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1 土木與防災研究所碩士學位論文 田口法應用於透水性混凝土配比設計之研究 The Study of Taguchi Method in Permeable Concrete Mix Design 研究生 : 高傳楷 指導教授 : 鄭光炎 中華民國九十六年七月

2 摘要 論文名稱 : 田口法應用於透水性混凝土配比設計之研究頁數 :118 校所別 : 國立台北科技大學土木與防災研究所 畢業時間 : 九十五學年度第二學期 研究生 : 高傳楷 學位 : 碩士 指導教授 : 鄭光炎 關鍵詞 : 焚化爐底渣 資源再利用 田口法 近年來政府大力推行綠營建及綠建築以符合生態與環保需求, 如基地保水 水資源指標, 因而推動透水鋪面 目前國內工程或學術界大多以單元磚為探討對象, 而透水性混凝土亦有探討及應用, 但常發生透水及強度兩者兼顧不易, 因此探討品質分析方法以達成兼顧兩者, 供業界參考 此外由於焚化爐底渣有日益增多趨勢, 期望能結合焚化爐底渣之資源再利用, 達到防災 水循環及資源永續之目標 本研究首先以田口法求出透水性混凝土配比, 針對其坍度 單位重 孔隙率 透水率及抗壓強度進行試驗, 並由統計分析透水性混凝土各項試驗結果, 並以此結果作為基礎, 添加不同比例之焚化爐底渣取代透水性混凝土級配料得出最佳取代配比, 期望一方面符合環境生態 ; 另一方面可降低天然粒料之需求, 解決營建資源短缺之窘境 研究結果顯示, 在考量透水性混凝土品質多目標情況及添加固定底渣比例之下, 可得足夠透水性能及抗壓強度, 符合透水性舖面之規範, 亦符合綠建材標章, 對於透水性鋪面材料多元化及應用於車道鋪面提供工程界更多選擇參考, 進而對資源再利用 垃圾零廢棄及都市水循環亦有相當之環境效益 i

3 ABSTRSCT Title:The Study of Taguchi Method in Permeable Concrete Mix Design Pages:118 School:National Taipei University of Technology Department:Institute of Civil and Disaster Prevention Engineering Time:July,2007 Researcher:Chaung-Kai Kao Degree:Master Advisor:Kuang-Yen Cheng Keywords:Incinerator Bottom Ash, Resource Reuse, Taguchi Method In recent years the government vigorously carried out green construction and green building conforms to the ecology and the environmental protection demand, like soil water content, water resources, thus impetus permeable pavement. At present Engineering or academia mostly take the unit brick as the discussion objects, but the permeable concrete also has discussion and application, but often has permeability and strength both proper attention to both is not easy, therefore the discussion mixture design method gives dual attention to both by the time, for industry's reference. incinerator bottom ash has increases day by day the tendency, expected can unify resources of the incinerator bottom ash to recycling, achieved disaster prevention, water cycle and the resource reuse forever the goal. This research first receive the permeable concrete mixture design by Taguchi Method, in view of it slump, unit weight, porosity, percolation rate and the compressive strength carries on the experiment, and by the statistical analysis permeable concrete each test result, and by this result underlie, incinerator bottom ash substitution permeable graded the increase different proportion obtains the best ii

4 substitution mix proportion, on the one hand expects conforms to the environment ecology; On the other hand may reduce demand of the natural aggregate, solve the situation of construction resources. The result of study shows, under considering the permeable concrete quality multi-objective situation of permeability and adding the proportion of d Incinerator Bottom Ash can have enough permeability and compression strength, conforms to standard of the permeable pavement, also accord with the green building materials and applies regarding the permeable pavement material diversification in the traffic pavement provides the engineering more choice, then to the resource reuse, zero-waste and the metropolis water cycle also has quite the environment benefit. iii

5 誌謝 此論文能夠順利付梓, 首先感謝恩師鄭光炎教授對於學生給予殷切指導, 不僅是在論文方向 研究興趣及觀念啟發, 甚至是論文撰寫上及邏輯判斷能力等, 均使學生受益良多, 耑此致上最誠懇的敬意及感謝, 謝謝老師 論文口試期間, 承蒙蔡得時教授與林至聰教授撥允審閱與惠賜寶貴意見及對本研究謬論的指正, 使得論文得以更完整, 僅此表達最深的感謝 ; 研究所求學過程, 承蒙所上李有豐教授 林鎮洋教授 張守陽老師 施邦築教授 張哲豪教授 陳立憲教授 陳偉堯教授於土木防災領域學識上之傳授與教導, 學生受益匪淺, 深表由衷感謝與敬意 本論文能夠順利完成, 首要感謝提供實驗材料的兩位廠商黃總經理及林老闆, 謝謝您們提供實驗材料及寶貴意見 ; 謝謝同研究室的紹平學長 景翔學長 士煒學長 順傑學長 柏寧 硯翔學弟 明哲學弟及金軒學弟於實驗操作與論文撰寫上的幫忙與協助 ; 還有好友宗志 威丞 世強 廷芳 冠佑 軒邑 添福 智呈 鼎林 宏裕 維晨 世彬等在生活上的照應與學業上的支持 另外我想感謝的生命中的師長及同行, 福智基金會的日常老和尚 如證法師 如英法師 如願法師 性鎮法師 性詮法師及大專班的老師林金枝老師 李玉鳳老師 趙世媞老師 鄭喬內老師 陳美燕老師 吳淑惠老師 廖國欽老師等, 感謝師長們的加持及關懷, 讓學生在遭遇到困難時能夠想到師長對我的教誡, 使我有勇氣能夠面對及承擔, 感謝師長對我的照顧, 使我在身 心 靈方面都能獲得利益, 另外也要感謝一群同行善友秀容 秀芸 秀怡 俐菁 友竹 靖涵 馨儀 守毅 仁杰 勤捷 力元 振倫 致喬 建維 博暉 凡誠 俊樹 壽堯及圓覺社的建華學長 偉鑫學長 柏勳學長 程豐 律嵎 孟翰 能僖 宏易, 謝謝您們給於我心靈上的鼓勵及幫助, 使我能夠勇於面對自己的錯誤, iv

6 不斷地修正自己, 改正自己, 讓自己可以不斷地向上學習 最後感謝我所親愛的家人, 感恩父母 哥哥, 謝謝您們給予我最大支持與鼓勵, 使我能全心全力投身於研究中且順利完成學業, 藉此論文完成以表達我對於上師 家人 好友們最深的感恩 我想需要感謝的人實在是太多了, 無法一一記述, 在此, 我想就感謝 FPS 吧! 謝謝您們! 謝謝大家! 高傳楷謹誌於國立台北科技大學土木與防災研究所中華民國九十六年七月 v

7 目錄 摘要...i 英文摘要...ii 誌謝...iv 目錄...vi 表目錄... viii 圖目錄...xi 第一章緒論 研究動機 研究目的 研究方法 研究流程...8 第二章文獻回顧 國外及大陸地區透水性混凝土相關研究及案例 國內透水性混凝土相關研究及案例 國外底渣再利用情況 美國 荷蘭 丹麥 日本 國內底渣再利用情況 透水性混凝土之配合設計 實驗計劃法之應用 實驗設計法之比較 田口實驗設計...50 第三章試驗計劃 試驗變數 試驗材料 水泥 粒料 掺料 焚化爐底渣 實驗規劃 透水性混凝土拌合方式...67 vi

8 3.5 試驗設備 抗壓試驗機 透水率試驗儀 混凝土坍度試驗模 試驗方法...72 第四章試驗結果與討論 透水性混凝土各項物理性試驗結果 坍度試驗 目視檢查 單位重試驗 孔隙率試驗 透水率試驗 抗壓強度試驗 小結 最佳配比 最佳取代配比 第五章結論與建議 結論 建議 參考文獻 附錄 A 水泥透水性混凝土各項實驗數據 附錄 B 焚化爐底渣透水性混凝土各項實驗數據 vii

9 表目錄 表 1.1 焚化爐底渣掩埋量...4 表 2.1 透水性混凝土之配比...10 表 2.2 透水性混凝土測試參數表...11 表 2.3 無砂多孔混凝土拌合物的稠度狀態等級...12 表 2.4 無砂多孔混凝土試驗結果...12 表 2.5 監測成果...14 表 2.6 透水性混凝土舖面之面層規範...16 表 2.7 一般粒料 (3/8 ) 透水性混凝土實驗結果...17 表 2.8 底渣 (3/8 ) 透水性混凝土試實驗結果...17 表 2.9 一般粒料抗壓結果...18 表 2.10 一般粒料透水結果...19 表 2.11 透水性混凝土配比...20 表 2.12 透水試驗結果...22 表 2.13 美國毒性特性溶出法定限值...27 表 2.14 美國灰渣再利用之實例...29 表 2.15 荷蘭公路工程使用再生材料之現況...31 表 2.16 荷蘭焚化灰渣再利用之實例...32 表 2.17 焚化灰渣再利用化學分析要求...33 表 2.18 丹麥公路工程使用再生材料現況...34 表 2.19 日本熔渣再利用之現況...35 表 2.20 各國透水性混凝土粒徑分布規範...39 表 2.21 粒料之比表面積...40 viii

10 表 2.22 水泥 粒料等之要求...42 表 2.23 無細粒料混凝土之設計參考...42 表 2.24 透水性混凝土配合比例...44 表 2.25 各種配比設計法理論 優缺點及適用情形...45 表 2.26 單因子實驗計劃法例子...48 表 2.27 全因子實驗計劃法例子...49 表 2.28 回應表...54 表 2.29 變異數分析分式表...55 表 3.1 水泥物理性質表...58 表 3.2 水泥化學性質表...58 表 3.3 粒料之單位重及吸水率...60 表 3.4 粒料之粒徑分佈...60 表 3.5 底渣級配料物性...63 表 3.6 底渣級配料化性...64 表 3.7 底渣級配料溶出檢測...64 表 3.8 實驗因子水準表...66 表 3.9 配比試驗之直交表 L9(3 4 )...66 表 3.10 混凝土抗壓機規格...70 表 4.1 坍度試驗結果...78 表 4.2 目視檢查結果...79 表 4.3 單位重試驗結果...80 表 4.4 孔隙率試驗結果...81 表 4.5 透水率試驗結果...82 表 4.6 抗壓強度試驗結果...84 表 4.7 各項試驗結果...87 表 4.8 各項試驗項目之 S/N 比...88 ix

11 表 4.9 透水性混凝土單位重回應表與回應圖分析...89 表 4.10 透水性混凝土孔隙率回應表與回應圖分析...90 表 4.11 透水性混凝土透水率回應表與回應圖分析...91 表 4.12 透水性混凝土抗壓強度回應表與回應圖分析...92 表 4.13 水泥透水性混凝土單位重變異數分析...94 表 4.14 水泥透水性混凝土孔隙率變異數分析...95 表 4.15 水泥透水性混凝土透水率變異數分析...96 表 4.16 水泥透水性混凝土抗壓強度變異數分析...97 表 4.17 透水性混凝土正規化數值...98 表 4.18 透水性混凝土正規化回應表與回應圖分析...99 表 4.19 透水性混凝土驗證結果 表 4.20 底渣透水性混凝土試驗結果 表 4.21 底渣透水性混凝土單位重變異數分析 表 4.22 底渣透水性混凝土孔隙率變異數分析 表 4.23 底渣透水性混凝土透水率變異數分析 表 4.24 底渣透水性混凝土抗壓強度變異數分析 x

12 圖目錄 圖 1.1 環境問題所造成全球性危機...1 圖 1.2 台北 台中 高雄及花蓮年平均雨量圖...2 圖 1.3 北中南東四水資源分區區域年平均逕流量圖...3 圖 1.4 台北站降雨型態比較圖...3 圖 1.5 研究流程...8 圖 2.1 Villanova 大學試驗基地...13 圖 2.2 試驗區域縱斷面圖...14 圖 2.3 試驗區域橫斷面圖...14 圖 2.4 抗壓結果...21 圖 2.5 西安路原人行道舖面...23 圖 2.6 基礎工程之整地壓平...23 圖 2.7 鋪設透水織布與鋼絲網...24 圖 2.8 現地透水性混凝土剖面示意圖 ( 台北市水利處 )...25 圖 2.9 施工完成後之透水混凝土...26 圖 2.10 杜鵑颱風監測結果...26 圖 2.11 典型鋪面剖面圖...37 圖 2.12 底渣級配料製透水磚...38 圖 2.13 ACI 透水性混凝土配比流程...41 圖 2.14 利用切線法求出最大水灰比...43 圖 2.15 田口實驗計劃法概念...50 圖 2.16 直交表符號說明圖...51 圖 2.17 回應圖...54 xi

13 圖 3.1 三分石...59 圖 3.2 二分石...59 圖 3.3 A B C 類粒料之粒徑分佈曲線圖...61 圖 3.4 本研究採用之焚化爐底渣...62 圖 3.5 魚骨圖...65 圖 3.6 粒料與水泥投入拌合機...67 圖 3.7 粒料與水泥均勻拌合...68 圖 3.8 水與掺料倒入拌合機...68 圖 3.9 水泥漿體充份包裹粒料...69 圖 3.10 混凝土抗壓試驗機...70 圖 3.11 透水試驗儀示意圖...71 圖 3.12 坍度試驗模...71 圖 3.13 透水性混凝土坍度試驗圖...72 圖 3.14 透水性混凝土單位重試驗圖...73 圖 3.15 透水性混凝土孔隙率試驗圖...74 圖 3.16 透水性混凝土透水率試驗圖...75 圖 3.17 透水性混凝土抗壓強度試驗圖...76 圖 4.1 水泥漿體稠度低...78 圖 4.2 坍度比較圖...79 圖 4.3 單位重比較圖...81 圖 4.4 孔隙率比較圖...82 圖 4.5 透水率比較圖...83 圖 4.6 透水性混凝土破壞情況...83 圖 4.7 抗壓強度比較圖...84 圖 4.8 單位重與孔隙率關係...85 圖 4.9 單位重與抗壓強度關係...85 xii

14 圖 4.10 孔隙率與透水率關係...86 圖 4.11 孔隙率與抗壓強度關係...86 圖 4.12 底渣透水性混凝土坍度 圖 4.13 底渣透水性混凝土單位重 圖 4.14 底渣透水性混凝土孔隙率 圖 4.15 底渣透水性混凝土透水率 圖 4.16 底渣透水性混凝土抗壓強度 xiii

15 第一章緒論 1.1 研究動機 18 世紀工業革命開始, 人口遽增 城市發展 交通便利 資訊發達及土地利用, 使得地球環境危機逐漸惡化, 而產生出五大環境問題 24, 如圖 1.1 所示 在此情況下, 對於地球上資源需求則愈來愈高, 其中以 水資源 最為重要 根據聯合國的調查, 全球約有 12 億人口無法取得生活所需, 而歐盟國家之地面水有 20% 受嚴重污染威脅, 全歐洲地區之飲用水有 65% 取自地下水, 其中有 60% 之歐洲城市有過量取用情勢, 致使 50% 溼地面臨消失 人口遽增 城市發展交通便利資訊發達 土地利用 溫室效應 環境危機全球化 全球氣候 變遷 空氣及水污染問題 水資源不足問題 生物多樣性減少問題 廢棄產物問題 食物供給問題 圖 1.1 環境問題所造成全球性危機 24 ( 本研究重繪 ) 台灣地區因地狹人稠, 地形起伏變化大, 集水區地勢陡峭不易涵蓄水份, 加上河川源短且流急, 雨量豐沛時河川流量暴增, 導致雨水在短時間即流入海中 目前台灣在水資源發展所面臨危機, 如 : 一 降雨分佈時空不均 1

