台灣地區採用飛灰處理土壤之可行性分析暨探討
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材試部 組 長 |
房性中 |
摘 要
台灣地區使用於路堤填方及路基土壤的材料，其土壤性質之分類大多為A-6∼A-7-6，且CBR試驗值亦小於5%者居多，因此，經常造成從業人員之困擾與難題。
為解決上述問題，業界研究或推展之新材料及新工法不勝枚舉。本工程司承辦國內工業園區之案例，亦遭遇沼澤地開發之瓶頸，適逢當地電廠運轉產生大量之飛灰亟待處理，經蒐集資料、評估分析之後，始擬定「飛灰處理土壤」之解決方案並付諸實行，粗具成效。
本文擬介紹「飛灰處理土壤」在本工程司研究之初步成果，並與國內、外之相關文獻資料互為印證，或可提供工程界卓參，同時企盼賜予指正意見。
一、前 言
台灣地區土壤材料面臨材質降低，來源短絀及強度不足等三大盲點之時日已久，深深困擾鋪面或材料工程師，即使採用改良劑或與級配料混拌之工法，皆涉及經濟性與施工性之訾議揮之不去。
有關以「飛灰處理土壤」的方式來提昇路堤填方品質或路基土壤強度的作法，由於國外工程已行之有年、資料豐富可供參考印證之外，國內之台灣電力公司亦設置煤灰處理與利用小組，專責飛灰利用之研究及推廣運用等事宜，頗值得國內業界再深入思考並推展。
本工程司藉工程機緣，得以取得試驗分析之機會，並擬定設計準則與施工規範，筆者擬就試驗要求、注意事項及採用此一工法之必要性等項目，提出較具關鍵性之扼要說明，祈能落實「飛灰處理土壤」擬在台灣地區使用之成熟度暨業界之信心。
二、飛灰處理土壤之定義
「飛灰處理土壤」，顧名思義，係指在土壤材料中添加若干比例(可能因土壤種類之不同而採用不同之比例)的飛灰，藉以降低土壤之膨脹性、塑性、收縮性或彈性(Sponge)，同時增加固結性而達到增加工程強度或承載力之目的。
另據文獻(1)記載，1970年代初期，英國每年約使用1100萬噸飛灰於填土工程中，約占年產量的1/4以上；而美國則遲至1977年才使用1400萬噸飛灰於水泥的製造、瀝青混凝土中之填充料和填土材料中，總使用比例仍低於該國年產量的1/5以下。
台灣地區則於民國74年(1985年)頒布、1997年修訂卜特蘭飛灰水泥用飛灰之CNS 11271[文獻(2)]規範，並於民國85年(1996)頒布卜特蘭飛灰水泥CNS 11270 [文獻(3)]規範，業界亦採用飛灰水泥混凝土之製品，唯鮮少運用於填土工程，使用比例之資料亦付之闕如，難以查考。
因此，在國內強調廢棄物回收和副產品再利用之時代，同時殷鑑於英、美最近二十年來均呈現大幅度將飛灰使用於填方土壤之實況，尤值得工程界重視並推廣之。
三、飛灰處理土壤之選用原則
(一)依工程用途而異
因工程目的之不同及土壤用於路基、基底層的差異，導致所使用的土壤與處理材料有所不同，其一般原則歸納整理詳如表1所示。
由表1中可初步得知，飛灰之處理材料適用於細粒料或細顆粒之土壤。
(二)依土壤類別而分類
1. 塑性土壤
若土壤屬於高塑性者，添加飛灰可以獲得改善，目的在於減少彈性，並可因而提昇工程強度或承載力。
2. 沈泥質粘土
可使用少量的飛灰以降低土壤之膨脹與收縮性為主。
3. 一般土壤
一般土壤與飛灰之混合處理，係以AASHTO或ASTM之試驗規範為主。設計規範則可參考FHWA(Federal Highway Association)。
4. 粒料
飛灰改良粒料之目的在於降低粒料之膨脹性及塑性、提昇次級粒料材質、降低唧水現象(Pumping)，可因而增加荷重承載力和改善應力分配性能(詳表1所示)。
(三)依土壤性質與添加材料之特性而分優先順序
土壤性質以阿太堡試驗結果及顆粒大小予以評估分類。
例如：塑性指數PI值小於7者為低塑性土壤、PI值大於17者為高塑性土壤；顆粒大小則以通過No.4篩、停留No.200篩及停留No.4篩、通過No.200篩等百分率作為評估之標準。原則上可參考表2所示。
(四)經濟性因素
處理材料之單價、供應量、運距、時效、使用成效及施工能力等項目，皆為影響經濟性之重要因素。設計規劃時需進行詳細調查、分析與評估之前置作業，以避免浪費公帑或衍生執行面之之難題。
四、飛灰處理土壤之試驗要求
若路堤填方或路基土壤擬採用飛灰處理土壤之方式時，則自規劃、設計階段即需擬定相關的試驗項目及試驗計劃，以利工進。
一般而言，因規劃、設計所需參考採用者如表3所示。
五、影響飛灰處理土壤性質之因素
(一)土壤本身物理性質
需針對土壤進行一般的物理性質試驗分析，以求取設計、規劃時所需採用之設計參數值。
(二)土壤本身化學性質
可針對土壤進行有機物含量及種類分析，若有需要時，應再分析有毒害性化學物含量試驗，以避免施工後難以善了之難題。
(三)工程問題
1. 施工人員能力與素質。
2. 施工機具之適當性。
3. 土壤含水量之控制。
4. 土壤粉碎的程度。
5. 工地密度。
6. 採用飛灰之種類。
7. 使用飛灰的含量。
