• 沒有找到結果。

摘摘摘摘

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "摘摘摘摘"

Copied!
111
0
0

加載中.... (立即查看全文)

全文

(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)

摘 摘 摘 摘 要 要 要

本研究針對垃圾焚化底渣進行一系列填方工程相關之性質試 驗。依據水泥穩定處理土壤之原理,探討以垃圾焚化底渣替代砂石作 為道路填方材料之可行性及應用性,並提出適用於道路基底層材料之 最佳配比建議。一方面可減緩砂石資源之超量開發,另一方面可有效 解決垃圾底渣處理困難之窘境。試驗項目包含一般物理性質測定、夯 實試驗、單軸壓縮強度試驗、加州承載比試驗及濕陷試驗。研究結果 顯示經由水泥處理後,垃圾焚化底渣之工程性質可獲得顯著改善。單 軸壓縮強度隨水泥含量之增加而增加,且隨齡期之增加而成長。顯示 底渣試體經水泥水化反應,對於整體強度之提升有所助益。研究結果 亦顯示底渣試體經水泥水化反應所形成之膠體,填充顆粒孔隙並固結 後,能有效抑制濕陷之發生。

關鍵詞:垃圾焚化底渣、水泥穩定料、單軸壓縮強度、濕陷性。

(7)

誌謝 誌謝 誌謝 誌謝

兩年來的研究歲月,隨著研究論文之完成而成為生命中一段難忘 的回憶。此一研究所求學期間,首要感謝授業恩師 吳淵洵博士,學 生承蒙恩師於立身處事及治學態度上之教誨與指導,使學生之學識涵 養獲致提升。恩師對於論文撰寫,更是不厭其煩地逐字斧正且悉心批 閱,使本論文得以順利完成,在此對於恩師致上由衷之感激與謝意。

論文口試期間,感謝張奇偉博士及單信瑜博士,對於論文詳加指 正並提供寶貴建議,使本論文更臻完整充實,學生銘感五內。學生在 研究所求學期間承蒙楊朝平博士、呂志宗博士及李煜舲博士給予學識 基礎之建立與人生哲理之灌輸,在此一併致上最高之謝意。

求學期間感謝學長姐晏誌、佳琪、銘祥、國森及國棠在學業上之 引領與鼓勵,使求學過程順利;同學育箖、繼賢、翔鴻、芃逸、銘鋒、

雪蘭、宜興、宏政、冠君、安琪、伯偉、育嘉、維凱、嘉財在課業上 相互砥礪與支持;學弟妹彥佃、怡伶、胤傑、逸泓、姿亘、柏領、克 泰、禎瑩、凱文對於試驗上的熱情協助,尤以彥佃、怡伶、胤傑三人 參與最多,對於這些課業上的貴人在此一併致以最高謝意。

另外要特別感謝陪伴多年的家華,給予我細心的照顧及精神上的 鼓勵,使我無後顧之憂,得以順利完成學業。

最後,謹以本論文獻予在求學過程時無條件支持與協助的父母

(8)

親,感謝您的養育之恩及於人生路途上的引導,以及所有關愛我的 人,因為有你們的支持,使我在求學的路上無後顧之憂,論文完成的 喜悅,將與你們分享。

鄞名宏 謹識 中華民國九十四年九月于新竹

(9)

目 目 目

錄 錄 錄

頁次 中文摘要………I 誌謝………...……II 目錄.………..……….…...IV 圖索引………..……….………... VIII 表索引………...…...…………...XIV

第一章 緒論………..1

1.1 研究背景……….…………..………1

1.2 研究動機………..……….1

1.3 研究目的………..……….2

1.4 研究方法與流程………..……….3

1.5 論文架構………..……….3

第二章 文獻回顧………..5

2.1 垃圾焚化底渣………..………...……….…….5

2.1.1 底渣之物理性質………..……….….6

2.2.2 底渣之化學性質………..……….….6

2.2 各國垃圾焚化底渣之再利用情形………...7

2.3 底渣之膨脹性………...………9

2.3.1 膨脹之原因………...……….9

(10)

2.3.2 試驗結果………..…..…..10

2.4 水泥穩定材料……….….……...………..…..11

2.4.1 土壤水泥定義………...………..………...11

2.4.2 土壤穩定處理之方式………...12

2.5 土壤水泥性質………...16

2.5.1 強度………..17

2.5.2 耐久性………..………....17

2.5.3 滲透性………..………....17

2.6 路基………...17

2.6.1 路基之定義………...18

2.6.2 路基土壤壓實標準………..………....19

2.6.3 路基土壤基本要求………..………....19

2.6.4 路基土壤之荷載………..………...20

2.7 濕陷性………...21

2.7.1 濕陷性定義………..………...21

2.7.2 影響濕陷性之因素………..………...22

2.7.3 土壤種類之影響…………..……...22

2.7.4 荷重造成之影響…………..………...23

2.7.5 夯實含水量之影響………...23

(11)

第三章 研究計畫與試驗流程………....39

3.1 研究架構…….…………...………….………39

3.2 試驗材料………...………....………..39

3.2.1 水………..………39

3.2.2 水泥………..………40

3.2.3 垃圾焚化底渣………..………40

3.3 試驗項目…….………..….……….40

3.3.1 試驗設備儀器………..………41

3.4 試驗程序…….……….…………..……….42

3.4.1 夯實試驗…………..………42

3.4.2 單軸壓縮試驗………..………42

3.4.3 加州承載比試驗(CBR 試驗)……...………44

3.4.4 濕陷試驗………..………45

第四章 試驗結果分析與討論.……….………..…59

4.1 基本物理性質試驗………..…….……….….59

4.2 單軸壓縮試驗…………...………...59

4.2.1 水泥配比與單軸壓縮強度之關係………..…………60

4.2.2 水泥用量與趨勢線分析之關係………..…………61

4.3 加州承載比試驗……….………...61

(12)

4.3.1 加州承載比試驗結果………..………62

4.3.2 加州承載比試驗結果與規範值之關係………..……65

4.4 濕陷試驗結果……….……..……...63

4.4.1 濕陷性與壓實度之關係………..………64

4.4.2 水泥含量與濕陷性之關係………..…………64

4.4.3 濕陷性綜合討論………..65

第五章 結論與建議………..…..88

5.1 結論……….……..……..88

5.2 建議……….…..………..89

參考文獻………..………90

(13)

圖 圖 圖

圖索引 索引 索引 索引

頁次

圖 2-1(a) 火格子式焚化系統………..28

圖 2-1(b) 機械爐床式焚化系統………..28

圖 2-2 底渣之再利用處理技術……….………….29

圖 2-3 底渣內礦物質組成成分……….………….29

圖 2-4 鋁金屬氧化所形成之膠體微觀示意………..30

圖 2-5 底渣內部鐵金屬產生之膨脹裂縫………..30

圖 2-6 膨脹試驗裝置………..31

圖 2-7 底渣試體於不同狀態下產生之膨脹行為………..31

圖 2-8 添加波特蘭水泥可有效抑制底渣試體膨脹之行為……..32

圖 2-9 矽酸鈣水化物膠體鍵結情形………..32

圖 2-10 土壤改良前後之應力-應變關係………...33

圖 2-11 水泥與單軸壓縮強度關係………..33

圖 2-12 濕陷土壤微觀圖………..34

圖 2-13 濕陷性單式濕陷試驗代表性關係………..35

圖 2-14 濕陷土壤結構型態………..36

圖 2-15 濕陷可能性評估………..36

圖 2-16 粗粒料對濕陷性之影響………..37

(14)

圖 2-17 不同含水量狀態下,荷重與濕陷量之關係……..………..37

圖 2-18 夯實含水量對濕陷量之影響………..38

圖 3-1 研究流程及試驗項目……….……….……….….…..49

圖 3-2 試驗用底渣材料……….……….……….….…..50

圖 3-3 單軸壓縮試驗儀……….……….……….….…..50

圖 3-4 CBR 承載比試驗儀…….……….……….….…..51

圖 3-5 濕陷試驗儀.………...………...….…..51

圖 3-6 單軸壓縮試驗試體模具….……….………..…..52

圖 3-7 壓密試驗組成構件…….……….……….….…..52

圖 3-8 濕陷試驗組成構件…….……….……….….…..53

圖 3-9 三段變速土壤攪拌機….……….……….….…..53

圖 3-10 單軸壓縮試驗儀校正結果….………..….……..54

圖 3-11 試驗土樣調配含水量後密封放置 24 小時…….…..……..55

圖 3-12a 潤滑不足造成拆模後試體破壞之情形………..….…..…..55

圖 3-12b 潤滑不足造成拆模後試體破壞之情形………..….….…..56

圖 3-13 試料添加水泥拌合….……….……….….……..56

圖 3-14 試體夯實完成情形….……….……….….……..57

圖 3-15 濕陷試驗試體夯實安裝完成………...….……..57

圖 3-16 濕陷試驗試體之安裝…….……….…….….……..61

(15)

