(2007/7) 153~162 153 路基粘性土壤添加乳化瀝青及水泥之效果研究 劉文宗 張偉哲 黃仲弘 高苑科技大學土木工程系 摘要 有鑑於傳統道路舖面所使用之熱拌瀝青混凝土所造成之環境污染比常溫冷拌乳化瀝青混凝土為大, 且其成本亦較高 使用乳化瀝青來改良某些路基工程有其迫切之必要性 本研究在於探討土壤所添加之乳化瀝青及第一類水泥對於改善基層材料因其力學行為之變化而對基層耐久性產生之影響 藉由無圍抗壓試驗 加州載重試驗 (CBR) 馬歇爾試驗等數據之分析, 積極改善道路基層之耐久性及降低其成本以提高經濟性 從研究結果得知, 採用之配比應用在基層之中, 均能減少道路開挖厚度, 即棄土的數量將大幅減少, 可大量減少新土之用量, 為一可行之改良材料 關鍵詞 : 常溫冷拌乳化瀝青混凝土 路基工程 力學行為 一 前言台灣地區熱拌瀝青混凝土中, 砂石佔其中約 95% 限採砂石後, 即面臨料源不足之問題 使用乳化瀝青處理土壤可解決部分問題 傳統道路舖面所採用之熱拌瀝青混凝土, 在施工過程中, 會產生大量有毒氣體造成空氣環境污染且其成本相當昂貴 若採用冷拌乳化瀝青混凝土, 則能降低其污染程度且其成本大幅降低 另外, 都市道路常因管線問題需開挖, 致使路基土壤因含水量過高而不易滾壓到設計 ( 施工規範所訂 ) 之壓實度 若適當使用乳化瀝青處理土壤, 可解決此問題 台灣地區之表土以低塑性粉土 (ML) 及低塑性黏土 (CL) 居多,CBR 值在 2~5% 為多 以乳化瀝青改良之土壤可當基層使用, 並減少舖面材料厚度來降低成本 冷拌乳化瀝青混凝土之施工應用於國內工程界不採用之原因甚多, 但其主要原因乃是其施工方式及品質未受肯定 如能針對施工品質加以提升, 未來必能使乳化瀝青混凝土受到青睞
154 二 文獻回顧 在歐美國家及中國大陸, 冷拌乳化瀝青對於舖面工程施工及維護之效果, 並不遜於傳統熱拌瀝青 故有逐漸取代傳統熱拌瀝青 (HMA,Hot Mixed Asphalt) 之趨勢 而在國內, 乳化瀝青並不受重視, 其使用時機只在於黏層及透層 施工方式及品質控管的不確定是工程界不採用的主因 因乳化瀝青的成本低及施工方便, 歐美國家及中國大陸之應用甚廣 國內幾年前因並無適當的施工方法, 導致施工不良, 未達預期之要求, 造成許多施工單位不再使用乳化瀝青混凝土甚為可惜 本節先就乳化瀝青用途 設計方式及面層與底層之施工方法進行探討 美國瀝青學會 (Asphalt Institute) 在 1979 出版乳化瀝青基本手冊 MS-19 (A Basic Asphalt Emulsion Manual) 其中闡述乳化瀝青之特性及應用, 並配合 1981 年出版之瀝青路面厚度設計手冊 MS-1(Thickness Design Asphalt Pavement for Highways & Streets) 其中包括乳化瀝青拌合厚度設計 但至今乳化瀝青配合設計並沒有統一之標準規範可遵循 大陸於 1997 年發佈之 公路瀝青路面設計規範 及 瀝青路面施工及驗收規範, 針對二 三級路面使用乳化瀝青拌合設計及施工方法進行規範, 但其面層或底層配合設計之描述亦無一定方法可遵循 2.1 美國設計方法 MS-1 設計手冊歸納乳化瀝青拌合有三種方式 : I 型 密級配拌合 ; Ⅱ 型 碎 砂石級配拌合 ; Ⅲ 型 河砂 泥沙拌合 配合設計雖沒有統一之標準可供遵循, 但不外乎求得最佳含油量 2.2 中國大陸設計方法配合設計時是按熱拌瀝青用量折算, 或依照已有道路之成功經驗試拌而確定配合比, 大抵上粗粒級配瀝青用量約 2.5~4.5%; 中 細粒級配瀝青用 3.0~4.5%, 拌合前應加水約 5% 濕潤粒料, 機械拌合時間不宜超過 30 秒, 舖設完成後需養護 2~6 小時
