保水性鋪面特性 摘要 近年來都市熱島效應存有越來越嚴重之趨勢, 如何減緩熱島效應變成現今重要議題之一 本文 藉由實驗探討保水性鋪面特性與工程性質, 評估不同保水材的吸水 流動速率 抗壓強度等工程性 能, 以及添加保水材到多孔隙鋪面裡的保水性鋪面的工程性質 抑制路面溫度上升的能力, 達到減 緩都市熱島效應的目的 與 保水性材料配比之探討 關鍵詞 : 多孔隙瀝青混凝土 保水性材料 保水性鋪面 鹼激發膠體 陳建旭教授 / 成功大學土木工程學系 李佳穎碩士班研究生 / 成功大學土木工程學系李柏賢碩士班研究生 / 成功大學土木工程學系 一 前言 近年來全球氣候劇烈的改變, 暖化越趨嚴重, 夏日氣溫日高升, 地球平均表面溫度跟上個世紀相比上升 0.7, 東京平均溫度增加 3, 因此城市裡出現較高的環境溫度, 此高溫現象稱為都市熱島效應 (Urban Heat Island Effect, UHI) 1 台灣市區道路大多使用密級配瀝青混凝土鋪面, 夏天瀝青混凝土於長期日曬下, 由於瀝青混凝土鋪面反射率較低, 瀝青混凝土鋪面吸收太陽熱較多, 城市環境溫度增高因, 可能產生都市熱島效應, 讓用路人感受到炎熱的不適感 增加綠地面積或是使用反射屋頂和鋪面皆可減少都市熱島效應, 一般而言, 利用城市景觀和植被皆可減少太陽光直射在鋪面表面, 另外使用高反射鋪面 多孔隙鋪面材料或保水鋪面也可增加鋪面表面太陽反射率並減少太陽熱 美國綠色建築協會 (US Green Building Council, USGBC) 發展的能源與環境先鋒設計 (Leadership in Energy and Environmental Design, LEED) 乃是減少都市熱島效應的策略之一, LEED 認證系統的鋪面策略為 :(1) 在觀光地區使用遮光硬表面,(2) 使用太陽能反射指數 (Solar Reflectance Index, SRI) 至少為 29% 的高反射材料,(3) 使用開放網格鋪裝系統, 建築師或工程師需設計瀝青鋪面冷卻系統 2 二 保水性鋪面特性 保水性鋪面 (Water-retention pavement) 不同於傳統鋪面, 具有抑制路面溫度上升之功能, 是將保水性材料填入多孔隙瀝青混凝土鋪面的孔隙裡, 如圖 1 所示, 保有傳統鋪面的優點, 並且藉由保水性材料保留的水分蒸發來進行降溫 3, 當下雨或灑水後保水性鋪面可以吸收水分, 如圖 2 所示 ; 晴天時將鋪面內所保有的水分蒸發, 藉由水的汽化熱抑制路面溫度上升功能的鋪路方式, 概念說明於圖 3 58 技師期刊 70
保水性鋪面特性與保水性材料配比之探討 保水材 多孔隙瀝青混凝土 基層 圖 1 保水性鋪面組成 圖 2 透過降雨與撤水於鋪面內保水三菱材料株式會社 4 在室內溫度 20 和濕度 70% 的環境下進行室內試驗, 如圖 4 所示密級配溫度上升到 65 左右, 保水鋪面大約上升到 40 Kubo 等人 5 針對遮熱性鋪面與保水性鋪面進行鋪面表面溫度與空氣溫度監測, 並進行抗車輛載重變形模擬 藉由在試體中嵌入熱電阻, 在夏季室外同樣天氣情況, 同一時間進行每隔 30 分鐘溫度監測, 圖 5 顯示保水性鋪面表面溫度在下雨後比密級配鋪面溫度低 16.4 圖 3 晴天時藉由汽化熱抑制路面溫度上升 圖 4 室內試驗 4 技師期刊 70 59
