評估煉鋼爐石應用於瀝青混凝土之性質及現場鋪設成效 黃隆昇 林登峰 林平全 許伯良 樹德科技大學運籌管理系助理教授 義守大學土木與生態工程學系教授 中聯資源 ( 股 ) 公司主任 中聯資源 ( 股 ) 公司工程師 摘要 轉爐石為煉鋼副產品, 近年來國內外專家學者研究將轉爐石添加於瀝青混凝土, 嘗試作為道路面層使用, 經諸多試驗印證具有可行性, 但以國內而言, 目前並未廣泛應用鋪設於一般道路 本研究收集國內轉爐石應用於瀝青混凝土之各種工程成效試驗, 並歸納在相同環境因素下, 轉爐石應用於不同級配及添加比例比較 此外, 另整理目前實際市區道路鋪設再生級配轉爐石瀝青混凝土, 開放交通後現場觀測成效, 提出轉爐石瀝青混凝土各項成效指標及可行性 研究結果顯示, 轉爐石為經過軋製, 形狀接近方形, 具有抗磨損能力, 在拌合過程容易形成粒料間互鎖作用, 提高瀝青混凝土之結構強度 轉爐石取代天然粒料, 可有效提升瀝青混合料穩定值 表示轉爐石可以提升瀝青混凝土彈性行為, 降低永久變形 隨著添加轉爐石量增加, 整體瀝青混凝土殘餘強度值亦隨之增加, 均高於規範要求 瀝青混凝土車轍深度隨添加轉爐石比例增加而降低, 添加轉爐石可增加瀝青混凝土抗車轍能力 現場實際檢測結果, 鋪設一年後, 轉爐石瀝青混凝土鋪面各項性質均高於傳統鋪面, 鋪面平坦度及車轍量並無大幅變化, 顯示轉爐石瀝青混凝土可適用於市區道路使用, 可延長路面成效及行車舒適度, 並兼具資源再利用之效 一 前言 轉爐石粒料為煉鋼過程之產物, 近年來經各專家學者研究應用於瀝青混凝土之可行性,Shen 等人 (29) (1) 評估轉爐石應用於多孔隙瀝青混凝土成效, 可呈現較佳之抗滑性 抗車轍 低水分敏感性 低噪音等特性 ;Xue 等人 (26) (2) 研究呈現轉爐石可成功應用於石膠泥瀝青混凝土級配 諸類研究顯示轉爐石可呈現較佳之性質, 基於此, 已被列入國家標準規範之考慮, 初步可適用於道路面層, 可取代作為瀝青混合料之粒料使用, 賦予適用法源之依據 此外, 在評估轉爐石瀝青混凝土之工程性質過程, 多僅是評估應用於單一級配, 例如轉爐石做為 SMA 鋪面粒料, 具有高抗車轍能力 高溫穩定性及抗水分侵入 可提升高溫永久變形穩定性及低溫脆裂性質 有效增加混合料穩定性進而節省資源 (3), 轉爐石應用於排水性瀝青混凝土時, 應使用黏度較高的改質瀝青, 再壓實試驗結果顯示會產生空 中華民國 99 年 12 月 47
隙率下降現象 應用於密級配瀝青混凝土時, 於穩定值 間接張力 滯留強度 車轍輪跡等性質均較佳於天然粒料 (4) 上述研究可歸納出轉爐石應用於不同級配屬性之瀝青混凝土, 均有各自不同之特性或需要另行注意之改良事項, 近年來學術單位才開始專注轉爐石應用於瀝青混凝土之課題, 但工程單位在使用類似資源再生產物, 需依規定編列於單位施工規範內方可有依據使用, 故目前少見實際鋪設於一般道路之案例, 且目前關於轉爐石應用於瀝青混凝土之特性, 多係以模擬試驗方式評估 轉爐石由於具有比重大 膨脹潛勢等有別於天然粒料之性質, 需要進一步鋪設於實際道路, 長期觀測其鋪面成效 基於轉爐石應用瀝青混凝土時, 少見評估實際鋪設成效, 以及探討於固定因素下, 轉爐石應用於不同級配瀝青混凝土之比較 本研究即彙整轉爐石瀝青混凝土之於中鋼公司 中聯公司 中龍公司等廠區內道路應用實例, 以及目前實際將轉爐石鋪設於高雄縣市區道路之案例, 於鋪設後每隔三個月至現 場進行觀測及取樣, 比較轉爐石應用於不同級配瀝青混凝土之現場鋪面績效 藉由現場觀測變化及試驗室相關力學試驗, 