。管流度係指將拌合好CLSM倒入鋼模內刮平頂部，並立即以穩定的速度將鋼模垂直向上提起，並任由CLSM自行坍流以游標卡尺量測CLSM之X-Y方向之直徑(陳郁仁，2010)。

葉樺姿(2007)指出，以淤泥拌製流填料，於實驗室試驗所得之流度與一般流填料所呈現結果相似，隨水固比(W/S，水與總固體材料之比例)與灰水比(C/W，水泥與水之比例)之增加而增加，且以水固比之影響較為明顯。淤泥流填料之配比建議水固比為 0.7、灰水比為 0.6，水固比為 0.8、灰水比為 0.5 時具有適當之流度與強度(摘自林義堅，2009)。侯昌辰(2010) 對於使用再生粗粒料的 CLSM，在坍度與坍流度方面，

飛灰取代量愈多，愈可增加其坍度與坍流度，並且使用飛灰可以降低成本。

流動性試驗之管流度值大小，CLSM可分為三纇(胡家珩，2010)：

(1) 低流動性 CLSM：管流度值小於15 cm，適用於有較大空間之管溝或路基回填。

(2) 一般流動性 CLSM：管流度值介於15 cm~20 cm，適用於一般管溝回填。

(3) 高流動性 CLSM：流度値高於 20 cm，適用於狹窄的管溝內回填，但對泌水現像有特別嚴苛者，須檢討其適用性。

2. 單軸壓縮強度

依據林義堅(2009)，淤泥拌製流填料強度隨灰水比之增加、水固比之降低而增加，

而齡期對強度亦有正面之影響，所得28天強度介於400 kPa~1,500 kPa之間。侯昌辰 (2010)使用了飛灰取代部分水泥的再生粗粒料CLSM，除可以降低成本，其初期抗壓強度隨取代量的增加而逐漸下降，飛灰的作用在晚期會逐漸發揮效果，產生水化矽酸鈣與鋁酸鈣等膠體填充粒料間的空隙，飛灰取代量較多會使得晚期強度較高，取代量的多寡會影響其CLSM的抗壓強度。吳淵洵等人(2009)以現場開挖剩餘土石產製控制性低強度材料，試驗結果顯示28天平均單軸強度為1,570kPa。

(27)

12

表2-4為國內相關單位CLSM強度與工作度性質要求，由表可知工作度方面管流度以15-20cm為主，少數要求高流動性則以20-30cm，坍流度以40cm以上為基準。強度方面以28天齡期強度8,829kPa以下為主，需快速通車之單位則要求12小時與1天齡期強度。

表 2-4 國內相關單位對 CLSM 材料之性能要求(修改自黃盈峰，2011)

國內相關單位 ASTM 強度要求工作度

公共工程委員會施工綱要

管流度 15-20cm

強度 350~700kPa

28天 8,829kPa以下

坍流度 40cm 以上管流度 15-20cm

或 20-30cm

經濟部水利署 CLSM施工說明書

1 天 343kPa 以上 7 天 491kPa 以上 28 天 736~4,905kPa

坍流度 20-40cm 坍度 15-27cm

高雄市政府工務局 28天 3,924~7,848kPa 管流度 15-20cm 中國石油公司 28 天 1,962~4,905kPa 坍流度40~60cm 台灣自來水公司 28 天 1,962~4,905kPa 坍流度 40~60cm 農田水利會CLSM

施工說明書 28天 3,924kPa以下

坍流度 40cm 以上管流度 20-30cm 交通部公路總局選

擇材料回填施工說明書

12小時 687kPa以上

28天 687~8,829kPa 管流度 15-20cm 台北市政府養工處

CLSM規範草案

12小時 687kPa以上

28天 8,829kPa以下管流度 15-20cm

2.2.2 CLSM於回填工程應用

Lutifi and Jose(1980)研究發現管溝回填工程施工有 65%因夯實不確實造成路面沉陷，減少道路鋪面使用年限 8~10 年，以 CLSM 取代傳統回填料將可解決夯實問題 (摘自丘宗仁，2011)。

(28)

13

潘昌林、鄭瑞濱(2000)指出，國內工程單位對管線工程僅要求管線之功能性，而其施工品質並未重視，以至於開挖施工過程中，對交通之衝擊、環境之污染、噪音之製造等較力有未逮，尤其施工回填後常發生沉陷與孔洞，回填後之路面更是無法保證其平整度。國內於管線回填工程中使用之材料大致為原有之土壤或級配砂石料，若回填時未予有效壓實，將不可避免地造成路面沈陷，對市容及行車安全皆有不良之影響 (摘自林義堅，2009)。圖 2.4 與圖 2.5 為傳統回填工法，所造成之工程缺陷。

圖2.4 回填材料傾卸於路旁，影響交通 (白智榮，2003)

圖 2.5 管溝回填不良，路面產生下陷 (白智榮，2003)