16 台灣地區之降雨時空分佈不均, 山區最高超過 8000mm, 平原最低不及 1200mm, 且約有 78% 雨量集中在每年 5 到 10 月 ( 如圖 1.2), 而季節性豐枯比南部達 9:1, 豐 枯水期年降雨量差異達 1500mm 二 河川流量豐估懸殊台灣地區河川大多由中央山脈發源, 向東西注入太平洋或台灣海峽 各河流均短且陡長度大於 100km 僅 6 條且流域面積小, 面積大於 1000km 2 僅 9 個流域, 暴雨時水流湍急, 攜帶大量泥沙, 此特性為洪水歷線中洪峰急速攀升且快速消失 台灣地區平均年總逕流量約為 億 m 3, 其分布如圖 1.3 所示 三 全球氣候變遷影響由於全球溫室效應下, 百年來平均溫度上升 2, 海水面平均上升達 20~40 cm, 並使台灣降雨型態受到影響,, 如台北氣象站, 由近百年降雨資料統計得知, 年總降雨日數逐漸減少, 約少 27.8 天, 而年總降雨量呈增加趨勢, 約增加 268 mm ( 如圖 1.4) 降雨量 (mm) 台北台中高雄花蓮 月 圖 1.2 台北 台中 高雄及花蓮年平均雨量圖 13 2

17 圖 1.3 北中南東四水資源分區區域年平均逕流量圖 36 圖 1.4 台北站降雨型態比較圖 36 3

18 此外, 在地狹人稠的台灣, 許多廢棄物的問題與抗爭層出不窮, 大量的地球資源被利用後產生廢棄物大量佔據著我們賴以維生的環境並破壞居住的品質, 因此台灣於民國九十年九月所舉辦之 新世紀國家公共建設會議 會議中具體指出 : 建構營建自動化 綠建築 生態工法等公共建設綠色營建技術之體系 隨著台灣地區垃圾焚化處理率的提高, 廢棄物焚化底渣產量數量龐大, 傳統焚化爐底渣處理方式為陸地掩埋 ( 如表 1.1), 但由於台灣垃圾分類不如國外徹底, 導致垃圾焚化後的底渣含有重金屬成分的機會提高, 造成底渣掩埋場常遭受附近居民抗爭, 因此在既有掩埋場不足及理想新掩埋場不易闢建之影響下, 垃圾焚化爐底渣未來處理的去處將會形成一大問題, 然而在國外垃圾焚化爐底渣是當作具有資源化再利用的材料, 因此國內未來推動垃圾焚化爐底碴再利用想必是未來解決底渣掩埋問題的最佳途徑 42 表 1.1 焚化爐底渣掩埋量 15 ( 本研究整理 ) 單位 (10 4 噸 ) 年 進廠量焚化處理量 總計 灰渣 ( 灰燼 ) 量飛灰量底灰量 ( 含反應生成物 ) 掩埋量 掩埋率 (%) 從文獻 4 得知, 焚化爐底渣可作為於道路工程之級配料及低強度混凝土 材料, 依 (American Association of State Highway and Transportation Officials, AASHTO) 土壤分類法可得知, 細粒料之底渣屬於 A-1-a 砂質性土壤, 適合作為 4

19 於透水性舖面之基底層材料 11 鑑此, 本研究首先探討透水性混凝土之配比 設計, 再以焚化爐底渣取代級配料進行分析與評估, 以供日後研究之參考 1.2 研究目的 在地球只有一個且資源有限的情況下, 要有豐富的資源維持當今社會的發展, 又要清靜舒適的生活環境, 同時也須為未來世代的發展留存足夠資源, 應以廢棄物 減量 (Reduce) 重複使用(Reuse) 再利用(Recycle) 及回收 (Recovery) 等 4 R 作為基本原則, 配合資源永續的觀點, 將資源有效循環利用, 逐步達到垃圾全回收 零廢棄之目標 18 此外, 隨著都市化程度日益趨高, 人口成長迅速對於住宅 道路等需求日增, 導致都市建地增高, 使得都市不透水面積 (Percentage of Impervious area,imp) 大為增加, 大量的人工不透水表面的設計, 相對地減少了自然植生的被覆面, 使得雨水滲入地面的機會大減, 致使在暴雨時增加地表逕流, 使排水系統及河川不堪負荷, 導致發生水災之機會大增, 同時也使得依賴地面水分蒸發 冷卻的可能性劇降, 更促使都市高溫化和乾燥化情形日益嚴重 17 再者因近年都市的氣溫比市郊較高, 這樣的熱島現象日益嚴重, 因為等溫線以都市為中心呈現島狀分佈, 故取名為熱島現象 熱島現象形成的原因是建築物的高層化 高密度化 道路的舖面化 綠地或水域的減少, 伴隨著能源大量消耗的排熱量增加等 尤其佔都市面積 10~20% 的道路舖面 27, 因為覆蓋著瀝青混凝土, 蒸發作用被抑制, 夏季溫度容易升高, 對熱島現象亦產生極大的影響 因此, 改善舖面熱的特性對緩和都市熱島效應的惡化是有效對策之一 透水性混凝土目前適用於抗壓強度較低之人行道鋪面及灌溉排水路上 16 其優點包含涵養地下水 減少地表逕流及減緩洪水尖峰到達時間等 而在配比特點主要是採用單一粒徑及 2~3 種級配粗粒料做為骨架, 配合少量細料或無細料及添加適量的水泥漿, 作為粒料與粒料間之黏結層, 水泥漿不能完全填滿 5

20 混凝土中的孔隙, 因此在強度上可能相對降低許多, 一般透水性混凝土受力時, 由於水泥砂漿黏結層較薄, 因此破壞的特性是從粒料間的連接點破壞, 因此如何增加黏結層的數量 面積及厚度是影響強度的關鍵 12 焚化爐底渣依粒徑分佈來看約有 30% 屬於是 4 號篩上之均勻級配, 經水洗後即可作為透水混凝土中的粗粒料, 另外由於粒料會被水泥砂漿給包裹, 因此可減少不良物質流出的可能性 ; 而對於其餘 70 % 細底渣由於屬於透水性良好的砂土質, 再加上底渣顆粒表面具有較多的孔隙, 兼具保水性的功能 26 鑑此, 本研究即希望將焚化爐底渣取代部分粒料作為透水性混凝土級配料, 一方面可符合環境生態, 打造水循環都市 ; 另一方面可降低天然粒料之需求, 解決營建資源短缺之窘境, 使資源再利用, 達到綠營建 綠建築 綠建材及資源永續 1.3 研究方法 本研究針對透水性混凝土之配比設計及焚化爐底渣取代部分級配料兩項主題進行探討 以探討在不同粒徑 水泥用量 用水量及掺料之下, 其孔隙率 抗壓強度和透水係數等關係, 此外也採用不同比例之焚化爐底渣取代部分粒料, 分析其相關物化性 研究方法如下 : 一 文獻回顧進行國內 外透水性混凝土之配比設計及焚化爐底渣之應用情形蒐集回顧工作, 作為本研究之參考依據 二 試驗方式為探討透水性混凝土各物理特性之關係, 包括抗壓強度 透水係數 單位重及孔隙率等, 本研究採用田口實驗計畫法進行規劃, 以 4 個不同因子 ( 粒徑 水泥用量 用水量及掺料 ), 設計透水性混凝土, 並添加不同比例之焚化爐底渣取 6

21 代部分級配料進行探討 三 分析評估將相關試驗數據資料, 針對不同因子如 : 粒徑大小 水泥用量 用水量及掺料等分別加以記錄 整理及彙整, 以分析評估透水性混凝土材料定量特性, 此外, 亦針對不同比例之焚化爐底渣取代部分級配料, 探討其資源再利用之可行性, 作為未來相關研究之參考 7

22 1.4 研究流程 本研究流程依上述研究方法擬定本研究相關流程, 如圖 1.5 所示 研究動機 目的 文獻回顧 田口實驗規劃 水泥透水性混凝土 物性試驗 坍度試驗 單位重試驗 孔隙率試驗 統計分析 透水率試驗 坍度試驗 抗壓強度試驗 單位重試驗 最佳配比 孔隙率試驗 混合 焚化爐底渣 透水率試驗 抗壓強度試驗 最佳組合 結論與建議 圖 1.5 研究流程 8

23 第二章文獻回顧 透水性混凝土結構特性是在粗粒料四周包裹一層均勻之水泥漿, 此層為強度之主要來源 ; 水泥漿體厚度愈厚, 顆粒間黏結點與黏結面積愈多, 強度就相對提高, 透水率則降低 ; 反之亦然 為考量焚化爐底渣資源化再利用, 因焚化爐底渣屬於多孔隙材料, 強度比天然碎石低, 因此在透水性混凝土配比設計上, 添加多寡就成為考量透水性混凝土強度與滲透之間平衡 國外及大陸地區透水性混凝土相關研究及案例 一 American Concrete Institute 211.3R-02 規範 30, 對材料性質及配比設計有以下之結論 : 1. 透水性混凝土不適用傳統混凝土之水灰比與強度關係曲線, 研究得知透水性混凝土之水灰比以 0.35~0.45 為最佳 2. 孔隙率愈高, 強度愈低 ; 反之, 粒料粒徑減小則強度提高 3. 以足夠之水泥漿體達到所需之孔隙率及透水率較達到所需強度更為重要 二 Jing Yang Guoliang Jiang,Experimental study on properties of pervious concrete pavement materials 6 : 此研究之透水性混凝土配比是以單粒徑級配料作為骨架, 而加入少量細粒料之水泥漿包裹粗顆粒的表面作為黏結層 ( 如表 2.1) 透水性混凝土受力時通過骨料之間的黏結層, 由於骨料本身的強度較高, 水泥包裹很薄, 水泥與粗骨料界面之間的黏結面積小, 因此其破壞特性是骨料顆粒之間的連接點處破壞 8 9

24 表 2.1 透水性混凝土之配比 6 編號 粒徑分佈 (mm) 添加細砂量 (%) 水灰比 抗壓強度 (kgf/cm 2 ) 透水率 (cm/sec) 單位重 (kg/m 3 ) T T T 由以上實驗結果, 可得出以下幾點結論 : 1. 採用粒徑小的粒料可提高透水性混凝土強度 2. 提高細砂量可減少透水性混凝土孔隙而提升強度 三 張紅光 付建華 韓艷芳, 利用水泥製備高強透水性混凝土 33 : 文中指出透水性混凝土配比是以未添加細粒料, 粒料顆粒間是以點接形成, 粒料周圍包裹一層均勻水泥漿 由於粒料本身的強度較高, 水泥膠結層薄, 因此特徵為從粒料顆粒之間的連接處破壞 鑑此, 在保證一定孔隙率之前提下, 增加膠結點之數量及面積, 增加膠結力為提高透水性混凝土強度之關鍵 粒料粒徑越小, 比表面積愈大, 所形成之粒料接觸點增加, 膠結面愈大, 因而提高透水性混凝土強度 如表 2.2 所示, 即使水灰比不同, 但由於粒徑減小, 膠結點之數量及面積增加, 第二組抗壓強度比第一組大, 此外添加適當掺劑有助於提升透水混凝土強度 10

25 表 2.2 透水性混凝土測試參數表 33 編 碎石 水泥 水 水灰 JM-SCA JM-A 透水係數 抗壓強度 總孔隙率 號 ( mm ) ( kg ) ( kg ) 比 (%) (%) (cm/sec) (kgf/cm 2 ) (%) A B C 註 :JM-SCA 為增強劑,JM-A 為減水劑 四 徐飛 肖黨旗, 無砂多孔混凝土配合比的研究 32 : 無砂多孔混凝土是由粗粒料 水泥及水拌合而成的輕質多孔混凝土, 不含細粒料, 粗粒料顆粒間表面包裹一薄層水泥漿, 具有透氣 透水和重量輕等特點 此研究之主要參數為水灰比及水泥量 一般水灰比值介於 之間 無砂多孔混凝土因缺少細粒料包裹, 亦造成水泥漿分佈不均, 孔隙填實, 因此在考慮所使用之粗粒料特性和施工條件兩因素上, 引入無砂多孔混凝土拌合物的稠度狀態級量化 ( 表 2.3) 評估無砂多孔混凝土拌合物之稠度狀態等級, 選定無砂多孔混凝土拌合物的合理稠度狀態之配合比 11

26 表 2.3 無砂多孔混凝土拌合物的稠度狀態等級 32 狀態區分 等級 差 粒料易崩解, 粒料顆粒表面水泥漿層厚 稠度不均 無光澤 1 粒料有部份缺角, 粒料顆粒表面水泥漿層厚度較不均, 粒料表面無 2 光澤 佳 粒料顆粒表面水泥漿層厚度均勻 有光澤 3 粒料顆粒表面水泥漿層厚度均勻 有光澤, 有水泥漿體流淌 4 差 粒料顆粒表面水泥漿層薄 厚度不均 無光澤, 有水泥漿體流淌 5 採用此配比方法, 其優點為能夠合理選定水灰比和水泥用量, 初步篩選出幾組合理的可能配合比值, 再測定其強度 滲透係數及孔隙率, 最後根據測定結果, 確定無砂多孔混凝土配合比 此研究根據表 2.3 方式設計其無砂多孔混凝土試驗結果如表 2.4 表 2.4 無砂多孔混凝土試驗結果 32 編 水灰 水泥用量 孔隙率 滲透係數 抗壓強度 號 比 (kg/m 3 ) 全孔隙率 (%) 有效孔隙率 (%) (cm/sec) (kgf/cm 2 ) 此文提出無砂多孔混凝土拌合物得稠度狀態等級的概念, 在無砂多孔混凝土 12

27 配比設計中選擇水灰比 水泥量等因素 每個因素下選擇數個水準, 試拌混凝土, 評定其稠度狀態, 選擇合理稠度狀態的配合比測定其抗壓強度 孔隙率及滲透係數等技術指標 因此利用本文提出無砂多孔混凝土拌合物的稠度狀態評級方法, 可於初始階段縮小配合比範圍, 減少不必要的試驗, 快速求其無砂多孔混凝土合理配合比 五 美國 Villanova 大學透水性混凝土案例 29 : 美國 Cahill Associates 環境工程顧問在 Villanova 大學所施作透水性混凝土雨水滯留量試驗中, 在 5359 m 2 面積土地舖設 45 至 75cm 厚之水性混凝土, 經過 24 小時降雨強度達 149mm, 最大每小時降雨強度達 35.1mm 之暴雨測試, 其溢流量僅為 76 m 3, 平均深度 1.42 cm, 即減少逕流量約達 90%, 其餘雨水均流入地下, 其試驗基地如圖 2.1, 監測成果如表 2.5, 縱橫斷面如圖 2.2 及 2.3 所示 圖 2.1 Villanova 大學試驗基地 29 13

28 表 2.5 監測成果 29 ( 本研究整理 ) 區域面積 (m 2 ) 深度 (m) 體積 (m 3 ) 蓄流量 (m 3 ) Upper Bed Middle Bed Lower Bed 圖 2.2 試驗區域縱斷面圖 29 圖 2.3 試驗區域橫斷面圖 29 14