道路鋪面工程 圖 5 保水性鋪面溫度特性 5 根據竹內淨 6 等人的研究顯示保水性鋪裝 (100%) 的太陽反照率比其他路面更高, 通過反射作用防止地球表面受到太陽輻射加熱, 並且抑制輻射到大氣中, 進而達到降溫效果 三 保水性材料 - 鹼激發膠結材 鹼激發膠結材泛指由鹼性溶液 鹼金屬矽酸鹽溶液與鋁矽酸鹽礦物混合所製成的膠結材料 7, 鹼激發膠結材之原理, 主要藉由強鹼溶液解離出鋁矽酸鹽礦物, 解離後溶出的物質, 再重新鍵結硬固成膠結材料, 其反應機制與卜 作嵐反應相當類似 8 作為鹼激發膠結材之原料, 多具卜作嵐活性的鋁矽酸礦物或工業副產品, 主要包括高爐石粉 偏高嶺土及飛灰等 爐石應用於鹼激發膠結材中, 具有速凝與強度高之特性, 添加爐石能有效提高抗壓強度, 但對於吸水性卻無正面提升之效過, 飛灰微結構為一中空球體, 試圖以飛灰為添加物時, 飛灰可作為吸水之媒介, 飛灰受鹼侵蝕後吸水性能降低, 表 1 中顯示, 鹼當量 (AE%) 越高之配比, 不但抗壓強度越低且吸水性能越差, 吸水性能隨取代量提升而越佳 9 表 1 飛灰取代量及鹼當量者之抗壓強度與吸水表現 9 取代量 AE 4 天抗壓強 21 天兩分鐘吸附性最大吸附量度 (MPa) 吸附量 (g) S(mm/ ) (g) 吸水率 (%) 0% 15% 11.64 0.53 1.69 6.26 14.06 12% 8.82 1.40 3.12 6.94 16.54 40% 15% 8.32 1.02 2.22 6.43 15.27 18% 6.67 0.55 0.01 4.84 11.98 30% 8.99 0.87 2.44 6.41 15.02 40% 8.32 1.02 2.22 6.43 15.27 15% 50% 9.25 1.13 1.67 6.57 15.07 ( 中聯資源公司之素玻哩,W/B 0.33, 常溫拌合 45 分鐘加入飛灰拌合 1 分鐘,70 養護 24 時 ) 60 技師期刊 70
保水性鋪面特性與保水性材料配比之探討 3.1 鹼性活化溶液當無機黏結劑與鹼性活化的氫氧化鈉和 矽酸鈉溶液混合後, 主要由氫氧化鈉溶出矽 (Si) 和鋁 (Al) 離子, 隨後由矽酸鈉造成縮聚反 應 (polycondensation reaction), 得到的微結構 和抗壓強度明顯受氫氧化鈉 (Na 2 O) 二氧化矽 (SiO 2 ) 和水的混合比例影響, 通常無機黏結劑 的混合比例採用水膠比 (W/B) 鹼當量 (alkaliequivalent content, AE%) 和鹼模數比 (silicate modulus, M) 和三個參數, 以下將分項探討此三 種參數之定義與用途 水膠比 (water/binder ratio) 於鹼激發無機聚 合物膠結材中所扮演的角色, 類似傳統波特蘭 水泥配比計算中之水灰比, 如公式 (1) 所示 水膠比 : 公式 (1) 其中,Ww 為水用量 Aw 為矽酸鈉含水量 C 為粉量量重 As 為鹼液中固體含量 一般文獻於計算配比時, 使用莫耳濃度 (M) 表示配比中鹼性溶液之濃度 10, 但若 單改變莫耳濃度, 將會影響水膠比, 為有效控 制配比中的變因, 本研究使用鹼當量 (alkaliequivalent content, AE%), 如公式 (2), 及鹼模 數 (silicate modulus, M), 如公式 (3), 作為計算 配比時之設計參數 鹼當量含量 : ( 重量百分比 ) 公式 (2) 其中,Na 2 O 為鹼性活化溶液中之 Na 2 O 重量 C 為爐石粉加飛灰粉總重 鹼模數比 : ( 莫耳比 ) 公式 (3) 其中,SiO 2 為鹼性活化溶液中的 SiO 2 含量 Na 2 O 為鹼性活化溶液中之 Na 2 O 含量 3.2 飛灰飛灰為燃煤火力電廠之副產物, 為結構為玻璃圓球狀細小微粒, 可利用其具有較大表面積之特性, 作為吸附劑以去除水中汙染物, 由於飛灰屬於一種卜作嵐材料, 可作為混凝土之礦物摻料, 主要化學成分為 SiO 2 Al 2 O 3 CaO Fe 2 O 3 SO 3 和 MgO, 