白智榮(2003)針對南化水庫至高屏溪攔河堰連通管線工程，使用CLSM材料要求規格等內容，圖2.6~圖2.9為CLSM於管線工程之應用，說明如下：

1. 強度要求

依ASTM D4832-95之規定養治、運送及測試試體。剩餘土CLSM 材料之28天抗壓強度不得大於4,905 kPa，24小時齡期強度不低於343kPa。

2. 工作性

依據ASTM C143坍度值15-27cm，ASTM D6103-97流度值大於40cm。

3. 配比設計

(1) 將開挖之土石方分類為砂性土壤、含礫石砂性土壤及細粒土壤等三類。

水泥100~160 kgf/m³，現場開挖之土石1300~1700kgf/m³，水350~550kgf/m³，早強劑2~4kgf/m³，減水劑1~4kgf/m³。

(2) 材料粒徑不得超過50mm，其大於50mm 之材料應篩除或軋碎。

(29)

14

圖 2.6 坍度試驗(白智榮，2003) 圖 2.7 剩餘土 CLSM 澆置(白智榮，2003)

圖 2.8 剩餘土 CLSM 回填完成 (白智榮，2003)

圖2.9 道路管溝修復六個月後 (白智榮，2003)

2.2.3 非制式粒料產製CLSM相關研究

余德全(2002)研究臺灣南部地區剩餘土拌製 CLSM，研究結果顯示，CLSM 之工程性質主要是由水灰比(W/C)和水固比(W/S)所控制。依據試驗結果，屬粉土質礫石與優良級配粉土質礫石之剩餘土拌合之 CLSM，水灰比為 1.7~3.3，水固比為 0.12~0.17，

其工程性質可符合預期之設計目標(摘自胡家珩，2010)。

林志杰(2004) 應用電弧爐氧化碴於ㄧ般型及早強型CLSM，爐碴取代細粒料比例為0%、25%、50%、100%。工作性方面，皆隨著爐碴取代比例之增加其工作性呈現降低之趨勢。抗壓強度方面，電弧爐氧化碴明顯的增加CLSM 之抗壓強度，12小時齡期均能符合規範要求大於687kPa，但28天抗壓強度，當早強型CLSM水灰比為0.7 及0.8爐碴取代比例為100%時，抗壓強度大於8,829kPa，ㄧ般型CLSM水灰比為1.5及 1.7爐碴取代比例為100%時，抗壓強度大於2,943 kPa。

(30)

15

陳彥暉(2004)以飛灰、水淬爐石粉、石灰粉以及營建污泥拌製CLSM，研究結果顯示營建污泥取代細骨材量之上限為24%和消石灰或水泥含量之上限為3%。當F級飛灰與爐石比為2:1時，經試拌後坍流度試驗值可在40cm以上，其28天齡期抗壓強度可在981~8,829kPa，若添加2%水玻璃後，更可達到6小時以內終凝之理想目標，兼具早強效果及低沈陷量。

黃陳佑(2007)以廢玻璃取代部份細骨材製作CLSM，結果顯示廢玻璃之取代率愈大，則工作性愈差，強度愈強、粗骨材減量有利於提昇工作性、不同之膠結料則對強度有不同影響；廢玻璃取代細砂之百分比以25~40%為最佳狀態

，

若將費用列入考量，

則以土壤及廢玻璃完全取代細骨材之配比較為可行。

廖政彥(2007)研究將底灰、淤泥、剩餘土方應用於CLSM之可行性，底灰及淤泥性質穩定且並無重金屬溶出的疑慮，工作性為管流度＞15cm、坍流度＞40cm達到 CLSM規範要求。大部份的配比都能夠控制在規範所規定的28天強度687～8,829kPa 之內，初凝時間除了使用淤泥拌置的組別超過36小時之外，其於一般型的配比皆在24 小時左右，而若輔以藥劑使用，甚至可以縮短到5小時，達到早強CLSM 的要求，使用淤泥拌製的配比亦可以達到10小時之內的初凝時間。

沈永年等人(2008)利用氧化碴取代細骨材及還原碴取代膠結料，還原碴取代膠結料重量比例達 25%至 50%時，膠結料漿體能有效包覆骨材，能帶動骨材流動使 CLSM 材料工作度增加，凝結時間亦隨延長，還原碴取代膠結量愈高時，抗壓強度則相對降低。

鄭鵬企(2009)用無機聚合物材料(Geopolymer)代替水泥製成 CLSM，將高嶺石經由高溫焙燒形成之變高嶺石，使用變高嶺石，混合水玻璃、玻璃粉及氫氧化鈉水溶液製成無機聚合物材料，取代卜特蘭 I 型水泥。當坍度為 22cm 時，其 12 小時齡期抗壓強度值為 1,570kPa，略大於 687kPa 的要求值；28 天齡期抗壓強度值為 2,943kPa，

遠低於 8,240kPa 的要求值。

(31)

16

薛永傑等人(2009)利用脫硫副產物替代水泥，應用脫硫副產物、飛灰、破碎鋼渣和廢舊混凝土作為粒料製成CLSM，檢驗免水泥CLSM的工作性、強度和毒性浸出特性。試驗結果CLSM流動度範圍215~275 mm，凝結時間範圍為6~24H，28天抗壓強度為2,400~7,200kPa，試體經Cu、Cd、Pb、Zn、Cr、Hg六類主要重金屬進行檢測，浸出濃度均低標準。