155 2.3 沈得縣 (1998) 曾就乳化瀝青拌合做以下建議 (1) 乳化瀝青製程之品質要求需確立 (2) 建立適合國內可依循之配合設計或遵循 ASTM 的方法 (3) 水份含量多寡影響強度甚鉅, 施工時避免加水 (4) 舖築時溫度及溼度影響養護時間長短 (5) 適當添加劑縮短養護時間及增加早期強度 (6) 舖築前後應避免雨水沖刷 2.4 吳學禮 (1983) 曾就乳化瀝青拌合做下列結論及建議 (1) 台北市使用多年之乳化瀝青處理底層, 如今因效果不彰而停止使用, 主要原因在於我們不了解乳化瀝青混合物, 需要長時間之養治還原, 在市區拓寬道路舖築後即行駛車輛, 是嚴重之致命傷, 因此在無法封閉交通情況下不可以設計此種舖築材料, 而乳化瀝青本身之試驗, 亦應加強, 因市場上已有多家廠商出售, 產品難免優劣不齊 (2) 尋找一種適合於既經濟又能在設計年限內服務大眾之路面舖築結構, 一直是公路工程師所努力之目標 文中指出, 對於高塑性路基土壤, 以 5~10 cm密級配瀝青混凝土,10~20 cm乳化瀝青混凝土底層, 加上 20~50 cm碎石或天然級配料, 似乎是最適當而經濟之舖築結果, 因為解決了因面層厚度不夠而發生之龜裂, 也避免了因強度不足而造成永久變形 (3) 乳化瀝青混凝土可能會因美國瀝青學會 1981 年 MS-1 之建議使用而增加工程師之信心, 尤其是國內產業道路, 設立拌合廠 ( 熱拌式 ) 不經濟之處, 此種舖築材料勢比灌入式之路面為優, 而減少空氣污染乃其優點 所以找出一種比較恰當之配合設計及檢驗方法仍然是工程師們努力之方向 2.5 ARC 基層穩定工法 (1979) 路健實業股份有限公司 ARC 處理土壤手冊 "ARC (Asphaltic Resinous Cementation) 處理土壤, 在台灣地區之道路 停車場 貨櫃場 社區道路 工業區道路等, 已舖築多年, 鑒於績效頗佳
156 ARC 為一種高分子, 可促進土壤與水泥及乳化瀝青混合膠結之附加劑, 因化學作用而使它們發生凝聚, 致使改良後之土壤成為良好之舖築材料 十幾年來在台灣地區之民營貨櫃場 山坡地開發及海埔新生地道路 新社區道路及台灣省公路局部份道路等皆曾經使用過 ARC 處理土壤, 已獲得良好績效 ARC 處理土壤須因當地土壤性質及類別而予以區分, 應用之折算比值或試驗值亦必須因地區及氣候等因素而異 ; 然為了方便計, 暫以處理底層 ( 含有級配料 ) 及處理基層或路基等予以分類而評估應用值 之後, 針對室內及工地績效研究, 已達到任何地區土壤, 不必再做試驗即可應用, 以免造成設計上之困擾 三 試驗計劃 3.1 研究方向為了因應目前環境所需, 減少利用河床砂石, 也為了避免廢土亂置, 故本研究方向偏向於利用道路所挖出來的土壤, 現場直接使用配比加入乳化瀝青及第一類水泥以改良其強度 耐久性等性質, 以做為道路鋪面回填管線基層之應用 3.2 試驗流程圖 選取土壤 物性試驗 夯實試驗 第一類水泥 決定所需水量 乳化瀝青 單軸抗壓 馬歇爾試驗 加州載重試驗 數據分析 強度 變形 期齡 圖 3-1 流程圖
157 3.3 試驗項目 (1) 土壤粒徑篩大小分析試驗篩分析試驗根據 ASTM D452-85, 而比重計分析則根據 ASTM D422-63 (2) 土粒比重試驗根據 ASTM D854-83 (3) 阿太堡限度試驗根據 ASTM D4318-84,D427-83 (4) 土壤夯實試驗根據 ASTM D698-78( 標準夯實 ) (5) C.B.R. 試驗根據 ASTM D1883( 擾動樣品試驗 ) (6) 馬歇爾配合設計試驗根據 ASTM D3515 3.4 試驗方法 (1) 物性試驗 : 選擇台灣表土常見的低塑性黏土為代表, 對其進行一般性質試驗, 即篩分析 粒料比重 液性限度 塑性限度, 及工地密度檢驗有重要關係的 夯實試驗, 求取最佳含水量 O.M.C 及最大乾密度 γ d max, 以利夯實達最 佳狀況 (2) 力學試驗 : 使土壤保持烘乾狀態, 噴灑 O.M.C. 