其化性分析如表 2 所示 蔡宗和 11 研究指出飛灰比重為 2.18, 於 SEM 不同倍率下微觀結構可知, 平均粒徑為 10.61μm 3.3 高爐石粉爐石為煉鋼的副產品, 經過研磨之後, 即形成爐石粉, 研磨成不同的比表面積後, 可當做改良穩定劑, 常用於土壤改良上, 具膠結性及波索蘭性質 其主要的成分為 SiO 2 Al 2 O 3 CaO Fe 2 O 3 SO 3 和 MgO, 化學組成與地殼相似, 而物理性質與天然砂相近, 其化性分析如表 2 所示 蔡宗和 11 研究指出爐石粉比重為 2.90, 於 SEM 不同倍率下微觀結構可知, 細度 4000cm 2 /g 與 6000cm 2 /g 之爐石粉平均粒徑分別為 8.31μm 與 5.78μm 3.4 鹼激發膠結材配比代號定義 S 代表高爐石粉 F 代表飛灰, 若採用飛灰和高爐石為 7:3, 則定義為 F7S3 不同鹼當量含量配比代號不同, 若採用飛灰高爐石粉之 表 2 爐石粉和飛灰化性分析 中聯公司提供 X- 光化學分析 (%) 燒失量 品項 SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 CaO MgO SO 3 K 2 O Na 2 O 飛灰 58.58 17.91 6.80 4.37 1.19 1.63 1.24 2.32 3.90 爐石粉 34.0 13.97 0.32 39.57 7.50 0.03 0.35 0.22 --- 技師期刊 70 61
道路鋪面工程 比為 7:3, 鹼當量含量為 13%, 則定義為 F7S3-13 四 結果與討論 4.1 保水材配比與規範 4.1.1 吸水率規範 路面溫度上升抑制鋪裝研究會 12 要 求保水性鋪面在 5cm 厚時擁有保水量為 3.0kg/ m 2, 對應到車轍試體 30cm*30cm*10cm 的 保水鋪面試體保水量為 2*3.0kg/ m 2 =6.0kg/ m 2 =0.6g/cm 2, 則面積 900cm 2 的吸水重量需為 900*0.6=540g 30cm*30cm*10cm 的保水鋪面試體體積 為 9000 cm 3, 保水材體積為多孔隙鋪面孔隙 率在 20% 及 25% 分別為 9000*0.2=1800cm 3 及 9000*0.25=2250cm 3, 鹼激發膠結材密度大約為 1.5g/cm 3, 故孔隙率 20% 及 25% 保水材重量分 別為 1800*1.5=2700g 及 2250*1.5=3375g, 而孔 隙率為 20% 及 25% 保水鋪面的吸水率分別為 540/2700=20% 及 540/3375=16% 4.1.2 保水材配比設計結果 本文參考蔡宗和 11 以及謝明蒲 9 的 研究論文成果進行 3 種鹼激發材料的嘗試配比, 了解當鹼當量 12% 時具有最佳抗壓強度, 但吸 水效果不佳, 而鹼當量為 18% 時抗壓強度偏低 但吸水性能略加, 考慮抗壓強度與吸水性能及 初凝時間, 選用其研究成果嘗試級配的中間值, 以矽酸鈉 氫氧化鈉和水配成水膠比 =0.6 鹼 當量 =13% 和鹼模量 =0.75 的鹼性化活溶液, 由謝明蒲 9 研究成果中得知飛灰及偏高嶺土 作為添加物取代部分素玻璃時其吸水性能隨取 代量提升而愈佳, 本文飛灰與爐石粉的嘗試比 例, 從飛灰與爐石粉重量比 =7:3 開始按比例 降低, 飛灰與爐石粉之比例分別為 7:3 6:4 以及 5:5 三種配比, 如表 3 所示, 當使用飛灰 與爐石粉之重量比為 7:3, 鹼當量為 13% 時, 代表符號為 F7S3-13, 其他符號以此類推 4.2 鹼激發材料工程性能試驗依不同比例配出的鹼激發材料進行吸水 率 流動速度以及抗壓強度三種工作性能試驗 