第三章 試驗方法

第三章 試驗方法

本研究使用來自 921 震災之剩餘土石方，先調查其雜物含量、有 機物含量、比重、吸水率、洛杉磯磨損率、粒徑分佈等物理性質後，

再將此剩餘土石方調製成三種不同粒徑之試料，以普通水泥(台泥 Type I)作為穩定材料，依所定水泥含量、含水比添加水泥、水入試料，

均勻拌合後立即夯製土壤水泥試體，並對其施行無圍壓縮、加州承載 比、衝擊加速度、乾-濕循環及植生性等試驗。以下對試料物理性質 及土壤水泥之相關試驗方法說明之。

3.1 試料準備

分別至埔里場、南投場、霧峰場、大里場、太平場五處 921 震災 建築拆除廢棄物貯置場，施行現場取樣。五處貯置場中，埔里場、太 平場是較位於山地屬郊區型城鄉，其被拆除之建物以土角厝、磚造屋 居多，鋼筋混凝土屋較少；而南投場、霧峰場、大里場、是較位於平 地屬都市型城鄉，其被拆除之建物以加強磚造屋、鋼筋混凝土屋居 多，而磚造屋、土塊厝較少。至各場篩取試料回實驗室後，充分混合 再篩分成 Soil A(粒徑D≦19.1mm)、Soil B(D≦12.7mm)、 Soil C(D≦ 4.76mm)三種試料，以利後續試驗之進行（參閱圖 3.1、圖 3.2）。

3.2 物理性質試驗法

3.2.1 一般物理性質試驗

一般物理性質試驗法之依循規範如下：

細料比重：ASTM D854 粗料比重：ASTM C127

圖 3.1 現地取樣

(a) Soil A

(b) Soil B (c) Soil C 圖 3.2 試料相片

吸水率：ASTM C127

洛杉磯磨損率：ASTM C131 B method 粒徑分佈：ASTM D422

阿太堡限度：ASTM D4318 等

3.2.2 有機物含量、雜物含量試驗

經過機器或人工分類後之剩餘土石方，尚會含些許之非土石物

（木本、草本、樹根或金屬屑、玻璃碎片、塑膠類、木屑、竹片、紙 屑、瀝青等），則依據行政院公共工程委員會之「公共工程施工綱要 規範」，此等剩餘土石方就不適用為工程土石方，但要將剩餘土石方 分類處理至完全不含雜物是不可能的。權衡剩餘土石方再生利用之推 動，宜釐定一雜物含量容許值，以作為剩餘土石方分類品質管理之依 循標準，惟目前國內尚無工程主管機關明定出此容許值。而且在考慮 到試驗方法時，是要把非此土石物視為雜物或有機物仍有待釐清；若 視為有機物則可使用燒失法(AASHTO T267-86, JSF-T8-1968)求其有 機物含量，惟若視為雜物目前卻無制式法以求其雜物含量 [楊 朝 平,2001]。

不過針對剩餘土石方而言，應將上述尚存於剩餘土石方之非土石 物質歸為雜物較適宜，因其並非一般所定義被細菌、黴菌等分解而以 有機物之形態存在於土壤中之動植物遺骸。一般應以其雜物含量來判 釋其分類品質較適宜，而非以有機物含量來作為其分類品質之依據；

為此，國內學者、專家考量為方便再利用建築拆除廢棄物之執行性、

工作性，特提出「撿拾浸水法」來量測剩餘土石方之雜物含量[行政 院環境保護署, 2000]。

一、有機物含量試驗 - 燒失法

根據日本土質工學會[1995]之 JSF-T8-1968 規範，是將經 110±5

℃烘乾之粒徑小於 2^mm之土搗碎後，再置入 700~800℃之高爐灼熱。

在此溫度下，其所含之有機物會被氧化，燃燒成水與二氧化碳而逸 散。以其所減輕之重量來計算其有機物之含量與重量比。惟因此法亦 包括含鐵氧化、碳酸鹽分解等化學反應，而會影響到量測值，故建議 僅適用於泥碳土等其有機物含量大於 50%之試料。