呈現轉爐石應用於瀝青混凝土鋪面之績效 二 轉爐石安定化處理 使用轉爐石最大疑慮為膨脹潛勢, 主要原因係轉爐石含有 f-cao 及 MgO 活性分子所致, 故於加工生產階段需先進行安定化處理 傳統作法採用 熱渣潑地處理法, 將煉鋼過程產出之熱熔渣, 溫度約 1,2, 直接倒置於平面場地靜置 6~8 小時, 再經過 2 次噴水冷卻, 每次靜置 4~6 小時, 之後出料 目前轉爐石係以最新 淺盤造塊水坑崩解處理法 安定化處理, 如圖 1, 處理過程包含倒置淺盤 脫模 倒入冷水坑反應等, 與傳統作法差異為將轉爐石熱熔渣倒置於淺盤鐵模, 靜置約 16 小時直到塊渣表面溫度約 3 ; 中心溫度約 6 之後脫模, 此步驟可藉由長時間靜置, 安定化處理較完整, 而且可將轉爐石集結成塊狀 之後再將塊狀轉 圖 1 淺盤造塊餘熱自解法之作業流程 ( 資料來源 : 中聯資源公司 ) 48 中工高雄會刊第 18 卷第 2 期
爐石倒入冷水坑, 持續澆水 熱悶與冷卻約 1 小時之後出料 此步驟為將塊狀轉爐石熱熔渣藉由熱差效應於冷水坑中自然崩解粉碎, 產出之轉爐石粒料扁平率較低, 而且接近 1% 破碎面 淺盤造塊水坑崩解處理法與傳統處理方式差別在於熱爐渣於水坑中, 可自然崩解粉碎, 產出之爐渣粒料呈現一致性塊狀型態, 扁平率非常低, 且具有 1% 破碎面 此外, 此處理過程不用破碎, 僅需重覆篩選與磁選工作, 產出之爐渣粒料材質緻密, 磨損率低, 而篩選過程不需另外以水沖洗, 避免水污染問題 故淺盤造塊水坑崩解處理法製程可確保轉爐石熱熔渣安定化, 且產出粒料符合瀝青混凝土粒料所需之破碎面高 扁平率低 塊狀型態等性質 三 轉爐石與天然粒料基本性質 轉爐石物理性質 : 1. 耐磨性 : 轉爐石有堅硬表面, 抗磨損能力佳 2. 摩擦性 : 轉爐石外表粗糙凹凸富有稜角, 可提高瀝青混凝土之抗磨擦能力 3. 儲熱能力 : 轉爐石儲熱之功能好, 可延長瀝青混凝土施工時間 4. 穩定值 : 以轉爐石拌製之瀝青混凝土可提升穩定值 5. 抗剝脫能力 : 轉爐石含有 CaO 可以有效增加瀝青混凝土抵抗剝脫能力 6. 抗車轍能力 : 轉爐石瀝青混凝土動穩定值較高, 因此具有良好之抗車轍能力 轉爐石之化學成分含量如表 1, 各主要化學成分之特性如下 : 表 1 轉爐石化學成分之含量 化學物質含量 1 (%) 含量 2 (%) 含量 3 (%) 含量 4 (%) 氧化鈣 (CaO) 42~52 4~52 42 35~49 二氧化矽 (SiO 2 ) 1~2 1~19 15 8~18 氧化亞鐵 (FeO) 15~35 1~4 24 17~35 氧化錳 (MnO) 3~1 5~8 5 1~5 氧化鎂 (MgO) 1~8 5~1 8 1~1 三氧化二鋁 (Al 2 O 3 ).5~3 1~3 5.5~7 五氧化二磷 (P 2 O 5 ) 1.5~4.5~1.8 1~3 硫 (S).25 <.1.8 - 氧化鉻 (Cr 2 O 3 ) < 2 - - ~.5 CaO/ SiO 2 4 - - - Free-CaO 3~13 - - - 資料來源 : 1 Sustainable and Advanced Materials for Road InfraStructure (SAM-6-DE5). 2 Turner Fairbank Highway Research Center, Material Description for Steel Slag. 3 National Slag Association, Steel Slag-A Premier Construction Aggregate. 4 中鋼 中龍 98 99 年度統計資料 中華民國 99 年 12 月 49