比較後, 選擇出合適添加到多孔隙鋪面裡的鹼 激發材料, 此選定之鹼激發材料將作為多孔隙 瀝青混凝土之保水材 4.2.1 吸水率從圖 6 可以看到由飛灰及高爐石組成的鹼激發材料隨著飛灰的比例增加其吸水率越高, 從 F5S5-13 到 F7S3-13 吸水率隨著飛灰的增加從 13% 上升到 23.13%, 多孔隙飛灰有助於吸 圖 6 鹼激發材料吸水率 表 3 鹼激發材料配比 種類 F7S3-13 F6S4-13 F5S5-13 體積 (cm 3 ) 125 125 125 水 (g) 46.6 46.6 46.6 氫氧化鈉 (g) 12 12 12 矽酸鈉 (g) 35.4 35.4 35.4 飛灰 (g) 65.4 56.1 46.7 爐石 (g) 28 37.4 46.7 高嶺土 (g) ---- ---- ---- 62 技師期刊 70
保水性鋪面特性與保水性材料配比之探討 水率提升 具 25% 孔隙率之多孔隙鋪面, 鋪設 5cm 厚 PAC 且填滿保水材厚, 保水材吸水率要求為 16%, 方具有每平方公尺 3kg 的吸水能力,F7S3-13 的吸水率可達上述要求,; 具 20% 孔隙率之多孔隙鋪面, 保水材吸水率要求則為 20%, 考量標準差上限值, 也可能符合 20%PAC 的吸水率要求 4.2.2 流度試驗保水材需具有良好流動性, 方可於短時間內, 住滿 PAC 之孔隙 ; 根據方法依照 ASTM C939 規範進行, 利用注漿流度儀測定各個鹼激發材料一定體積的流動秒數, 從圖 7 中水的流動秒數為 6.77 秒, 而 F5S5-13 F6S4-13 及 F7S3-13 三種由飛灰與高爐石粉兩者組成的鹼激發材料的流動秒數皆在 9.5 到 9.7 秒之間, 與水相比只增加 3 秒左右, 流動工作性佳, 飛灰及高爐石粉組成的鹼激發材料, 仍具良好流動性 4.2.3 抗壓強度保水材 5*5*5cm 在 25 室溫下養治 1 3 7 28 天後, 進行抗壓試驗 圖 8 中所有鹼激發材料的抗壓強度接隨著天數增加而增加, 於第 7 天以後強度趨於穩定, 與 28 天的抗壓強度並無太大差別, 由此可以判斷鹼激發材料於第 7 天左右完全反應 ;F5S5-13 F6S4-13 以及 F7S3-13 的 28 天抗壓強度隨著飛灰的減少而從 F5S5-13 的 288.73kgf/cm2 降至 F7S3-13 的 226.95kgf/cm2, 由此得知鹼激發膠體的材料主要由高爐石粉所提供 五 結論與建議 圖 7 注漿流度儀流動秒數比較圖 8 保水材抗壓強度 本文藉由實驗室評估保水材料特性, 探討保水性材料的吸水率 流動速度和抗壓強度, 由上述試驗結果可得到下列結論與建議 當飛灰和高爐石粉重量比為 7:3, 鹼當量為 13% 的鹼激發膠體, 與飛灰和高爐石粉比為 5:5, 鹼當量為 13% 的鹼激發膠體, 及飛灰和高爐石粉比為 6:4, 鹼當量為 13% 的鹼激發膠體具有良好的吸水功能, 能達到孔隙率 25% 及 20% 的多孔隙瀝青混凝土鋪面的吸水率要求 飛灰的比例並不影響保水材的流動速率, 飛灰和高爐石粉重量比為 5:5 飛灰和高爐石粉比為 6:4 及飛灰和高爐石粉比為 7:3, 鹼當量為 13% 的鹼激發膠體皆具有良好的工作 技師期刊 70 63