二、雜物含量試驗 - 撿拾浸水法

對已分類後之剩餘土石方，約每 5,000^m3做一次有機物含量試 驗，取樣量為大約為其五倍最大粒徑邊長之立方體之體積。將試料以 110±5℃烘乾 24 小時後秤烘乾試料重W_d，再把此試料篩選成停留於 4 號篩(4.75^mm)者和通過 4 號篩者，將停留於 4 號篩之試料以人工目 視方式把雜物撿出秤重W_f ；另將通過 4 號篩之試料置於大盆內，灌 水入盆淹沒試料至少 10cm以上，用手充分均勻攪拌盆內之試料，使 其輕質雜物完全浮出於水面，以細網撈出此懸浮雜物烘乾秤重W_c；依 式(3.1)計算其雜物含量（參閱圖 3.3）。

雜物含量(%) = ^{+ ×100}

d c f

W W

W (3.1)

3.3 土壤水泥相關試驗法

3.3.1 土壤水泥混合料之 pH 值試驗

圖 3.4 為此試驗實做情形，所需之儀器為 pH 值測定儀、天秤、

烘箱及塑膠瓶、燒杯等，其試驗步驟如下：

1. 以蒸餾水清洗 pH 值測定儀後擦乾洗淨。

2. 將 pH 值測定儀分別置入 pH 值 4.0、10.0 之緩衝液中，量測其溫

(a) 篩分粗細料

(b) 目視撿拾粗料裡之雜物

(c) 網撈細料裡之懸浮雜物 圖 3.3 撿拾浸水法

圖 3.4 土壤水泥之pH 值測定

度，並調整 pH 值測定儀至正確讀數。

3. 取通過 40 號篩之氣乾土 25g 置入容量 150ml 塑膠瓶內，加入特定 量之水泥及適量蒸餾水。

4. 鎖緊塑膠瓶蓋，搖動塑膠瓶使瓶內物完全混合呈濃稠液，且確認 瓶底無粘著物。

5. 15 分鐘後將濃稠液移入燒杯內測定pH 值。

3.3.2 夯實試驗

依 ASTM D558 規 範 施 行 夯 實 試 驗 ， 其 限 制 最 大 粒 徑 為 19.1mm，；因 Soil C 皆通過 4 號篩故依 Method A 試驗之；而 Soil A、

Soil B有停留於 4 號篩之粗料，故依 Method B施行試驗，於試料準 備時需將粗料處理成面乾內飽和狀態。對三試料各調製具 7 種不同含 水比w之試樣，於密閉容器放置 24 小時以上再拌入水泥，所設定之 水泥含量條件為a_w=0%、1%、2%、4%、8%、12%、16%七種。於 Method A、Method B其所使用之儀器及夯實能量皆相同，即於直徑 101.6mm鐵模中，以 2.5kgf 夯錘、落距 305mm、分三層、每層夯打 25 次、夯實能量 591.3kJ/ m³之條件夯打土壤水泥混合料。夯實完成 後，刮平測其單位重及含水比，並繪製γ_d-w關係圖，以決定不同a_w試 體之最大乾密度