胡家珩(2010)將88水災淤泥應用於CLSM，水泥量(C)時對強度影響極大，淤泥佔量K愈大，則含氣量及凝結時間愈大，單位重和管流度愈小，抗壓強度愈小。一般流動性者，以C=210 kgf/m³、K =100%為最佳配比；高流動性者，以C=210 kgf/m³、K=75%

為最佳配比。

成嶽等人(2011)利用銅礦尾砂、飛灰、水泥以及輸氣劑製成CLSM，試驗結果顯示以水泥12.9％、銅礦尾砂(細集料)22.6％、輸氣劑3.2％、飛灰12.9％等工業廢棄物以及水48.4％，固液比控制在(14~15)、(15~16)之間，抗壓強度350~2,000kPa，28天抗壓強度達500kPa，具有低強度、高流動性的特點。

Takashi Horiguchi et al.(2011)針對污泥灰、碎石粉、礦渣應用於CLSM，設計流度 200+10mm，一天強度大於60kPa，28天強度大於500kPa，泌水率小於5%。結果顯示污泥灰會讓CLSM流動性和抗壓強度下降，泌水情況較明顯；碎石粉可降低泌水率，

保持抗壓強度；利用礦渣過多會導致抗壓強度降低。經一定比例混合後，以克服這些負面影響，達到設計之要求。

Sivakumar Naganathan et al.(2012)針對垃圾焚化底灰與採石場粉塵應用於CLSM，

依據試驗結果，終凝時間為5.4-14.4小時，其貫入阻力為344 kPa。新拌試體單位重為 15.1~20.6kN/m³，28天試體單位重13.8~20.8 kgf/m³，28天抗壓強度為224~11,416 kPa，

CBR值為5~59，CBR值隨W / C增加而降低，pH值測試證明CLSM沒有腐蝕性，滲濾液重金屬值低於標準值，垃圾焚化底灰與採石場粉塵應用於CLSM是可行的。

(32)

17

2.3 非破壞檢測

2.3.1 超音波檢測法

依據陳永增、鄧惠源(2009)之研究，人耳能聽到的音波頻率範圍約在16Hz到20 kHz之間，若波動頻率超過此範圍，則人類無法聽到的音波，稱為超音波 (Ultrasonic Pulse Velocity)。一般用於非破壞檢測，超音波頻率約在0.5~25MHz之間，尤其1~5MHz 最常用。超音波產生的原理有好幾種，以壓電材料的應用最為普遍。常見的壓電材料有石英、硫酸鋰、鈦酸鋇及鈮酸鋰等，當壓電材料受到外來的正負交變電壓訊號時，

壓電晶體產生壓縮震盪的現象，即形成超音波。

物質當中的粒子受到外力的影響產生機械性震盪時，即產生波動現象。當音波呈現衰減之脈動波，則稱為脈波 (Pulse Wave)；波動產生的音波是連續不斷的，則稱為連續波 (Continuous Wave)。超音波會因音波的特性不同，產生以下的波形:

1. 縱波 (Longitudinal Wave)

粒子之振動方向與波傳送方向平行者，稱為縱波(Longitudinal Wave)，此波以疏密相間之方式傳遞，亦稱為疏密波；且由於藉由壓縮力及彈性力交互作用於介質，又稱壓力波或彈性波。由於固體、液體及氣體可以傳送壓縮力，因此縱波可以存在於三相內。

2. 橫波 (Transverse Wave)

粒子之振動方向與波傳送方向垂直者，稱為橫波(Transverse Wave) ，又稱剪力波 (Shear Wave)。由於氣體及液體中，因物質粒子間距離較大，相互間作用力較薄弱，

難以傳送切向力，因此不能傳送橫波，使得橫波只能存在於固體中，且傳遞的波速約為縱波之80%。

3. 表面波 (Surface Wave)

波以某一角度入射於物體表面時，因縱波與橫波相互干涉，使得波動僅沿物體表面傳送，稱為表面波(Surface Wave)。而表面波係沿這固體及氣體介面傳遞，適合檢測較複雜輪廓的表面物體之缺陷。表面波傳遞波速約為橫波的90%，縱波與橫波之波

(33)

18

形在傳遞介質中若無缺陷存在時，則超音波是以直線傳播，其波形清晰且穩定，若有缺陷存在，波形會受到反射波折射干擾，波形前段會成模糊不穩定，係因為能量損失 (陳郁仁，2010)。

一般在進行超音波檢測時，會將發射探頭固定於待測物的一端，接收探頭至於另一端，兩探頭之直線距離為L，激發後，量測第一個壓力波被接收探頭接收的時間T ，則波速為

V =

T

L

(2-1)

以超音波來進行非波壞性檢測時，因其探頭配置方式的不同，可分為三種檢測方法。

1. 直接傳遞法

將探頭至於待測物的兩側進行施測，使用此種方法施測，音波傳遞的能量大且路徑明確，是量測待測物波速最適當的方法(圖2.10)

圖 2.10 直接傳遞法 2. 半直接傳遞法

將探頭置於待測物相鄰兩側來量測波速，此方法靈敏度較低，且隨這傳送波的衰減，接收器所接收到的訊號會不清楚，為避免音波於傳遞過程衰減而影響檢測結果，

探頭配置時間距不宜過大(圖2.11)。

圖 2.11 半直接傳遞法發射探頭

接收探頭試體

發射探頭

接收探頭

試體

(34)

