以再開挖性 探討控制性低強度材料之原料選擇

 

前言

臺灣引進國外「控制性低強度材料」產製技術已將近20年,用以取代現有管路工程所使用之傳統回填材料,其主要目的為回填管路,如自來水、汙水下水道、電信通訊、電力及天然氣等,由於這些管線皆埋設至於路面下,管路開挖維修後,需回填將路面回復至原始狀態,在尚未使用此材料前,常使用之回填材料,大部分為原有之土壤或級配砂石料,若回填時壓密不確實,將使回填處產生路面下陷、龜裂及路面剝落等問題,對行車安全有不良之影響,實際上,回填施工時間短暫,常無法確實完成回填作業,最後導致回填處下陷,形成坑洞且使剛修復之管路造成破壞。

另外,控制性低強度材料,可將現有工業廢棄物,有效地作為其材料組成替代材料,減少水泥使用量,可完全不使用天然砂石,為現代營建材料設計之綠色概念,可增加工業廢棄物附加價值與再利用性,達到產業節能減碳及永續發展之綠色目標。然而在臺灣,控制性低強度材料與ACI 229R-13 Report on Controlled Low-Strength Materials有很大的不同,本文針對控制性低強度材料再開挖性作詳細探討,可使工程單位選擇再生粒料時,有更明確的考量,以符合控制性低強度材料之原始精神。

再開挖性影響因素

依據ACI229R-13Report on Controlled Low-Strength Materials[1],給予Removability modulus(RE),作為再開挖是否容易之判別標準,其公式如下:

1163-2-1

其中,W為乾單位重,單位為kg/m3,C為28天無圍壓縮強度,單位為kPa。

可以發現事實上對於再開挖性,乾單位重之權重是遠大於28天抗壓強度的。當RE值小於1,此CLSM可視為容易開挖,當其大於1,則不易開挖,再結合CLSM與強度相關之定義,ACI 116R定義「CLSM為一種無圍抗壓強度不超過1200 psi之材料」[2],以及ASTM
D4832定義為「土壤、膠結性材料、水或含有摻劑之一種混合物,硬固後強度較原來材料高但不超過1200 psi的材料」[3],以此計算,若RE要小於1,其容許最低乾單位重為681.64 kg/m3。

而依目前行政院公共工程委員會施工綱要規範第03377章,對於28天抗壓強度相關規定(詳表1)[4],使用工程為永久的結構回填,建議強度以不超過90 kgf/cm2,則其容許最低乾單位重為666.15 kg/m3;應用為鋪面管溝工程之回填,則建議不超過50 kgf/cm2為上限,則其容許最低乾單位重810.33kg/m3,RE值才會小於1,以一般CLSM配比估算乾單位重(詳表2)[5],不計水泥水化反應,乾單位重約為1905 kg/m3,以此乾單位重反算28天應有抗壓強度,僅為3.85 kgf/cm2,雖然行政院公共工程委員會施工綱要規範第03377章,對於28天抗壓強度並無規定下限,理論上能夠製作出易於開挖之CLSM,但參考各單位有關CLSM之規定如表3[6-15],發現仍有工程單位要求CLSM的28天抗壓強度下限,包括交通部、經濟部水利署、高雄市政府工務局與台北市政府工務局,若以此規定要滿足CLSM易於開挖的初衷,則其最大乾單位重僅能為1100、1100、912.63與872.9kg/m3,經濟部水利署施工規範第 03377 章控制性低強度回填材料(CLSM)更直接闡明若考慮再開挖者,其28天抗壓強度下限仍必須要20 kgf/cm2以上,也就是最大乾單位重僅能為1100
kg/m3。

統整目前臺灣的施工規範,以天然粒料作為控制性低強度材料之原料,要滿足易於開挖這條件相當困難,必須結合發泡技術才有可能達到,以天然粒料結合發泡技術,製作乾單位重1100 kg/m3的CLSM,其空氣含量必須再較現有CLSM增加42%空氣含量,施工技術非常困難,以目前發泡劑的極限,於純漿狀態可將空氣含量提高至70%,而砂漿僅有35%,若混凝土則只剩25%,這是因為若粒料中包含粗粒料,其塌泡的可能性相當高,與漿體黏稠度也有很大關係,結合實際施工情形,當澆置落距大,重力作用使塌泡情形加劇,由此可知,以一般建議配比,製作具再開挖性之控制性低強度材料,窒礙難行,將控制性低強度材料輕量化,才有可能滿足再開挖性。