γ

3.3.3 無圍壓縮試驗

依 ASTM D1663 施行此項試驗，旨在觀察剩餘土石方經水泥穩 定處理後之無圍壓縮強度變化情形，其試驗條件如下：

圖 3.5 夯實前之土壤水泥混合料

1. 試料為 Soil A、Soil B、Soil C 三種。

2. 水泥含量a_w=0%、1%、2%、4%、8%、12%、16%七種。

3. 含水比為w_opt-2%（乾側）、w_opt（最佳狀態）、w_opt+2%（濕側）三 種。

4. 使用混凝土試體模（內徑 10 cm 、高 20cm ），比照夯實試驗以 591.3kJ/ m³之能量夯打試體（分五層、每層夯打 25 次）。

5. 養護齡期 3 天、7 天、28 天。

此試驗之程序如下：

1. 比照夯實試驗，調製特定水泥含量、含水比之土壤水泥混合料。

1. 用潤滑油充分潤漬試體模具內面及底部，並旋緊上下螺絲。

2. 將土壤水泥混合料分五層次倒入模中每層夯打 25 下，加入下一層 料前需再攪拌。

3. 夯打完成後，以刮刀將頂部修平，並測其土重及含水比。

4. 從加水拌和開始至夯實結束，應控制在 30∼40 分鐘內完成。

5. 試體夯實完成後連模置於養護室（溫度 23

±

6. 拆模取出試體後繼續置於養護室至所定齡期（見圖 3.6）。 7. 試體養護期滿施行壓縮試驗前，先浸水 4 小時。

8. 將試體從水中取出以紙巾吸拭表面水分，如試體表面不平整須以石 膏蓋平。

9. 將試體置於無圍壓縮試驗儀中施加壓力，以 1%/min.之速率加壓至 試體破壞（見圖 3.7）。

10. 繪其應力-應變曲線，計算其無圍壓縮強度q_u及割線模數

E

圖 3.6 土壤水泥試體養護

圖 3.7 壓縮土壤水泥試體

3.3.4 加州承載比試驗

依 ASTM D1883 對具最佳含水比之土壤水泥試體（七種水泥含 量）施行試驗以求其CBR值；CBR值為貫入桿貫入土壤的應力與貫入 標準碎石的應力之比，乃是直接判定土壤承載力之方法，亦經常被使 用於檢驗路堤填土品質之快速試驗法。

本研究，使用之鐵製圓模內徑 6.0ⁱⁿ、高 7.0ⁱⁿ附有 2ⁱⁿ高之延伸 環及兩個孔底版、一個圓型鐵墊塊、加重塊。其試驗步驟如下：

1. 比照夯實試驗，調製特定水泥含量、含水比之土壤水泥混合料約 7kgf 。

2. 將試樣分 3 層置入圓模，以重 5.5 磅之錘分三層夯實，每層以分別 夯實 65 次(2030^{kJ/ m3})、30 次(937kJ/ m³)及 10 次(312kJ/ m³)之方 式製作三個土壤水泥試體。

3. 夯壓完成後，修整刮平頂部土壤，依次加上濾紙，取下試體底鈑，

倒轉試模置於多孔底鈑上，取出原先置於下方之金屬墊塊。

4. 將膨脹延伸器置於試體之上，再加上用來模擬路基或路面載重之 10 磅中空圓形鐵塊。

5. 將三個試體置於水槽，水槽內加水使水位淹過試體頂部即可，將量 測膨脹之測微計置於延伸器上，定時觀測測微計之讀數，直至試 體吸水飽和不再回脹或浸水 4 天（見圖 3.8）。

6. 將試體從水槽中取出讓其自由排水約 15 分鐘後，取下中空圓形鐵 塊與延伸器。

7. 續對試體進行貫入試驗，依數據繪出承載力、貫入深度之關係圖並 校正之，將此校正應力除以貫入標準碎石的應力即得CBR值。

8. 使用從三個不同乾單位重試體所獲得之CBR值，繪CBR 、γ_d 關係 圖，即可藉以找出對應於特定 0.95γd之CBR值。

圖 3.8 CBR 試驗用之土壤水泥試體

3.3.5 衝擊加速度試驗

依 規 範 ASTM D5874 量 測 土 壤 水 泥 試 體 之 衝 擊 加 速 度 I_v

( Impact Value)，即以衝擊試驗儀(Impact Tester)進行檢測俾間接知曉 土層之硬度或承載力、強度。試驗儀器如圖 3.9 所示般，其基本構造 為含一個內直徑 50mm、重 4.5kgf kg的重錘及把手、數值顯示器、中 空導管及傳輸線等；此試驗具有操作簡便且容易、儀器搬運輕易、試 驗 時 間 短 、 可 立 即 得 到 量 測 結 果 等 優 點 [Lafayette Instrucment Company, 1993]。