29 透水性混凝土在配比設計時, 首要考量為強度 ( 水灰比 ) 及孔隙率 ( 水泥漿量 ), 使其產生較多且連續之孔隙, 一般介於 15~25% 若使用於道路面層, 則需維持於 21% 以下, 避免強渡過低受車輛荷重而破壞 表 2.6 為美國及日本都市或單位對於使用透水性混凝土舖面之面層規範 19 15

30 表 2.6 透水性混凝土舖面之面層規範 19 ( 本研究整理 ) 單位名稱 華盛頓州加州田納西州喬治亞 Charger Carrera 日本五井工業株西雅圖市聖塔摩尼卡市查塔諾加市混凝土產品協會 Enterpriese Construction 式會社 孔隙率 (%) 12~ ~21 12~ ~21 15~25 水灰比 (W/C) 0.27~ 總交結材料用量 (kg/m3) 滾壓能量 (kg/cm2) 滾壓厚度損失 (cm) 天,10 天內禁行 1. 7 天,10 天內禁 養護時間 ( 天 ) 7 天,10 天內禁卡車行卡車行卡車 2. 添加 F 級飛灰為膠結 2. 添加 F 級飛灰為膠 材需 10 結材需 10 3/8~NO.16(ASTM 3/8~NO.16(ASTM 3/8~NO.16(ASTM 粒料級配 C33) 或 C33) 或 C33) 或 3/8~NO.50(ASTM 3/8~NO.50(ASTM 3/8~NO.50(ASTM D448) D448) D448) 1. 7 天,10 天內禁行 1. 7 天,10 天 1. 普通水泥拌合卡車內禁行卡車 14 天 7 天 2. 添加 F 級飛灰為膠 2. 添加 F 級飛灰 2. 早強水泥拌合結材需 10 為膠結材需 10 7 天 3/8~NO.16(ASTM 3/8~NO.16(AST 19mm~4.75mm 或 C33) 或 M C33) 或 (JIS A5001 S /8~NO.50(ASTM 3/8~NO.50(AST 13.2mm~1.18mm( D448) M D448) JIS A5001 S-5) 滲透率 (cm/sec) >10-2 抗彎強度 (kg/cm2) ( 輕交通量 ) 橫向接縫設置 2.44m 設置一個, 鋸 2.2m 設置一個, 6.10m 設置一 4.57m, 鋸切至 12.2m, 鋸切至舖面 6.10m 設置一個, 鋸切切至舖面厚度鋸切至舖面厚度個, 鋸切至舖面舖面厚度 0.635cm 厚度 0.635cm 至舖面厚度 0.635cm 0.635cm 0.635cm 厚度 0.635cm

31 2.2 國內透水性混凝土相關研究及案例 一 內政部建築研究所 - 透水鋪面 工法性能實驗解析 25 : 此文所設計之透水性混凝土是採用單一粒徑 (3/8 ) 一般粒料及焚化爐底渣作為試拌材料, 其材料配比與抗壓及透水實驗結果如表 2.7 及 2.8 所示 表 2.7 一般粒料 (3/8 ) 透水性混凝土實驗結果 25 粒料 : 水泥 試體 1 試體 2 試體 3 抗壓強度 透水係數 重量比 (kgf/cm 2 ) (kgf/cm 2 ) (kgf/cm 2 ) (kgf/cm 2 ) (cm/sec) 1: : 表 2.8 底渣 (3/8 ) 透水性混凝土試實驗結果 25 粒料 : 水泥 試體 1 試體 2 試體 3 抗壓強度 透水係數 重量比 (kgf/cm 2 ) (kgf/cm 2 ) (kgf/cm 2 ) (kgf/cm 2 ) (cm/sec) 1: : 水灰比固定採用 0.67, 但因粒料選用不同, 從表 2.7 及 2.8 可明顯得知底渣 透水性混凝土之抗壓強度只有一般粒料透水性混凝土 2/3 的抗壓強度, 其原因為 焚化爐底渣本身強度較差所導致 二 行政院工共工程委員會 - 透水性鋪面之研究 41 : 實驗使用 3/4 一般粒料 3/4 再生粒料及水泥等無細粒料混凝土之基本材 17

32 料, 透過不同重量粒料 砂與水泥的比例並調整拌合用水, 直至粒料完全為漿體 包覆後, 始完成拌合程序 而後製作 Φ=10cm 20cm 之圓柱進行抗壓強度及透水 試驗 ( 表 2.9) 表 2.9 一般粒料抗壓結果 41 粒料 : 砂 : 水 泥之重量比 水灰比 (W/C) 試體 1 (kgf) 七天齡期抗壓強度 試體 2 試體 3 抗壓強度 (kgf) (kgf) (kgf/cm 2 ) 二十八天齡期抗壓強度 試體 1 試體 2 試體 3 抗壓強度 (kgf) (kgf) (kgf) (kgf/cm 2 ) 15:0: :0: :0: 粒料 : 砂 : 水 泥之重量比 水灰比 (W/C) 試體 1 (kgf) 七天齡期抗壓強度 試體 2 試體 3 抗壓強度 (kgf) (kgf) (kgf/cm 2 ) 二十八天齡期抗壓強度 試體 1 試體 2 試體 3 抗壓強度 (kgf) (kgf) (kgf) (kgf/cm 2 ) 15:1: :1: :1: :1.25: :1.25: :1.25; :1.5: :1.5: :1.5: 表 2.9 為使用一般粒料之抗壓試驗結果, 其七天齡期之抗壓試驗強度分別由 28kgf/cm 2 至 108kgf/cm 2, 二十八天齡期之抗壓試驗強度分別由 34kgf/cm 2 至 120kgf/cm 2, 各相同砂 / 水泥重量比例的配比間皆呈現粒料 / 水泥比例越大則強度 18

33 下降的趨勢 就固定粒料 水泥重量比 (15:1 10:1 及 6:1 等 ), 變化砂含量的狀況而言, 除完全無砂的強度稍高外, 其餘砂重量比 及 1.5 三者間, 其強度的差異分別為 35% 7.8% 7.1%, 顯示砂量增高強度變化趨緩 透水試驗結果於表 2.10 顯示, 透水鋪面隨粒料 / 水泥的比例越高而遞減 就相同之粒料 / 水泥的比例而言, 亦隨砂量的增加而減少 其值約在 cm/sec 至 cm/sec 不等, 皆屬良好之透水材料 表 2.10 一般粒料透水結果 41 粒料 ; 砂 : 水泥 試體 1 (cm 3 ) 試體 2 (cm 3 ) 試體 (cm 3 ) 透水係數 (cm/sec) 15:0: :0: :0: :1: :1: :1: :1.25: :1.25: :1.25; :1.5: :1.5: :1.5:

34 三 中央大學碩士論文 - 焚化爐底渣應用於道路工程之研究 38 : 文中指出透水混凝土配比原則是根據粒料的比表面積來計算所需的水泥漿量, 另搭配減水緩凝劑, 改善水泥漿的性質, 其透水性混凝土配比如表 2.11, 抗壓強度如圖 2.4 所示 表 2.11 透水性混凝土配比 38 組別 水灰比 透水性混凝土配比 ( kg /m 3 ) 水泥水粗底渣細底渣減水緩凝劑 AT AT AT AT AT AT AT303N AT304N AT305N AS AS AS BT BT BT 註 :AT 代表雙粒徑採用 #4 #8 兩個粒徑搭配 BT 代表雙粒徑採用 3/8 #4 兩個粒徑配合 AS 代表僅採用 #4 單一粒徑 20

35 圖 2.4 抗壓結果 38 由圖 2.4 比較圖可以得知當水灰比為 0.30 時, 可以得到最佳的抗壓強度, 即 0.3>0.35>0.25>0.4, 由此可看出水灰比低不見得是強度最高的一組, 可能是因為水泥漿稠度過大, 無法均勻的使得每個粒料表面包裹足夠的漿量, 因此最佳水灰比出現在 0.3 影響透水混凝土強度的另一個主要因素為包裹粒料表面的厚度, 由圖 2.4 可得知混凝土強度隨漿體厚度增加而增加, 選用漿體厚度 0.4mm 時, 其抗壓強度可達 200kgf/cm 2 以上, 足以符合人行道規範的混凝土抗壓強度規範 180 kgf/cm 2 再從單粒徑 (AS) 與雙粒徑 (AT 及 BT) 的比較發現, 採用雙粒徑底渣的強度高於採用單粒徑的底渣, 導致此項結果應是採用單粒徑底渣其有許多孔隙無法完全藉由水泥漿來填充, 因此孔隙過多造成強度降低的問題, 而採用雙粒徑細小的底渣可以填充部分部分孔隙, 再加上細粒料比表面積大, 可增加較多的粒料與水泥漿接觸的面積, 因此雙粒徑強度會大於單粒徑強度 由表 2.12 可得知, 一般為使透水性混凝土粒料能包裹足夠的水泥漿體因此增加漿體用量, 然而卻犧牲透水的性能,AT303 AT304 AT305 這組當包裹厚度增加到 0.4mm 時, 強度增加到 200 kgf/cm 2, 然而透水係數也降低一半, 甚至 21

36 當厚度增為 0.5mm 時, 透水係數降低至 0.008, 且透水性能不是很好 其他試驗 組透水性能均不錯, 以目前排水性瀝青混凝土規範要大於 cm/sec 的規定, 透水混凝土的透水均可符合, 但強度因此也會比較差 表 2.12 透水試驗結果 38 試驗組別 AT303 AT304 AT305 AT254 AT354 AT404 透水係數 (cm/sec) 試驗組別 AS303 AS304 AS305 AT303N AT304N AT305N 透水係數 (cm/sec) 四 台北市西安路 ( 石牌國中 ) 案例 : 由台北市政府養護工程處與台北科技大學一同合作於西安路東側 ( 石牌國中旁 ) 之人行道施作透水性混凝土 選定試舖場址後 ( 圖 2.5 為施工前之情形 ), 因考慮路基層材質為影響透水性能重要因素之一, 須對現場之土層資料進行分析與研判, 經鑽探報告結果顯示地層主要為火山碎屑岩堆積層, 及凝灰角礫岩為主 地表面至深度約 3.6 公尺處, 係由表層回填砂土或黏質土所組成 ; 深度 3.6 公尺至 5.1 公尺主要由棕紫色安山岩岩塊夾中細砂或黏土所組成, 地下水位位於地表下 -2.5 公尺處, 現場透水試驗求得之滲透係數 K 約為 cm/sec, 符合舖設透水性舖面之標準, 因此北投區西安街二段石牌國中旁之人行道可作為舖設透水性舖面之試驗區 確定選擇場址適合舖築透水性舖面後, 進行舖面結構之規劃與設計, 因人行道寬度較窄, 且工期短, 又需較高平整度與堅固耐用, 故以透水性混凝土搭配鋼 22

37 筋網作為舖面材, 但混凝土抗壓強度需大於 175kgf/cm 2 厚度設計則是以承載力與降雨強度評估, 經推算求得其厚度為 20cm; 此外為避免路基土壤因水入滲堵塞混凝土孔隙, 於舖面與路基界面舖設一層地工織物 圖 2.6~7 為挖掘工程後, 基礎工程之整地壓平 鋪設透水織布與鋼絲網 4mm 75mm 75mm 之情形 28 圖 2.5 西安路原人行道舖面 27 圖 2.6 基礎工程之整地壓平 27 23

38 圖 2.7 鋪設透水織布與鋼絲網 27 人行道舖面結構之剖面示意圖如圖 2.8 所示, 規畫設計除無細粒料混凝土抗壓強度需達規定強度 175 kgf/cm 2 以上外, 其透水係數亦需達 cm/sec 以上 面層材質上層為石英砂 3 cm, 其透水係數約為 cm/sec, 如照片 6; 面層材質下層為無細粒料混凝土 17 cm, 其抗壓強度約為 350 kgf/cm 2, 透水係數約為 cm/sec 施工完成情形如圖

39 圖 2.8 現地透水性混凝土剖面示意圖 ( 台北市水利處 ) 25

40 3 公分石英砂 17 公分無細粒料混凝土 圖 2.9 施工完成後之透水混凝土 27 監測結果顯示當最大降雨強度在 13mm/hr 時, 其收支率為 61.1%, 而降雨與 滲透尖峰可延遲 1 小時, 如圖 2.10 所示 10 20/72 雨量 (mm/hr) 時間 (hr) 圖 2.10 杜鵑颱風監測結果 27 26

41 2.3 國外底渣再利用情況 美國 美國使用再生材料於公路工程上已實施 20 餘年, 其中發展較佳的材料包含再生瀝青材料 再生水泥材料 燃煤飛灰及熔爐爐渣等 1998 年美國設立再生材料研究中心 (Recycled Materials Resource Center,RMRC) 推動再生材料之應用, 至 2001 年, 美國一年約使用 噸再生材料於公路工程應用 年美國公佈資源保育及回收法案 (Resource Conservation and Recovery Act,RCRA), 其中針對灰渣類廢棄物以毒性特性溶出試驗 (Toxic Characteristic Leaching Procedure,TCLP) 作為區分一般或有害事業廢棄物準則, 若灰渣溶出超過法規規定者 ( 如表 2.13), 則視為 C 類廢棄物, 其儲存 處理及處置僅需符合一般事業廢棄物要求即可 34 表 2.13 美國毒性特性溶出法定限值 34 項目砷 (As) 鋇 (Ba) 鎘 (Cd) 鉻 (Cr) 鉛 (Pb) 汞 (Hg) 硒 (Se) 銀 (Ag) 溶出限值 <5.0mg/L <100.0mg/L <1.0mg/L <5.0mg/L <5.0mg/L <0.2mg/L <1.0mg/L <5.0mg/L 27

42 然而, 就掩埋的方式而言, 由於既有的掩埋場使用空間逐漸減少, 新建掩埋場亦有環境安全問題之虞慮, 導致掩埋處理費提高, 因此灰渣再利用逐漸受到重視, 包括利用底渣於磚類 路基材料 底層材料及路堤等 其中, 以美國聯邦高速公路局 (Federal Highway Administration) 應用實例最多 1 美國聯邦高速公路局利用經分選取得適當粒徑之焚化灰渣做為道路鋪面 路基及路堤替代材料為主 而在瀝青鋪面應用上, 焚化灰渣主要作為砂粒及粉粒的替代粒料, 此類焚化灰渣須先經篩選程序將鐵及非鐵金屬篩除, 並選取粒徑小於 19 mm, 若焚化灰渣再利用於路面表層鋪面則建議取代天然粒料 10-25%, 若為路面經層鋪面使用, 則焚化灰渣取代天然粒料可達 50% 在路堤或路基替代材料應用上, 焚化灰渣需先去除鐵及非鐵金屬程序, 並選取粒徑小於 mm 另外, 美國高速公路局建議, 焚化灰渣再利用於公路工程應篩除係小顆粒底渣 (D<# 200), 可減少飛灰或鍋爐灰之影響 1 由於焚化灰渣有溶出重金屬及溶解性鹽類的可能, 故灰渣再利用於路堤或道路結構中應盡可能減少與水作用 除灰渣粒徑選取外, 灰渣在利用尚須符合灼燒量小於 5%, 且於再利用前擺置 1-3 個月, 使含水率下降 熟化 碳酸化與膨脹反應完全 美國灰渣再利用實例如表 2.14 所示 28

