剩余土石方之粗料.doc

剩餘土石方之粗料、細料性質及試舖Properties of Coarse Portions and Fine Portions of Soil-like Materials and Their Field Compaction Behaviors楊朝平 聶俊華中華大學土木工程研究所新竹市香山區東香里五福路2段707號電話：03-5374281-2714 傳真：03-5372188Email: .tw關鍵詞：剩餘土石方、粗細料性質、試舖摘 要建築拆除物發生量多不易處理，宜將其所含之剩餘土石方（混凝土、土、陶、磁、磚、瓦等）分類出來再利用，惟其性質尚待調查。為此，本研究調查了臺灣中部三處剩餘土石方之性質，並乘工程施工之便於兩地施行現地試舖，觀察其夯實行為並估算強度。研究發現，剩餘土石方粗料之含泥量、吸水率大於天然骨材，磨損率則符合骨材一般規範要求；於最佳夯實狀態之剩餘土石方細料其透水性低，抗剪強度不亞於同類天然土；宜以震動夯實機於乾側輾壓剩餘土石方。若將剩餘土石方拌以天然土可改善其承載力、抗剪強度等性質，惟需依夯實試驗及輾壓工作性決定拌和比例。Key Words: soil-like materials, properties of coarse and fine portion, compaction. ABSTRACTThe soil-like materials (such as concrete, brick, pottery and soil etc.) mixed in the building demolition wastes must be processed in order to reuse. However, most of their properties are still unknown. Thereby, this study investigated the properties of soil-like materials at three sites in central Taiwan. Then, under the support of the relative governmental units, two field compaction tests were performed. According to the study, high mud content and high water absorption are particularly noticeable in coarse portions (diameter 4.75) of soil-like materials, while their properties of abrasion are low enough to reuse as an aggregate. For fine portions (diameter 4.75) of soil-like materials at optimum compaction state, their properties of permeability are lower than the same classification of natural soils, however, their shear strengths are higher than the one of natural soils. It is preferable to mix the soil-like materials with natural soils and a suitable mixture rate should be determined by laboratory compaction and considering workability of field compaction. A vibratory roller was recommended to compact the soil-like materials at dry side.1、前言建築拆除物日益增多，而合法土資場少且容量有限，在無法即時且有效的處理前，必然被隨地的堆置，易造成二次污染危害環境。