輕量化CLSM方法

輕量化CLSM之方法共計有四種,一是增加空氣含量,此為最直接有效之方式,二為增加用水量,因為水為配比中最輕之原料,且再開挖模數為乾單位重,因此水具有與空氣降低自重相同的效果(不計水化反應),三是降低粒料重量,因粒料佔CLSM大部分體積,最後,是降低膠結材重量,雖然膠結材用量不高,但水泥比重較天然砂石重,為一般建議配比中比重最重之材料。

以下針對四個方式,進行簡單介紹:

增加空氣含量共可分為兩個方式,一是藥劑的使用,如發泡劑或輸氣劑,但如此會使CLSM成本增加,且技術門檻較高,第二種方式是藉由粒料堆疊產生空隙,也就是形成類似於透水混凝土的配比組成,但此種方式並沒有辦法滿足CLSM所需要的高流動性;增加用水量為一相對簡單的方法,所衍生的問題有兩個,一是若規範中有最大流度限制,則無法加過量的水,二是過多的水將會造成落沉試驗無法通過,以上兩個方式為降低乾單位重最有效的方式,但是目前CLSM為廢棄物或再生粒料的主要再利用管道,無論使用何種方法,皆會使每立方公尺CLSM能添加的固體材料降低,此與目前將廢棄物與再生粒料,推動至CLSM當中的趨勢相違背。

至於降低粒料重量的方式取決於所使用粒料的比重,目前不計申請通案、個案與試驗計畫,應用於控制性低強度材料的廢棄物或再生粒料,共計有10項材料,能合法作為CLSM之粒料,有依據經濟部事業廢棄物再利用管理辦法附表的煤灰、廢鑄砂、石材廢料(板、塊)、電弧爐煉鋼碴(石)中的氧化碴、感應電爐爐碴(石)、化鐵爐爐碴(石)以及廢噴砂;經濟部再生利用之再生資源項目及規範中的鈦鐵礦氯化爐碴;垃圾焚化廠焚化底渣再利用管理方式的焚化再生粒料;滾筒轉爐石CLSM使用手冊中的轉爐碴,其再利用的重點仍圍繞在毒性特性溶出程序(TCLP)溶出標準是否符合規範要求,以及最終是否能夠滿足工程性質,但因目前所有的規範皆未將再開挖性列入工程性質中,導致比重較天然粒料為重的廢棄物或再生粒料,仍可應用於CLSM當中,如上一節所述,以天然粒料拌和成具開挖性的控制性低強度材料已不可行,更遑論使用重質粒料作為CLSM之原料所製作的成品。

而要降低膠結材的重量共分為兩種方式,一為使用卜作嵐材料取代水泥,然而目前常用的卜作嵐材料,僅有水淬高爐石粉與飛灰,其初凝時間皆較卜特蘭水泥來得長,可能造成落沉試驗無法順利通過,二為利用鹼激發爐石、或複合型無機聚合物作為膠結材,其原料通常為水淬高爐石粉、飛灰與玻璃粉末,比重皆較卜特蘭水泥輕,且凝結時間能控制至比卜特蘭水泥來得短,但其技術門檻較高,難以短期大量使用。

結論

控制性低強度材料,與一般混凝土最大的不同,在於其流動性,但對於凝結時間與晚期強度又有相應之要求,在臺灣並非各工程單位,皆將28天抗壓強度下限刪除,即便刪除,要滿足落沉試驗表示CLSM已具一定強度,本文將天然粒料試算發現其再開挖模數皆大於1,以控制性低強度材料的定義,本就是應具再開挖性,對應目前各式廢棄物與再生粒料,皆想應用於CLSM中的狀況,工程單位應挑選比重較輕之廢棄物或再生粒料,作為控制性低強度材料之粒料,為維持CLSM再開挖性的最佳方法。

參考文獻

1.ACI Committee 229, "Report on Controlled Low-Strength Materials." ACI 229R-13, 2013.

2.ACI Committee 116, "Cement and Concrete Terminology." ACI 116R-00, 2000.