43 瀝青鋪面粒料進場道路土壤, 地表逕流, 滲出水 路底基材表 2.14 美國灰渣再利用之實例 43 再利用方式再利用單位使用灰渣種類 再利用材料粒度 ( 材料中灰所佔 %) 再利用場所 監測內容 RESCO,1980 Lynn, MA 灰渣 ( 底灰 + 飛灰 ) 1in (50%) 街道鋪面長 750ft. 工程實務應用結果 FHWA,1975 Philadelphia, PA 灰渣 ( 底灰 + 飛灰 ) 0.625in (50%) 進場道路鋪面長 180ft., 厚 1.5in. 工程實務應用結果 Tampa, FL 1991 灰渣 ( 底灰 + 飛灰 ) (50%) 1 4acre 地表鋪面厚 4in. 地下水, 滲出水 SEMASS,1992 底灰 1 2in (30%) New Jersey,1993 底灰 3 4 (15%) 街道路面長 800ft., 厚 2in. 土壤, 地表逕流, 滲出水, 粒料再製廠排氣 FHWA,1974 Houston, TX 灰渣 ( 底灰 + 飛灰 ) 1in (100%) 進場道路路底基材長 200ft., 厚 6in 工程實務應用結果 RESCO,1980 灰渣 1in 3 層道路路底基材 工程實務應用結果 Lynn, MA ( 底灰 + 飛灰 ) (60%) 長 3 4mile (4 年 ) Los Angles 1990(pilot) 1991(full scale) 灰渣 ( 底灰 + 飛灰 ) 2in(12% 飛灰 +PC,15% 水, 其餘為底灰 ) 掩埋場道路路基 California WET Test 工程實務應用結果 SEMASS,1992 底灰 1 2in (100%) 路基, 進場道路厚 2ft 土壤, 地表逕流, 滲出水 29

44 混凝土粒料及其他應用表 2.14( 續 ) 美國灰渣再利用之實例 43 ( FHWA- Federal Highway Administration SUNY- State University of New York PC-Portland Cement) 再利用方式再利用單位使用灰渣種類 再利用材料粒度 ( 材料中灰所佔 %) 再利用場所 監測內容 兩處人工魚礁, 每處由 40 個 SUNY,1987,1988 灰渣 ( 底灰 + 飛灰 ) (85% 灰渣,15%PC) 灰渣塊 ( 實驗組 ) 及 40 個水泥塊 ( 對照組 ) 構成, 每塊 結構螣性, 化學性質, 生物性質 1m*1m*1m SUNY,1987,1988 底灰 (15%PC,33% 砂 52% 底灰, 其餘為水 ) 底灰混凝土塊建造船屋 (boat house) 室內空氣, 混凝土塊耐候性, 土壤, 微量金屬 SUNY,1987,1988 灰渣 ( 底灰 + 飛灰 ) (15%PC,25% 砂 60% 灰渣, 其餘為水 ) 底灰混凝土塊建造船屋 (boat house) 室內空氣, 混凝土塊耐候性, 土壤, 微量金屬 MontgomeryCounty,Ohio,1990 底灰 (PC 及底灰, 比例不明 ) 底灰混凝土塊建築物 (building) 混凝土塊耐候性, 強度, TCLP New Jersey 1993 底灰 3 4in(100%) 底灰堆料 500 公噸 (stock pile) 地表逕流, 揚塵, 土壤 30

45 2.3.2 荷蘭 1989 年荷蘭公佈綜合性國家環境計畫 (National Environmental Plan), 其中包含廢棄物防治回收條例, 以達到資源永續利用, 現今荷蘭已成為 100% 廢棄物再利用率 再升材料使用 法規及經濟市場發展最完善的國家, 表 2.15 為荷蘭公路工程使用再生材料之現況 荷蘭在推動焚化底渣再利用, 主要與三項政策有關, 包含廢棄物處置政策 (Waste Materials Policy) 土壤保護政策(Soil Protection Policy) 及地表礦物政策 (Surface Mineral Policy) 其中廢棄物處置政策為規範焚化底渣之處理及回收, 土壤保護政策為考量底渣特性, 允許焚化底渣之使用造成些微的土壤汙染, 地表礦物政策則配合天然材料之有限, 推動焚化底渣再利用 39 表 2.15 荷蘭公路工程使用再生材料之現況 34 再生材料種類年產量 (10 6 ton) 使用量 (10 6 ton) 應用途徑 垃圾焚化底渣 路基及路堤 垃圾焚化飛灰 混凝土填充材 燃煤飛灰 混凝土 瀝青填充材及粒料 燃煤底渣 輕質粒料 建築廢棄物 底層 荷蘭由於天然粒料較為不足, 且缺乏灰渣掩埋場所, 故政府極力推動灰渣再利用 1993 年荷蘭 11 座焚化爐產生約 9 萬噸飛灰及約 65 萬噸底渣, 其中, 回收的鐵渣年產量約 7 萬噸, 經磁選後回收再使用於鋼鐵工業 1994 年, 近 95% 的底渣回收再利用, 為灰渣再利用率最高之國家 其應用多為工廠地基 道路路基 堤防 防風牆材料或為混凝土及瀝青混凝土粒料, 底渣再利用已超過 2 百萬 31

46 噸, 表 2.16 為荷蘭焚化灰渣再利用之實例 表 2.16 荷蘭焚化灰渣再利用之實例 34 項目 實例 羅森堡附近大不列顛港, 商船因行經 Caland 運河, 因風勢 Caland 防風牆 強烈影響行船安全, 故於 1985 年以焚化灰渣為主要材料 ( 約 65 萬噸 ) 建造高 15m 長 700m 的堤防作為防風牆 通過鹿特丹市的 A15 高速公路, 以約 40 萬噸底渣為建造材 鹿特丹高速公路 料, 在細砂與膨潤土混合層上, 鋪以 20cm 厚之底渣, 以減 少滲透率 在鹿特丹及北荷蘭等多處, 底渣被當作為路基材料, 使用時 路基材料 之組成比例為底渣 : 碎石 : 添加劑 =5:5:1 路基厚度為 25-30cm 1984 年在 Keilehaven 使用 30 萬塊混凝土地磚, 其中超過 40% 混凝土地磚 的粗粒料係以 5-8mm 底渣替代, 經 5 年實用後, 證實其物 理性質與標準混凝土地磚並無差異 Hartel 運河試驗計畫 1987 年在鹿特丹附近的 Hartel 運河, 選擇一段長約 50m 堤 防, 鋪上 30% 底渣之瀝青混凝土 100 噸, 此與傳統方式比 較, 混合溫度須提升至 40, 瀝青用量則增加為 3% 丹麥 丹麥環保署所公佈之 Waste 21 一文, 都市垃圾焚化廠所產生的灰渣 (residue) 分為爐渣 (slag) 與煙道灰 (flue gas cleaning waste) 兩大類其中後者屬於有害廢棄物, 需經穩定處理方可進掩埋場處置 1997 年丹麥煙道灰年產量約 6 萬噸, 而 32

47 爐渣年產量雖高達 49 萬噸, 但 85% 的爐渣須回收處理 丹麥環境部對於焚化灰渣再利用規範須符合表 2.17 化學組成規範要求 由於飛灰及混合灰重金屬含量較高, 化學組成成分長不符規範要求, 若要底渣再利用, 則須先與飛灰分開收集 任何再利用之底渣須先經化學分析, 取樣時每批焚化底渣不可超過 5 千噸, 從中取樣 50 個樣品共 100 kg, 經篩選 壓碎 研磨處理後, 最後取 100g 進行化學分析, 符合標準後方可再利用 表 2.17 焚化灰渣再利用化學分析要求 43 項目標準備註 PH 值 >9.0 在 1% 淤漿條件下 鹼度 >1.5eqv/ kg 鉛 (Pb) <3000mg/ kg硝酸消化後以 AAS 測試濃度 鎘 (Cd) <10mg/ kg硝酸消化後以 AAS 測試濃度 汞 (Hg) <0.5mg/ kg硝酸消化後以 AAS 測試濃度 除化學分析外, 焚化灰渣再利用尚須符合環保要求, 如應用於舖面道路之標準為 : 1. 與飲用水井距離須在 20m 以上 ; 2. 使用位置應高於地下水位 ; 3. 灰渣使用後度須在 2m 以下且平均後度小於 1m 4. 若焚化灰渣應用於一般道路或表面積大於 2000m 2 時, 須距飲用水井 20m 以上且灰渣厚度小於 0.3m 若灰渣再利用於路基材料, 尚須符合高速公路部門規定 : 1. 底渣不得與飛灰或其他材料混合, 須分開收集貯存 33

48 2. 底渣再利用前至少貯存 1 個月以上 3. 底渣須經過篩分使其粒徑小於 50 mm, 其中小於 mm細渣含量須少於 9 % 下之灼燒量小於 10% 5. 含水量介於 17-25% 1974 年丹麥已開始使用垃圾焚化爐渣於土木工程上, 而 1999 年更進一步推動底渣再利用 另外, 在 2000 年亦為回收灰渣製品在土木工程應用上做出配套法令, 主要是將灰渣製品作為路基 管線回填料 隔音牆及鐵路築堤等之替代材料 表 2.18 為丹麥公路工程使用再生材料之現況 表 2.18 丹麥公路工程使用再生材料現況 43 單位 :10 6 噸 / 年 再生材料種類總產量道路基底層用量舖面工程用量掩埋量 鋼鐵爐渣 廢棄混凝土 焚化爐渣 燃煤底灰 燃煤飛灰 顆粒狀瀝青 廢磚 道路清掃廢棄物

49 2.3.4 日本 日本厚生省為加強焚化灰渣之管理, 已於 1992 年修正公告 廢棄物處理法, 允許底渣與飛灰分別貯存或混合貯存, 然飛灰須經中間處理, 底渣可直接或與經處理後之飛灰合併掩埋 在焚化灰渣的處理方面, 則因受限於土地資源不足, 且掩埋場不敷使用, 故近年來全力著重於熱分解氣化熔融處理技術之研究發展及再利用方式之評估, 並積極推動熔渣應用於建築材料, 以減少掩埋灰渣及延長掩埋場之使用壽命 日本灰渣再利用以道路粒料 混凝土製品較為常見, 在工程應用方面, 亦有相當實績, 如垃圾焚化灰渣 污泥及建築廢棄土等混合於水中築填, 建造浮島式廢棄物掩埋場 表 2.19 為日本熔渣再利用之現況 表 2.19 日本熔渣再利用之現況 43 再利用品熔渣使用量 (kg/m 2 ) 混合率 (%) 備註 道路 瀝青混凝土面層材約 粒料底, 基層材 約 cm 步道 燒成磚 約 cm 連鎖磚 約 厚 8cm 外壁用燒成磚 約 cm 水泥二次製品 地盤改良 金屬粒塊 3 千噸 / 年 某造船廠塔吊車之平衡配重使用 註 : 連鎖磚 : 撓性強度 50kg/cm 2 以上, 外觀不得有裂痕 透水磚 : 撓性強度 30kg/cm 2 以上, 透水率 cm/sec 以上, 外觀不得有裂 痕等 步道磚 : 壓縮強度 (200kg/cm 2 以上 ), 透水率 13% 以上 35

50 2.4 國內底渣再利用情況 由於目前最佳垃圾處理的方式為資源化再利用, 剩餘部份在使其安定化 無害化 減量化, 然後將燃燒後殘渣物及廢棄陶瓷再利用處理, 並可有效降低廢棄物處理之二次公害問題, 根據環保署委託國立台灣大學進行的 廢棄物焚化灰渣材料化技術研究 結果顯示, 垃圾焚化爐產生之底渣經篩選處理後可運用於無筋混凝土摻料 瀝青混凝土摻料 磚品摻料 道路工程級配料及掩埋場每日覆土替代材料等再利用之用途 有鑑於此, 底渣再處理後之級配可用於道路鋪面工程 管溝回填級配料 各式磚類及透水性鋪面, 並可配合摻入廢陶瓷及廢玻璃製成其他鋪面產品, 有關綠建材再生材料應用於鋪面工程將簡單介紹如下 : 一 道路鋪面工程 : 底渣可以利用在道路鋪面工程上, 其他的再生材料, 如玻璃砂 廢混凝土塊 廢輪胎, 也有採用在道路鋪面工程中的案例 一般再生材料傾向利用於道路工程上, 主要原因是道路工程的材料工程性質要求沒有結構用材料來的嚴謹, 且道路工程土方級配需求量大, 若將底渣再生材料用於道路工程中, 將可大幅減少底渣的處理問題 以國外的狀況, 底渣主要的用途為道路基底層及無筋混凝土製品 典型的道路鋪面分為四層, 分別為面層 瀝青處理底層 級配底層及級配基層, 如圖 2.11 細粒料底碴依 AASHTO 土壤分類法屬於 A-1-a 透水性良好的砂質性土壤, 非常適合用於透水性舖面的級配基底層材料, 可提高級配的透水性 11 由於底渣的多孔性質, 利用在瀝青混凝土時會吸附瀝青膠漿, 減低有效瀝青含量, 影響經濟性, 同時添加過多的底渣會影響瀝青混凝土的抵抗浸水剝脫能力 粗粒料底渣因材料性質未能像天然粒料好, 再加上粒料含泥量較高及氯離子濃度較高並不能當成一般粒料來使用, 添加過多容易影響瀝青混凝土強度, 降低瀝青混凝土的抗車撤能力, 因此不適合用在較高交通量的公路 由於底渣會影響瀝青混凝土的經濟性及工程性質, 採用底渣時要注意添加的比例影響承載力問 36

51 題 5cm 5cm 15cm 瀝青混凝土面層 瀝青處理底層 級配料底層 25cm 級配料基層 圖 2.11 典型鋪面剖面圖 由於底渣有金屬殘留的問題, 易在表面產生鏽班, 因此建議底渣添加在瀝青 處理底層, 可避免民眾疑慮, 同時瀝青處理底層的要求較面層低, 亦可避免底渣 添加過量影響強度之問題 二 控制性低強度回填材 (Controlled Low Strength Materials, CLSM): 目前可用於管道開挖後的回填 多孔性材料有較低的密度, 在製成混凝土時有較低的強度, 有利於開挖, 而底渣就是一種多孔性材料 根據研究指出, 對於底渣的再利用方面, 建議可作為道路基層 瀝青混凝土粒料替代材料及管溝的回填材料, 即是現在工程界常說的 CLSM 底渣如應用於道路基層, 於粒料取代率 10%, 為良好之材料化產品, 對環境的影響性低 ; 應用於瀝青混凝土, 於粒料取代率 10% 時, 為良好之材料化產品, 惟需添加抗剝劑, 以增加抗水份侵害能力, 使不影響其耐久性 由於底渣類似天然砂土, 其流度 強度及滲透性均符控制性低強度回填料要求, 但是應避免使用於金屬管溝的回填, 避免造成腐蝕狀況 三 磚類應用 : 傳統磚類的製作是以黏土為主要原料, 經過研磨 加水攪和 成形 施釉後 37