道路鋪面工程 性能 抗壓強度隨著飛灰的增加而降低, 吸水率卻增加, 推測乃因飛灰為結構為玻璃圓球狀細小微粒, 能作為吸附劑吸收水分 綜合比較飛灰和高爐石粉重量比為 5:5 飛灰和高爐石粉比為 6:4, 及飛灰和高爐石粉比為 7:3, 鹼當量為 13% 的鹼激發膠體的工程性質後, 選擇飛灰和高爐石粉比為 7:3, 鹼當量為 13% 的鹼激發膠體添加到孔隙率 20% 及 25% 的多孔隙瀝青混凝土鋪面 參考文獻 [1]Karasawa, A., Toriminami, K., Ezumi, N., and Kamaya, K. (2006) Evaluation of Perfomance of Water-Retentive Concrete Block Pavements," 8th International Conference on Concrete Block Paving, pp.233-242, November 6-8, San Francisco, California. [2]Tran, N., and Buzz, P. (2009). Strategies for Design and Construction of High-Reflectance Asphalt Pavement", National Center for Asphalt Technology Report, No. 09-02, Alabama. [3]Takahashi, K., and Yabuta, K. (2009). Road Temperature Mitigation Effect of Road Cool" ", a Water-Retentive Material Using Blast Furnace Slag, Japan Fe Engineering Technical Report, No.13, pp.58-62, Japan. [4] 三菱材料株式會社 (2003) 半たわみ性舗装用プレミックス注入材, 保水性舗装用プレミックス注入材,http://www.mmc. co.jp/, 三菱材料株式會社,2014 年 9 月 24 號瀏覽 [5]Kubo, K., Kido, H., and Ito, M., (2006) Study on Pavement Technologies to Mitigate the Heat Island Effect and Their Effectiveness," Proceedings of 10th International Conference on Asphalt Pavements, Vol.3, pp.223-232, August 12-17,Quebec City, Canada. [6] 竹內淨 石田哲夫 柾一成 上坂弘 小倉隆 (2008) ヒートアイランド抑止技術の共同研究に関する報告 - 等 力緑地駐車場の保水性舗装における夏季調査結果 -, 川崎市公害研究所年報, 第 35 號 [7] 陳志賢 (2009) 含矽質廢棄物之無機聚合物, 國立成功大學土木工程研究所博士論文, 台南 [8] 李祐帆 (2010) 鹼激發爐石 - 轉爐石膠結材物理性質之研究, 國立成功大學土木工程研究所碩士論文, 台南 [9] 謝明蒲 (2012) 廢玻璃鹼激發膠結材之吸水性能研究, 國立成功大學土木工程研究所碩士論文, 台南 [10]Xu, H., and Van Deventer, J. S. J. (2000). The Geopolymerisation of Alumino-silicate Minerals," International Journal of Mineral Processing, Vol.59, pp.247-266. [11] 蔡宗和 (2011) 含轉爐石及飛灰之鹼激發爐石膠結材, 國立成功大學土木工程研究所碩士論文, 台南 [12] 路面溫度上升抑制鋪裝研究會 (2011) 保水性鋪裝技術資料, 保水性鋪裝技術資料,Ver.2-(1) 64 技師期刊 70