19

3. 表面傳遞法

將發射探頭與接收探頭置於待測物同一面上來量測波速，由於此法進行檢測其波傳路徑並不明確，是三種檢測法中精確度最低的，但目前現地檢測受環境限制，此方法是唯一可取得資料的(圖2.12)。

圖 2.12 表面傳遞法

超音波檢測相關研究

洪宗傑(1995)應用超音波波速之變化觀察新鮮混凝土與新鮮水泥砂漿之熱化反應，並準確量測出水化反應之時間變化，由波速變化率與期齡關係圖，可預測出混凝土與水泥砂漿終凝時間，並且評估出其抗壓強度與超音波波速之關係(摘自陳佩嵐，

2007)。

陳佩嵐(2007)利用兩種不同激發能量之超音波儀器來檢測純石膏試體及兩種不同水灰比之混凝土試體，當所使用之超音波儀器其探頭能量較大時，所測得之表面波速較接近直接波速，當量測間距大於30 cm，其誤差可控制在1%以內。

超音波檢測方法己經成功的應用在混凝土各項性質的測定，如彈性模數、柏松比、

強度的估計以及水泥水化反應的研究等;也有許多研究將該法應用至表面裂縫開裂深度檢測。1967年，ASTM正式將超音波波速檢測法納入(ASTM C597)。在歐洲，國際建築材料及結構試驗及研究實驗室聯合會(RILEM)及英國皆有超音波檢測法之試驗標準(RILEM 1972;BS-4408 1974)( 摘自呂宗豪，2004)。

發射探頭接收探頭

試體

(35)

20

何仲明等人(2010)以營建廢棄紅磚製成再生粗骨材取代不同比例天然粗骨材拌製再生混凝土，探討紅磚再生粗骨材對混凝土抗壓強度、超音波速值及高溫受熱後前述二項性質之影響。試驗結果顯示：再生粗骨材取代比例越高，抗壓強度、超音波速值越低；再生粗骨材之使用對晚期之抗壓強度影響不大，取代量越高，晚期強度提升幅度越大(圖2.13)。

圖 2.13 不同取代比例抗壓強度與超音波速迴歸曲線(何仲明等人，2010)

沈永年、林彥余(2006)以爐碴為粗細骨材拌製CLSM，一般型與早強型CLSM 圓柱試體超音波波速與抗壓強度關係趨勢之相關係數R²皆大於0.91，均屬於高度相關，

且成正比關係，顯示利用超音波檢測做為CLSM 圓柱試體抗壓強度之初步評估實為可行(圖2.14)。

(36)

21

圖 2.14 超音波波速與抗壓強度關係(修改自沈永年、林彥余，2006)

陳郁仁 (2010) 以高屏溪流域的兩個地點及資源回收土作為預拌土壤材料 (Ready–Mixed Soil Material，簡稱RMSM)，利用超音波速與反彈錘法做為RMSM現地強度檢測，對各齡期之超音波速與抗壓試驗數值取自然對數並作線性迴歸分析，顯示抗壓強度越大其超音波速越大，成正比關係(圖2.15)。

圖 2.15 超音波速與抗壓強度迴歸關係曲線(修改自陳郁仁，2010)

y = 3.6307x - 25.115 R² = 0.9974

y = 4.279x - 30.212 R² = 0.9886

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 8

Naturla Log of Strength(kgf/cm2)

Naturla Log of Velocity(m/sec)

一般型早強型

y = 1.8802x - 10.746 R² = 0.7436

1.00 2.00 3.00 4.00

5.50 6.00 6.50 7.00 7.50 8.00

Naturla Log of Compressive Strength(kgf/cm2)

Naturla Log of Ultrasonic Pulse Velocity(m/s) R19~R15

(37)

22

李昌憲(2010)採用三種資源回收土，以125 kgf/m³、150 kgf/ m³ 及175 kgf/ m³水泥量配製預拌土壤材料，藉由抗壓強度、模擬平鈑載重、落沉、反彈鎚與超音波等試驗，

探討RMSM 工程性質，建立RMSM 發展趨勢及抗壓強度關係。超音波與抗壓強度相關性，會隨齡期增長及水泥量增加關係度越高，14、28天超音波與抗壓強度有良好相關係性(圖2.16 ~圖2.18)。

圖 2.16 水泥量 125 kgf/m³不同齡期超音波與抗壓強度關係圖(修改自李昌憲，2010)

(38)

23

(39)

24

2.3.2 TDR簡介

TDR 英文全名為(Time Domain Reflectometry，TDR)中文稱為時域反射儀，使用一訊號產生器產生階躍式脈衝(step pulse)之電磁波，基本原理與雷達(Radar)相似，屬於一維波傳。電磁波被侷限於傳輸電纜與金屬端頭之間，不同介質造成傳輸速度或特徵阻抗的改變得到不同訊息反彈的變化圖，藉以了解材料特性(楊弘倫，2004)。