試驗時，將衝擊試驗儀放置在待測試體上，把重錘抬升至白色標 線與管口相同高度 (18in)後使其自由落下錘擊試驗面，此時可由儀器 板上的數值器讀出其I_v值。於本研究，對所有被施行無圍壓縮試驗及 加州承載比試驗之試體，皆事先對其量測I_v值。

3 . 3 . 6 乾- 濕試驗

依 ASTM D 559 對土壤水泥試體施行乾-濕試驗，以觀察其重量損 失、體積變化等抗表面磨耗之性質；試體為具最佳含水比、七種不同 水泥含量者。其試驗步驟如下：

1. 比照夯實試驗，調製特定水泥含量、含水比之土壤水泥混合料約 14kgf 。

2. 比照無圍壓縮試體製作，使用混凝土試體模以 591.3kJ/ m³之能量 夯打土壤水泥混合料，製作兩個試體。

3. 將兩試體養護 7 天後開始施行乾-濕試驗。

4. 將兩試體先浸水 5 小時，取出濾乾 1 小時，後置烘箱中(71±3℃) 42 小時。

5. 對一烘乾試體僅量其體積變化，而對另一烘乾試體求其重量損失。

圖 3.9 衝擊強度試驗

6. 用金屬刷均勻刷試體表面 2~4 回，托住試體長軸平行縱軸輕刷所 有面積，並以約 13.3N 之力垂直刷打試體 18~20 下（見圖 3.10）。

7. 4.~6.步驟組成一個 48 小時之乾-濕循環，重覆計 12 循環，量各乾- 濕循環之重量損失與體積變化。

8. 如果因假日或者其它理由不能連續循環，需把試體持續放置在烘 箱中，直到下一循環開始。

3 . 3 . 7 植生試驗

土壤水泥雖旨在提昇土壤之強度，唯當其被再利用於填土邊坡、

護岸等時，若能使其具適當植生性則可更符合生態工法目的，一則提 昇此剩餘土石方之強度，再則植披生長綠化構造物使其與自然環境融 為一體。為此，本研究也調查了經水泥穩定處理後之剩餘土石方的植 生性質，其試驗步驟及注意事項如下：

1. 三試料之濕潤狀態為最佳含水比，水泥含量為 0%、1%、2%、4%者。

2. 調製特定水泥含量、含水比之土壤水泥混合料約 5kgf 。

3. 比照無圍壓縮試體製作，使用混凝土試體模以 591.3^{kJ/ m3}之能量 夯打土壤水泥混合料，製作高約 15cm 之試體，於模上端留 5cm（見 圖 3.11）。

4. 見圖 3.12，於模上端置沃土 5cm ，並植入百慕達草、鬼針草、狼 尾草、牛筋草 4 種原生草苗（2003 年 1 月上旬）。

5. 置試體於室外，視天候與實際情形適當澆水。

6. 施行適當保護措施，以避免動物、人踏損試體，若發現被踏損即 須進行補植。

7. 植生 30 天後施台肥 43 號複合肥料並立即澆水。

圖 3.10 乾-濕試驗情形

Cement stabilized

soil

10cm

15cm Fertile soil 5cm

(a)植生試驗用土壤水泥試體 (b) 植生試驗示意

圖 3.11 植生試驗用之試體製作

(a)植生試驗場

(b) 百慕達草

(c)鬼針草

圖 3.12 於土壤水泥上植栽草

8. 因於一般土方工程若其裸露期超過四個月以上，即須有植草覆蓋 等保護措施，故選擇植生試驗之觀察期為體齡期為 4 個月。

9. 四個月後，拆模觀察各草之生長及根系貫入土壤水泥之狀態。

以下對百慕達草、鬼針草、狼尾草、牛筋草之一般習性說明之[蔡 福貴,1993；游以德、陳玉峰,1995]：

一、百慕達草

別名：狗牙根、鐵線草、雜交狗牙根、雜交天堂草。

學名：Cynodon dactylon × C. transvaalensis.