根據陳明良、林慶元1之調查，發生自臺北都會區建築拆除物的組成約為58%之剩餘土石方（混凝土、土、陶、磁、磚、瓦等）及42%雜物（木、金屬、橡塑膠、玻璃、紙等碎屑）。楊朝平2調查發現，台中地區一般建築拆除物裡約有八成、發生自921大地震之建築拆除物裡約有九成是剩餘土石方。日本東京都舊廳舍面積廣達50,000，於1991年費時五個多月被拆除，並在基地內施行建築拆除物之分類處理將其 化整為零再利用 3。建築拆除物需被分類去除雜物並破碎使成剩餘土石方，再經篩選粒徑或調整級配等處理後，方可再利用為骨材或土方。剩餘土石方之再利用途甚廣，如用為工地道路、回填、路基、堤防等土石料及道路護欄、消波塊、漁礁等混凝土製品之骨材4,5,6,7。因依各構造物機能其所要求之剩餘土石方品質不一，故有必要調查其基本性質俾供設計者、使用者參考。為此，本研究以921震災為契機，調查發生於臺中縣市、南投縣之剩餘土石方粗料（粒徑大於4.75者）、細料性質，並乘工程施工之便於兩地施行現地試舖觀察其夯實行為，且估算其承載力、抗剪強度等力學量。2、試料調查對象為發生自埔里震災、大里震災及臺中市土資場之剩餘土石方；本文以埔里場、大里場及臺中場稱此三種試料。其中，震災試料乃因地震而發生之物非常態性，而土資場之試料屬常態建築拆除或營建工程的發生物。埔里場試料多拆自鄉郊毀損之加強磚造屋、土塊厝、混凝土屋等物，大里場試料多拆自都會區之混凝土屋、加強磚造屋而土塊厝較少，臺中場試料來源不全是拆屋另有僅拆除室內裝簧或整地者。以挖土機至各建築拆除物堆隨機取約5之試料將其置於帆布上，先分類出剩餘土石方求其粒徑分佈後，再將剩餘土石方篩分成粗料與細料，袋裝運回實驗室俾施行進一步試驗。 此等剩餘土石方已分類未破碎之原始粒徑分佈性質如下：(1) 於埔里場試料，粒徑大於4.75之粗料佔76%，含朱色粗糙多角之磚塊、褐色混凝土塊及細料。(2) 於大里場試料粗料佔85%，略多混凝土塊。(3) 於臺中場試料粗料佔68%，粗料較少磚塊亦粗糙多角惟多天然碎石及些許混凝土塊，細料則為天然土。3、粗試性質剩餘土石方中的粗料是具高再利用價值者，經破碎、洗淨可為再生骨材(Reclaimed Concrete Material, RCM)。與天然骨材相較，RCM 表面多角、粗慥，其面乾內飽和比重較低約2.02.4（天然骨材比重約2.6），其吸水率為3%8%較高（天然骨材吸水率為0.8%3.7%）；使用RCM 之混凝土，其強度約僅一般的70%且變異大7,8,9,10。康裕明11調查921震災剩餘土石方粗料之性質，得面乾內飽和比重於混凝土塊是2.35、於磚塊是2.05，吸水率於混凝土塊是7.9%、於磚塊是18.8%，磨損率於混凝土塊是30.9%、於磚塊是47.3%。 圖一為自剩餘土石方裡篩選出之粗料例；參閱表一，所調查三場剩餘土石方粗料之性質為：(1)含泥量含泥量於埔里場粗料為1.5%、大里場粗料為1.7%、臺中場粗料是5.2%；因臺中場之粗料是在雨後6小時被採取，在較濕狀態下含泥量多。骨材含泥量多寡會影響混凝土強度為其重要品質指標之一，當骨材的含泥量大於2%混凝土的強度將顯著下降12，日本規範所定粗骨材的容許含泥量為0.25%13。(2)面乾內飽和比重面乾內飽和比重於埔里場粗料是2.20（潔淨）、2.05（未潔淨），於大里場粗料是2.17（潔淨）、2.08（未潔淨），於臺中場粗料是2.04（潔淨）、1.90（未潔淨）；知曉其面乾內飽和比重與試樣來源有關，且於潔淨者較大。因剩餘土石方大都為混凝土塊、磚、瓦或其混和體所構成，比例不定、形狀多為不規則體、本身成分變異性較大、骨材表面粗糙含大量孔隙加上組織較不緻密，故其比重較天然骨材小。(3)吸水率吸水率於埔里場粗料是7.6%（潔淨）、15.5%（未潔淨），於大里場粗料是7.5%（潔淨）、13.5%（未潔淨），於臺中場粗料是10.7%（潔淨）、17.0%（未潔淨）；知曉骨材於附著水泥粉、土之未潔淨狀態，其吸水率高達潔淨時之一倍左右。三場粗料之吸水率皆甚高於天然骨材之0.8%3.7%。