時域反射儀為一簡單迅速、方便輕巧、無核輻射之儀器，測量單筆數據僅需數秒、

並可原位連續監測土壤含水量。此儀器其之誤差值小於3%，應用範圍廣泛且野外與室內皆可適用(李姿潔，2010)。

TDR 技術逐漸向岩土工程領域發展，主要在測定土體含水量和乾密度、監測滑坡穩定性、測定地下水位和電導率、監測土體污染及化學加固土質量控制等方面得以應用，並以方便，安全，經濟，數字化及遠程控制等特點而受到廣泛關注(陳贇等人，

2010)。

材料的介電度（permittivity）或介電常數（dielectric constant）ε，為判斷該材料極性的基準，土壤是液、固、氣三相組成的，（空氣之介電度為1，大部分土壤顆粒礦物之介電度約為3-5之間，而水之介電度約為80），些微含水量之變化即可使空氣—

土壤顆粒—水之三相體其整體介電常數有明顯的變化(吳瑋晉，2008)。

Topp et al.（1980）定義了視介電常數Ka(apparent dielectric constant)，可由量測電磁波在纜線傳播的視傳遞波速Va（apparent propagation velocity）求得，而Va與Ka的關係如式(2-2)所示，其中c為光速。

Va =

K

a

c

(2 - 2)

電磁波經同軸傳輸線傳播後進入插入介質中的測試探頭，並在探頭起始與結束的阻抗不連續面發生反射。典型的TDR 反射波形如圖2.19所示，通過這兩處反射點的時間差Δt，可以得到電磁波在介質中的傳播速度，式(2-3)為：

Va = Δt 2L_p

(2 - 3)

(40)

25

其中Lp為探頭的長度，將式(2-2)代入式(2-3)，得到視介電常數Ka為：

Ka =

2

2Lp

Δt

 





 



 c

(2 - 4)

圖 2.19 典型的 TDR 測試波形(陳贇等人，2010) 由於自由水的視介電常數 Ka 表隨溫度變化有如式(2-5)關係：

Ka=78.54×【1-4.579×10^-3(t-25)+1.19×10^-5(t-25)²-2.8×10^-8(t-25)³】 (2 - 5) 因此當溫度有大幅度變化時，土壤視介電常數發生較大波動，在 TDR 實際測量中，需考慮由溫度引起測量波形變化。引人適當的溫度校正量，可以提高 TDR 系統對土壤視介電常數和體積含水量的測量精度，擴大 TDR 應用範圍(馮煒等，2009)。

Topp et al.（1980）通過對多種土壤的測量，建立了土壤視介電常數和土壤含水量的經驗公式如式(2 - 6)，其中θ_v為土壤體積含水量：

θv=4.3×10^-6

K -5.5×10

_a³ ^-4

K +2.92×10

_a² ^-2 Ka-5.3×10^-2 (2 - 6) 表2-5與表2-6中數據均是通過式(2-6)計算得出，TDR土壤體積含水量測試中，當土壤體積含水量小於25 cm³／cm³時，由溫度引起的測試誤差較小；當土壤樣本含水量大於25 cm³／cm³時，由溫度引起的測試誤差較大(馮煒等，2009)。

(41)

26

表 2-5 砂質壤土在不同溫度下的體積含水量測量結果(馮煒等，2009) 測量方法測量溫度(℃) 含水量θv (cm³/ cm³)

稱重法 25 4.91 17.21 22.87 26.76 31.24

TDR

5 4.86 17.40 21.89 27.04 32.44 10 4.85 17.32 21.88 26.38 32.09 15 4.85 17.32 21.88 26.37 31.90 20 4.86 17.31 21.86 27.04 31.51 25 4.85 17.29 21.86 26.34 31.09 30 4.85 17.29 21.84 26.31 30.57 35 4.84 17.25 21.82 26.28 30.21 40 4.84 17.20 21.81 26.26 29.72 45 4.84 17.14 21.79 26.23 29.50

表 2-6 壤土在不同溫度下的體積含水量測量結果(馮煒等，2009) 測量方法測量溫度(℃) 含水量θv (cm³/ cm³)

稱重法 25 8.16 23.26 27.84 32.40

TDR

5 10.04 23.50 27.69 34.02 10 10.03 23.43 27.40 33.41 15 10.01 23.27 27.24 32.88 20 10.01 23.11 27.02 32.24 25 10.01 22.98 26.81 31.59 30 10.01 22.89 26.63 30.97 35 10.01 22.80 26.42 30.36 40 9.99 22.64 26.20 29.79 45 9.99 22.60 26.04 29.14

(42)

27

現地貫入式TDR感測器應用有三類（Lin et al. ,2006）。第一類，於現地取出預求深度的試體，將試體夯入夯模內，在夯模中心貫入鐵釘，放上TDR probe，形成同軸式感測器進行量測如圖2.20（a）。第二類，於現地貫入四根鋼釘（外圍三根間距相等形成外導體，外導體中央在貫入一根鋼釘為內導體）進行含水量量測如圖2.20（b）。

第三類，於現地單一根圓錐體貫入土層下進行含水量量測，圓錐體由好幾個構件組成，

主要以主體剛件搭配絕緣材與鋼片形成內外導體，進行對周遭材料的量測如圖2.20（c）

(摘自楊士輝，2011)。

圖 2.20 不同現地貫入形式 TDR probe（a）同軸式（b）多棒式（c）貫入式 (楊士輝，2011)