1. 氧化鈣 (CaO):CaO 為爐碴之主要成份,CaO 含量高能生成較多矽酸鹽類, 形成活性較高之矽酸鈣 (C2S) 及硫鋁酸鈣 2. 二氧化矽 (SiO 2 ):SiO 2 主要生成低鈣矽酸鹽和高矽玻璃體, 由於轉爐石中 CaO 與 MgO 之總含量, 不足以使 SiO 2 充分結合成玻璃質, 所以 SiO 2 含量過多反而降低活性 3. 氧化鋁 (Al 2 O 3 ):Al 2 O 3 亦是決定爐碴活性之成分之一, 在爐碴中易形成鋁酸鹽和鋁矽酸鹽等礦物, 其含量愈多活性愈大 4. 氧化鎂 (MgO): 在轉爐石內 MgO 與 SiO 2 及 Al 2 O 3 結合成穩定型化合物, 當 MgO 增加時會提高轉爐石之活性 5. 硫 (S):S 在爐碴中通常與 CaO 結合成 CaS, 與水作用生成 Ca(OH) 2, 在有 MnO 存在情況下易生成 MnS, 與水作用會發生體積膨脹現象 6. 氧化錳 (MnO):MnO 含量在 1~8%, 氧化錳之存在會影響轉爐石之健度 7. 游離氧化鈣 (f-cao):f-cao 吸收大氣中之水分與二氧化碳 (CO 2 ) 而發生風化作用, 使轉爐石體積膨脹 天然粒料及轉爐石物理性質比較如表 2, 天然粒料及轉爐石比重分別為 2.6 及 3.1, 轉爐石比重大一方面是其優點, 基本性質上可提高載重能力 吸水率比較下, 轉爐石吸水率比天然粒料高約 1%, 轉爐石成分包含 f-cao 及 MgO, 吸水後 f-cao 會水化為氫氧化鈣 (Ca(OH) 2 ), 體積將會膨脹 1-3%,MgO 會水化為氫氧化鎂 (Mg(OH) 2 ), 體積膨脹約 77% (5) 目前使用轉爐石前, 經過淺盤造塊水坑崩解處理法安定化處理, 以可大幅降低轉爐石膨脹之疑慮 轉爐石粒料由於含 CaO 成分, 具有親油性質, 故吸油率較高, 容易與瀝青膠泥結合, 增加包覆能力, 並降低水分侵入之機會 (6) 表 2 轉爐石與天然粒料物理性質 試驗類別 轉爐石天然粒料 比重 3.31 2.61 吸水率 (%) 2.6 1.69 洛杉磯磨損試驗 (%) 11.35 27.19 破裂面 三分料 三面以下 (%) 三面 ( 含 ) 以上 (%) 2.74 97.23 2.19 79.84 扁平率 三分料 1:3 以下 (%) 1:3( 含 ) 以上 (%) 99.17.89 93.16 6.91 轉爐石為經過刻意軋製, 形狀接近方形, 且幾乎沒有扁平率問題存在, 故抗抗磨損 率較高 扁平率甚低 破裂面較高, 在拌合 過程容易形成粒料間互鎖作用, 提高瀝青混 凝土之結構強度 四 轉爐石瀝青混凝土試驗 目前國內轉爐石應用於瀝青混凝土鋪面成效, 依據試驗室模擬成效試驗及實際現場鋪設, 計有密級配 排水性級配 再生級配等 瀝青混凝土成效試驗指標包含馬歇爾穩定值 回彈模數試驗 水分敏感性試驗 車轍試驗 抗滑試驗與透水量試驗, 茲彙整各成效值 1. 穩定值依據 ASTM D1559 規範, 穩定值為評估瀝青混合料基本成效, 目前已有針對轉爐石添加比例應用於不同粒料級配之比較, 如圖 2(a) (b) 分別為密級配及再生級配添加不同比例轉爐石之穩定值, 轉爐石取代天然粒料, 可有效提升瀝青混合料穩定值 (7)(8) 5 中工高雄會刊第 18 卷第 2 期