圖 4-1 垃圾焚化底渣之粒徑分佈……….……..….……..69 圖 4-2 垃圾底渣之夯實性質…….……….…….….…...69 圖 4-3 各種水泥含量及齡期之單軸壓縮強度….…….….….…..70 圖 4-4 齡期 2 天之各水泥含量單軸壓縮強度….…….….…..…..70 圖 4-5 齡期 7 天之各水泥含量單軸壓縮強度….…….…...……..71 圖 4-6 齡期 28 天之各水泥含量單軸壓縮強度….…….…...…....71 圖 4-7 不同水泥含量與齡期之單軸壓縮強度….…….….….…..72 圖 4-8 齡期 2 天之水泥含量與單軸壓縮強度趨勢線.….….…....72 圖 4-9 齡期 7 天之水泥含量與單軸壓縮強度趨勢線.….…...73 圖 4-10 齡期 28 天之水泥含量與單軸壓縮強度趨勢線.………....73 圖 4-11 水泥穩定處理垃圾底渣之貫入度與承載力關係

(水泥含量 2.5%)………...………74 圖 4-12 水泥穩定處理垃圾底渣之貫入度與承載力關係

(水泥含量 5.0%)………...……74 圖 4-13 水泥穩定處理垃圾底渣之貫入度與承載力關係

(水泥含量 7.5%)………...………75 圖 4-14 水泥穩定處理垃圾底渣之乾密度與 CBR 值關係

(水泥含量 2.5%)…………...………75 圖 4-15 水泥穩定處理垃圾底渣之乾密度與 CBR 值關係

(16)

(水泥含量 5.0%)………...…………76 圖 4-16 水泥穩定處理垃圾底渣之乾密度與 CBR 值關係

(水泥含量 7.5%)………...………76 圖 4-17 不同水泥含量與壓實度之 CBR 值……….77 圖 4-18 水泥穩定處理垃圾底渣之壓實度與濕陷量關係

(水泥含量 2.5%)…………...………77 圖 4-19 濕陷量與壓實度、水泥含量之關係………….………..….78 圖 4-20 水泥穩定處理垃圾底渣之濕陷試驗結果

(水泥含量 0%、壓實度 80%)……….…………...78 圖 4-21 水泥穩定處理垃圾底渣之濕陷試驗結果

(水泥含量 0%、壓實度 85%)…...……….….………….…..79 圖 4-22 水泥穩定處理垃圾底渣之濕陷試驗結果

(水泥含量 0%、壓實度 100%)………...….……..79 圖 4-23 水泥穩定處理垃圾底渣之濕陷試驗結果

(水泥含量 2.5%、壓實度 80%)………...…..80 圖 4-24 水泥穩定處理垃圾底渣之濕陷試驗結果

(水泥含量 2.5%、壓實度 85%)………...……..80 圖 4-25 水泥穩定處理垃圾底渣之濕陷試驗結果

(水泥含量 2.5%、壓實度 90%)………...……..81

(17)

圖 4-26 水泥穩定處理垃圾底渣之濕陷試驗結果

(水泥含量 5.0%、壓實度 95%)………...81 圖 4-27 水泥穩定處理垃圾底渣之濕陷試驗結果

(水泥含量 5.0%、壓實度 100%)……….………....…..82 圖 4-28 水泥穩定處理垃圾底渣濕陷變化與時間之關係

(水泥含量 0%、壓實度 80%)………….………...82 圖 4-29 水泥穩定處理垃圾底渣濕陷變化與時間之關係

(水泥含量 0%、壓實度 85%)………..…………..83 圖 4-30 水泥穩定處理垃圾底渣濕陷變化與時間之關係

(水泥含量 0%、壓實度 100%)………...……...83 圖 4-31 水泥穩定處理垃圾底渣濕陷變化與時間之關係

(水泥含量 2.5%、壓實度 80%)………...….……..84 圖 4-32 水泥穩定處理垃圾底渣濕陷變化與時間之關係

(水泥含量 2.5%、壓實度 85%)……...…….…………...…..84 圖 4-33 水泥穩定處理垃圾底渣濕陷變化與時間之關係

(水泥含量 2.5%、壓實度 90%)…………...…….……..85 圖 4-34 水泥穩定處理垃圾底渣濕陷變化與時間之關係

(水泥含量 5.0%、壓實度 95%)………..………...85 圖 4-35 水泥穩定處理垃圾底渣濕陷變化與時間之關係

(18)

(水泥含量 5.0%、壓實度 100%)……….….…...…..86 圖 4-36 不同水泥含量試體之濕陷量與時間、壓實度之關係…..…87

(19)

表 表 表

表索引 索引 索引 索引

頁次

表 2-1 波特蘭水泥之基本性質………24

表 2-2 AASHTO 規定各種路基土壤之最小壓實度………25

表 2-3 AASHTO 土壤分類之所需水泥用量………25

表 2-4 AASHTO 土壤分類之所需水泥用量………25

表 2-5 基底層級配料材料尺寸規定………26

表 2-6 基底層級配料之 CBR 值規範……….…..…27

表 3-1 試驗參考規範………48

表 4-1 垃圾焚化底渣之基本性質………67

表 4-2 單軸壓縮強度之迴歸方程式………68

表 4-3 各種壓實度對應之 CBR 值………...………68

表 4-4 各水泥含量承載比試驗之迴歸公式………...……….68

(20)

第一章緒論 第一章緒論 第一章緒論 第一章緒論

1.1研究背景 研究背景 研究背景 研究背景

經濟的發展改善了人民的生計,也提高人們的生活環境及水準。

這些年來台灣人在這塊小土地上創造了舉世共賭的經濟奇蹟,但在人 們得到經濟上富裕的同時也對環境的生態造成了傷害,相信這樣的結 果是生活在這個小島上的人們所不樂見的。

國家經濟的繁榮與否會顯現在工程建設上,無庸置疑的台灣在過 去這些年來做了相當多的建設,這些帶領國家走向繁榮的建設背後,

意味著對環境做了相對等的破壞,也因此建設與破壞似乎畫上了等 線。

台灣每天約產生五千公噸垃圾焚化後之灰渣,這些灰渣之棄置與 處理造成政府財政上沉重的負擔,並嚴重影響環境與生態之平衡。探 討灰渣之再利用並加以推廣極為必要。本研究將針對垃圾焚化底渣於 道路工程填方材料之工程性質及應用性加以探討。

1.2 研究動機 研究動機 研究動機 研究動機

由於台灣長期以來工程建設蓬勃發展,致使天然砂石資源己近枯 竭狀態,在苦無天然砂石來源的情況下,使得建商不得不購買境外天 然砂石,增加工程成本,因此研發替代砂石材料實屬刻不容緩。

台灣地區目前共有十八座垃圾焚化爐在運轉或試燒中,每天約產 生五千公噸灰渣(燃燒垃圾量的百分之二十),其中百分之八十(約 四千公噸)是底渣,其處理亦己造成嚴重之環保問題(行政院環保署,

2004)。

因此若能夠有效地以垃圾底渣作為填方砂石之替代材料,除可紓

(21)

緩砂石資源不足之難題,同時亦可有效解決垃圾底渣處理之困境。

1.3 研究目的 研究目的 研究目的 研究目的

近年來,「永續發展」(sustainable development)已成為全球發展最 重要課題,綠營建更是與自然環境共生共存的永續發展目標。垃圾底 渣經研究指出其工程性質與砂土相類似,因此可利用水泥穩定處理土 壤之原理,同樣地藉由加入水泥提高其強度並降低滲透性,並利用水 泥水化產生之矽酸鈣膠體填補底渣內之孔隙使底渣之骨架強化以承 受來自路面之壓力,且經國外學者 Pecqueur 等人(2001)研究證實,

水泥對於抑制底渣材料之膨脹性具極佳之成效。

垃圾底渣之數量龐大,若能應用於道路之路基填方將能同時有效 地解決砂石短缺以及垃圾底渣處理困難等問題,完全能夠符合綠營建 之意涵。且對於環境與生態之維護具有極佳的助益。

目前工程界推廣的控制性低強度材料(controlled low strength material, CLSM),依美國混凝土協會(ACI)之定義,為一種具備自我 充填,用為替代優良級配的新興材料,其定義相當廣泛,舉凡可流動 性的回填料、低收縮性的可控制式低密度回填料、可流動性漿體、可 塑性之泥土水泥質材料、泥土水泥質泥漿等,皆可為廣義之 CLSM(內 政部營建署,2002)。

CLSM主要原始材料為飛灰、其他回收材料,以及少許之砂石、

水泥等,是一種符合環保訴求之施工材料,但若以焚化底渣全面替代 CLSM中的砂石材料加以拌合,則會產生緩凝作用以致缺乏早強性,

故不適用於道路或管溝回填(黃政昭,2005)。

根據吳振福(1999)之研究,大約 5~20%之細料即可使碎石級配產 生濕陷行為,若以水泥穩定處理級配料則能降低此一現象(張育維,

(22)