之水量均勻拌合, 養治一天, 拌合乳化瀝青及第一類水泥, 模擬路面氣化狀況, 養治不同期齡, 以不同試驗觀察其力學行為之影響 a. 單軸無圍壓縮試驗 以夯實試驗所求得的 γ d max 為目標值重模夯打單軸壓縮試驗所需之試 體, 分五層夯打, 靜置一天後頂出, 養治不同期齡進行單軸無圍壓縮 試驗, 觀察應力 應變隨期齡變化之情況 b. 馬歇爾試驗以馬歇爾標準作法分兩面各夯打 75 下, 以乳化瀝青 水泥及水分之添加量及期齡 (1~28 天 ) 為變因, 進行馬歇爾試驗, 觀察試體之穩定值 流度值及單位重變化之趨勢
158 c. 加州載重比試驗 以能量控制法固定夯打能量分五層夯打, 夯打完後取下套模刮平試 體, 靜置所需期齡後, 泡水 4 天記錄試體膨脹情況, 進行貫入試驗 四 試驗成果與分析本研究是為有效改善道路鋪面工程基層由傳統熱拌瀝青混凝土所帶來之數種影響, 如對環境之污染, 耗費能量, 增加成本 ; 大量碎石粒料利用之不足等等, 在以常溫冷拌乳化瀝青混凝土解決其上述之道路鋪面現今所需迫切面對之問題外, 並添加土壤 乳化瀝青及第一類水泥改良其力學行為之強度, 經下列相關力學試驗後, 直接應用於道路鋪面回填管線基層之應用 表 4-1 土壤物性試驗表 土壤粒徑分布 篩分析 ( 土黃色 ) 篩號直徑 (mm) 累積過篩百分比 (%) 5.000 100.00 2.500 100.00 1.250 100.00 0.630 98.78 0.315 98.68 0.160 97.47 阿太堡限度試驗液性限度 (%) 29.0 塑性限度 (%) 20.0 塑性指數 (%) 9.0 夯實試驗 O.M.C=15.23% γ ( g d max 3 ) =1.837 cm 0.071 93.11 由上表之篩分析及阿太堡之液限 塑限依 USCS 之分類知本研究土壤為低塑性黏土 由夯實試驗可得出低塑性黏土之 O.M.C 及 γ d max 一類水泥 4% 進行以下力學試驗之力學行為變化情形, 以固定比例土壤 93%, 乳化瀝青 3% 及第
159 4.1 單軸無圍壓縮試驗以低塑性黏土添加乳化瀝青及第一類水泥後以不同養治時間, 觀察其力學行為強度之變化 由圖 4-1 之不同期齡之應力應變曲線可歸納出下列兩項結果 : (1) 隨期齡增加, 一般型乳化瀝青之水分漸漸逸散, 而使單軸應力強度提高隨期齡增加 (2) 水泥之水化作用漸漸完成, 而使單軸應力強度提高 上述結果顯示以土壤添加乳化瀝青及第一類水泥確實可以達到取代傳統熱拌瀝青混凝土進行道路鋪面基層之施工 4.2 馬歇爾試驗以不同養治時間, 觀察其力學行為之強度 流度及密度之變化 由圖 4-2 4-3 可歸得知下列三項結果 : (1) 4 週後各種強度趨於穩定, 都大於一般熱拌瀝青混凝土規定之最低強度要求 (2) 單位重隨時間呈遞減狀態, 並呈有逐漸變緩趨勢 (3) 流度值約在 16~17 之間 4.3 加州載重比試驗 (CBR) 不同養治時間後, 泡水觀察其膨脹變化之情形, 以做為道路鋪面基層不致受到地下水之影響而降低強度, 之後進行貫入試驗, 觀察其力學行為強度隨期齡之變化 由圖 4-4 4-5 可知下列三項結果 : (1) 有添加乳化瀝青的 CBR 承載值, 很明顯的比沒添加的高 (2) 另外有添加乳化瀝青的試體, 其膨脹率甚小, 每種期齡的 CBR 膨脹率均小於百分之一 (3) 低塑性黏土的承載率約在 3% 左右, 而 CBR 值大於 5% 被視為不良之路基土壤添加一般型乳化瀝青及水泥後,CBR 上升至 30~40 4.4 依經濟性分析 以 AASHTO 1993 之鋪面厚度設計之結構層次係數 (Structure Number) 的觀念, 依 AASHTO 鋪面設計手冊 (1999) 基層中結構層次係數 a3, 若以 7 天強度而言, 其 a3 值由 0.04 ( 純