(4)磨損率依洛杉機磨損試驗A法所求得之磨損率於埔里場粗料為22.3%、於大里場粗料為25.1%、於臺中場粗料為31.0%，其磨損多為混凝土稜角被磨成圓滑或邊角被打碎，只有少數磚有破裂及破碎之情形。CNS 1240規定混凝土用粗粒之磨損率應小於50%，CNS 6299規定一般混凝土用碎石之磨損率應小於40% 13。4、細試性質 圖二為剩餘土石方裡之細料例；見表二，依土壤力學試驗規範調查細料諸性質為：(1) 三場細料皆不具塑性，依USCS分類皆屬SW-SM類。(2) 細料之比重於埔里場2.65、於大里場2.68、於臺中場2.67，相近於一般土壤者。(3) 依標準Proctor夯實試驗，得其最佳含水比於埔里場18.0%、大里場17.9%、臺中場22.3%；最大乾單位重於埔里場16.7、於大里場16.7、於臺中場15.4；其夯實最大乾單位重皆大於公共工程施工綱要規範所定工程土方之下限值14.7。(4) 從最佳夯實狀態試體所得之透水係數於埔里場7.2、於大里場1.8、於臺中場9.8，屬不透水性半透水性土。(5) 依無圍壓縮試驗求處於夯實最佳狀態試體之無圍壓縮強度、破壞軸向應變量及其正割模數；其於埔里場90.6、於大里場88.5、於臺中場46.2；其於埔里場2.7%、於大里場2.2%、於臺中場2.4%；其於埔里場5,602、於大里場4,018、於臺中場2,395；此等性質稍遜於同類天然土，可能是含雜物之故，惟其影響性尚待調查。(6) 依單向度壓密試驗求處於夯實最佳狀態試體之壓密性質，其壓縮指數於埔里場0.129、於大里場0.107、於臺中場0.112；雖然三場細料不具塑性，但其值較大於同類天然土，亦可能是含雜物之故。(7) 依三軸UU試驗求處於夯實最佳狀態試體之抗剪強度；其摩擦角於埔里場32.8、大里場36.2、臺中場29.3；其粘著力於埔里場107.4，大里場172.8，臺中場165.1；知曉剩餘土石方細料之抗剪強度不亞於同類天然土。5、現地試舖 本研究乘921建築拆除物分類工程施工之便，分別於南投縣埔里鎮眉溪河川地對埔里剩餘土石方、於臺中縣烏日鄉二高後續計畫快官草屯路段-烏日交流道工地對大里混合料施行試舖，以下說明之。5.1 現地試舖用試料性質 埔里剩餘土石方為經分類、破碎處理之物，圖三為其粒徑分佈，粗料含量為71.5%、級配良，依AASHTO分類系統屬A-1-a類。另一方面，大里混合料已被再利用於二高烏日交流道之路基內，依國工局之事前試驗結果及考慮現地輾壓施工性，決定以35%粒徑大於2之大里剩餘土石方拌以65%天然土改良之14。圖四為其經分類、破碎、拌合處理之粒徑分佈，粗料含量48.5%、級配良，依AASHTO分類系統屬A-1-b類。5.2 現地試舖試料之實驗室夯實行為 因試料顆粒較大而依JIS-A-1210-2.5 Method施行修正夯實試驗，試樣不得重覆使用；其夯實模高度11.6、內徑15.26、夯鎚重量0.0453、夯鎚落距45.8、分3層、每層打92下，夯實能量為2,642。惟試樣之容許最大粒徑為38.1，故尚需對夯實試體的乾單位重做過大粒徑混合率修正，建議過大粒徑混合率宜小於40%。由圖三、圖四知曉兩場試料之過大粒徑混合率小於40%，故適用此法15。圖五為埔里剩餘土石方之夯實曲線，乾單位重的變化率於乾側、濕側略同，此曲線雖略平坦仍可判釋出最佳狀態點，其為11.3%、為19.0；於=6.9%16.8%之變化範圍，於18.019.0間變化。另一方面，圖六為大里混合料之夯實曲線，其形狀呈鐘型出現明顯尖峰點，其10.2%、20.4；於=6.5%13.7%之變化範圍內，之值於18.420.4間變化。5.3 衝擊加速度因夯實土之乾單位重、相對夯實度或相對密度等皆為狀態量，而於設計上需使用力學量如加州承載比、有效摩擦角等，惟欲求此等力學量需進一步施行試驗，經費高且費時。於臺灣之設計、施工環境，往往因經費限制或時間壓力而無法照般施行力學試驗，故有必要導入簡易的強度試驗儀俾間接的估算其力學量，惟使用上需先律定該試驗儀之量測值與力學量之關係。 