穩定值 (kgf) 2, 1,7 1,4 1,1 8 控制在 25 與 4 轉爐石應用於排水級配 密級配 再生級配之回彈模數值如圖 3, 回彈模數值隨轉爐石取代天然粒料用量增加而增加, 表示轉爐石可以提升瀝青混凝土彈性行為, 降低永久變形 (1)(11)(12) 5 % 2% 4% 6% 8% 1% 2 2, 25 4 2, (a) 密級配 MR(kg/cm^2) 1 1, 1,8 穩定值 (kgf) 1,6 1,4 % 2% 4% 6% (a) 排水級配 1,2 1, 12 27 42 54 2 2, 25 4 轉爐石添加量 ( 取代全部粒料之比例 ) (b) 再生級配 MR(kg/cm^2) 1 1, 圖 2 轉爐石添加量與穩度值關係圖 ( 資料來源 : 高苑科技大學 義守大學 ) % 2% 4% 6% 8% 1% 2. 回彈模數回彈模數 (Resilient Modulus,Mr) 係物體受力後所能回復之最大強度, 對於最佳的瀝青混凝土而言, 在溫度較低時會具有較高的黏塑性以承受應力與應變, 能夠維持適當的柔韌度, 避免裂縫產生, 即回彈模數值在低溫時不希望太高 ; 在高溫時應具有足夠的彈性以抵抗推擠所造成之變形, 並保有適當強度, 即在高溫時希望有較高的回彈模數值 (9) 瀝青混凝土回彈模數係表示應力在降伏點之前, 儲存在內部的應變能密度, 回彈模數越大, 表示瀝青混凝土能儲存能量越多, 越具有抵抗變形之能力 瀝青混凝土回彈模數係依據 ASTM D4123 規範進行, 試驗溫度 MR(kg/cm^2) 2, 1 1, 25 4 (b) 密級配 % 12% 22% 34% 轉爐石添加量 ( 取代全部粒料之比例 ) (c) 再生級配 圖 3 轉爐石添加量於瀝青混凝土之回彈模數關係圖 ( 資料來源 : 台灣世曦顧問公司 中央大學 義守大學 ) 中華民國 99 年 12 月 51
3. 浸水前後水分敏感性瀝青混凝土間接張力殘餘強度 (Tensile Strength Ratio,TSR) 試驗主要目的是在量測瀝青混凝土對於水分浸入的情況下是否對瀝青混凝土試體造成影響的傷害, 受到外在物理作用, 如水分 空氣 溫度 交通量等影響因素, 會使瀝青黏結料本身的內聚力或瀝青與粒料之間的黏結力降低, 使得瀝青混凝 (13) 土的結構強度降低,Kanitpong (23) 等人 指出間接張力試驗所造成的破壞是以黏結材本身的內聚力為主, 當試體浸水後, 由瀝青和粒料間黏結力與瀝青內聚力兩者控制間接張力的破壞 瀝青混凝土強度變化程度, 評估雨天過後可能產生之剝脫破壞現象, 依據 AASHTO T283 水分敏感性特性試驗進行, 以馬歇爾試體分別進行浸水前後間接張力試驗, 計算其殘餘間接張力強度比率, 規範要求 TSR 值需高於 75%,TSR 值越高代表越不容易產生雨天剝脫的現象, 轉爐石應用於排水級配 密級配水分敏感性如圖 4, 隨著添加轉爐石量增加, 整體瀝青混凝土 TSR 值亦隨之增加, 均高於規範要求 (14)(15) 4. 