2001)。本研究遂以垃圾焚化底渣添加水泥的方式,利用水泥穩定處 理機制,抑制底渣之膨脹性與濕陷性,並增加其強度及穩定性,藉以 探討其應用於道路工程路基填方及管溝回填之可行性與應用性。

1.4 研究方法與流程 研究方法與流程 研究方法與流程 研究方法與流程

本研究以試驗方式探討水泥穩定處理之垃圾底渣工程性質。試驗 項目包括一般物理性質、夯實、單軸壓縮強度、加州承載比、濕陷試 驗等。

依據水泥穩定處理土壤之原理,以新店垃圾焚化廠生產之垃圾焚 化底渣為基本材料,觀察不同配比底渣試體其工程性質之變化,探討 此種機制作為道路填方材料之可行性與適用性,並提出其最佳配比建 議。

1.5 論文架構 論文架構 論文架構 論文架構

本論文第一章為緒論,闡述研究動機、研究目的、研究方法及流 程。

第二章為文獻回顧,首先探討土壤水泥之定義原理及水泥穩定機 制;其次介紹垃圾焚化底渣之定義、物理性質及化學性質;再次介紹 道路路基之定義、相關規範及相關試驗準則;最後介紹濕陷之相關定 義與研究。

第三章研究計畫與試驗方法,內容包括試驗方法之說明,試驗設 備,以及試驗項目。

第四章為試驗結果與探討,將試驗結果加以分析,並探討其相關 之影響因素。

第五章為結論與建議,針對本研究之結果與心得加以總論並提出

(23)

相關之建議。

(24)

第二章 第二章

第二章 第二章 文獻回顧 文獻回顧 文獻回顧 文獻回顧

伴隨著人類社會文明的進步,垃圾的產生量也與日俱增,目前最 常使用的垃圾處理方式為焚化法,但垃圾焚化後仍會有焚化底渣的處 理問題。因此,如何將焚化底渣再利用是世界各國環境處理上最首要 的研究目標。目前國內工程界推廣的控制性低強度材料(CLSM),

是一種符合環保訴求之施工材料,但若以焚化底渣全面替代 CLSM 中 的砂石加以拌合,將會產生緩凝作用,由於缺乏早強性故不適用於道 路或管溝回填。在本研究中以焚化底渣添加水泥的方式,依據水泥穩 定處理土壤的原理,利用水泥穩定處理垃圾焚化底渣,藉以探討其應 用於道路工程路基填方材料之可行性與應用性。

2.1 垃圾底渣 垃圾底渣 垃圾底渣 垃圾底渣

垃圾處理一直為各地方政府最為棘手的問題,堆積如山的垃圾不 但妨礙市容,所造成的惡臭及滋生的病媒更是嚴重威脅到民眾的健 康。焚化過程中產生的廢氣與戴奧辛嚴重影響空氣品質,而每日所需 掩埋之350公噸的垃圾底渣也有污染地下水的疑慮。

垃圾焚化造成的二次公害不容忽視,而犧牲好山好水的自然環境 作為底渣掩埋場非大眾所樂意接受,因此若能將垃圾焚化底渣運用於 工程上,將對環境具極佳之助益。

底渣是焚化爐燃燒後的殘渣,底渣的使用已經廣泛的應用在道路 工程上。法國政府立法規定從 2002 年開始禁止於垃圾掩埋場掩埋廢 棄物殘渣,並且根據在道路建設上的使用性,建立底渣材料的使用規 範(Pecqueur et al., 2001)。

底渣於使用時,人們往往注意到它的物理性質並針對物理性質好

(25)

壞加以改良,卻往往忽視底渣的相關化學性質對環境的影響,但這往 往會造成鋪面裂縫或道路損壞的的情形擴大。

垃圾焚化底渣的來源及性質會因進料的垃圾性質、焚化爐體設 計、空氣污染防制設備及操作條件不同而有所差異。

如圖 2-1(a)、2-1(b)所示,一般而言,在焚化灰渣的分類方面,

可分為在焚化爐爐床底部收集之底渣(bottom ash)及空氣污染防制設 備捕集之飛灰(fly ash)。飛灰包含廢熱鍋爐(waste heat boiler)與旋風分 離器(cyclone)收集之粒狀污染物,以及添加了各種吸附劑之空氣污染 防制設備收集之粒狀污染物(APC residues),若將這兩者混合收集則統 稱為灰渣(combined ash)。垃圾經焚化處理後,灰渣重量約為原來的 10% ~ 20%,體積則約為原來的 5% ~ 10%(何春松,2002)。

2.1.1 底渣之底渣之底渣之底渣之物理性質物理性質物理性質物理性質

何春松(2002)指出底渣是一種非均質的混合物。內容物包含熔 渣、鐵及非金屬物質、陶瓷、玻璃等不可然物質,以及未完全燃燒的 有機物質。一般而言底渣的含水率較高,其外觀呈現灰黑色,並且散 發出腐臭之氣味,烘乾之後則呈灰白色。

垃圾焚化底渣之粒徑大於 100mm 者約佔 20%以上,成分大多為 鐵及非金屬物質,熔渣以及營建廢棄物;介於 20~100mm 之間者約佔 70%,粒徑分布較為平均;小於 20mm 部分約佔 10%左右;其餘為與 砂石性質相近的物質,垃圾底渣之細顆粒比重約 1.5~2.0,粗顆粒部 分比重約為 1.8~2.4。

2.1.2 底渣之化學性質底渣之化學性質底渣之化學性質底渣之化學性質

底渣中大約有 80 ~ 90% 是由 O、Si、Fe、Ca、Al、Na、K 和 C 所組成,少部份 (約 0.1 ~ 1%) 由 Mg、Ti、Cl、Mn、Ba、Zn、Cu、

Pb、Cr 組成,微量部份 (< 0.1%) 由 Sn、Sb、V、Mo、As、Se、Sr、

(26)

Ni、Co、Ce、Ag、Hg、B、Br、F 和 I 所組成(Dugenest et al., 1999)。

大部份都是鹼金屬及鹼土金屬構成,在微量部份的金屬多是焚化過程 中附集至底灰上的。

在底渣成份中的篩灰大概僅佔底渣中的 1 ~ 3% 左右,但卻在整 個焚化底渣中提供了可觀的 Pb、Al、Cu、Zn 等元素。綜合而論,灰 渣所含化學物質以 SiO2、CaO、Fe2O3及 Al2O3 為主。

2.2 各國垃圾底渣之再利用情形 各國垃圾底渣之再利用情形 各國垃圾底渣之再利用情形 各國垃圾底渣之再利用情形

底渣之再利用處理技術如圖2-2所示,張蕙蘭(2003)整理目前世 界各國之底渣利用情形如次:

一、美國

美國最高法院於1994年通過,垃圾焚化灰渣適用於有害廢棄物管 理規定。無論底渣、飛灰或是混合灰渣,皆必須依據毒性特性溶出試 驗(toxicity characteristic lcaching procedure, TCLP)測試,始可按一般事 業廢棄物方式進行掩埋。

然而,由於原有掩埋場空間逐漸減少,新建掩埋場則有其安全及 經濟性考量,且處理焚化底渣使掩埋處理費用提高,因此如何有效地 將底渣回收再利用已成為目前重視之話題。

隨著後續研究的發表,在加州、紐約、佛羅里達等州均有實際應 用垃圾底渣再利用之案例,包括使用底渣於建築用混凝土磚、路基材 料、停車場底層材料及人工漁礁等,以及作為瀝青混凝土及波特蘭水 泥的骨材取代物等。

二、日本

日本為加強焚化底渣之管理,於1992年公告「廢棄物處理法」,

允許底渣與飛灰採分別貯存或混合貯存,然飛灰需經中間處理,底渣

(27)

可直接或與經處理後之飛灰合併採衛生掩埋。在工程應用方面,亦已 頗具實績,例如以垃圾焚化底渣、污泥、建築廢棄土等混合於水中填 築,建造浮島式廢棄物掩埋場。

三、德國

德國在1993年間計有53座焚化爐運轉,總共產生約300萬噸底渣 及30萬噸飛灰,其中約有60%底渣被回收再利用。底渣再利用需先經 篩分及磁選分開含鐵金屬渣,主要用途為當作道路工程路基、隔音牆 及堤防建築之骨材取代物;在使用前,至少須儲存熟化三個月以上。

德國法規對灰渣之再利用規定相當嚴格。底渣產生後必須貯存至 少三個月以上,以減少水分含量及使其充分膨脹,使用前必須去除鐵 塊且經篩分。

四、丹麥

丹麥環境部門對焚化底渣再利用規定,由於底渣之重金屬含量較 高,化學組成要求常不符規範標準,故若將底渣材料再利用時,須與 飛灰分開收集。

若欲再利用灰渣於道路建設的路基材料,尚需符合高速公路部門 的規定:

(1)底渣不得與飛灰或其他材料混合,意即必須分開收集貯存。

(2)底渣再利用前至少貯存一個月以上。

(3)底渣需經過篩分使其粒徑小於50mm,其中小於0.075mm細渣含 量,必須小於9%。

(4) 1000℃下灼燒減量小於10%。

(5) 含水量:17~25%。

五、瑞典

(28)

瑞典將底渣再利用法規將材料分為安定類、限定使用類、無法使 用(必須處置)類等三大類。關於再利用之規定為:

(1)篩選並去除鐵渣。

(2)最大顆粒尺寸為50mm。

(3)顆粒尺寸小於0.06mm者,含量比例不超過10%。

(4)灼燒減量小於5%。

(5)存放3個月以上,使水分含量減為約17%。

2.3 底渣之膨脹性 底渣之膨脹性 底渣之膨脹性 底渣之膨脹性

整理Pecqueur et al. (2001)之研究發現,底渣之膨脹主要來自於化 學反應並可能造成鋪面之破裂,最終導致道路的破壞。為了在道路工 程上能繼續使用底渣材料,必須了解導致底渣變形的反應並加以改 善。

膨脹的原因可能有很多種,每種反應產生的結果都須加以驗證。

因此Pecqueur et al. (2001)將底渣的試樣置於幾種導致膨脹的條件之 下加以驗證,圖2-3為底渣內礦物質的組成成分。

2.3.1膨脹的原因膨脹的原因膨脹的原因膨脹的原因

Pecqueur et al. (2001)的研究顯示,導致膨脹之原因,以及導致這 些現象的條件,主要有三點︰

(a)鋁金屬氧化所形成的膠體

當在金屬和水之間或者OH-離子接觸時,將會產生這樣的反應,

(圖2-4)但是減少底渣內的鐵金屬便能減緩甚至抑制此種反應。實 際上,很多研究顯示膨脹都取決於鐵顆粒(圖2-5)。當pH值接近9 或10時,氫氧化鋁會形成氫氧化鋁的膠體 ︰

+2H O→Al(OH) +OH

Al2 2 3

(29)

(b)鈣釩石的形成

當底渣材料浸泡在水中時,便會產生以下反應:

O H 28 ) OH ( Ca 3 CaSO 3 O

Al2 3+ 4+ 2+ 2

lime

31 2 3 4 3

2

2(AlO (CaSO ) (H O) )

CaO (

ettringite

(c)石灰和氧化鎂的水化作用

自由氧化鈣和氧化鎂透過水化反應轉變為氫氧化物導致其不穩定:

2 2

2 2

) OH ( Mg O H MgO

) OH ( Ca O H CaO

→ +

→ +

此反應導致底渣材料的膨脹發生不如其它兩種機制來得重要,發 生膨脹的每種類型都取決於底渣處理最後歷程。

2.3.2試驗結果試驗結果試驗結果試驗結果

Pecqueur et al. (2001)將夯實後之底渣置於CBR模內並於其上加 一4.5kg之荷重,如圖2-6所示,並將試體放置在下列三種狀態下:

(a)放置於潮濕的條件下:

目的為觀察氫氧化鋁的形成並增加其膨脹性。

(b)放置於40oC的水溫中:

利用高溫觀察鈣釩石形成的反應過程。

(c)放置於80℃的水溫中:

此一試驗狀態為觀察氧化鈣或者氧化鎂水化反應所引起的膨脹現 象,如圖2-7所示。

Pecqueur et al. (2001)所進行之試驗證實了氫氧化鋁的存在,並表 示氫氧化鋁金屬的產生為膨脹的主要原因。由於從底渣中取出非鐵金 屬是非常困難的,於是Pecqueur et al. (2001)採取加入水泥固化底渣材 料的方法,並觀察到使用波特蘭水泥穩定處理底渣能有效降低回脹所

(30)

產生的變形量約70%,也證實了添加水泥對於底渣材料之膨脹潛能抑 制,具相當良好之成效(圖2-8)。

2.4 水泥穩定材料 水泥穩定材料 水泥穩定材料 水泥穩定材料

2.4.1 土壤水泥定義土壤水泥定義土壤水泥定義土壤水泥定義

美國混凝土學會(American Concrete Institute, ACI)定義,土壤水泥 (soil cement)是將水泥、土壤、骨材,以及水充分攪拌後夯實而成之 混合物,性質與低強度混凝土相近,但其與混凝土的差別在於,土壤 水泥之土顆粒並非完全被水泥砂漿包覆。

FHWA(1979)提出四種土壤穩定處理之方法,而水泥穩定處理土 壤為其中之一種土壤穩定之方法(見:張育維,2001)。

波特蘭混凝土學會(Portland Concrete Institute, PCA)定義土壤水 泥是一種土壤或者粒狀材料、水泥和水的混合物,其混合物具有高密 度,且經由水化反應後強度與耐久性皆能成長。然而土壤水泥依據改 良特點及應用條件的不同也可稱作:「水泥處理基底層」、「水泥穩 定」、「水泥改良土壤」、「水泥處理級配料」等(公共工程委員會,

2001)。

公 共 工 程 委 員 會 製 訂 之 公 共 工 程 施 工 規 範 第 02715 章 , 將 soil-cement泛指水泥處理土壤,其定義如下:「水泥處理土壤係將土 壤、水泥及水,依照本章規定及設計圖說所示之線形、坡度、斷面及 壓實厚度等,以路拌法或其他方法予以拌和均勻充份壓實而成。」

房性中(1997)說明水泥處理土壤係指在土壤材料中加入若干比 例之水泥,藉以改善土壤之塑性、固結性或減少膨脹、收縮,因而達 到增加工程強度或承載力之目的(見:張育維,2001)。表 2-1 為波 特蘭水泥之基本特性。

(31)

水泥穩定處理土壤之主要機制為卜作蘭反應和硬化效果,也就是 因為水泥含石灰成分,石灰中之鈣離子與土壤礦物中之矽酸鹽及鋁酸 鹽產生膠結反應,形成矽鈣膠體(CSH)及鋁鈣膠體(CAH);此種膠體 有助於顆粒間之鍵結和土壤中孔隙之填塞,對於提昇強度、降低滲水 性有相當大之助益(圖 2-9)。

一般認為水泥穩定處理土壤其工程性質之改變主要是因為水泥 之硬化,當水泥硬化作用產生時,水泥顆粒和周遭之土壤顆粒固結,

形成極強硬的骨架,可以視骨架為塞入土壤之孔隙中之填塞作用(翁 銘祥,2004)。水泥穩定處理土壤可適用於瀝青混凝土鋪面之基底層、

邊坡及路堤之穩定材料。

雖然水泥穩定處理土壤具有節省鋪面之路基材料的優點,但土壤 水泥內所產生之收縮裂縫對於鋪面之服務性仍具有極大之影響,因此 對於土壤水泥之含水量必須注意控制,使土壤水泥之收縮裂縫對鋪面 之反 射影響 降到最小,而 道路鋪 面亦能提供最佳服務品質 (ACI, 1994)。Kenneth and Cliff (2000)以美國西南部之土壤水泥護岸及填壩 護坡工程為例,提到土壤水泥與傳統工法之比較,土壤水泥具有費用 較低,施工性較佳並能縮短施工所需時間等優點,且其安全性亦經驗 證無虞(見:翁銘祥,2004)。

2.4.2 土壤穩定處理之方式土壤穩定處理之方式土壤穩定處理之方式土壤穩定處理之方式

由於現地土壤未必能完全配合工程載重之需要,因此常須透過土 壤改良之方式對土壤進行工程性質之改良,以提高穩定度,故以人工 方式處理土壤,藉改善工程性質以增加穩定性,稱之為土壤穩定處 理,如圖 2-10 所示,以水泥穩定土壤能提升強度並減低變形量。

土壤改良(soil modification)之定義為,改變土壤之液限、塑限等 物理性質,使該土樣能符合現地施工之要求,並達成工程目的;而土

(32)

壤穩定(soil stabilization),係指改變土壤之工程性質如壓縮性、強度、

變形等力學行為,以符合工程之力學穩定要求。

方恩緒、楊延英(1989)將土壤穩定方法歸納為四大類:機械穩定 法、水泥穩定法、瀝青穩定法、化學穩定法,其運用原理及程序如下 所述。

(1)機械穩定法機械穩定法機械穩定法機械穩定法(Mechanical Stabilization)

機械穩定法係利用人力或機械夯壓作用,獲得穩定之土壤,並增 加土壤密度,提高承載力且減少沉陷發生率,夯壓過程應隨時注意最 佳含水量之控制,每種土壤應保持最佳含水量( OMC)。