160 土壤 ) 提升至 0.11 ( 以馬歇爾強度與單軸強度計 ) ~0.30 以上 ( 以馬歇爾強度與單軸強度 計 ), 可知可節省相當的材料厚度 應力 (kg/cm^2) 12 10 8 6 4 2 0 純土 期齡七天期齡五天期齡三天 期齡一天 0 1 2 3 4 應變 (%) 圖 4-1 不同期齡之單軸強度 1100 1000 穩定值 (kg) 900 800 700 600 500 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 天數 圖 4-2 不同期齡之馬歇爾穩定值 單位重 (g/cm3) 1.99 1.94 1.89 1.84 0 2 4 6 8 1012141618202224262830 天數 圖 4-3 不同期齡之馬歇爾單位重 50 承 40 載率 30 (% 20 )10 0 期齡 5 天 期齡 7 天期齡 3 天 期齡 1 天 期齡 21 天 期齡 14 天 純土 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 變位 (mm) 圖 4-4 不同期齡之 C.B.R. 承載率 膨脹率 浸水天數 (%) 0 1 2 3 4 0.8 期齡 3 天 0.6 0.4 0.2 0-0.2 期齡 14 天期齡 21 天純土期齡 1 天期齡 7 天期齡 5 圖 4-6 不同期齡之 C.B.R 膨脹率
161 五 結論 1. 經加乳化瀝青及水泥改良後的土壤, 其單軸試體隨期齡增加, 乳化瀝青中的水分漸漸逸 散及水泥水化作用漸漸完成, 而使單軸應力強度提高 2. 經加乳化瀝青及水泥改良後的土壤, 其馬歇爾試體隨期齡增加, 單位重呈遞減狀態及穩 定值呈遞增狀態, 並有逐漸變緩趨勢且流度值介於一定範圍值內 3. 有添加乳化瀝青及水泥之 CBR 承載值, 明顯比沒有添加的高且其膨脹率甚小 4. 本研究後的改良土壤依其馬歇爾試驗所呈現的穩定值及 CBR 試驗所呈現的承載值, 確 可作為路基基層的材料之用, 故可解決廢棄土的問題, 並可節省路面設計的使用厚度 5. 本研究的添加料乳化瀝青及水泥在常溫中拌合可克服熱拌瀝青混泥土浪費能源及空氣 污染等問題 六 建議 1. 本研究以低塑性黏土為改良對象, 地表上常見的表土如粉土 砂等, 其改良成效仍有待 進一步研究 2. 經以乳化瀝青及水泥改良後的土壤, 其強度若要再提昇, 可考量添加若干級配料作為加 強的骨材, 帷其成本必然提昇 3. 本研究經改良後的土壤, 可做為路基的基層材料, 其流度值若要再提昇, 可能需再添加 水或其他的添加料以增加其柔度, 需再做進一步的研究 4. 不同的乳化瀝青及其與土壤的比例, 其最佳量的決定方法仍有待進一步研究的必要
162 七 參考文獻 1. The Asphalt Institute Thickness Design-Asphalt Pavement for Highways and Street "MS- 1,1981 2. AASHTO Guide for Design of Pavement Structure 1986 3. AASHTO Guide for Design of Pavement Structure 1993 4. 沈得縣 杜嘉崇 " 乳化瀝青冷拌合在鋪面工程上應用之探討 " 第三屆鋪面材料再生學術研討會論文集,1998,5 月 5. 吳學禮 " 乳化瀝青混凝土配合設計與檢驗 - 馬歇爾改良方法強度 " 公路工程月刊, 1983,7 月 6. 臺灣省住宅及都市發展局 "ARC 工法穩定基層施工報告書 "1979,7 月 7. 路健實業股份有限公司 "ARC 處理土壤手冊 "1992 8. 沈茂松 " 實用土壤力學試驗 "2001,4 月 9. 吳學禮 " 舖面 材料工程實務 "1996,5 月