52 窯燒, 以綠建材再生利用的方式, 製成資源化環保磚則以另外的方式, 將廢陶瓷 廢玻璃 燒結之淤泥 飛灰等再生材料處理後以黏著劑固結, 或和部分地磚胚土混合以高溫燒結 利用資源化磚的方式可以處理部分資源回收再利用建材, 以達成永續經營 節約資源的目標, 對業者而言可以減少原物料, 降低生產成本, 提高競爭力, 並可額外獲得廢棄物回收再利用之利益 利用再生材料的個別特殊性可以製作出特殊磚類, 例如利用鋁渣可以製出製出多孔隙的鋁質保水磚 底渣為多孔性輕質粒料, 可利用其性質製出排水性質佳的透水磚 ( 如圖 2.12), 透水磚有減少地表逕流 涵養地下水 幫助行道樹生長 降低熱島效應及有助於行車安全等優點 圖 2.12 底渣級配料製透水磚 透水性混凝土之配合設計 透水性混凝土主要配合設計原理是利用調整粗細粒料, 常使用均勻級配或殘缺級配, 表 2.20 為各國對於透水性混凝土粒徑分布規範, 使其產生連續孔隙, 讓水分能快速滲透, 孔隙率介於 15~25% 之間 一般而言粒料以漿體包覆, 以無 38

53 較多水泥漿流出為恰當 31 表 2.20 各國透水性混凝土粒徑分布規範 法 篩孔 (mm) 國過篩率 (%) 英 國 篩孔 (mm) 過篩率 (%) 南 非 篩孔 (mm) 過篩率 (%) 日 本 篩孔 (mm) 過篩率 (%) 以下將介紹目前較常用之配比設計方法, 分述如下 : 一 比表面積法比表面積法是由 CHARLES T.Kenedy 於 1940 年提出表面積理論, 主要以粒料之表面積乘以漿體厚度, 得出填漿量, 理論概述如下 38 : 假設理想的粒料顆粒接近球形, 若粒料之直徑為 d,ss 為比表面積, 以 球體表面積 與 球體體積 之比例可求得比表面積值, 公式如下 : 2 4π ( d / 2) 6 Ss= = 4 3 d π ( d / 3) 3 由上式可以推導出各粒徑的標稱直徑及單位體積比表面積如表 2.21 所示 : 39

54 表 2.21 粒料之比表面積 34 粒料粒徑 (mm) 平均直徑 (mm) S(m 2 /m 3 ) 25.0~ ~ ~ ~ ~ 結果顯示在水泥漿包裹厚度部分, 初開始設定為 1mm, 由於漿體垂流量太大, 而後逐漸調降至 0.5mm, 並以 0.5mm 0.4mm 以及 0.3mm 進行各項試驗, 以求得最佳水泥用量, 其中膜厚 0.4mm 時, 粒料粒徑為篩號 #4 及 #8 雙粒徑搭配, 水灰比 0.3 情形下, 試體抗壓強度已可達 200kgf/m 2, 透水係數則為 cm/sec 二 體積法體積法係以原有粗粒料孔隙率為基礎, 依目標孔隙率經過詳細計算, 以控制填漿體積, 利於掌握拌合完成後之孔隙率特性 美國混凝土協會以體積法進行透水混凝土配比設計, 步驟整理化簡後如圖 2.13 所示 : 40

55 ACI 透水性混凝土配比設計程序 粗粒料基本物性試驗 ( 乾搗單位重 Wt 面乾比重 S 吸水率 r 及參數 b( 註 )) 求出單位體積之面乾內飽和粗粒料體積 Va 及孔隙率 V t Va=Wt b (1+r)/Spw V t=1-va 決定目標孔隙率 v, 計算水泥漿體積 V P V P =V t-v 依據水灰比 W/C, 求出水泥體積 Vc 與水體積 Vw, 水泥比重 Sc W/C=vWpw/(ScVc) Vp=Vc+Vw 驗算 Va+Vc+Vw+v=1 註 :b 為混凝土與乾搗情形下之粗粒料含量比值 圖 2.13 ACI 透水性混凝土配比流程 30 水灰比決定水泥漿體黏結性與混凝土強度, 美國混凝土協會規範 A6.3 建議 水灰比值介於 0.35 至 0.45 由於單搗形態之粗粒料在拌合成混凝土後, 體積有 膨脹現象, 粗粒料含量相對減少, 不加砂情形下, 比例為

56 三 重量比例法重量比例法係利用經驗圖表, 迅速計算出各材料用量, 可簡化配比設計計算, 易於現場拌合施工 行政院公共工程委員會對於停車場 廣場等路面連鎖磚底層建議配比值如下 : 表 2.22 水泥 粒料等之要求 41 原料名稱 水泥 性能要求 滿足國家要求者 使用的粒徑越小, 水泥顆粒亦應相對變小 1. 粒料應為單一級配 如 10mm-20mm 10mm-30mm 等不宜小 於 5mm 或大於 40mm 粒料 2. 以卵石最好, 碎石次之, 理想的粒料是顆粒間接觸點儘可能多 3. 碎石型粗粒料之針 片狀總量最好小於 15 %, 粒料含泥量不宜 大於 1 % 4. 亦可使用再生粒料, 人造粒料等 表 2.23 無細粒料混凝土之設計參考 41 水泥 : 粒料水灰比水泥 kg/m 3 用水量 kg/m 3 碎石 kg/m 3 1: : : : : : 註 : 水灰比之理想範圍介於 0.45~0.6 之間, 較低者可選用

57 四 垂流試驗法採用排水瀝青混凝土美國 AASHTO T 網籠法類似方式, 繪出在某一粗粒料級配條件下的垂流特性曲線 ( 如圖 2.14), 經由垂流試驗成果分析後, 決定適當水灰比 44, 但此方法必須搭配其它方法 ( 如重量比例法 ) 得出水泥與粗粒料之間關係, 才能進行垂流試驗求得適當水灰比 其配合設計步驟如下 : 1. 先求得粗粒料基本物理性質, 包含粗粒料比重 單位重及孔隙率 2. 計算最大漿骨比 3. 進行垂流試驗決定水灰比及搗實方式 圖 2.14 利用切線法求出最大水灰比 44 決定適當水灰比後, 可求得透水性混凝土配合比例, 如表 2.24 所示 43

58 表 2.24 透水性混凝土配合比例 44 配比編號粒料粒徑漿骨比水灰比配比編號粒料粒徑漿骨比水灰比 mm mm mm mm 試驗結果得知在相同漿骨比條件下, 粒徑小的粒料抗壓強度大於粒徑大的粒料, 由漿骨比高低比較, 漿骨比高者黏結面積大, 強度隨之增加, 而漿骨比低者, 黏結面積小, 強度亦隨之變小, 強度最高可達 kgf/cm 2, 最低則為 kgf/cm 2 在滲透性能方面每組透水性混凝土均可達到 10-2 cm/sec 國內外目前所使用的配合設計方法, 在填漿量的計算上, 計有比表面積法 體積法 重量比例法及垂流試驗法等 比表面積法源自傳統混凝土水泥漿包覆粒料的理論, 一般工程師容易接受, 但需先了解各粒料之比表面積 ; 體積法為美國混凝土協會採用的方法, 計算上較為複雜, 但易於理解填漿量與孔隙的關係, 於植生工程重視孔隙率甚於強度的情形下, 使用此法較易預測孔隙率的數值 ; 重量比例法為公共工程委員會施工綱要規範使用之方法, 其配比計算極為簡易, 於粗 44

59 粒料稱重後, 即可迅速計算出水泥用量, 利於現場拌合施工, 若能掌握配比之物理及工程特性, 材料控管極為方便 ; 垂流試驗法可決定適當水灰比, 確保透水性混凝土不發生垂流現象 ( 漿體流至底部 ), 降低滲透性能 各種配比設計法理論及優缺點如表 2.25 所示 表 2.25 各種配比設計法理論 優缺點及適用情形 配比 設計 理論優點缺點適用情形 法 比表 面積 法 以粒料表面積乘 以漿體厚度, 得 出填漿量 與傳統混凝土粒 料由水泥漿體包 裹理論相符合 必須先計算各粒料之表面積, 漿膜厚度需試誤多次 工程師較易接受 體積 法 以原有粒料孔隙為基礎, 依目標孔隙計算, 控制填充比 控制填漿體積, 有助於目標孔隙 率計算 填漿量增大時, 圓柱試體孔隙率與理論孔隙落差大 易預測孔隙率 重量 比例 法 利用經驗公式計 算所需配比 簡化配比設計計 算, 易於現場拌 合施工 填漿量大小無可 供依循目標 利於現場拌合施 工 垂流 試驗 法 經由垂流試驗得 出適當水灰比 可控制透水性混 凝土較少發生垂 流現象 雖能保持滲透性 能, 但抗壓強度 不佳 確保透水性混凝 土之滲透性能 45

60 上述配比設計方法都須經過實際計算及多次試驗, 方可得出較佳結果, 對於時間及成本就得相對付出許多, 此外亦無法得知各項實驗參數對於物理現象做解釋, 因而常常忽略重要的因子, 同時亦造成實驗上的偏見 (bias) 23, 故本研究採用另種實驗計劃法作為透水性混凝土之配比設計方法 2.6 實驗計劃法之應用 英國學者 Ronald A. Fisher 氏於 1920 年待發展出實驗計劃法並首次應用變異數分析法 (analysis of variance,anova) 以作為實驗設計主要的統計分析工具 實驗設計 (Design of Experiment, DOE) 是指進行何種方法最具有效果的實驗, 除可獲得與實驗目的相關資訊外, 且使實驗成本最低及利用何種方法分析實驗數據得到所需情報, 稱之為實驗設計 目前產業界為了 開發新產品 最適化操作 設定加工條件 降低不良率 及 降低成本 等目的而加以利用 37 為研究不同配比條件對於透水性混凝土物理性質影響, 本研究須透過適當之實驗設計方法找出最佳參數組合, 實驗設計之目的為 : 1. 以最少時間及成本從事實驗, 以達到最小實驗誤差 2. 尋找較佳之條件組合, 得到適當品質目標且符合最小成本或最大產能 實驗計劃法在使用上的術語有以下 4 個 : 1. 品質特性 (Quality Characteristic): 又稱應變數, 指實驗結果之特性值, 如抗壓強度 透水率等 2. 因子 (Factor): 又稱自變數, 為在實驗或製程中會影響品質或反應之因 素, 如水灰比 添加掺料比例等 3. 水準 (Level) 及水準數 : 用來表示因子的狀態條件稱為水準, 水準總數稱 為水準數, 如用水量有 122L/m 3 132L/m 3 及 144L/m 3 等三種變化量, 因 46

61 此水準數為 3 4. 配分 (Treatment): 因子水準的特定組合, 如 A 因子有 A1 A2 及 A 3 三種水準, 而 B 因子有 B1 B2 及 B3 三種水準, 則其配分共有九種 實驗計畫法有試誤法 單因子實驗 全因子實驗以及田口實驗法四種, 以下就此四種方法作優缺點之比較 實驗設計法之比較 1. 試誤法 (trial-and-error) 所謂試誤法為依個人經驗或直覺, 選擇一組設計參數直接試作 ; 若試驗結果不佳, 變選用另組參數試作 ; 若試驗結果可接受, 則此組設計參數被採用 試誤法並非是有系統之實驗方法, 有時有效率, 但大多數情況下則費時且費金錢, 而使用試誤法得出結果亦較人難以信服 2. 單因子實驗計劃法 (one factor at time) 此方法為最常用之實驗設計方法, 在實驗過程中每次只允許變動單一因子的水準, 其餘因子需保持固定, 如表 2.26 為含 A B C 及 D 四個因子, 每因子有兩個變動水準的實驗計劃, 第一次與第二次實驗比較, 只變動 A 因子, 其他因子不變 ; 同樣比較第二次與第三次實驗, 只變動 B 因子, 故可得知各因子之變動量以分別探討其對實驗的影響 此種實驗方法可能發生最佳化的組合設計發生在未曾實驗的組合中, 且會損失因子之間交互作用的情報, 此外, 當因素很多時將不真實, 同時也無法保證在實際的製造條件中, 可獲得實驗結果的再現性 47

62 表 2.26 單因子實驗計劃法例子 組別 A B C D 全因子實驗計劃法 (full factorial experiment) 將全部因子的水準經過排列組合後決定實驗次數, 以 4 因子 2 水準而言需要實驗的次數為 16(2 4 ) 次如表 2.26 所示 雖然全因子實驗可直接從全部實驗中得出最佳組合, 無須進行分析 觀察表 2.27 可發現, 在全因子實驗計劃法中, 每行中各水準所出現次數相同, 此為達到自我平衡 (Self-Balanced); 在某一行中出現某水準之所有實驗組, 在另一行中, 出現各水準之次數相同, 稱為互相平衡 (Mutual-Balanced), 若假設以 -1 表示為第二水準, 則可發現任一行累加後為零, 且任兩行之乘積和亦為零 具以上特徵之實驗計畫配置表稱為 直交表, 全因子實驗計劃表一定為直交表 全因子實驗計劃法雖具有直交性優點, 但隨著實驗因子增加而以水準因子數等比級數增加, 造成實驗規模過於龐大, 不僅無效率且增加成本 48

63 表 2.27 全因子實驗計劃法例子 組別 A B C D 田口實驗計劃法 (Taquchi Method) 49

64 田口方法或稱田口式品質工程是由田口玄一博士根據前人研究自行研發之直交表, 主要是以較少實驗次數, 獲得有用之統計資料 田口方法的兩個主要工具為直交表 (orthogonal array) 及 SN 比 (Signal-to-noise ratio), 其強調的重點是在產品或製程設計時就考慮品質問題, 亦即如何降低產品績效的變異 在美國稱為田口法 (Taquchi Method,TM); 在日本則稱為品質工程 (Quality Engineering, QE) 23 綜合以上四種實驗的比較, 因田口實驗計劃法在成本及時間上較經濟, 且具有良好的再現性, 所以在本研究中的配比實驗條件配置採用田口實驗計劃法 田口實驗設計 業界在線上 (On Line) 生產的品質管制通常採統計製程管制 (Statistical Process Control), 對離線 (Off Line ) 的製程參數及設計參數等, 一般使用田口實驗計劃法, 如圖 2.15 所示 由於田口實驗法具有 實驗數目少 及 良好的實驗再現性 等性質, 因此普遍受到電子業, 製造業的重視 品質工程 ( 田口實驗設計法 ) 離線品質管制 線上品質管制 製程設計 參數設計 製程管控 圖 2.15 田口實驗計劃法概念 50

65 以下就田口實驗設計法的規劃過程作說明 1. 因子及水準選擇 : 因子是造成實驗結果產生變化的可能原因, 又分為以下兩種 : (1) 控制因子 (Control Factor): 為實驗者可自由設定水準的參數, 在本研究中 選擇粒料粒徑 水泥用量 用水量及掺料 (2) 誤差因子 (Error Factor): 又稱雜音因子 (Noise Factor), 為實驗者無法控制, 但會造成實驗結果改變, 如養護溫度與時間 實驗人員操作等 水準就是因子控制條件, 一般採用 2 或 3 個水準 如 : 用水量有 122L/ m 3 132L/ m 3 及 144L/m 3 等三種狀態條件, 所以其水準數為 3 2. 直交表選擇直交表為具有直交性的特定實驗組合的表格, 直交性 (Orthogonal) 是因子能個別獨立被評估且當因子本身變動, 其效應不會影響到其他因子的評估 再所有特定組合中每一因子其水準分佈比例皆為 1:1, 如 L8(2 7 ) 直交表, 說明如圖 2.16, 然而為儘量減少實驗的花費, 通常使用合乎所需之可能的最小直交表 水準數 因子數 L8(2 7 ) 實驗次數 圖 2.16 直交表符號說明圖 選擇直交表前, 需先了解每個因子的自由度 (Degree Of Freedom, DOF), 自 由度的定義為欲得知結果, 所需獲取情報數大小的量度, 也就是水準間比較的最 少次數 ( 在不重複比較的情形下 ) 如 : 在在用水量 122L/m 3 與 132L/m 3 比較後, 51