8. 施工時的氣溫。
9. 拌和的方式與均勻性。
10.養護方式與期程。
11.滾壓能量。
六、飛灰處理土壤研究成果
(一)概論
為顧及安全性暨經濟效益，研擬採用飛灰處理土壤的方案，的確可以解決部分工程之難題，亦為現階段時代潮流之趨勢。
本研究成果依據既有採得之土壤，以通過NO.4號篩細顆粒之部分與飛灰進行拌和試驗，並以原狀土之試驗結果為對照組， 可獲致飛灰用量在20%∼30%時，具有顯著之成效。惟若原狀土之工程強度值已可達到設計要求時，則可免予進行飛灰處理之程序。
(二)土壤性質分析
本研究工作所採用的土壤材料，係經過篩分析處理全部通過 No.4號篩之細顆粒土壤，其一般物理性質試驗結果列於表4、表5、表6、表7內。
(三)飛灰處理土壤主要試驗
1. 夯壓試驗：
(1)試驗方法：AASHTO T180。
(2)試驗數量：四種土壤共作16組。
2. CBR試驗；
(1)試驗方法：AASHTO T193。
(2)試驗數量：四種土壤共作16組。
3. pH值試驗；
(1)試驗方法：ASTM D4792。
(2)試驗數量：四種土壤共作16組。
(四)試驗結果及分析
1. 夯壓試驗：
夯壓試驗共作16組，其最佳含水量值及最大乾密度值列在表4、表5、表6、表7內。
2. CBR試驗：
CBR試驗共作16組，其相關之試驗結果列在表4、表5、表6、表7內。
3. pH值試驗：
pH值試驗共作16組，其試驗結果列在表4、表5、表6、表7內。
4. 結果分析：
(1)CBR設計值：
a. 由試驗數據，可得到不同壓實度標準時 (90%、95%及100%三種)所對應的CBR試驗值如表8所列。
(a)以樣本CBR試驗值而論，若CBR設計值需求為5％以上(壓實度95％)，則可不作飛灰處理之作業。
(b)若擬用於路床或路堤時，可僅研定壓實度90%(含)以上，不需訂立CBR設計值。
(2)pH值訂定：
由表4、表5、表6、表7結果得知：選取土樣之原始pH值為6.0∼7.7，飛灰處理後之土壤pH值昇高為7.5∼8.8，可以符合文獻(4)5.2＜pH＜12.6之規定。
(五)討 論
1. 依據本研究之結果，同時檢討CBR設計值之下限值，可一併釐清其使用上的必然性是否100%非得要採用飛灰處理土壤不可？這可從其經濟性及供料的充足性等層面，作多面向的思考及定奪。
2. 飛灰處理土壤若擬使用於路床及路堤，其壓實度可降至90%(含)以上，且不需設定CBR設計值。
3. 舉例而言，若路基土壤CBR強度設計值為10%時，則若選用第二組土樣，可免作飛灰處理作業，若選用第一、三組土樣，最少需添加10%(含)以上的飛灰混拌之；但若選用第四組土樣，則飛灰添加量需在30%(含)以上方具成效。由此可見，設計工程師在事前進行材料調查的重要性矣。這也是後續方案研選以及成本分析的圭臬，希冀設計人員能落實此一觀念與認知。
七、採用飛灰處理土壤之注意事項
1. 在現場工地拌和之用水量，一般土壤不宜超過最佳含水量±2%，若為粘性土壤則不宜超過最佳含水量±4%。
2. 裝載及運送飛灰時，應顧及防護措施，以防止空氣污染及工作人員吸入過多之粉塵。
3. 工地儲存應避免受潮及高溫照射，拌和作業時亦應避免飛灰漫天飛揚。
4. 現場拌和作業應力求充分、均勻地混合，灑水亦應採取噴佈方式，以免混拌結塊不易打散。
5. 隨著飛灰使用量的增加，拌和後之土壤的最大乾密度值亦隨之降低；而最佳含水量值則反之昇高，故現場之拌和用水量控制值不能僅以純土壤之情況考慮。此點再次凸顯試拌試配作業之重要性。
6. 飛灰之使用種類宜以F級或C級為主。
7. 飛灰本身的pH值應介於5∼9之間。
8. 土壤摻配飛灰一定有效嗎？表4、表5、表6、表7之數據已不言可喻。故不可閉門造車、憑空設計之論點，自有其道理矣！
八、結論與建議
1. 身為鋪面或材料工程師，尤其需要建立試拌、試配之觀念，方可保證材料料源及材質無虞，同時獲致良好的工程品質及經濟效益。
2. 飛灰處理土壤工法在國外業已行之多年，在台灣地區卻阻礙重重，頗令工程人員倍感挫折感。建議公務單位應先健全法令、規章，必可節省公帑無數呀！
3. 飛灰處理土壤，應可廣泛使用於路堤、路床、路基或基、底層之填築作業，故設計人員應同時明白上述各工程標的物的設計條件及限制性，切忌移花接木、亂用一通。
4. 選用任何規範或設計準則時，皆應以最新版次者為優先，不可迂腐或有鴕鳥心態。
九、參考文獻
(1) 台灣電力公司煤灰處理與利用小組，“煤灰填土手冊”，1987年6月。
(2) CNS 11271，“卜特蘭飛灰水泥用飛灰”，1997年。
(3) CNS 11270，“卜特蘭飛灰水泥”，1996年。
(4) 林平全，“飛灰混凝土”，科技，1991年8月。
(5) 台灣電力公司綜合研究所，“飛灰利用之研究(二)”，1987年元月。
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