2.3.3 土壤衝擊錘試驗簡介

依據ASTM D5874，標準之土壤衝擊試驗錘使用4.5kgf之重錘，其形狀與大小皆與Proctor修正夯錘相同。重錘落距固定為45cm，初始速度為0，鎚擊受檢之土壤。試驗錘內含一電子加速器，其接至數位顯示器以便於讀取數據。土壤衝擊試驗錘之主要原理為藉由落錘落於土壤表面所造成之反彈，用以反應土壤之強度、密度或勁度。顯

(43)

28

示器所呈現之數據為衝擊錘作用於物體所產生之負加速度尖峰值，表面愈堅硬所得之衝擊值(I_V)愈大(王繼賢，2006)。I_V值可表示土層的強度或硬度，並可直接運用於鋪面設計與建構以及一般土壤夯壓之運用，並可作為強度參數之評估(王明德，2002)。

王明德(2002)應用水泥固化剩餘土石方，探討I_V值與CBR值之關係，試驗結果顯示衝擊值與承載力之間呈現良好之線性關係，可藉由衝擊值試驗所得知衝擊值得知土壤承載力大小(圖2.21)。

圖 2.21 水泥含量 4%時衝擊值與 CBR 值之關係(王明德，2002)

衝擊錘之優點有時效性、便利性且節省人力，衝擊錘利用電子儀器所得之衝擊值，

經由換算可得土壤強度。相較傳統砂錐法檢測，衝擊錘檢測可節省大量人力及時間。

但衝擊錘無法檢測土壤之含水量，且若土壤組成過於複雜，則衝擊錘檢測之準確性亦有偏差(王繼賢，2006)。

程鵬(1994)整理衝錘原理之相關研究說明中提到，重錘由等高度落下撞擊地面，

視為一種碰撞運動，貫入度與衝錘於土壤之衝擊加速度成負相關；藉由土壤衝錘量測之衝擊加速度最大值，便可評估出現地之相對夯實度(摘自李姿潔，2010)。

相關文獻之探討顯示，承載力與衝擊值具有顯著之相關性，由於現地承載力之檢

(44)

29

測試驗時間較長，成本較高且必須使用大型機具，因此S-CLSM 承載力之檢驗，使用迅速、簡易且與承載力、齡期具有極高相關性之衝擊錘較為理想，試驗結果顯示衝擊值與現地檢測之CBR 值之關係如圖2.22所示(摘自吳淵洵等人，2009)。

圖 2.22 現地 CBR 值與衝擊值之關係(吳淵洵等人，2009)

(45)

30

第三章研究方法與流程

本研究之目的為探討 S-CLSM 早期強度及非破壞檢測技術應用於 S-CLSM 性質檢測之可行性。以新竹寶山地區粉質砂土及砂質黏土為試驗對象。以實驗室觀察之方式，探討不同設計配比之 S-CLSM，其非破壞檢測所得各參數之間的關係。

3.1 研究項目與方法

本研究以寶山砂土取代CLSM之骨材執行配比設計試驗，觀察S-CLSM不同配比之工程性質與工作性質，探討非破壞檢測技術應用於S-CLSM早期強度檢測之可行性。

研究以實驗室方法進行，研究流程如圖3.1所示。首先進行寶山砂土之基本物理性質試驗，試驗內容包含比重(ASTM D854)、阿太堡限度(ASTM D4318)、土壤粒徑分析 (ASTM D422)等並以土壤統一分類法進行土壤之分類。由土壤基本物理性質進行 S-CLSM配比試拌，利用規範挑選出適合本研究的不同配比。針對各種不同配比施作圓柱試體(10cmψ×20cmH)與版型試體(60cmW×60cmL×15cmH)，觀察硬固試體之強度性質，包括抗壓強度(ASTM D2938)、超音波檢測、TDR檢測、落沉試驗(ASTM D6024)、衝擊錘 (ASTM D5874)等，以及承載力驗證 (CBR, ASTM D1883)。針對流態試體則包括流度(ASTM D6103)、坍流度（CNS 14842）等，確認S-CLSM之工作性及工程性質，確認非破壞檢測應用於S-CLSM路基性質驗證之可行性。

(46)

31

圖 3.1 試驗流程衝

擊錘

承載力試驗

抗壓強度落

沉試驗 T

D R 檢測超

音波檢測流

度試驗

坍流度試驗

工程性質試驗非破壞性檢測

工作性試驗

試體製作土壤基本物理試驗

試驗計畫

比重試驗粒

徑分析試驗

阿太堡限度試驗

配比設計及試拌

(47)

32

3.2 基本物理性質測定

本研究參照 ASTM 試驗規範之標準程序，執行土壤物理性質試驗，以確保試驗結果之正確性及可靠度。

3.2.1 試驗材料

本研究之土壤採用寶山砂土，其外觀顏色呈黃棕色，土壤分為砂質粉土(圖3.2) 及砂質黏土，烘乾後砂質黏土會具團塊之現象(圖3.3)。

圖3.2 砂質粉土圖3.3 砂質黏土

3.2.2 比重試驗

遵照ASTM D854比重試驗規範施作。

(1) 試驗儀器與設備

1. 比重瓶、酒精燈、石綿網、三腳鐵架、燒杯、烘箱、漏斗、手套(圖3.4)。

2. 精度至0.01gm以下之電子秤。

(2) 試驗方法

1. 將欲使用之比重瓶秤其重量。

2. 取約15g土樣倒入比重瓶中並秤其重量和。

3. 加水至半滿，將比重瓶移至酒精燈上加熱，過程中緩慢搖動旋轉比重瓶，以便去除試樣顆粒間之氣泡，水煮沸後，持續加熱15分鐘(圖3.5)。

(48)