利用夯實效果穩定土壤之方法包括擠壓砂樁工法、振動棒工法、

振動揚實法、強夯法、淺層振動法。工地土壤之乾密度與試驗室內測 得之最大乾密度比,即為壓實度。

土壤最大乾密度 100%

工地土壤乾密度

壓實度= ×

AASHTO規定各種路基土壤之最小壓實度如表 2-2,若土壤無法 藉夯壓獲得穩定,可摻拌適當粒料,改變土壤之級配物理性質後再行 夯壓。

此一土壤粒料穩定過程主要使用於高級公路之基層和一般公路 之底層或面層。影響土壤粒料強度之因素主要有三點:即粒料之級 配,土壤(200 號篩以下者)與粒料之配比及細粒材料(40 號篩以下者) 之塑性。

(2)水泥穩定法水泥穩定法水泥穩定法水泥穩定法(Cement Stabilization)

水泥穩定法係以水泥及水與土壤均勻拌和,並在水泥水化作用開 始前,予以充分壓實。水泥水化後,可使壓實之土壤形成硬塊,浸水 不致產生軟化,縱使霜凍作用,仍不輕易破裂。水泥土壤由於對車輪 磨蝕之抵抗較差,故不適用於面層材料,但如作為瀝青路面之基層材

(33)

料則甚為理想。水泥穩定處理基層之設置厚度通常為 15.2 公分,此 乃規定之最小厚度,如厚度超過 20.3 公分,則應分兩層或多層施工。

除含有機物土壤外,大部分土壤都能以水泥加以穩定,而水泥用 量亦隨土壤種類而異,如以體積為準,通常水泥量佔體積之 8~16%。

各類土壤之水泥用量比例如表 2-3 所示。

水泥另一用途為降低現地砂石粒料之塑性,亦可稱為減塑劑,經 研究證明,使用極少量之水泥即對於土壤之塑性指數及 CBR 值具有 顯著之影響。Wood’s(1960)將水泥穩定系統(cement-stabilized systems) 分為三大類(見:張育維,2001):

1.土壤水泥(Soil-Cement)

土壤和水泥及水按比例加以拌合、夯壓之後硬化的產物,常用於 路面的基底層、壩堤或者溝渠襯底。

2.水泥改良土壤(Cement-Modified Soil)

以水泥改善粒料、黏土、沉泥之物理及化學性質,是一種半硬性 (semi-hardened)或非硬性(unhardened)的水泥土壤混合物,可降低基 礎或道路基底層之收縮與膨脹潛能。

3.塑性土壤水泥(Plastic Soil-Cement)

常用於有水分滲入或陡峭、不規則的難施工區域,灌置後硬度與砂 漿相似,例如不規則的水道、管溝回填的下方區域。水泥反應的機 制與石灰相類似,除了可以降低塑性指數外,對其工作性也有幫 助,水泥本身適合與低塑性砂土配合使用,並且強度隨著齡期增 加,可以提高土壤的承載力。

(3)瀝青穩定法瀝青穩定法瀝青穩定法瀝青穩定法(Asphalt Stabilization)

瀝青穩定法係以瀝青薄膜包裹土壤顆粒,以供給土壤所需之粘結 力,如為黏性土壤,此一粒輕薄膜可兼具有防水之作用,以改進黏性

(34)

土壤之品質。

黏性土壤之粘結力通常由顆粒間薄水膜之牽引而產生,一旦此水 膜為瀝青所取代,則水膜無法包裹土壤,土壤之粘結力改由瀝青膜提 供。

採用瀝青穩定法具有以下優點:(1)提供次級材料之工程性質;(2) 減少路面設計厚度及節省天然砂石資源、縮短工期;(3)可作為永久 性或暫時性的防水、防塵表層。

瀝青的種類分為地瀝青(asphalt cement)及液體瀝青,一般用於穩 定土壤者為液體瀝青。液體瀝青又細分為三種,一為地瀝青與溶劑混 和,於低溫下藉揮發而成之油溶瀝青(cut-back asphalt);再者為地瀝 青、乳化劑及水依比例拌和而成之乳化瀝青(asphalt emulsion);其次 為較少使用於土壤穩定之柏油(tar)。

美國瀝青學會建議以通過 200 號篩少於 25%,PI 少於 6、含砂當 量少於 25 的土壤較適合利用瀝青作土壤之穩定。

(4)化學穩定法化學穩定法化學穩定法化學穩定法(Chemical Stabilization)

化學穩定乃利用材料之膠結特性改善土壤工程性質,施工時將膠 結料及土壤均勻拌合,並予以噴灑適當水量,再施行機械夯壓(如羊 腳滾),其原理係利用膠結材料、水及土壤三者產生之化學變化,進 而提升土壤之工程性質。

膠結材料大致可分為水泥、卜作蘭材料及不透水材料等,其中不 透水材料有瀝青、塑膠、樹脂、金屬鹽類等;卜作蘭材料係指所含氧 化矽及氧化鋁等能與水泥水化生成氫氧化鈣,或外加鹽質產生緩慢卜 索蘭水化反應,而有類似水泥水化產物之膠結性反應之任何材料,例 如石灰、飛灰、爐石等。

一般而言,以膠結穩定土壤具有下列優點:

(35)

(a)改變土壤之工程性質。

(b)不影響甚至縮短工期。

(c)降低滲透性及壓縮性。

(d)增加土壤強度即耐久性。

(e)提升次級材料用途。

(f)減少河川砂石用量。

(g)減少路面所需厚度。

(h)延長路面使用年限。

化學反應用於土壤穩定主要有下列四種方式:

(a)離子交換:乃將土壤顆粒之某種離子轉換為另一種離子,一般常 用於含粘土質之土壤改良,以石灰石及氯化鈣穩定土壤即屬此 類。

(b)沉澱:許多化合物溶液可相互作用,產生一不溶於水之新化合 物,因此沉澱而出。此產生之沉澱物有時會具有穩定性土壤之特 性,其中矽酸鈉與氯化鈣溶液化合而成之矽酸鈣即屬此類。

(c)重合:許多化合物在某些情況下,可相互或自行重合,以產生一 較大之化合物或重量較大分子。重合作用主要有兩種形式,一為 加成重合,另一種為凝縮重合。

(d)氧化:鉻鹽與木質穩定法所需穩定劑即係由氧化作用產生者。

2.5 土壤水泥性質 土壤水泥性質 土壤水泥性質 土壤水泥性質

一般土壤經水泥固化改良後具有下列特性:(1)強度增加、變形 量減少、轉變為脆性材料;(2)體積穩定、耐久性增加;(3)滲透性降 低。土壤水泥和原土壤性質已完全不同,明顯的已成為另一種新材 料,水泥含量愈高其性質愈近於混凝土,相關細節如下:

(36)

2.5.1 強度強度強度強度

以水泥穩定處理土壤的主要目的為改善土壤之強度,也是在設計 上主要的參數。於夯實乾側之試體需有較大乾單位重及水泥含量方能 達到較佳之穩定效果,而於夯實濕側之試體在較低乾密度及水泥含量 下即可大幅提昇其強度。強度要求的範圍,可以隨所需要的載重大 小、水泥含量以及養護方式而有所不同,通常水泥含量越高,強度亦 越高,也就更能防止沉陷之發生,如圖 2-11 所示。以水泥穩定試體 於固定夯實能量及相同齡期下,試體強度隨水泥含量增加而有所提升

(翁銘祥,2004)。 2.5.2 耐久性耐久性耐久性耐久性

以水泥改良土壤一般都依據乾濕夯壓試驗(ASTM D559)或凍融 試驗(ASTM D560)評估耐久性,而土壤水泥耐久性之良窳也和水泥含 量、土壤種類、壓實度、養護狀態、含水量等有關(張育維,2001)。

2.5.3 滲透性滲透性滲透性滲透性

水泥在土壤中不僅單純的產生膠結物將土壤顆粒包住,因為膠結 物填入土壤顆粒之孔隙中,液體流動路徑被阻塞而降低滲透性。

土壤水泥無論為經由夯實或是攪拌方式進行,其滲透係數(k)約 可降至 10-7~10-8cm/sec。水泥含量愈高,滲透性愈低,故於工程應用 上可視土壤水泥為不透水材料(翁銘祥,2004)。

2.6 路基 路基 路基 路基

路基和路面為提供行車駕駛之主要工程結構物,路面係由各種 不同材料,按一定厚度與寬度分層鋪築於路基頂部上之結構物,以提 供汽車行駛於上。路基和路面共同承受行車和自然作用,兩者性能直 接影響道路使用與服務品質。

(37)

2.6.1 路基之定義路基之定義路基之定義路基之定義

「路基土壤」係指接觸於鋪面結構系統最下面一個層次的土壤材 料,應包括在鋪築結構內,路基土壤之優劣比較如表 2-3 所示。超過 路基土壤整治或滾壓深度以下的部份,則屬於填方路堤或挖方路塹,