66 找到的較佳值為 132L/m 3, 然後再與 144L/m 3 比較一次, 找到的較佳值為 132L/m 3, 所以兩次就能找到所需的答案, 因此自由度為 2 因子自由度即為水準數減 1, 因此因子之自由度的計算可歸納 : F DOF = 水準數 -1 (2.1) 3.S/N 比的選擇田口博士認為好的品質特性須符合以下兩項 :(1) 品質特性之平均值與目標值一致,(2) 品質特性之變異數愈小愈好, 其定義如下式 Signal SN = 10 log 10 Noise ( db) (2.2) 田口博士認為好的品質特性須符合以下兩項 :(1) 品質特性之平均值與目標值一致,(2) 品質特性之變異數愈小愈好, 其定義如下式 而所提出的 SN 比主要目的在於同時考量品質特性之平均值與變異數, 有下列三種類型 : (1) 望大特性 SN 比 (Bigger-the-better,B-Type): 望大特性問題的主要特徵為 :(a) 品質特性是連續且非負值, 範圍為零到無限大 ;(b) 目標值為, 或最大的可能值 ;(c) 不需要調整因子 ;(d) 望大特性問題是望小特性問題的倒數 望大特性的 SN 比定義如下式 : SN LTB n 1 1 = 10 log10 2 (2.3) n i= 1 yi (2) 望目特性 SN 比 (Normial-the-best,N-Type): 望目特性問題的主要特徵為 :(a) 品質特性是連續且非負值 ;(b) 目標值為一有限值且不為零, 或最大的可能值 ;(c) 當平均值為零時, 變異數亦為零 ;(d) 需要調整因子 在望目特性時是利用 SN 比分析變異, 用靈敏度 S 分析平均值 望目特性的 SN 比定義如下式 : 令 m 為目標值,n 為實驗數, 且 52

67 n T = y (2.4) i= 1 i T y = (2.5) n n T 2 i n (2.6) i= 1 n Sm = y = = n y n 2 n 2 n T 1 2 e = σ = i = i = i m n 1 i= 1 n 1 i= 1 n n 1 i= 1 V y y y y S (2.7) 1 ( S V ) m e SN = 10 log n 10 Ve 1 S = S V n ( ) 10 log10 m e (2.8) (2.9) (3) 望小特性 SN 比 (Smaller-the-better,S-Type): 望小特性問題的主要特徵為 :(a) 品質特性是連續且非負值 ;(b) 目標值為零 ; (c) 不需調整因子, 望小特性的目標是要同時最小化平均值與變異 望小特性之 SN 比定義如下式 : SN STB n 2 = 10 log10 yi n i = 1 1 (2.10) 4. 回應表分析回應表分析 (analysis by response table) 包含回應表及回應圖, 回應表如表 2.28 所示, 回應圖如圖 2.17 所示, 為直交表的數據分析 用來區分各個因子的平均值大小, 以決定哪些因子對實驗的影響較大, 並找出最強的因子作最佳組合, 以此最佳組合來推測最佳的實驗結果, 並與實際確認實驗 (confirmation experiment) 相比對來做驗證工作 53

68 表 2.28 回應表 因子 A B C D 水準 1 A 1 B 1 C 1 D 1 2 A 2 B 2 C 2 D 2 Max-Min A 圖 2.17 回應圖 5. 變異數分析變異數分析 (Analysis Of Variance,ANOVA) 主要是用於求得因子的貢獻度及有效性, 因此需先判定因子的顯著性, 利用 誤差變動 與 因子變動 做比較, 因子變動 若小於 誤差變動 則該因子可視為無效因子, 但有時則需先判斷該因子是否為重要因子 經由上述辨別, 將小於 誤差變動 的全部因子與 誤差變動 相加變成 調和誤差變動 以此來作貢獻度及變異比判定因子有效 54

69 性的運算 其定義如表 2.29: 表 2.29 變異數分析分式表 名稱 公式 平均變動 n 1 Sm = CF = ηi N i= 1 2 全變動 S T N 2 = ηi CF i=1 K 2 A = CF n i I 因子變動 SA [ ] i= 1 Ai 自由度 F DOF = 實驗數 -1 變異 純變動 變異比 ' A S V A = f A A A S = S f V V F A = V A et A e ' S A 貢獻度 ea = 100% S T 調和誤差項變異 調和誤差項的變動 調和誤差項的自由度 S V et = f et et S + S e = S et f + f e = fet 調和誤差項的純變動 S ' et = S T S ' A S ' B... S ' H 誤差項變動 誤差項自由度 S = S S S... S e e T T A f = f f f... f A B B H H 55

70 ' S et 調和誤差項的貢獻度 eet = 100% S 以上為田口實驗計畫法之流程 現就其它情況探討, 一般的實驗分析皆以單一品質特性作考量, 若遇到具有多重品質特性, 可採用代價函數 (cost function) 來執行多重品質特性評估 其方法為將品質特性所對應之水準做成綜合因子回應表, 並將品質特性正規化後, 進行代價函數運算, 公式如下 : T CF=W 1 Q 1 +W 2 Q 2 +W 3 Q 3 (2.12) CF= 代價函數 ;W i = 品質特性的權值 ;Q i = 品質特性 依照分析所需之品質重要性, 給予不同的權值 如此可依代價函數值, 來決 定多重品質特性的最佳條件 56

71 第三章試驗計劃 本研究旨在探討不同試驗變數下之透水性混凝土物性變化暨添加焚化爐底 渣對於透水性混凝土之影響 ; 試驗項目包含透水性混凝土坍度試驗 單位重試 驗 孔隙率試驗 透水性試驗及抗壓強度試驗 3.1 試驗變數 從文獻 得知, 影響透水性混凝土強度 孔隙率及透水率的因 素包含粒料粒徑 水泥量 水灰比及掺料等, 因此本研究透水性混凝土係採用宜 蘭蘭陽溪砂石 (1.27cm~0.95cm 及 0.95cm~0.48cm), 水泥 (400kg/m 3 500kg/m 3 及 600kg/m 3 ) 用水量 (120L/m 3 132L/m 3 及 144L/m 3 ) 及掺料 (0L/m 3 15L/m 3 及 30L/m 3 ) 等配比, 於相同養護條件下對混凝土工程性質之影響, 並研究混凝土以焚化爐底 渣取代部分粒料, 於相同養護條件下之工程性質影響 3.2 試驗材料 水泥 本研究採用卜特蘭第 Ι 型水泥, 為台灣水泥公司所生產的品牌水泥, 表 3.1 及 3.2 為水泥物理及化學性質表 57

72 表 3.1 水泥物理性質表 14 細度 (cm 2 /g) 3460 比重 3.15 健度 0.05 物理性質 初凝 (hr) 2.5 終凝 (hr) 天抗壓 (kg/cm 2 ) 天抗壓 (kg/cm 2 ) 天抗壓 (kg/cm 2 ) 384 表 3.2 水泥化學性質表 14 SiO % Al 2 O 5.4% Fe 2 O 3 3.2% CaO 63.9% MgO 2.0% 化學性質 SO C 3 S 51.0% C 2 S 21.0% C 3 A 8.9% C 4 AF 9.8% 燒失量 1.0% 58

73 3.2.2 粒料 由於蘭陽溪碎石較一般地區碎石質硬 強度佳, 故此實驗採用蘭陽溪之人工碎石天然粒料 ( 如圖 3.1 及 3.2), 根據中國國家標準進行實驗得其單位重及吸水率, 結果如表 3.3 所示 本研究採用之粒料粒徑分佈如表 3.4 圖 3.3 所示 圖 3.1 三分石 圖 3.2 二分石 59

74 表 3.3 粒料之單位重及吸水率 試驗項目 規範 三分石 粒料 二分石 單位重 (kg/m 3 ) 吸水率 (%) CNS CNS 表 3.4 粒料之粒徑分佈 本 研 究 篩孔 (mm) A 過篩率 B (%) C 註 :A 表示 ( 三分石 : 二分石 :50%:50%) B 表示 ( 三分石 : 二分石 :60%:40%) C 表示 ( 三分石 : 二分石 :70%:30%) 60

75 通過篩之重量 (%) A 類 B 類 C 類 粒徑 (mm) 圖 3.3 A B C 類粒料之粒徑分佈曲線圖 掺料 本研究採用掺料為流動化劑, 屬於羧酸盐接枝共聚型減水劑一種, 其特點為減水率高, 每加 1% 流動化劑可減少用水量 18-20%; 坍度落差小,2 至 3 小時內坍度基本無損失 ; 後期強度較高 焚化爐底渣 焚化爐底渣是採用國賓大地環保事業股份有限公司所提供 ( 如圖 3.4 所示 ), 其底渣級配料物性如表 3.5 所示, 底渣級配料化性如表 3.6 所示, 底渣級配料溶出檢測如表 3.7 所示 從表 3.7 得知焚化爐底渣含鉛量較高, 但未超過法定值, 因此合乎規範 61

76 圖 3.4 本研究採用之焚化爐底渣 62

77 粒料篩分析試驗 (%) 細粒料粗粒料年度表 3.5 底渣級配料物性 43 批號 3/4" 1/2" 3/8" #4 #8 #10 #16 #30 #40 #50 #100 #200 <#200 比 重 吸水率 (%) 比 重 吸水 率 (%) 粗粒料洛杉磯磨損率 (%) 細粒料含泥量 (%) 粒料單 位質量 (kg/m 3 ) 孔隙 率 (%) 細粒料健度 粗粒料健度 0106PT MJ PT NH MJ

78 表 3.6 底渣級配料化性 43 底渣晶相物種 比例 SiO 2 25% CaO 20% Al 2 O 3 10% Fe 2 O 3 10% MgO 1.5% K 2 O 1.5% Na 2 O 4% 表 3.7 底渣級配料溶出檢測 43 項目鎘鉛鉻六價鉻砷汞 樣品數 測值範圍 0~ ~4.85 0~0.78 0~0.2 0~ ~ 平均值 超過法規數 法規值 註 : 單位 mg/l 3.3 實驗規劃 實驗首先以魚骨圖的方式尋找實驗因子, 如圖 3.5 所示, 找尋可靠控制因子為粒料粒徑 水泥用量 用水量及掺料 4 個, 但由於實驗因子數目過多, 若採取全因子試驗法則增加成本及時間, 效益不大 ( 一組 5 個試體, 採用全因子則須做 64

79 320 顆試體, 採用田口法 L9 只需製作 45 顆試體, 減少約 7 倍時間 ), 因而採用田口玄一博士所倡導的田口實驗方法 (Taquchi Method) 或稱田口式品質工程, 田口方法的兩個主要工具為直交表 (orthogonal array) 及 S/N 比 (Signal-to-noise ratio), 其強調的重點是在產品或製程設計時就考慮品質問題, 亦即如何降低產品績效的變異 因此田口實驗計畫法在成本及時間上較經濟, 且具有良好的再現性, 故本研究中的透水性混凝土實驗條件配置採用田口實驗計劃法, 並以參數設計法來評估重要的實驗因子 20 使用田口法的回應圖表找出最佳實驗組合 (Engineering Optimization), 再以加法模式預測其最佳值, 並以實際試驗結果驗證數據是否合理 圖 3.5 魚骨圖 研究探討配比參數之選擇, 以求得透水性混凝土品質佳, 實驗因子以及水準 如表 3.8 所示, 在本研究中, 暫不考慮因子之間的交互作用影響, 只考慮因子的 65

80 主效果, 並進一步評估這些因子的影響 本研究選用的直交表為 L9(3 4 ), 如表 3.9 所示 品質指標為單位重 孔隙率 透水率及抗壓強度, 目標為望大 表 3.8 實驗因子水準表 符號試驗因子 單位 A 粒徑 配比 50%:50% 60%:40% 70%:30% 重量 kg/m 3 B 水泥用量 kg/m 3 C 用水量 L/m 3 D 掺料 L/m 3 註 : 粒徑配比指三分石 : 二分石 表 3.9 配比試驗之直交表 L9(3 4 ) No. A B C D 單位重孔隙率透水率抗壓強度

81 3.4 透水性混凝土拌合方式 透水性混凝土之拌合步驟如下 : 1. 將粒料與水泥倒入拌合機 ( 如圖 3.6), 拌合方式採強制式機械拌合 2. 待粒料與水泥均勻後, 再加入水 ( 包含水與掺料 ) 分數次拌合 ( 如圖 3.7 及 3.8) 3. 拌合至水泥漿體充份包裹粒料為止 ( 如圖 3.9), 掺料需事先與水混合 圖 3.6 粒料與水泥投入拌合機 67

82 圖 3.7 粒料與水泥均勻拌合 圖 3.8 水與掺料倒入拌合機 68

83 圖 3.9 水泥漿體充份包裹粒料 3.5 試驗設備 抗壓試驗機 本研究所使用之混凝土抗壓強度試驗機為弘達儀器有限公司所代理的 HT-8391PC 電腦伺服油壓混凝土抗壓試驗機 ( 如圖 3.10), 規格如表 3.10 所示 69

84 圖 3.10 混凝土抗壓試驗機 表 3.10 混凝土抗壓機規格 容量 (T/kN) 最大垂直空間 (mm) 水平空間 (mm) 上壓盤 ( 球座 ) 尺寸 (mm) 油缸行程 (mm) 試驗速率洩壓速率 1000kN (100Tons) 340 mm 330 mm ø160 mm 50 mm 1.41 至 3.52kg/cm 2 /sec Max.50 mm/min 70

85 3.5.2 透水率試驗儀 實驗所使用透水率試驗儀為透明壓克力材質, 上模為 公分之方形模, 中間 5 公分處製作一出水口, 底部則鑽數個孔洞, 使水能夠向下滲流 ; 底模則為 公分之方形模, 底部打洞, 使水能由上模經由試體而穿越底模至底盆, 底盆為 公分之方形模, 其目的為接收滲流水, 並於底部向上 5 公分處設一排水口, 如圖 3.11 所示 注水 水頭容器 穩壓容器 試體 量杯 Q H 電子秤 圖 3.11 透水試驗儀示意圖 混凝土坍度試驗模 本研究所使用坍度試驗模為 CNS 1176 規定之坍度模 乃一中空截頭錐形之模, 無底無蓋, 其頂之內徑為 10.16cm (4in) 底部內徑為 20.32cm (8in) 高為 30.4cm (12in), 如圖 3.12 所示 圖 3.12 坍度試驗模 71

86 3.6 試驗方法 本試驗探討在不同配比下透水性混凝土之物理性質 試驗項目包括混凝土坍度試驗 單位重試驗 孔隙率試驗 透水率試驗及抗壓強度試驗, 試驗方法如下 : 一 坍度試驗本試驗目的在探討新拌透水性混凝土之稠度與工作度, 亦表示混凝土之流動性, 依據 CNS 1176, 並參考 ASTM C143 規範進行 試驗步驟 過程 ( 如圖 3.13) 與計算如下 : 1. 將新拌混凝土填入坍度模內, 填入時分 3 層搗實, 每層搗實 25 次, 搗實之力以適當使棒端達至下層之頂面即可, 至填滿為止 2. 以刮刀將模頂刮平, 並立即將坍模向上垂直舉起, 以尺量混凝土高度, 則坍度即為坍下後之高度與原有高度之差 坍下後高度讀數應量至 0.5cm 3. 坍度計算 : 坍度 =30cm- 坍下後試體高度 (cm) 圖 3.13 透水性混凝土坍度試驗圖 72