抗車轍能力車轍試驗目的在於模擬鋪面開放交通後, 經車輛長期輾壓產生永久破壞之情形, 車轍深度越高表示該瀝青混凝土材料抵抗載重能力不足 台灣地區夏季鋪面最高溫平均約為 6, 溫度越高, 瀝青黏結料越趨軟化, 此時則由粒料承受大部分車輛載重, 茲以溫度 6 車轍試驗, 評估轉爐石應用於瀝青混凝土抵抗載重能力 如圖 5, 瀝青混凝土車轍深度隨添加轉爐石比例增加而降低, 表示添加轉爐石可增加瀝青混凝土抗車轍能力 (16) TSR(%) TSR(%) 1 9 8 7 6 5 1 9 8 7 6 5 % 2% 4% 6% 8% 1% (a) 排水級配 % 2% 4% 6% 8% 1% (b) 密級配圖 4 轉爐石添加量與瀝青混凝土水份敏感性試驗關係圖 ( 資料來源 : 台灣世曦顧問公司 中央大學 ) 動穩定值 ( 次 /mm) 動穩定值 ( 次 /mm) 4, 3, 2, 1, 4, 3, 2, 1, % 2% 4% 6% (a) 排水級配 % 2% 4% 6% 8% 1% (b) 密級配圖 5 轉爐石添加量與瀝青混凝土車轍試驗關係圖 ( 資料來源 : 台灣世曦顧問公司 中央大學 ) 52 中工高雄會刊第 18 卷第 2 期
五 轉爐石瀝青混凝土現地檢測成效 本研究再探討目前實際道路鋪設轉爐石瀝青混凝土材料長期觀測及成效評估, 位於高雄縣澄清路, 長度約 25m, 分為三個試驗路段, 如圖 6, 轄區道路進行轉爐石瀝青混凝土試鋪鋪面之評估 結合產品品質檢驗 配合設計 拌合廠產製過程 實際試鋪 壓實等過程, 進行品質管理及鋪面調查, 並於試鋪完成後每 3 個月做現場觀測試驗及非破壞性檢測 大約一年評比轉爐石對於實際道路鋪設平坦度之影響, 以目前實際檢測結果, 鋪設轉爐石瀝青混凝土之鋪面平坦度與傳統再生瀝青混凝土鋪面並無大幅變化, 但仍需以長期觀察的角度進行評比, 了解道路整體平坦度之變化 圖 7 轉爐石取代量之平坦度標準差 圖 6 試驗路段鋪面位置及斷面圖 1. 轉爐石瀝青混凝土鋪面平坦程度路面鋪築之目的在鋪面具平坦性, 增進乘客舒適感, 及減輕車輛耗損 平坦度之測試, 在檢驗及控制路面最後鋪築面之平坦性, 或檢驗在使用中路面平坦度, 以作為路面維修之資料 本研究於鋪築後每隔三個月進行現場檢測, 圖 7 為澄清路不同轉爐石取代量之平坦度全距標準差 (Standard Deviation,SD) 比較圖, 實驗結果顯示轉爐石取代量 % 2% 4% 鋪築後其值皆符合規範值, 因開放通車 2. 轉爐石瀝青混凝土鋪面車轍深度車轍為位在輪跡處之縱向表面下陷, 沿著車轍邊可能發生鋪面上舉, 也可能併有橫向位移, 一般係由交通荷重所引起之壓密或側向位移 由圖 8 以實際檢測結果顯示, 開放交通後 12 個月, 轉爐石瀝青混凝土鋪面車轍深度與傳統再生瀝青混凝土鋪面並無明顯差異, 車轍深度即是鋪面永久變形量, 為鋪面績效上最明顯之指標, 上述可說明以轉爐石取代天然粒料, 亦可維持與傳統瀝青混凝土鋪面之抗車轍指標, 可成功應用於實際瀝青混凝土鋪面 圖 8 轉爐石取代量之車轍量標準差 中華民國 99 年 12 月 53
六 結論 1. 轉爐石比重較重於天然粒料, 預期可以提供穩定值, 降低流度值, 轉爐石粒料比天然粒料較接近方形, 加入鋪面後有互鎖作用, 能提升再生瀝青混凝土之力學及耐久性 2. 轉爐石幾乎沒有扁平率問題存在, 而天然粒料約有 7% 過於扁平之粒形, 轉爐石於磨損率 破裂面及扁平率方面皆優於天然粒料 3. 轉爐石應用於排水級配 密級配 再生級配等, 各項成效值顯示轉爐石均優於天然粒料 4. 