於本研究，茲使用日本建設省近畿地方建設局近畿技術事務所所開發之簡易承載力測定器，讓重0.045、直徑5之內藏加速度計衝擊鎚，以45落距垂直自由落下撞擊土體，即得其衝擊加速度，俾間接據此值達估算土體力學量之效。根據該儀器使用手冊16，依其對數種礫質土（礫石含量20%50%、最大粒徑38.1）於夯實最佳狀態之試驗結果，與三軸UU試驗所得摩擦角之關係見式(1)，其於= 8 33範圍內之相關係數為0.88。另一方面，式(2)為著者所提之、關係，其於= 5 42範圍內之相關係數為0.91。 (1) (2)夯打完試體後，直接將簡易承載力測定器置於試體表面，續量測衝擊加速度。圖五、圖六裡一併示出不同夯實狀態試體之值，試體之值與其硬度或密實度呈正比，即大之試體可預期其強度應也較大。惟發現受、含水比之交互影響，即對具同一之試體其於乾側之甚大於濕側者；例如於圖六裡對18.0之兩試體，其於乾側試體之是21，而於濕側試體之為10甚小於乾側試體者。整體而言，試體隨著含水比的增加增大也變大，於最佳狀態之乾側出現最大值後減小，在最佳狀態處並非最大，進入濕側後減小率增大。此種與試體夯實狀態之變化關係甚相似於無圍壓縮強度之變化，即如於土壤力學所認知般，於乾側之試體其大、具脆性，於濕側之試體其小、變形大，故可確認相對應於試體強度。埔里剩餘土石方於最佳狀態之值為22；於=6.9%16.8%之變化範圍，於1029間變化。大里混合料於最佳狀態之值為32；於=6.5%13.7% 之變化範圍，於938間變化。5.4 現地試舖結果於現地試舖承蒙第三河川局與國工局支援所需之卡車、挖土機、光滑輥（15=133.4）等重機械得以完成，試驗場設於眉溪河川地及烏日交流道工地兩處，試舖過程為進料、整平、輾壓及量測每次輾壓後之工地密度、衝擊加速度等。每區之面積為30長、15寬，每區計輾壓四層，其第一、二層是以靜態能量 (Static) 輾壓之，而第三、四層是以震動能量 (Vibratory) 輾壓之。因所用之試料為含粗粒之土料，故依水利處土方工程規範，其應保持充份濕潤狀態，以滿足填方安定性及機械工作性為原則。設定其散舖厚度是3540，輾壓軌跡重疊處至少應重疊30，夯實後之厚度不得超過30。(1)埔里剩餘土石方圖七為埔里剩餘土石方之現地試舖結果，如預期般第一次輾壓之相對夯實度增加量最大，於後續之輾壓雖增大惟增加率遞減。於此區因試舖前後日為陰雨天，故現地試料之含水比約13.3%濕於最佳含水比的11.3%，可能是試料過濕之故發現輾壓方式對其夯實效果影響小或夯實效果不彰。試料被輾壓7次後，於靜態其值從整平後的70.5%增至92.1%，於震動其值從72.6%增至93.1%；值增加量於靜態為19.5%、於震動為21.1%。另一方面，經震動輾壓7次後，埔里剩餘土石方的衝擊加速度為9；則依式(1) 所估算之為23.9不亞於天然土；依式(2) 所估算之為22%，大於一般道路規範對路堤材所定之15%。(2)大里混合料為拌和大里混合料乃將天然土與剩餘土石方按比例互層堆置成堆，以挖土機挖試料入卡車運至試驗區倒成堆後再以推土機整平，在此等作業過程中可達拌和試料之效。圖八為大里混合料之現地試舖結果，現地試料之含水比約9.7%甚接近於其最佳含水比的10.2%，明顯可觀察出於輾壓初期震動之夯實效率甚高於靜態者。試料被輾壓7次後，於靜態其值從整平後的74.0%增至95.1%，於震動其值從73.0%增至101.5%；值增加量於靜態為21.13%、於震動為28.5。另一方面，經震動輾壓7次後，大里混合料的衝擊加速度為23，則依式(1)、式(2)所估算之為37.6、為46%，知曉其抗剪強度及承載力更大於埔里剩餘土石方者。6、結論與建議 本研究綜合調查了埔里、大里、臺中三場之剩餘土石方粗細料性質，並對埔里剩餘土石方、大里混合料施行試鋪，歸納所得成果如下：(1) 剩餘土石方粗料之含泥量為1.5%5.2%，大於骨材一般規範要求之1.0%。(2) 剩餘土石方潔淨粗料之面乾內飽和比重為2.172.20，小於天然骨材之2.602.80，材質欠緻密。(3) 剩餘土石方粗料之吸水率受其潔淨狀態影響甚大，潔淨料為7.5%10.7%，未潔淨料為13.5%17.0%，甚大於天然骨材之0.8%3.7%。(4) 剩餘土石方粗料之磨損率為22.3% 31.0%，小於骨材一般規範要求之40%。