英名：Bermuda grass.

科屬：禾本科。

根系：為鬚根，其莖生長在地面上，其節間延長，每節生根蔓延著稱 為匍匐莖，當其莖生長數節後觸地再生根，稱為走莖。

繁植方法：扦插、播種。

分布：全省海拔六百尺以下之邊坡、公園、庭園、球場球道等。

特性：該草種與本土原生種狗牙根不同處在於它具有葉叢密集、低 矮、葉色較綠較細、根莖節間短，又耐頻繁修剪傷害復原力快，

踏後易復甦，水分充足時全年常綠。矮生百慕達雖具良好匍匐 貼地性，生態習性優美，唯不耐病蟲害需常施藥，較不適用於 一般缺少管理之處所。

二、鬼針草

別名：苦楝草,盲腸草,,山苦苓, 咸豐草、 白花婆婆針、白花鬼針草、

黃花霧、黃花母、蝦鉗草。

英名：Pilose beggarticks.

科屬：菊科, 鬼針草屬。

根系：為主根，是種子萌發後由胚根發育的根。

繁植方法：扦插、播種。

分布：全省海拔二千五百尺以下之庭院、荒地 、耕地旁及村落附近 均十分常見。

特性：一年生草本、莖直立、高 60~100cm ，分枝呈方形，綠色或略 帶淡紫色；葉對生，羽狀三至五全裂，側裂片卵形，頂裂片卵 形或三角形，粗鉅齒緣。四季皆開花，頭狀花序腋出或頂生，

徑約 1 cm 餘，外圍有白色舌狀花五至七片，中央為管狀花，

約五十朵，黃色。瘦果黑褐色，長約 1 cm ，先端的宿存萼具 有倒刺，藉以附著人畜而散播。

三、 狼尾草

別名：牧草、養生草、狼茅、小甜茅草。

學名：Pennisetum alopecoidesr Spr.

科屬：禾本科。

根系：為支柱根，其莖成圓形而中空有節，桿之中空部分，節內有橫 隔板存在。

繁植方法：扦插、分株。

分布：一般自生於路旁、溪邊河床等

特性：多年生單子葉草本植物，葉身、葉鞘毛茸少，具生長強勢、採 收期間長，免施農藥等優點。其葉片約 80cm 長、葉色翠綠、

富含葉綠素、多種維生素，莖部則含有豐富礦物質、多種微量 元素與水溶性碳水化合物等。

四、牛筋草

別名：牛頓草、萬斤草、力草、生筋草、蟋蟀草、牛信棕、路邊草、

鴨腳草、蹲倒驢、千人踏。

學名：Eleusin indica (L.) Gaerth.

科屬：禾本科(Gramineae)，穇屬

根系：為鬚根，而在萌芽時最先長出的胚根，在早期停止生長而為不 定根所取代。

繁植方法：播種、扦插。

分布：生長於荒野、路邊、農地等。

特性：一年生草本、稈綠色叢生高約 20∼40cm 。莖直立或斜上、質 強韌、扁平、光滑。葉強韌、細長線形、葉緣疏生白毛。花序 由一個到數個指狀排列成穗狀花所組成，長 3∼9cm^、小穗具 4 朵以上的小花、果為卵形穎果。

根系不僅是一個吸收水分與礦質鹽的主要器官，而且也是一個轉 化、合成營養的地方，代謝活動異常活躍。

一、根對水分的吸收

根系從土壤中吸收水分的最活躍部位是根端的根毛區，通常僅由 根系的活動而引起的吸水現象稱為主動吸水，而由地上部分的蒸騰作 用所產生的吸水過程稱被動吸水。

二、 根對礦質鹽的吸收

根系從土壤中吸收礦質鹽是一個主動的生理過程，它與水分的吸 收之間各自保持著相對的獨立性，根部吸收礦質鹽最活躍的區域是根

冠與頂端分生組織及根毛發生區。土壤中的各種礦質鹽先被吸附在根 表面，然後經能量轉換作用通過細胞膜進入細胞中，再由細胞間的離 子交換進入維管柱的木質部導管[周昌弘, 1992]。