3.American Society for Testing and Materials, "Standard Test Method for Preparation and Testing of Controlled Low Strength
Material (CLSM) Test Cylinders." (D4832- 16ε1), 2018.

4.行政院公共工程委員會,"控制性低強度回填材料",施工綱要規範第03377章V7.0,2016年。

5.李隆盛、黃兆龍,全煤灰CLSM於水中澆置之應用研究,技師期刊,(69),56-66,2015年。.

6.行政院農業委員會,"可控制性低強度回填材料",農田水利施工規範第02335章,2006年。

7.行政院農業委員會水土保持局,"控制性低強度回填材料CLSM",水土保持工程施工規範第03377章,2013年。

8.內政部土地重劃工程處,"控制性低強度回填材料",施工規範第03377章V1.0,2010年。

9.交通部,"控制性低強度回填材料",公路工程施工規範第03377章,2013年。

10.經濟部水利署,"控制性低強度回填材料(CLSM)",施工規範第03377 章,2013年。

11.高雄市政府工務局,"控制性低強度回填材料",施工規範第03377章V4.0,2018年。

12.台北市政府工務局,"控制性低強度回填材料",施工規範第03377 章V2.0,2015年。

13.台灣電力公司,"高煤灰控制性低強度回填材料",施工規範第03377A章,2018年。

14.台灣中油股份有限公司,"控制性低強度材料(CLSM)施工規範",工程規範CS-102-0007-3,2018年。

15.台灣自來水股份有限公司,"控制性低強度回填材料施工說明書",自來水管埋設工程施工說明書,2017年。

表1 CLSM之性質要求[4]

項目

試驗方法

要求

*1管流度(cm

CNS 15462

[15-20][20-30][  ]

*1坍流度(cm

CNS 14842

[40以上][  ]

落沉強度試驗

CNS 15862

一般型:[12][24][  ]小時

早強型:[3][4][  ]小時

28天抗壓強度(kgf/cm2

CNS 15865

[902][  ]以下

氯離子含量

CNS 13465

如使用於金屬管線埋設物之回填時,須符合CNS 3090之規定,如使用於非金屬管線埋設物之回填時,可免辦理本項試驗

*1:管流度及坍流度可擇一試驗辦理。

*2:因應國內使用狀況,如使用工程為永久的結構回填,建議強度以不超過90 kgf/cm2為佳,如應用為鋪面管溝工程之回填,則建議不超過50 kgf/cm2為上限。

 

表2 CLSM參考配比[5]

使用原料

控制性低強度材料

水泥膠結材(kg/m3)

100 ~ 200

卜作嵐材料(kg/m3)

50 ~ 100

(kg/m3)

180 ~ 220

粗粒料(kg/m3)

200 ~ 400

細粒料(kg/m3)

1280 ~ 1480

掺料

輸氣劑、發泡劑、早強劑

水膠比

通常大於1

水灰比

1 ~ 1.5

 

 

表3 各工程單位施工規範對於控制性低強度材料抗壓強度規定[6-15]

出處

抗壓強度規定(kgf/cm2)

行政院農業委員會農田水利施工規範第02335章可控制性低強度回填材料

2840以下

行政院農業委員會水土保持局水土保持工程施工規範第03377章控制性低強度回填材料CLSM

2890以下

內政部土地重劃工程處施工規範第03377章控制性低強度回填材料

2890以下

交通部公路工程施工規範第03377章控制性低強度回填材料

28天永久性結構回填:20   ~ 90

鋪面管溝工程回填:20 ~ 50

經濟部水利署施工規範第 03377 章控制性低強度回填材料(CLSM)

28天永久構造:50以上

考慮再開挖者:20 ~ 50

高雄市政府工務局施工規範第03377章控制性低強度回填材料

2835 ~ 90

台北市政府工務局施工規範第 03377 章控制性低強度回填材料

24小時7以上;

28天以上40 ~ 80

台灣電力公司施工規範第03377A章高煤灰控制性低強度回填材料

28天一般型:20   ~ 90

早強型:20 ~ 90

台灣中油股份有限公司控制性低強度材料(CLSM)施工規範

28天以上20 ~ 50

台灣自來水股份有限公司自來水管埋設工程施工說明書-控制性低強度回填材料施工說明書

28天以上20 ~ 50

 

 

 

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