均定義為路床(road bed)(房性中,2002)。

路基之壓實度是用來表示土壤、級配料、水泥處理土壤及結構回 填材料等項目在工地現場滾壓緊密之程度值,亦為設計工程師在某一 壓實度基準下必須設定工程材料強度值下限,以作為鋪面結構厚度設 計作業之依據,如表 2-4 所示。因此除工程材質之外,壓實度乃為施 工作業主要控制項目之一。

如表 2-5,鋪面工程除了填方石堤工程之外,路堤、路床、路基 或基底層級配料(含水泥處理土壤作為基底層者)等,皆規定材料最大 尺寸為 50mm(2 吋)或 100mm(4 吋)以下(吳學禮,1996)。

吳學禮(1996)指出路基和路床的涵義會因為設計的方法以及使 用的單位不同而有不同的解釋,如:

(一)台灣地區高速公路

1.挖方或既有高程者:在路基面下 30cm 以內者稱為路基,反之 如果超過 30cm 者稱為路床。

2.填方路段:路基面以下 75cm 以內者稱之為路基,反之超過 75 cm的就叫做路床。

(二)美國瀝青學會(AI MS-1)

1.挖方或既有高程者:以路基面下 60cm 為界限,反之超過 60cm 者 稱之為路床。

2.填方路段:與挖方相同仍以 60cm 為界限區分路基及路床。

(三)AASHTO 公路施工規範(1988 年版)

(38)

1.挖方或既有高程者:路基面下 15cm 為界,15cm 以外為路床,

15cm以內為路基。

2.填方路段:以 60cm 為界,60cm 以外為路床,60cm 分以內為 路基。

2.6.2 路基土壤壓實標準路基土壤壓實標準路基土壤壓實標準路基土壤壓實標準

路基土壤壓實標準規定如下(房性中,2002):

一、填方部分

1. 距路基頂層面 30cm 以內者,路基土壤壓實度不得小於用 AASHTO T180(改良夯壓試驗法)所得最大乾密度之 95%。

2. 距路基頂層面大於 30 公分者,路基土壤壓實度不得小於用 AASHTO T180,所得最大乾密度之 90%。

二、挖方部分

路幅開挖路段於開挖至路基面時,除岩盤外,路基面以下 30cm 內之路基土壤壓實度不得小於用 AASHTO T180 所得最大乾密度之 90%。

2.6.3 路基土壤基本要求路基土壤基本要求路基土壤基本要求路基土壤基本要求

徐家鈺、程家駒(1995)說明路基是道路的基本結構物,一方面要 保證行車之順暢與安全,另一方面必須支持路面承受行車荷載作用,

因此路基有以下兩項基本要求:

1.路基結構物須具備整體穩定性,在各種不利因素,如自然因素(水 文、地質、氣候等)及荷載(自重與行車荷載)的作用下,不會產生破 壞而導致交通阻塞和行車事故。

2.直接位於路面下之路基土壤須具足夠強度、抗變形能力,以及水 溫穩定性。

水溫穩定性係指強度和剛度在自然因素(主要為水及溫度)的影

(39)

響下的變化幅度。路基具有足夠的強度、剛度和水溫穩定性,便可減 輕路面負擔,從而減低路面設計厚度,改善路面使用狀況。

2.6.4 路基土壤之荷載路基土壤之荷載路基土壤之荷載路基土壤之荷載

通過路面傳至路基頂面之行車荷載,是一重複作用的瞬時動荷 載。車輛於起動、制動、變速和正常行駛時作用於路面的水平力,隨 路面深度有一迅速之削減,當路面厚度在 15cm 以上時,路基頂面所 受到之水平力相當小,可忽略不計。然行車之撞擊力,通過路面的吸 震作用傳至路基亦很小。

因此,通常行車荷載對路基影響可視為一瞬時、重複作用之垂直 力。表 2-6 為國道新建工程局及國道高速公路局針對基底層級配料規 定 CBR 值之規範(吳學禮,1996)。

路基頂面所受垂直力大小,端視車輛荷重和路面剛度而定。通 常,水泥混凝土路面下路基頂部之壓力在 0.05MPa 以內;而柔性路面 下路基頂部之壓力約為 0.05~0.3MPa(徐家鈺、程家駒,1995)。

垂直壓力沿路基深度遞減,至一定深度時,其應力將遠小於隨深 度增加的路基自重,當前者與後者比值為 0.2~0.1 以下時,在往深處 的行車荷載影響與路基自重影響相較可忽略不計,此深度便可看作對 於支承路面經受行車荷載作用有較大影響的路基範圍,必須保證此一 部分路基具有足夠強度與水穩性。

此一深度範圍隨行車荷載的大小與路面之剛度而提升,通常介於 0.9~2.4m,亦為路基之工作區塊(徐家鈺、程家駒,1995)。

雖然傳至路基頂面之垂直壓力不大,但將使路基產生相當程度的 變形,路基之變形必然反應於鋪面,致使鋪面變形破壞,影響服務品 質,因此對於路基材料之荷載變形量須加以控制,以確保鋪面提供最 佳服務品質。

(40)

2.7 濕陷性 濕陷性 濕陷性 濕陷性

濕陷潛能會隨著細粒料含量之增加而遞增,此乃因為細料產生之 毛細作用(負值孔隙水壓)喪失時,可使個別碎石顆粒產生浮動現象 (floating),如圖 2-12 所示(林政誠,1998)。

依據現地及實驗室證明,大約 5~20%之細料即足以使碎石級配產 生濕陷行為(吳振福,1999)。

影響濕陷性的因素相當多,包括土壤種類、有效垂直應力、粒徑 分佈、夯實度、夯實含水量及飽和度等。一般而言,夯實土壤之濕陷 量隨乾密度以及含水量之增加而遞減。圖 2-13 為濕陷性單式濕陷試 驗代表性之示意(林政誠,1998)。

2.7.1 濕陷性定義濕陷性定義濕陷性定義濕陷性定義

吳振福(1999)之研究說明濕陷性土壤大多具有較為龐大之蜂窩 狀結構,其顆粒間並夾雜著粘結物質,此一土壤支撐結構當水滲入後 將被移除,土壤顆粒與顆粒間發生滑動的現象,如圖 2-14 所示。

對於砂及粉土等細粒料所膠結而成之土壤,於乾燥狀態時,土壤 由於毛細張力作用增加土壤表面強度,而形成暫態性強度。然而水分 滲入後其強度明顯折減,使得土壤孔隙快速地發生體積減少。

具有鬆散、乾燥、低單位重以及高孔隙比之土壤,在部分飽和時,

因為毛細作用力(負值孔隙水壓)或黏土顆粒提供之凝聚力,而形成暫 時穩定結構(metastable structure)支撐較大之荷重,在不改變荷重條件 下,由於外在因素如暴雨、洪泛或是地下輸水管線破裂等因素造成地 下水位上升,使得土壤中含水量遽增而破壞暫態結構,產生土壤沉 陷,此一沉陷行為即為濕陷現象(張育維,2001)。

(41)

2.7.2 影響濕陷性之因素影響濕陷性之因素影響濕陷性之因素影響濕陷性之因素

影響濕陷行為之因素甚多,包括材料之粒徑分佈、初始乾密度、

壓實度、壓實含水量、試驗方法、材料飽和度及有效垂直荷重等,圖 2-15為壓實度對應細粒料含量之濕陷性評估。

根據國內外研究指出,濕陷量之大小及發生時間會隨著土壤的種 類、膠結作用、土壤浸水歷程及土壤組織結構等因素改變而有所變 化。為有效評估濕陷變化,使夯實填土之濕陷潛能能控制在最小範圍 內,影響濕陷之相關因素必須加以界定,以下即為國內外有關濕陷性 研究之綜合探討(吳振福,1999)。

2.7.3 土壤種類之影響土壤種類之影響土壤種類之影響土壤種類之影響

Barden(1973)表示一般研究常假設僅有砂質土壤或沉泥土壤才會 發生濕陷現象,但根據其他研究報告指出所有的夯實土壤皆有發生濕 陷之可能性,特別當夯實土壤之含水量位於最佳含水量之乾側並具有 較低密度時,極為容易產生濕陷結構或者暫態穩定結構(見:張育維,

2001)。

Lawton et al. (1991)表示幾乎所有夯實土壤皆會產生不等程度之 濕陷,即便乾淨之砂土、純黏土及含有大量礫石之土壤皆會有濕陷行 為,如圖 2-16 所示。

以礫石級配而言,必須有足夠之細粒料才能發生毛細作用,當碎 石含量在 60~70%時,碎石與碎石間能自然接觸,並使濕陷潛能降低 (張育維,2001)。

吳振福(1999)研究三種不同組成成分級配料之濕陷行為,觀察通 過#200 含量相差 30%之試體,對照乾側(OMC-2%)濕側(OMC+2%)