(5) 剩餘土石方細料之為15.416.7，大於公共工程施工綱要規範所定工程土方之下限值14.7。(6) 於最佳夯實狀態，剩餘土石方細料屬不透水性半透水性土。(7) 於最佳夯實狀態，剩餘土石方細料之無圍壓縮強度為46.290.6，稍遜於同類天然土。(8) 於最佳夯實狀態，剩餘土石方細料之壓縮指數為0.1070.129，略大於同類天然土。(9) 於最佳夯實狀態，剩餘土石方細料之為29.336.2，不亞於同類天然土。(10) 於現地試舖，埔里剩餘土石方被震動輾壓7次後之值為93.1%、=9，所估算之為23.9、為22%。(11) 於現地試舖，大里混合料被震動輾壓7次後之值為101.5%、=23，所估算之為37.6、為46%。(12) 於剩餘土石方，震動輾壓的夯實效果高於靜態者。 建議如下：(1) 剩餘土石方粗料之含泥量高，再利用為骨材時宜洗淨。(2) 剩餘土石方可再利用為回填、堤防、路堤等之土石料，惟建議適當改良級配。(3) 制定本土再利用剩餘土石方之相關技術規範。誌 謝 本研究經由國科會（NSC 91-2211-E-216-005）之經費補助及公共工程委員會、水利署第三河川局、國工局第二區工程處、環保署中部辦公室、臺灣營建研究院、總茂環保股份有限公司等之行政、機具支援，方得以完成；一併對參與試驗作業之中華大學土木系所碩士生致謝。參考文獻1. 陳明良、林慶元，建築產業廢棄物再利用之研究：臺北都會區建築廢棄物數量與種類之調查研究，台灣工業技術學院碩士論文 (1996)。2. 楊朝平，臺灣營建副產物組成分析及其剩餘土石方性質調查（案例：埔里921震災及臺中一般營建副產物），第四屆舖面材料再生研討會，第103-110頁（2000）。3. 衫山裕，東京都舊廳舍撤去工事東京國際一建設，土木技術，Vol.53, No.4, 第64-69頁，日本 (1995)。4. Yrjanson, W. A., ”Recycling of portland cement concrete pavements,” National Cooperative Highway Research Program Synthesis of Highway Practice No.154, National Research Council, Washington, D.C. (1989).5. 顏聰，災區拆屋廢棄物之再利用，災後重建提昇混凝土品質研討會論文集，第3-31頁 (2000)。6. 陳豪吉、廖惇治，營建廢棄物應用於混凝土再生骨材之研究，臺灣營建研究院叢書E38，第115-130頁 (2001)。7. Hanks, A. J. and Magni, E. R., ”The use of recovered bituminous and concrete materials in Granular base and earth,” Report MI-137, Ontario Ministry of Transportation, Downsview, Ontario, USA (1989).8. Hansen, T. C. and Narud, H., “Strength of recycled concrete made from crashed concrete coarse aggregate,” Concrete International, January, pp.120-135 (1983).9. ACPA, ”Recycling concrete pavement,” Concrete Paving Technology, America Concrete Pavement Association, Skokie, Illinois (1993).10. Mabin, S. M., ”Recycled concrete aggregate New York States experience,” Recovery and Effective Reuse of Discarded materials and By-