三、根對地上部分生長發育的影響

根系不僅將植物的地上部分固著在土壤中，也從土壤吸收水分和 礦質鹽供給根莖葉生長發育的需要。根部還能進行一系列有機化合物 的合成轉化如氨基酸和各類植物激素；並從土壤中吸收二氧化碳固定 之透過和丙酮酸作用轉變為蘋果酸，然後轉運到地上部分參加葉子的 光合作用。

進一步，對百慕達草、鬼針草、狼尾草、牛筋草之根性說明如下：

一、鬚根類

根系在土壤中伸展的範圍及根量的多少與植物種類和外界環境

（土壤的結構、通氣程度以及水分狀況等）有關，禾本科植物的鬚根 系入土較淺，一般僅 20~30cm。禾本科百慕達草於每節莖間生鬚根，

牛筋草之鬚根為在萌芽時最先長出的胚根，在早期停止生長後為不定 根所取代。

二、主根類

主根為一株植物全部根的總稱，是種子萌發後由胚根所發育的 根，而由主根及各級側根組成的根系稱為直根系；鬼針草屬直根系，

貫入深大於鬚根。

三、支柱根類

支柱根屬變態根，即有些植物的根在形態、結構和生理功能上都出現

了很大的變化（稱變態），其為長期適應環境的結果，一旦形成後相 繼遺傳成為穩定的遺傳性狀；狼尾草之根系即數支柱根類。最典型的 支柱根例子是玉米，從莖基部的幾個節上長出許多不定根，並向下伸 入土中，不僅能吸收水分和無機鹽，而且此種根的組織發達能穩固莖 幹的支持作用。

另一方面，說明影響植物根系生長之土壤物理性質如下[李學 勇,1987]：

一、土壤密度

由於冰凍、融解、降雨壓力及生物活性等作用致土壤密度會因季 節而改變，因而引起土壤質地、結構、有機質含量等的改變。

二、土壤孔隙率與含水比

土壤孔隙充滿著水分與空氣，空氣與水分的比例會影響植物根系 的活性。由於排水不良、浸水及機械壓實會妨礙土壤的通氣性因而限 制根的生長發育，為了達到施肥及病蟲害的防制，往往因反覆踐踏用 地或者大量施用肥料及灌溉的結果,雖然解決了養分及水分的問題，

但是通氣性卻也成了產量的最大限制因子。根系常受限於土壤剖面深 層，那是因為深層的通氣性逐漸減低,通氣不良常會減少水分吸收引 起植株早期凋萎，並會減低根對水分的通透性，另外土壤通氣不足，

易引起厭氧狀態，導致有毒物質產生引起根生長不良。另一方面，土 壤水分含量太高易導致厭氧狀態，而一些移動性差的養分例如磷，其 擴散速率往往取決於水分的多寡。植物生長在乾旱的及半乾旱位置比 在濕潤地區有較高根密度，改善土壤通氣性及含水狀況之方式為適度 排水，施肥及工作時應避免土壤的過度壓實，使土壤空氣與大氣有對

流機會。

三、溫度

土壤溫度會因土壤顏色、土壤粒子表面粗糙度、殘體及土壤含水 量而有所變化，它會影響根的生質、根增長速率及側根生成速率，低 溫時，根尖的生長乃往水平方向發展，然而當溫度上升，根則會往垂 直向下方向生長，各種植物的根對土溫均有其生長適溫，土溫對於根 的型態及營養的吸收方面均有明顯的影響，維持土壤地溫的方式可以 覆蓋作物以緩和小氣候及地溫之變化，另外作物殘株之覆蓋亦可調節 地溫。

四、有機質

有機質除了可供應營養於植物，也同時可改進土壤物理狀況，它 可降低總體密度，改善土壤團粒及水的入滲速率，並增加水容量。