夯實之土樣顯示相同骨材種類中細料含量較多者,其濕陷性較為明 顯。

(42)

2.7.4 荷重造成之影響荷重造成之影響荷重造成之影響荷重造成之影響

Lawton(1992)指出濕陷潛能隨含水量及密度之減少而增加,並隨 垂直應力增加而遞增。因為在某一特定之重模含水量與相對夯實度 下,存在一使土壤產生最大濕陷之垂直應力,此一垂直應力即為臨界 荷重值。當垂直荷重超過臨界荷重值,其濕陷潛能亦隨之減少,濕陷 潛能會隨著荷重增加而降低,但在某一荷重下,濕陷潛能會產生最大 濕陷量之臨界荷重(見:張育維,2001)。

如圖 2-17 所示,某些特定的含水量與相對夯實度的組合下,存 在一覆土荷重能使得土壤產生最大沉陷量,此覆土荷重稱之為臨界荷 重。對於低夯實度及高覆土垂直荷重的情況下,土壤結構之顆粒與顆 粒之間相互接觸,重新編排成較緊密狀態,而當水分浸入後產生軟化 濕陷;相對地,高夯實度且低覆土荷重狀態下,夯實土壤具塑性、及 膨脹性(吳振福,1999)。

2.7.5 夯實含水量之影響夯實含水量之影響夯實含水量之影響夯實含水量之影響

夯實含水量對濕陷量以及臨界荷重具有明顯之影響,在夯實土壤 乾側,特定垂直應力或臨界應力下會產生最大濕陷潛能以及膨脹性。

如圖 2-18 所示,夯實土壤之含水量接近最佳含水量或最佳含水 量濕側時,能減少濕陷潛能和膨脹性。因為潤滑作用會使加水之前土 壤已經歷因載重導致之大量壓縮,產生壓實之效果,因此減少濕陷量 (Lawton et al., 1992) (見:張育維,2001)。

(43)

表 2-1 波特蘭水泥之基本性質(黃兆龍,1997)

波特蘭水泥 Chemical (% by wt.)

SiO2 24.54

Fe2O3 2.89 Al2O3 2.97

CaO 66.38

MgO 0.36

SO3 1.93

Ignition loss 0.73 Insoluble residue 0.08

C3S 54.0

C2S 29.7

C3A 3.00

C4AF 8.80

CaSO4 3.30

Na2O 0.14

K2O 0.27

Physical

Surface Area 3150 cm2/gm Initial Set 2hr50min

Final Set 5hr Autoclave Expansion -0.02%

Compressive Strength (psi)

1 day 943

3 days 1892

7 days 2220

(44)

表 2-2 AASHTO 規定各種路基土壤之最小壓實度 (方恩緒、楊延英,1989)

土壤最大乾密度(kg/m3) 最小壓實度 (%)

(用修正 AASHTO 法求得) 1141.8~1600.4

1602~1920.8 1922.4以上

100 95 90

表 2-3 AASHTO 土壤分類之所需水泥用量(方恩緒、楊延英,1989) 水泥用量

AASHTO土壤分

類法 體積比 (%) 重量比 (%)

A-1-a 5-7 3-5

A-1-b 7-9 5-8

A-2 7-10 5-9

A-3 8-12 7-11

A-4 8-12 7-12

A-5 8-12 8-13

A-6 10-14 9-15 A-7 10-14 9-16

表 2-4 AASHTO 各土壤分類應用於路基之優劣(吳學禮,1996)

優劣比較 優至良 尚可至不良 不適

土壤類別 A-1, A-2, A-3 A-4, A-5, A-6, A-7

A-8

(45)

表 2-5 基底層級配料材料尺寸規定(吳學禮,1996)

類別 通過以下篩號的百分比 通過 No.40 篩土壤

的性質

No.10

(2.00mm)

No.40

(0.425mm)

No.200

(0.075mm)

液性 限度

(LL)

塑性 指數

(Pl)

土壤 說明

A-1 最大值 50 最大值 50 最大值 25 最大值 6

級 配 優 良 礫 石或砂,略含 細料

A-2 最大值 35 砂 與 礫 石 含

較多細料

A-3 最小值 51 最大值 10 無塑性 細料

A-4 最小值 36 最大值

40

最大值 10

低 壓 縮 性 沉 泥

A-5 最小值 36 最小值

41

最大值 10

高 壓 縮 性 沉 泥,雲母質沉 泥

A-6 最小值 36 最大值

40

最小值 11

低 及 中 等 可 壓縮性黏土

A-7 最小值 36 最小值

41

最小值 11

高 壓 縮 性 黏 土

A-8

泥炭土,高有 機質土

(46)

表 2-6 基底層級配料之 CBR 值規範(吳學禮,1996)

規範使用單位,C.B.R.%,最少 舖築結構

層別 交通部 高速公路 AIMS-1(1991)

AASHTO 指引設計 方法(1993) 第二類級配 20

第三類級配

A B C

基層級 配料

35 20 10

35 20

底層碎石 級配料

第二類 80

第三類 85 85 80

依據材料 調查結果 由設計者 自行訂定

(47)

圖2-1(a)火格子式焚化系統(王以憲、章裕民,1999)

圖2-1(b)機械爐床式焚化系統(王以憲、章裕民,1999)

(48)

圖 2-2 底渣之再利用處理技術(蘇俊賓,2000)

62%

1%

15%

2%

18% 2%

1silicium 2heavy 3 4 5 6

metals

water

lime calicium carbonate

salts unburned

圖 2-3 底渣內礦物質組成成分(Pecqueur et al., 2001)

飛灰 固化處理 掩埋場

底渣

無加工

路床、基層、底層材料 瀝青混凝土

水泥原料 水泥混凝土混拌材 水泥混凝土二次製品原料 土壤改良材

掩埋場覆土

CLSM控制性滴強度材料

造粒

造粒燒成

混煉燒成

熔 融 化

造粒物 燒成物

燒成物

爐渣

成形品

園藝用土壤 輕質骨材

透水性鋪裝塊、厚陶土

骨材、碎渣料

裝飾品、瓷磚

(49)

圖 2-4 鋁金屬氧化所形成之膠體微觀圖(Pecqueur et al., 2001)

圖 2-5 底渣內部鐵金屬產生之膨脹裂縫(Pecqueur et al., 2001)

(50)

Glass ball

Compacted sample

filter

filter Load 4.5 kg

Perforated back

Deformation measurement

圖 2-6 膨脹試驗裝置(Pecqueur et al., 2001)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

0 20 40 60 80 100 120

time (days)

expansion (%)

air 20℃ water 80℃ water 40℃

圖 2-7 底渣試體於不同狀態下產生之膨脹行為 (Pecqueur et al., 2001)

(51)

-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

time (hours)

Axial deformation (%)

3% lime+slag 3% CPA no treatment

圖 2-8 添加波特蘭水泥可有效抑制底渣試體膨脹之行為 (Pecqueur et al., 2001)

圖 2-9 矽酸鈣水化物膠體鍵結情形(見:張育維,2001)

(52)

0 5 10 15 20 25 30 35 40

0 1 2 3 4 5

軸應變 (%)

壓縮應力(kg/cm2 ) 改良土

未改良土

圖 2-10 土壤改良前後之應力-應變關係(見:張育維,2001)

圖 2-11 水泥含量與單軸壓縮強度關係(吳學禮,1996)

(53)

圖 2-12 濕陷土壤之微觀示意圖(林政誠,1998)

(54)

ε

w

圖 2-13 單式濕陷試驗結果示意圖(林政誠,1998)

(55)

圖 2-14 濕陷土壤結構型態(吳振福,1999)

圖 2-15 濕陷可能性評估(見:張育維,2001)

(56)

圖 2-16 粗粒料對濕陷性之影響(Lawton et al., 1992)

圖 2-17 不同含水量狀態下,荷重與濕陷量之關係(吳振福,1999)

(57)

圖 2-18 夯實含水量對濕陷量之影響(Lawton et al., 1992)

(58)

第三章 第三章

第三章 第三章 研究計畫與試驗流程 研究計畫與試驗流程 研究計畫與試驗流程 研究計畫與試驗流程

本研究以垃圾焚化底渣調配不同含量水泥製作水泥穩定垃圾底 渣試體,藉無圍壓縮試驗(單軸壓縮試驗)探討水泥含量配比與底渣試 體抗壓強度之關係,並觀察不同水泥含量所對應齡期強度,另外對於 不同配比之承載比值作一探討,而後對試體之濕陷性質進行觀察。研 究項目及試驗參考之規範如圖 3-1 及表 3-1 所示。

3.1 研究架構 研究架構 研究架構 研究架構

本研究之研究架構如下:

(1)蒐集國內外底渣相關處理方法以及水泥穩定土研究之文獻。

(2)探討水泥穩定底渣之水泥含量配比。

(3)設計試驗項目及流程。

(4)進行相關試驗。

(5)彙整試驗數據加以分析。

(6)進行論文撰寫。

3.2 試驗材料 試驗材料 試驗材料 試驗材料

本研究以垃圾焚化底渣作為天然砂石替代材料,並依據水泥穩定 處理土壤的原理,探討垃圾焚化底渣的強度、承載值與濕陷性及其應 用於道路基層材料之可行性與應用性。本研究進行試驗材料包括垃圾 焚化底渣、水泥及水。針對本研究使用材料之性質加以說明如下:

3.2.1 水水水水

依據公路工程施工規範規定養護以及拌合用水,需為潔淨、無色 無臭且不得含量達有害程度之油脂、酸、鹽類、有機物之物質。混凝

(59)

土拌和水可為自來水、非自來水及沖洗水。非自來水及沖水之水質應 經檢驗確認符合 CNS13961 之規定。

3.2.2 水泥水泥水泥水泥

本研究相關試驗所使用水泥為波特蘭第一型水泥,其水泥品質為 符合中國國家標準 CNS61 R2001 之規定。

3.2.3 垃圾焚化底渣垃圾焚化底渣垃圾焚化底渣垃圾焚化底渣

底渣是一種非均質性混合物,其中包含熔渣、鐵及非金屬物質、

陶瓷、玻璃等不可然物質,以及未完全燃燒的有機物質。本研究中所 使用垃圾底渣為台北新店焚化廠所提供之垃圾焚化底渣。

所有底渣材料於出廠前先經過篩分的動作,因此所有底渣均通過 3/4 號篩網,實驗前為確認所有材料為通過 3/4 號篩,故於試驗前再 一次過篩。試樣選取時依據骨材取樣法 ASTM D75 之規範進行四分 法取樣組成,如圖 3-2 所示。

3.3 試驗項目 試驗項目 試驗項目 試驗項目

本研究試驗項目包含一般物理性質試驗、修正夯實試驗、加州承 載比試驗、單軸壓縮試驗及濕陷試驗等。

一般物理性質試驗之目的為求得底渣材料之基本工程參數,並依 據一般土壤性質測定之規範進行。單軸壓縮試驗之目的在於檢測水泥 穩定垃圾焚化底渣之單軸壓縮強度,亦即水泥穩定底渣之不排水剪力 強度,本試驗依據 ASTM D558 水泥處理土壤規範進行。

濕陷試驗分為乾壓及濕壓,其目的為求得水泥穩定底渣材料在受 載重的情況下加入水後之沉陷量,並根據此一結果分析水泥穩定底渣 材料之應用性。濕陷試驗乃根據壓密試驗(固結試驗)之原理及 ASTM D5333規範執行。

(60)

依照道路基底層材料的規定,分別製作不同水泥含量及不同夯實 度之水泥穩定底渣試體,首先進行單軸壓縮試驗並求得各種水泥含量 下之單軸壓縮強度(qu),而後選取符合規定強度之配比製作濕陷試驗 試體,施以不同載重壓力以模擬現地土體可能面臨之濕陷情況。

3.3.1 試驗設備儀器試驗設備儀器試驗設備儀器試驗設備儀器

儀器設備如圖 3-3 至圖 3-9 所示:

1.單軸壓縮試驗試體模具,內徑(D)10cm,模高(H)20cm,H/D=2,如 圖 3-6 所示。

2.單軸壓縮試驗儀,其組成構件如下:

(1)機械式(千斤頂活塞)頂鈑 (2)測微計托架

(3)壓縮變形測微計 (4)壓力圈

(5)平衡桿

3.壓密試驗儀,組成構件如圖 3-7 所示:

(1)沉陷量測微計 (2)測微計托架 (3)測微計台柱 (4)小載重平台 (5)載重懸架

(6)樑支點及頸箍軸承 (7)工作平台或支撐架 (8)樑支撐頂桿

4.濕陷試驗構件,如圖 3-8 所示:

(1)壓密盒,包括:壓密環,內徑 6.0cm,高度 2.0cm。

(61)

(2)透水石、濾紙、透明壓克力壓密室。

(3)測微計,衝程 1cm,可讀至 0.01mm。

5.土壤攪拌機,具三段調速控制,可依不同使用材料變換攪拌葉片,

如圖 3-9 所示。

6.電烘箱,可定溫定時。

7. Kingship電子磅秤,使用電壓 DC6V ,0.025 安培,最大承載力 12kg,讀數可讀至 1g,適用溫度 5℃~40℃。

8.其他工具

碼表、刮刀、毛刷、鋼刷、蒸發皿、鐵鎚、噴霧式噴水器、蒸餾 水、潤滑劑,以及濾紙、凡士林等一般耗材。

3.4 試驗程序 試驗程序 試驗程序 試驗程序

3.4.1 夯實試驗夯實試驗夯實試驗夯實試驗

依據 ASTM D-558 及 D-1557 規定之試驗方法程序,調配不同 含水量之底渣材料,含水量之調配應包含最佳含水量之乾側及濕側並 求得最大乾單位重,以作為後續試驗之依據。所有水泥穩定底渣試體 之水泥含量與底渣之配比皆以重量百分比計算,其計算公式如下:

100%

(%)   ×

 

= +

底渣重量 水泥重量

水泥含量 水泥重量

3.4.2 單軸壓縮試驗單軸壓縮試驗單軸壓縮試驗單軸壓縮試驗

本試驗為求得垃圾焚化底渣材料經水泥加以改良後其工程性質 之差異性。藉由單軸壓縮試驗求得水泥穩定底渣試體之不壓密不排 水剪力強度,亦即水泥穩定底渣之短期剪力強度。依據水泥處理土壤 規範 ASTM D-558 製作不同夯實度試體,探討符合強度要求的最佳水 泥含量,進而提出最佳配比建議。

1.試驗儀器與設備

(62)

本研究試驗儀器為計測企業有限公司製造之單軸壓縮試驗儀。主 要由壓力機、應變計以及荷重計組成,試驗速率以電子控速調整器調 整加載速率進行試驗。

2.儀器校正

試驗用之單軸壓縮儀壓力環容許荷重為 5000kg,校正儀器系統 及校正結果,如圖 3-10 所示。

3.試體製作程序 實驗試樣準備:

(1)實驗試樣於進行實驗前須放置於烘箱內 24 小時或至恆重。

(2)以四分法採集試樣,至所需重量。

(3)試樣烘乾後,放置至 60℃以下,進行含水量調配。調配工作完成 後應以塑膠袋密封後放置至少 18 小時方能進行下一階段實驗操 作,如圖 3-11 所示。

試體製作:

(1)首先以鋼刷將試驗用模具清理潔淨,使用潤滑劑充分且均勻潤漬 模具內部及底部,旋緊上下螺絲,如圖 3-12a 與圖 3-12b 為潤滑不 足造成拆模後試體破壞之情形。

(2)將水泥加入調配過含水量之實驗試樣,並充分拌和均勻,如圖 3-13所示。

(3)試樣均勻拌和完成後,將試料分三層至入模內,並且逐層夯實,

每層面夯實完成後應以刮刀打毛,避免層面之間形成不連續弱面。

(4)每層面完成夯實完成後,於加入下一試料前,須將試料再均勻攪 拌一次,並依夯實密度要求,將該試體設計夯實密度所需重量試 料完全打入為止。

(5)試體夯實完畢後,試體頂部應施以修平,可利用較小顆粒試料修

參考文獻

相關文件

才能 」( Competency) 的概念受到廣泛討論, 以才能為基礎的訓 練計畫更是受到高度重視。「 才能 」 譯詞眾說紛紜, 有稱為 「職 能」 、 「 知能」 、 「才 能」 、

岩爆有可能造成重大人員傷亡及機具損失,致影響隧道施工之安

此外,由文獻回顧(詳第二章)可知,實務的車輛配送路線排程可藉由車 輛路線問題(Vehicle Routing

(Publically Available Specification, PAS),命名為 PAS 2050,一份可由 公眾無償取得、使用於評估產品生命週期排放之規格文件;以及另一份 溫室氣體排放與減量主張之守則(The Code

歷史文獻回顧法又稱史學方法、史學研究法、歷史法或歷史研究法。歷史文獻回顧 法的英文名稱除了 Historical Method 之外,亦有 Historical Research、Historical Study

本研究透過文獻回顧收集地籍圖之相關資料,了解地籍圖之多元 應用,並以 Delphi 與 PDA 為開發工具,結合 ER/Studio 之資料庫關係 架構,在 PC 端採用 Windows

6.Patching and reconstruction Granular soils SC, SA, LF, MB C: Compaction CSS: Cement Stabilization Soil CL: Chlorides CS: Chemical Solidifiers CW: Chemical Waterproofers

Sharma (1990), “A customer-based competitive analysis for logistics decisions,” International Journal of Physical Distribution and Logistics Management, Vol.. Stock (1999),