87 二 單位重試驗本試驗目的在測定透水性混凝土之單位重, 依據 CNS 及參考 ASTM C138 規範進行 試驗步驟過程 ( 如圖 3.14) 與計算如下 : 1. 將拌合完成之透水性混凝土分 3 層搗入試體模內, 每層搗實 25 次, 最後將試體模表面以鏝刀刮平, 放置 48 小時後拆試體模秤透水性混凝土重量 2. 計算透水性混凝土單位重 (kg/m 3 ): γ=w/v 式中 :γ= 透水性混凝土單位重 (kg/m 3 ) W= 透水性混凝土之重量 (kg) V= 試體模容積 (m 3 ) 圖 3.14 透水性混凝土單位重試驗圖 三 孔隙率試驗本試驗目的在測定透水性混凝土孔隙率, 根據 日本混凝土協會生態混凝土科技研究委員會 ( JCI Technical Research Committee on Ecological Concrete )所建議之試驗方法, 試驗過程如圖 3.15 所示, 試驗方法如下 : 73

88 1. 將試體浸入 20 之水中,24 小時後, 量測試體於水中重, 此重量紀錄為 W 1 2. 再將試體放置於室溫 20, 相對濕度 60% 之場所 放置 24 小時候, 量測試體於空氣中重, 此重量計錄為 W 2 3. 將秤重後之試體繼續養護, 直至試驗齡期時間結束 4. 孔隙率計算方法如下 : 孔隙率 =(1-(W 2 - W 1 )/V) 100% 式中 :W 1 = 水中重 W 2 = 氣乾重 V= 試體模體積 圖 3.15 透水性混凝土孔隙率試驗圖 74

89 四 透水率試驗本試驗中透水係數的求取, 依據 Darcy 公式, 採用日本道路協會建議之定水頭滲透試驗裝置進行試驗, 其試驗過程如圖 3.16 所示 試驗步驟與計算如下 : 1. 利用防水膠帶將透水性混凝土試體表面整個包裹住, 置於透水試驗儀內, 並將透水儀上下兩層鎖緊, 避免水由側面通過, 影響試驗準確性 2. 試驗時由透水儀上方緩緩注水, 使水能自透水圓筒上方通過試體, 並流出水槽, 保持一定水位 (5cm) 後, 由水槽中之排水口排水 等水槽排出水量穩定時, 以量筒量測一定時間內流出之水量 3. 透水係數計算 : 透水係數 K(cm/sec)=ρ L Q /(A H) 式中 :L= 試體長度 (cm) A= 試體截面積 (cm 2 ) Q= 單位時間內之流量 (cm 3 /sec) ρ 為水的密度 圖 3.16 透水性混凝土透水率試驗圖 75

90 五 抗壓強度試驗本試驗根據 CNS 1232 準則採用圓柱試體模直徑 10 公分, 高 20 公分進行抗壓強度試驗, 試驗過程如圖 3.17 所示, 其試驗步驟與計算如下 : 1. 將配比設計出之粒料 水泥 水及掺料經拌合後, 分 3 層搗入試體模內 (CNS 1230, 規定分三層填模 ), 每層高約 10 公分及搗實 25 次 填模完成後, 將表面用刮平刀刮平 2. 將試體至於室內,48 小時後拆模, 將試體編號, 待齡期 7 天及 28 天, 將試體頂部與底部之粗糙面使用石膏予以蓋平, 防止因加載荷重引起應力集中 3. 將蓋平後之試體置於抗壓機台上, 使試體受壓力作用, 至試體破壞為止, 記錄破壞時之最大荷重 4. 抗壓強度計算 : 抗壓強度 (kgf/cm 2 P )= A 式中 :P= 試體破壞時最大荷重 (kgf) A= 試體斷面積 (cm 2 ) 圖 3.17 透水性混凝土抗壓強度試驗圖 76

91 第四章試驗結果與討論 過去國內有關透水性混凝土相關課題, 以研究強度及透水率兩者為主, 原因是提升強度會造成透水率降低, 使得兩者無法兼備 近年來之研究指出, 透水性混凝土欲提升強度可添加掺料 因此本研究依照第三章之試驗計劃及研究方法進行配合設計, 首先對於新拌混凝土進行坍度試驗, 再製作圓柱試體以測試透水性混凝土之單位重 孔隙率 透水率及抗壓強度等試驗, 並分析試驗結果 4.1 透水性混凝土各項物理性試驗結果 試驗內容包含坍度試驗 單位重試驗 孔隙率試驗 透水率試驗及抗壓強度試驗, 並藉由各試驗結果去探討彼此間的關係 ( 單位重與孔隙率 單位重與抗壓強度 孔隙率與透水率及孔隙率與抗壓強度 ), 期望能找出影響透水性混凝土品質之因子 坍度試驗 坍度試驗由於試驗方法簡單, 為試驗室與現地常使用的一種試驗方法, 試驗主要目的在於測定新拌混凝土之稠度及工作度, 若稠度高, 不利於透水性混凝土施工 ( 工作度差 ), 但若稠度低 ( 水泥漿體過稀 ) 如圖 4.1 所示, 則水泥漿體流至透水性混凝土底部, 堵塞孔隙而影響透水性能 ; 一般而言, 用水量固定時, 水灰比愈低稠度愈高, 工作度愈差, 相對而言拌合與澆置困難度高 依據表 3.8 及 3.9 進行配比試驗, 得出坍度試驗結果, 如表 4.1 所示, 圖 4.2 為坍度比較圖 77

92 圖 4.1 水泥漿體稠度低 表 4.1 坍度試驗結果 組別 坍度 (cm) 組別 坍度 (cm)

93 坍度 (cm) 坍度值 組別 圖 4.2 坍度比較圖 目視檢查 力學強度與透水性能是透水性混凝土應用之重要兩項性質, 尤其以透水性能更顯重要 力學強度關係到透水性混凝土的應用層面, 強度高可作為中低交通量之車道鋪面 ; 強度低則可作為人行道鋪面, 但若透水性能差, 在應用上則大受限制 因此在確定試體配比後所拌合試體, 首先以目測方式檢視試體有無漿體垂流現象, 若有發生垂流現象亦即無滲透性能之試體, 應予以剔除, 確保後續進行之試驗有一定的透水性能 表 4.2 為目測檢查結果 表 4.2 目視檢查結果 組別 試體外觀 組別 試體外觀 1 無異狀 6 無異狀 2 無異狀 7 無異狀 3 無異狀 8 無異狀 4 無異狀 9 無異狀 5 無異狀 79

94 4.1.3 單位重試驗 一般混凝土單位重通常隨著含氣量試驗一同進行, 因混凝土含氣關係著抵抗 凍融與工作性 ; 但因為透水性混凝土內部孔隙大, 對於抵抗凍融能力佳, 所以含 氣量大小, 在抵抗凍融能力就顯得微不足道 由試驗結果顯示透水性混凝土單位 重較一般常重混凝土輕, 原因是孔隙大, 導致單位重下降 試驗結果如表 4.3 與 圖 4.3 所示 從粒徑比例觀察可得知, 單位重最高是第 3 組 ( 其級配為粒料比例 50%:50 % 水泥量 600 kg/m 3 用水量 144 L/m 3 及摻料 30L/m 3, 單位重為 2159kg/cm 3 ), 最低是第 8 組 (( 其級配為粒料比例 70%:30% 水泥量 500 kg/m 3 用水量 120 L/m 3 及摻料 30L/m 3, 單位重為 1930kg/cm 3 ), 相同體積之下, 粒徑愈小, 重量愈大, 原因為較小粒料可填滿較多孔隙, 反之較大粒料因體積大, 無法填滿孔隙 表 4.3 單位重試驗結果 組別 單位重 (kg/m 3 ) 組別 單位重 (kg/m 3 )

95 2200 單位重 單位重 (kg/m 3 ) 組別 圖 4.3 單位重比較圖 孔隙率試驗 孔隙率是指透水性混凝土單位體積內所含孔隙體積, 為表示物體內部孔隙之多寡 透水性混凝土內部結構特性為不緻密, 使用不足量之漿體產生許多孔隙, 主導滲透性能 ( 透水率 ) 可透過 3.6 節試驗方法之孔隙率測定, 結果如表 4.4 及圖 4.4 所示 9 在相同體積條件下, 粒徑大小及填漿量多寡皆影響孔隙率, 而從試驗配比中得知, 第 3 組及第 6 組之填漿量較多, 因而孔隙率較小, 其次第 8 組因粒徑比例 ( 較大粒料 ) 關係, 因而孔隙率高 表 4.4 孔隙率試驗結果 組別 孔隙率 (%) 組別 孔隙率 (%)

96 孔隙率 孔隙率 (%) 組別 圖 4.4 孔隙率比較圖 透水率試驗 透水性能是評量透水性混凝土功能的重要指標之一, 一般是採用透水率來表 徵透水性混凝土之透水能力 其試驗結果如表 4.5 及圖 4.5 所示 表 4.5 透水率試驗結果 組別 透水率 (cm/sec) 組別 透水率 (cm/sec)

97 透水率 (cm/sec) 透水率 組別 圖 4.5 透水率比較圖 抗壓強度試驗 透水性混凝土係以不足量漿體將粒料包裹而成, 使得內部孔隙大, 抗壓強度較一般混凝土低, 因而在工程應用上受到一定限制, 而破壞情形 ( 粒料與粒料間連接點破壞 ) 相對與一般傳統破壞情形 ( 剪力破壞 ) 不一樣, 如圖 4.6 所示 10 本研究根據 CNS 1232 準則進行抗壓試驗, 其試驗結果如表 4.6 及圖 4.7 所示 圖 4.6 透水性混凝土破壞情況 83

98 表 4.6 抗壓強度試驗結果 組別 抗壓強度 (kgf/cm 2 ) 抗壓強度 (kgf/cm 2 ) 組別 7 天齡期 28 天齡期 7 天齡期 28 天齡期 抗壓強度 (kg/cm 2 ) d 28d 組別 圖 4.7 抗壓強度比較圖 小結 綜合上述各項試驗結果分析, 可得知以下幾點重要成果 : 1. 由圖 4.8 得知透水性混凝土單位重與孔隙率為成反比關係, 單位重愈大, 孔隙率愈低 ; 單位重愈小, 則孔隙率愈高 84

99 孔隙率 (%) y = x R 2 = 單位重 圖 4.8 單位重與孔隙率關係 2. 由圖 4.9 得知透水性混凝土單位重與抗壓強度為呈正比關係, 當單位 重愈低, 抗壓強度也愈低 ; 單位重愈高, 抗壓強度亦提高 抗壓強度 300 y = x R 2 = 單位重 圖 4.9 單位重與抗壓強度關係 3. 由圖 4.10 得知透水性混凝土孔隙率與透水率為呈正比關係, 當孔隙率 愈低, 透水率愈低 ; 孔隙率愈高, 透水率亦相對提升 85

100 透水率 y = x R 2 = 孔隙率 圖 4.10 孔隙率與透水率關係 4. 由圖 4.11 得知透水性混凝土孔隙率與抗壓強度之間關係不顯著, 明顯 地有其他影響因子操縱其孔隙率及抗壓強度之關係 抗壓強度 孔隙率 圖 4.11 孔隙率與抗壓強度關係 由上述之分析, 雖可瞭解透水性混凝土各項物理特性間之關係, 但卻無法判 別是否有其他因子影響其關聯性, 因此下節將以田口實驗計劃法所設計透水性混 凝土配比進行分析探討 86

101 4.2 最佳配比 最佳品質表現必須同時考慮平均值 ( 愈大愈好 ) 及標準偏差 ( 愈小愈好 ), 因此可利用 S/N 比來表示品質指標 因此依照田口實驗計畫法所設計的直交表條件之實驗結果, 將透水性混凝土各項試驗結果整理如表 4.7 所示, 並進行各項靜態分析, 包含單位重 孔隙率 透水率及抗壓強度之 S/N 比結果如表 4.8 所示 表 4.7 各項試驗結果 試驗項目 單位重 孔隙率 透水率 抗壓強度 (kgf/cm 2 ) 組別 (kg/m 3 ) (%) (cm/sec) 7 天齡期 28 天齡期

102 表 4.8 各項試驗項目之 S/N 比 試驗項目 η(db) 組別單位重孔隙率透水率抗壓強度 註 :η 表 S/N 比 接下來進行透水性混凝土的回應表及回應圖分析, 藉由各項試驗結果 ( 包含單位重 孔隙率 透水率及抗壓強度 ) 的 S/N 比 ( 望大特性公式, 如公式 2.4) 進行回應表及回應圖分析, 找出最佳組合, 並觀察各項實驗因子的效果 如表 4.9~12 所示 88

103 表 4.9 透水性混凝土單位重回應表與回應圖分析 Level A B C D Delta Rank A1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 C3 D1 D2 D3 A: 粒徑 (50%:50% 60%:40% 70%:30%) B: 水泥用量 (kg/m 3 )( ) C: 用水量 (L/m 3 )( ) D: 掺料 (L/m 3 )( ) 1. 最佳組合為 A2 B3 C3 D2 2. 進行預測因子為 A2 B3 C3 3. 預測之 S/N 比 η= db, 單位重之預測值為 2190kg/m 3 89

104 表 4.10 透水性混凝土孔隙率回應表與回應圖分析 Level A B C D Delta Rank A1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 C3 D1 D2 D3 A: 粒徑 (50%:50% 60%:40% 70%:30%) B: 水泥用量 (kg/m 3 )( ) C: 用水量 (L/m 3 )( ) D: 掺料 (L/m 3 )( ) 1. 最佳組合為 A3 B2 C1 D3 2. 進行預測因子為 A3 B2 C1 3. 預測之 S/N 比 η= db, 孔隙率之預測值為 22.49% 90

105 表 4.11 透水性混凝土透水率回應表與回應圖分析 Level A B C D Delta Rank A1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 C3 D1 D2 D3 A: 粒徑 (50%:50% 60%:40% 70%:30%) B: 水泥用量 (kg/m 3 )( ) C: 用水量 (L/m 3 )( ) D: 掺料 (L/m 3 )( ) 1. 最佳組合為 A3 B2 C1 D1 2. 進行預測因子為 A3 B2 C1 3. 預測之 S/N 比 η= db, 透水率之預測值為 cm/sec 91

106 表 4.12 透水性混凝土抗壓強度回應表與回應圖分析 Level A B C D Delta Rank A1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 C3 D1 D2 D3 A: 粒徑 (50%:50% 60%:40% 70%:30%) B: 水泥用量 (kg/m 3 )( ) C: 用水量 (L/m 3 )( ) D: 掺料 (L/m 3 )( ) 1. 最佳組合為 A3 B3 C3 D3 2. 進行預測因子為 A3 B3 C3 D3 3. 預測之 S/N 比 η= db, 抗壓強度之預測值為 kgf/cm 2 92