經由實際道路鋪設轉爐石瀝青混凝土材料長期觀測及成效評估, 開放通車一年, 轉爐石取代量 % 2% 4%, 鋪築後路面平坦度及車轍深度變化, 與再生瀝青混凝土鋪面比較並無差異, 印證可以將轉爐石實際應用於市區道路使用 參考資料 (1)Shen, D.H., Wu, C.M., Du, J,C., Laboratory investigation of basic oxygen furnace slag for substitution of aggregate in porous asphalt mixture, Construction and Building Materials, In Press, Corrected Proof, Available online 19 December 29. (2)Xue, Y., Wu, S., Hou, H., and Zha, J., Experimental investigation of basic oxygen furnace slag used as aggregate in asphalt mixture, Journal of Hazardous Materials, Vol.138, Issue. 2, pp.261-268, 26. (3)Wu, S., Xue, Y., Ye, Q., and Chen, Y., Utilization of steel slag as aggregates for stone mastic asphalt (SMA) mixtures, Building and Environment, Vol.42, pp.258 2585, 27. (4) 台灣世曦工程顧問股份有限公司 轉爐石應用於密級配與排水性瀝青混凝土性質之綜合研究, 中聯資源股份有限公司委託研究計畫,29 (5) 李春雄, 中鋼轉爐石回脹抑制方法之研究, 國立成功大學土木工程系碩士論文, 台南,22 (6) 黃淳銜 黃隆昇 林登峰 林平全, 轉爐石資源化再利用作為道路鋪面材料之成效, 技術與訓練 (ISSN 254-5888), 33 卷 3 期,pp.36~44,28 (7) 蔡國華, 轉爐石添加量對密級配瀝青混凝土之耐久性之研究, 碩士論文, 高苑科技大學土木工程研究所, 高雄,29 (8) 再生瀝青混凝土添加轉爐石成效評估研究計畫期中報告, 義守大學, 高雄,28 (9) 黃隆昇 李永鍵 林登峰 李韋德 陳厚邑, 評估轉爐石應用於瀝青混凝土試鋪道路成效 - 以高雄縣澄清路為例, 第十五屆鋪面工程學術研討會暨國際與兩岸鋪面專家高峰會議,29 (1)Turner Fairbank Highway Research Center Material description for steel slag and the application of steel slag on asphalt concrete,, Georgetown, USA, 27. (11) 袁家偉, 使用轉爐石提升耐久性瀝青混凝土成效之研究, 國立中央大學土木工程研究所碩士論文,27 (12)Kandhal, P. S., and Foo, K., and Mallick, R. B. Critical Review of Voids in Mineral Aggregate Requirements in Superpave, Transportation Research Record, n 169, pp.21-27, 1998. (13)Kanitpong, K., and Bahia, H. U. Role of Adhesion and Thin Film Tackiness of Asphalt Binders in Moisture Damage of 54 中工高雄會刊第 18 卷第 2 期
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