33

4. 煮沸後移至旁邊，待比重瓶溫度冷卻至室溫，加水至滿瓶並秤其重量和。

5. 將比重瓶洗淨並再次加滿水，擦拭瓶身多餘水分，秤其重量和。

圖3.4 比重試驗(1) 圖3.5 比重試驗(2)

3.2.3 阿太堡限度試驗

遵照ASTM D4318液限試驗及ASTM D427塑限試驗規範進行施作。

(1) 液限試驗

遵照ASTM D4318規範施作。

1. 試驗儀器與設備

<1> 藥刀、刮刀、帄光玻璃板、蒸發皿、磅秤、烘箱、液性限儀(圖3.6)。

2. 試驗方法

<1> 將土壤加水充分拌合，放入密閉容器24小時，充分潤濕。

<2> 取出試體至於液限儀之銅杯中，以藥刀抹帄土壤後，用刮刀在土體中央畫出一凹槽(圖3.7)，再以每秒兩次之頻率進行敲擊，直至兩槽土體逐漸密合。

<3> 記錄其打擊次數N及取土至蒸發皿求其含水比。

<4> 重複2.3動作，以便求其曲線圖。

(49)

34

圖3.6 液限試驗(1) 圖3.7 液限試驗(2)

(2) 塑限試驗

<1> 藥刀、毛玻璃、蒸發皿、磅秤、烘箱(圖3.8)。

2. 試驗方法

<1> 將土壤加水充分拌勻，所需水量以能搓成土球為標準，放入密閉容器24小時，

充分潤濕。

<2> 取出土球，搓成約3 mm之土條，待土壤均勻斷裂後放入蒸發皿，進行含水比試驗(圖3.9)。

圖3.8 塑限試驗(1) 圖3.9 塑限試驗(2)

(50)

35

3.2.4 粒徑分析試驗

遵照ASTM D452與ASTM D422顆粒分析試驗規範施作。

(1) 篩分析試驗

<1> ASTM標準篩以及蓋子與底盤(圖3.10)。

<2> 電動搖篩機、磅秤、毛刷、橡皮錘、手套、碼錶、烘箱、篩組與電動搖篩機 2. 試驗準備

砂土烘乾後，以四分法進行取樣，試驗總重約為500g，待冷卻後置入篩組內，進行篩分析。

3. 試驗方法

<1> 將冷卻至室溫之砂土置入篩組中，上下函蓋與底盤。

<2> 將篩組置入搖篩機中，震盪搖篩約15分鐘(圖3.11)。

<3> 靜置幾分鐘後，分別秤其重量，進行測定分析。

圖3.10 篩分析試驗(1) 圖3.11 篩分析試驗(2)

(51)

36

(2) 比重計試驗

遵照ASTM D422粒徑分析試驗規範施作。

<1> 比重計一支，刻度宜自0.09~1.05者，250cc燒杯、碼錶、溫度計、抗凝劑、沖洗瓶(圖3.12)。

<2> 大量筒兩支，刻度為1000cc者。

2. 試驗準備

<1> 取篩分析通過200號篩之土樣放入容量為250cc之燒杯中。

<2> 加入100cc 抗凝劑溶液(抗凝劑:水=4g:96g)，以玻璃棒調勻後靜置18小時以上。

<3> 以沖洗液將混合液洗入攪拌杯中，加水至八分滿，啟動攪拌機攪拌15分鐘，使之土壤顆粒分散。

3. 試驗方法

<1> 將攪拌杯中之混合液洗入大量筒內，加水至1000cc。

<2> 以手掌壓緊大量筒之口，上下翻動一分鐘，使混合液混合均勻。

<3> 迅速將大量筒置於桌面固定，啟動碼錶，於歷時1/4、1/2、1、2、5、15、30、

60、250、1440分鐘，測定不同時間之比重讀數(圖3.13)。

<4> 於量測兩分鐘讀數後，取出比重計，放入旁邊裝滿1000cc水之量筒中，之後於讀數之前30秒，才將比重計移入混合液中計讀。

圖3.12 比重計試驗(1) 圖 3.13 比重計試驗(2)

(52)

37

3.3 S-CLSM之配比設計試驗

本研究為探討剩餘土石方之資源化應用可行性，因此為使S-CLSM能發揮最大之資源化及應用成效，S-CLSM之配比設計除固化劑外，不使用其他摻料。首要配比設計之正確性以流動性方法加以驗證，再測其不同配比與強度之關係。

3.3.1 S-CLSM之配比計算

(1) S-CLSM

S-CLSM之配比設計用量係依下列公式計算(林義堅，2009)：

灰水比(C/W)＝水泥重/水重 (3-1)

水固比(W/S)＝水重/固體重 (3-2)

土壤重＝固體重－水泥重 (3-3)