107 根據以上透水性混凝土回應表及回應圖分析, 分別以各項試驗條件對試驗值的影響進行分析 : 1. 單位重試驗 : 在單位重試驗部份, 影響最大的因子是水泥用量, 因當粒料重量固定時, 水泥愈多, 透水性混凝土單位重愈高 ; 其次因子為用水量, 用水量愈少, 相對水泥用量愈多 2. 孔隙率試驗 : 在孔隙率試驗部份, 影響最大因子是粒徑, 粒料顆粒愈密合對於透水性混凝土內部孔隙體積也就相對減少 ; 其次因子是水泥用量, 在相同體積下, 水泥量愈多, 內部孔隙就愈少 3. 透水率試驗 : 在透水率試驗部份, 影響最大因子是水泥用量, 其原因與孔隙率大致相同, 若填充孔隙愈高, 其滲透性能也就愈低 ; 反之則相反 4. 抗壓強度試驗 : 在抗壓強度試驗部份, 影響最大的因子是用水量, 一般而言, 用水量愈低, 抗壓強度愈高 ; 其次的因子是水泥用量, 水泥用量愈高, 填充孔隙愈多, 抗壓強度也就相對提高 接著進行變異數分析, 探討各種試驗因子對於水泥透水性混凝土之貢獻度, 如表 4.13~4.16 所示, 分別為單位重 孔隙率 透水率及抗壓強度之變異數分析 21 93

108 表 4.13 水泥透水性混凝土單位重變異數分析 因子 變動 自由度 變異 純變動 變異比 貢獻度 粒徑 % 水泥用量 % 用水量 % 掺料 % 誤差 調和誤差 總合 % 信心水準如下 : 99% 信心水準最小 F 值為 F 0.01 (2,8)= % 信心水準最小 F 值為 F 0.05 (2,8)= 分析結果貢獻度較大之因子為水泥用量及用水量與回應表回析結果相同, 驗証 此 2 個因子對於單位重的影響 2. 根據信心水準分析得知, 此 2 個因子的變化皆為充分有效 註 :F 表變異比, 用來測試因子的重要性 94

109 表 4.14 水泥透水性混凝土孔隙率變異數分析 因子 變動 自由度 變異 純變動 變異比 貢獻度 粒徑 % 水泥用量 % 用水量 % 掺料 % 誤差 調和誤差 總合 % 信心水準如下 : 99% 信心水準最小 F 值為 F0.01(2,8)= % 信心水準最小 F 值為 F0.05(2,8)= 分析結果貢獻度較大之因子為粒徑及水泥用量與回應表回析結果相同, 驗証此 2 個因子對於孔隙率的影響 2. 根據信心區間分析得知, 此 2 個因子的變化皆為充分有效 註 :F 表變異比, 用來測試因子的重要性 95

110 表 4.15 水泥透水性混凝土透水率變異數分析 因子 變動 自由度 變異 純變動 變異比 貢獻度 粒徑 % 水泥用量 % 用水量 % 掺料 % 誤差 調和誤差 總合 % 信心水準如下 : 99% 信心水準最小 F 值為 F0.01(2,8)= % 信心水準最小 F 值為 F0.05(2,8)= 分析結果貢獻度較大之因子為水泥用量與回應表回析結果相同, 驗証此因子對 於透水率的影響 2. 根據信心區間分析得知, 此因子的變化皆為充分有效 註 :F 表變異比, 用來測試因子的重要性 96

111 表 4.16 水泥透水性混凝土抗壓強度變異數分析 因子 變動 自由度 變異 純變動 變異比 貢獻度 粒徑 % 水泥用量 % 用水量 % 掺料 % 誤差 調和誤差 總合 % 信心水準如下 : 99% 信心水準最小 F 值為 F0.01(2,8)= % 信心水準最小 F 值為 F0.05(2,8)= 分析結果貢獻度較大之因子為水泥用量及用水量與回應表回析結果相同, 驗証 此 2 個因子對於抗壓強度的影響 2. 根據信心區間分析得知, 此 2 個因子的變化皆為充分有效 註 :F 表變異比, 用來測試因子的重要性 接下來進行透水性混凝土的多重品質特性分析, 在透水性混凝土各項物理特性 ( 單位重 孔隙率 透水率及抗壓強度 ), 一般皆較重視透水率及抗壓強度的品質, 但透水率及抗壓強度關係呈現反比關係, 勢必須犧牲一項物理特性, 由上述的實驗結果發現, 透水率皆符合綠建材中的高性能透水建材 ( 10-2 cm/sec), 經由反覆測試後將抗壓強度之權重設為 1 孔隙率及透水率之權重設為 0.8 單位重之權重設為 0.5 來計算代價函數, 計算整理如表 4.17 所示, 並將代價函數進行綜合因子回應表及回應圖分析, 如表 4.18 所示 97

112 表 4.17 透水性混凝土正規化數值 因子 水 準 非正規化品質特性 單位 孔隙 透水 抗壓 重 率 率 強度 單位 重 正規化品質特性孔隙透水率率 抗壓 強度 代價 函數 粒徑 水泥用量用水量 掺料 權重

113 表 4.18 透水性混凝土正規化回應表與回應圖分析 Level A B C D Delta Rank A1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 C3 D1 D2 D3 A: 粒徑 (50%:50% 60%:40% 70%:30%) B: 水泥用量 (kg/m 3 )( ) C: 用水量 (L/m 3 )( ) D: 掺料 (L/m 3 )( ) 1. 由正規化回應表分析結果, 在抗壓強度較重要的條件下, 其影響最大的實驗條件為用水量 其次是水泥用量 2. 在粒徑來看, 雖對抗壓強度的影響較小, 但卻是有效影響其他三個透水性混凝土物理特性的因子, 而在回應圖上也可看出粒徑配比對於抗壓強度的影響效果 99

114 再來以各實驗值的最佳條件進行驗證 ( 製作各 5 組試體 ), 以驗證田口的加法 模式, 其結果如表 4.19 所示, 最大誤差為 22.67%, 最小誤差 3.74% 表 4.19 透水性混凝土驗證結果 透水性混凝土驗證結果 實驗值 預測值 誤差 單位重 (kg/m 3 ) % 孔隙率 (%) % 透水率 (cm/sec) % 抗壓強度 (kgf/cm 2 ) % 4.3 最佳取代配比 經由田口實驗計劃法分析後, 得知最佳配比即為粒徑 (70%:30%) 水泥用量 (500 kg /m 3 ) 用水量(144L/m 3 ) 及掺料 (30L/m 3 ) 添加焚化爐底渣比例從 0% 10% 20% 30% 40% 及 50%, 實驗結果如表 4.20 及圖 4.12~16, 並進行變異數分析, 探討添加不同比例之底渣對於透水性混凝土之影響程度, 如表 4.21~24 所示, 分別為單位重 孔隙率 透水率及抗壓強度之變異數分析 100

115 表 4.20 底渣透水性混凝土試驗結果 試驗項目 坍度值 單位重 孔隙率 透水率 抗壓強度 (kgf/cm 2 ) 組別 (cm) (kg/m 3 ) (%) (cm/sec) 7 天齡期 28 天齡期 І І І І І І 坍度 (cm) І -0 І -10 І -20 І -30 І -40 І -50 組別 圖 4.12 底渣透水性混凝土坍度 101

116 單位重 (kg/m 3 ) y = x R 2 = І -0 І -10 І -20 І -30 І -40 І -50 圖 4.13 底渣透水性混凝土單位重 組別 表 4.21 底渣透水性混凝土單位重變異數分析 變源 SS 自由度 MS F P 值 臨界值 組間 E 組內 總和 孔隙率 (%) y = x R 2 = І -0 І -10 І -20 І -30 І -40 І -50 組別 圖 4.14 底渣透水性混凝土孔隙率 102

117 表 4.22 底渣透水性混凝土孔隙率變異數分析 變源 SS 自由度 MS F P 值 臨界值 組間 E 組內 總和 透水率 (cm/sec) y = x R 2 = І -0 І -10 І -20 І -30 І -40 І -50 組別 圖 4.15 底渣透水性混凝土透水率 表 4.23 底渣透水性混凝土透水率變異數分析 變源 SS 自由度 MS F P 值 臨界值 組間 E 組內 總和

118 抗壓強度 (kg/cm 2 ) y = x R 2 = І -0 І -10 І -20 І -30 І -40 І -50 組別 圖 4.16 底渣透水性混凝土抗壓強度 表 4.24 底渣透水性混凝土抗壓強度變異數分析 變源 SS 自由度 MS F P 值 臨界值 組間 E 組內 總和 經由上述變異數分析, 其底渣透水性混凝土物理性質 ( 單位重 孔隙率 透水率及抗壓強度 ) 之 P 值皆恆小於 0.05, 顯示在 95% 的信心水準, 添加不同比例之底渣對於各項物理性質有顯著之影響, 針對單位重而言, 每添加 10% 底渣量將減輕 0.7~1.9%; 針對孔隙率而言, 每添加 10% 底渣量, 孔隙率降低 3.9~19.5%; 針對透水率而言, 每添加 10% 底渣量, 透水率減少 8.2~42.2%; 針對抗壓強度而言, 每添加 10% 底渣量, 抗壓強度下降 1.1~18.7% 104

119 第五章結論與建議 透水性混凝土具有抗磨耗 抗車撤 平坦度與降低行車產生噪音之能力 由於孔隙存在關係, 面層表面較粗糙, 可提供較高之抗滑能力且較適合鋪設於台灣溼熱氣候環境 透水性混凝土配比設計之研究在國內已有數年之久, 但由於無法同時兼顧透水及強度, 因此衍生許多配比設計法因應此類狀況 ( 包含體積法 比表面積法 重量比例法及垂流試驗法等 ), 但呈現的成果卻無法對其品質做比較而造成時間及成本上浪費, 鑑此, 本研究採用田口法針對透水性混凝土物理性質 ( 單位重 孔隙率 透水率及抗壓強度 ) 進行探討, 以期能對於國內透水性混凝土之配合設計提供更正確與完整之評估應用與參考依據 5.1 結論 一 本研究所採用田口實驗計劃法並非針對單一因子之主效果或因子間交互作用作討論, 而是直接以 S/N 比做指標, 找出能在不同因子影響下, 能生產出最具穩健品質的控制因子組合, 因此可提供業界在決定透水性混凝土配比設計時, 以較簡便方式 低實驗次數 低實驗成本及高精確度找出最佳配比 二 依照田口實驗計劃法所配比之實驗結果顯示, 考慮單一物理特性, 可能損失或降低其他特性, 如 : 考量透水率時, 透水率為 cm/sec, 抗壓強度為 113kgf/cm 2 ; 考量抗壓強度時, 透水率為 cm/sec, 抗壓強度為 kgf/cm 2 三 透水性混凝土須具備多種物理特性, 本研究採用田口多重目標特性分析, 顯示採用粒徑比例 (70%:30%) 水泥量(500kg/m 3 ) 用水量(144L/m 3 ) 及掺料 (30L/m 3 ) 配比, 其單位重 2185kg/m 3 孔隙率 17.62% 透水率 cm/sec 105

120 及抗壓強度為 288kgf/cm 2 四 添加焚化爐底渣比例愈低時, 透水性混凝土之透水性能及抗壓強度愈高, 實驗結果顯示在添加至 40% 時 ( 孔隙率為 10.36% 透水率 cm/sec 及抗壓強度為 175kgf/cm 2 ), 符合透水性舖面之規範, 亦符合綠建材標章, 對於資源再利用 垃圾零廢棄及都市水循環亦有相當之環境效益 五 透水性混凝土為多孔隙性材料, 受力時通過粒料間的黏結層, 由於粒料本身的強度較高, 水泥包裹很薄, 水泥與粗粒料界面之間的黏結面積小, 因此其主要破壞形式為粒料顆粒間的連接點破壞 5.2 建議 一 本研究採用 S/N 比為 望大特性, 是以期望透水性混凝土之物理性質可愈高愈好, 如孔隙率 透水率及抗壓強度等, 若考量其物理性質, 如孔隙率為 15% 透水率為 cm/sec 及抗壓強度為 175kgf/cm 2 等情況時, 建議可採用 望目特性 二 本研究控制因子選定粒徑 水泥量 用水量及掺料, 建議可增加其他控制因子如拌合時間 夯實次數 養護方式及時間, 了解在不同控制因子下對於透水性混凝土品質之影響 三 本研究試驗項目包含單位重 孔隙率 透水率及抗壓強度等, 足以說明透水性混凝土之物理性質, 但透水性混凝土亦具有它項特性, 如降低熱島效應 減少噪音及抗磨耗等, 建議可增加此類試驗項目, 期更瞭解透水性混凝土之特性 四 本研究中底渣取代部份級配料實驗結果證實是可行的, 未來可大量應用於公共設施 人行道 廣場及停車場等, 以達到資源再利用之目標 106

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125 附錄 A 水泥透水性混凝土各項實驗數據

126 水泥透水性混凝土單位重實驗 次數 一 二 三 四 五 平均 組別 (kg/m 3 ) (kg/m 3 ) (kg/m 3 ) (kg/m 3 ) (kg/m 3 ) (kg/m 3 ) 註 :5 次實驗取 3 次平均 水泥透水性混凝土孔隙率實驗 次數 一 二 三 四 五 平均 組別 (%) (%) (%) (%) (%) (%) 註 :5 次實驗取 3 次平均 112

127 水泥透水性混凝土透水率實驗 次數 一 二 三 四 五 平均 組別 (cm/sec) (cm/sec) (cm/sec) (cm/sec) (cm/sec) (cm/sec) 註 :5 次實驗取 3 次平均 水泥透水性混凝土抗壓強度 (7 天齡期 ) 實驗 次數 一 二 三 四 五 平均 組別 (kgf/cm 2 ) (kgf/cm 2 ) (kgf/cm 2 ) (kgf/cm 2 ) (kgf/cm 2 ) (kgf/cm 2 ) 註 :5 次實驗取 3 次平均 113

128 水泥透水性混凝土抗壓強度 (28 天齡期 ) 實驗 次數 一 二 三 四 五 平均 組別 (kgf/cm 2 ) (kgf/cm 2 ) (kgf/cm 2 ) (kgf/cm 2 ) (kgf/cm 2 ) (kgf/cm 2 ) 註 :5 次實驗取 3 次平均 114

129 附錄 B 焚化爐底渣透水性混凝土各項實驗數據

130 焚化爐底渣透水性混凝土單位重實驗 次數 一 二 三 四 五 平均 組別 (kg/m 3 ) (kg/m 3 ) (kg/m 3 ) (kg/m 3 ) (kg/m 3 ) (kg/m 3 ) I I I I I I 註 :5 次實驗取 3 次平均 焚化爐底渣透水性混凝土孔隙率實驗 次數 一 二 三 四 五 平均 組別 (%) (%) (%) (%) (%) (%) I I I I I I 註 :5 次實驗取 3 次平均 116

131 焚化爐底渣透水性混凝土透水率實驗 次數 一 二 三 四 五 平均 組別 (cm/sec) (cm/sec) (cm/sec) (cm/sec) (cm/sec) (cm/sec) I I I I I I 註 :5 次實驗取 3 次平均 焚化爐底渣透水性混凝土抗壓強度 (7 天齡期 ) 實驗 次數 一 二 三 四 五 平均 組別 (kgf/cm 2 ) (kgf/cm 2 ) (kgf/cm 2 ) (kgf/cm 2 ) (kgf/cm 2 ) (kgf/cm 2 ) I I I I I I 註 :5 次實驗取 3 次平均 117

132 焚化爐底渣透水性混凝土抗壓強度 (28 天齡期 ) 實驗 次數 一 二 三 四 五 平均 組別 (kgf/cm 2 ) (kgf/cm 2 ) (kgf/cm 2 ) (kgf/cm 2 ) (kgf/cm 2 ) (kgf/cm 2 ) I I I I I I 註 :5 次實驗取 3 次平均 118