用量計算以下例說明：

假設控制參數為C/W＝0.3、W/S＝0.6。

1. 試驗固體重假設為1,000g。

2. 將假設之固體重代入式(3-2)中可求得用水量為600g。

3. 將用水量代入式(3-1)中可求得拌合所需水泥量為180g。

4. 最後將水泥量180g代入式(3-3)中可得土壤粒料重820g。

故S-CLSM配比C/W＝0.3、W/S＝0.6，所需之各種材料使用添加量即可求得。

(2) 試體編號說明

S-CLSM試體編號及其對應支配比設計如表3-1所示，編號方式說明如次：

圓柱為C、版型為P，例如圓柱式體水固比為0.36、灰水比為0.3，則編號為C-3-3；圓柱式體水固比為0.36、灰水比為0.4，則編號為C-4-3；版形式體水固比為0.45、灰水比為0.5，則編號為P-5-4。

(53)

38

表 3-1 本研究 S-CLSM 之配比設計

配比水(kgf/m³) 水泥(kgf/m³) 土壤(kgf/m³) C/W＝0.3

W/S＝0.36

380 114 942

C/W＝0.4 W/S＝0.36

380 152 904

C/W＝0.5 W/S＝0.36

380 190 866

C/W＝0.5 W/S＝0.45

444 222 765

表 3-2 本試驗試體之試驗項目

配比超音波 TDR 衝擊錘

C/W＝0.3 W/S＝0.36

4 小時至 24 小時，1 天至 28 天量測(圓

柱及版型)

2 小時至 24 小時，

1、3、7、28 天各齡期量測(圓柱及版

型)

1、3、7、28 天各齡期量測(版型)

C/W＝0.4 W/S＝0.36

柱及版型)

型)

C/W＝0.5 W/S＝0.36

柱及版型)

型)

C/W＝0.5 W/S＝0.45

柱及版型)

型)

(54)

39

表3-2續本試驗試體之試驗項目

配比落沉試驗抗壓強度 CBR 試驗

C/W＝0.3 W/S＝0.36

1、3、7、28 天各齡期量測(圓柱)

1、3、7、28 天各齡期量測(圓柱) C/W＝0.4

W/S＝0.36

1、3、7、28 天各齡期量測(圓柱) C/W＝0.5

W/S＝0.36

1、3、7、28 天各齡期量測(圓柱) C/W＝0.5

W/S＝0.45

3.3.2 試驗材料

(1) 寶山砂土

本研究試驗材料取自寶山砂土。為避免原材料中粗粒料之影響，篩選4號篩以下之土壤做為探討對象。

(2) 水泥

本試驗均採用亞洲水泥公司生產之第 I 型波特蘭水泥。由於台灣氣候潮濕，水泥容易產生水化，導致硬化、結塊之問題發生，因此需將水泥密封儲存。

(3) 拌合水

在相關規範中對拌合水無特別規定，普通自來水即可符合試驗要求，因此本試驗均採用一般純淨自來水進行拌合。

3.3.3 流度試驗

依照ASTM D6103之要求，以7.5cmψ×15cmH圓柱鋼模量測；以及CNS 14842規定進行

中 華 大 學

中 華 大 學 碩 士 論 文

非破壞檢測應用於 S-CLSM 早期強度之研究 Study of Non-Destructive Testing for Early

Strength of S-CLSM

系 所 別：土木工程學系碩士班 學號姓名：M10004006 陳志旻 指導教授：吳淵洵 博士

中 華 民 國 102 年 8 月

摘 要

ABSTRACT

Keyword：controlled low strength materials,CLSM, flowable fill, surplus soils,NDT, time

誌謝

目錄

表目錄

圖目錄

符號說明

w

第一章 緒論

1.1 研究背景

1.2 研究動機

1.3 研究目的

1.4 研究方法與流程

1.5 研究範圍與限制

1.6 論文架構

第二章 文獻回顧

2.1 剩餘土石方處理

2.1.1 國內剩餘土石方處理

2.1.2 國外營建土石方處理

2.2 控制性低強度材料

2.2.1 CLSM 材料特性

2.2.2 CLSM於回填工程應用

2.2.3 非制式粒料產製CLSM相關研究

，

2.3 非破壞檢測

2.3.1 超音波檢測法

T

L

超音波檢測相關研究

Naturla Log of Velocity(m/sec)

2.3.2 TDR簡介

K

c

 





 



 c

K -5.5×10

K +2.92×10

2.3.3 土壤衝擊錘試驗簡介

第三章 研究方法與流程

3.1 研究項目與方法

3.2 基本物理性質測定

3.2.1 試驗材料

3.2.2 比重試驗

3.2.3 阿太堡限度試驗

(1) 液限試驗

(2) 塑限試驗

3.2.4 粒徑分析試驗

(1) 篩分析試驗

(2) 比重計試驗

3.3 S-CLSM之配比設計試驗

3.3.1 S-CLSM之配比計算

3.3.2 試驗材料

3.3.3 流度試驗

中華大學

中華大學碩士論文

系所別：土木工程學系碩士班學號姓名：M10004006 陳志旻指導教授：吳淵洵博士

中華民國 102 年 8 月

摘要

第一章緒論

第二章文獻回顧

第三章研究方法與流程