地质改良固化材於台湾重大工程之应用案例探讨

作者簡介：柯武德：男，現任教於正修科技大學土木工程系，主要從事地下工程方面研究1地質改良固化材於台灣重大工程之應用案例探討柯武德1何世盛2梁家豪2蔡艾欣11正修科技大學土木工程系2中聯資源股份有限公司摘要目前台灣大部分地盤改良工程仍採用普通卜特蘭水泥施作，不但價格昂貴且改良效果不一致。有鑒於此，在台灣開發了新材料「地質改良固化材」，本材料不但具有比傳統普通卜特蘭水泥更為優異的強度、抗酸鹼性及耐久性外，價格也比卜特蘭水泥更具經濟性。新材料「地質改良固化材」成功的應用於高壓噴射灌漿、預壘樁、植入樁、拌合樁、低壓滲透灌漿、隧道背填灌漿、污泥固化、CLSM管線回填等工程。本文將介紹採用地質改良固化材之工程案例，並與普通卜特蘭水泥做比較，期待有助於隧道及地下工程界使用固化材時，有另一種選擇。關鍵詞：地質改良固化材、高壓噴射灌漿、背填灌漿CASESTUDYOFAPPLICATIONOFGEOLOGICALIMPROVEMENTHARDENERTOPUBLICWORKSATTAIWANWu-teKo1，Shih-ShengHo2，Chia-HaoLiang2，I-ShinTsai11ChengShiuUniversity，Kaohsiung2ChinaHi-MentCorporation，KaohsiungAbstractTheblastfurnaceslagwasrecentlyusedtodevelopnewgeologicalimprovementhardener(superfinecement)(SFC)forsoilimprovementpurposeatTaiwan.Advantagesofthesuperfinecementincludebetterwater-resistantandimprovedsoilstrengthresultedfromawell-gradedgrainsizedistribution.Moreover,becausetheSFCisrecycledfromthemanufactureprocessofiron,notonlythepriceoftheSFCisverycompatiblewithotherPortlandcementbutalsorecyclingslagisatypicalcaseofwastereduction.Inthispaper,theauthorswillfirstpresentthematerialpropertiesoftheSFC.Threecasewillthenbepresentedtodescribetheapplicationsofthisnewcementatpublicworks.Finally,performanceoftheSFCwouldbesummarizedasconclusionsofthispaper.Keywords:geologicalimprovementhardener,jumbo-jetspecialgroutmethod,back-fill21.前言台灣鋼鐵年產量平均約一千多萬噸，隨後所產生廢棄物也相當可觀，但經由回收再利用，平均生產一噸生鐵可產生約300公斤的高爐石，將此新產物添加至混凝土中，經由實驗得知，其不管是強度、流動性、滲透性、抗鹼性和耐久性都不亞於傳統混凝土。近幾年來世界各國政府都相當注重推行環保回收再利用，故將每年如此大量鋼鐵所產生出的廢棄物回收再利用，不但能減少廢棄物，既環保又經濟。鋼鐵所產生出的副產品(高爐石)經由水淬方式冷卻，再加以磨成細粉，稱「爐石粉」。爐石粉含高量玻璃質而具有潛在的膠結能力，若以適當的催化方法激發水化活性，爐石粉會與氫氧化鈣進行『卜作嵐反應（PozzolanicReaction）』形成類似水化產物C-S-H膠體。爐石粉研磨越細，與水接觸面積越大，其反應活性越佳。水淬高爐石性質與水泥相近，可取代水泥，或為水泥添加料。近年來此產物也被運用在地質改良上，取代普通卜特蘭水泥應用於捷運工程上。此新材料成功的應用於高壓噴射、預壘樁、植入樁、拌合樁、低壓滲透灌漿、隧道背填灌漿、CLSM管線回填等工程。因篇幅的關係本文將介紹採用地質改良固化材之3個(攪拌樁、SMPW、高壓噴射灌漿)工程案例，期待有助於隧道及地下工程界使用固化材時，有另一種選擇[1]。2.材料特性[2]2.1概述本文以介紹中聯資源股份有限公司出產之「高細度地質改良固化材HSC301」為主，其主要成分為爐石粉、水泥及其他副添加料組成，材料之物理成分和化學性質如表1所示。高細度地質改良固化材HSC301之粒徑分析與普通卜特蘭水泥(opc)、超微粒水泥比較，詳圖1所示。表1高細度地質改良固化材HSC301物化性圖1高細度地質改良固化材HSC301粒徑分布2.2HSC301產品之優點:1.易於拌合、均勻性、流動性等工作性甚佳：高細度地質改良固化材HSC301除添加大量高卜作嵐材料外，另添加其他助劑，可增加漿體流動性而易於拌合，對工作性幫助很大，水泥砂漿流動試驗如圖2所示。2.具有較佳之土壤相容性，地質改良成效優異：高細度地質改良固化材HSC301與細顆粒土壤拌合之均勻性或灌漿工程土粒空隙之滲透性，皆較普通卜特蘭水泥有優異表現。3.凝結時間慢、強度高：高細度地質改良固化材HSC301有益於3延長可工作時間及灌漿工程漿液流動範圍。早期強度高，有利於施工進度，後期強度成長空間大，有助於提升工程品質及降低施工成本。4.具有抗硫酸鹽(海水)、抗鹼侵蝕作用，耐久性甚佳：高細度地質改良固化材HSC301對抵抗海水、硫酸鹽侵蝕、氯離子滲透及鹼骨材反應之能力有優異表現。最適合於臨近海域地區地下灌漿工程，耐久性甚佳。5.高緻密性、低滲透性、止水效果甚佳：採用高細度地質改良固化材HSC301及卜特蘭水泥Ⅱ型水泥分別與細砂固結後，試驗結果得知在相同水膠比高細度地質改良固化材HSC301的滲透係數較普通卜特蘭水泥低。6.防止土壤液化效果甚佳：添加高細度地質改良固化材HSC301後，可減少其位移量，減低液化潛能。7.具有超微粒水泥之部份特性：可處理細顆粒黏土，與土壤相容性、滲透性甚佳，灌漿時可減少溢漿現象及噴漿孔磨損阻塞等問題，固結後對強度發展與透水係數均較普通卜特蘭水泥甚佳。051015202530354045500.40.50.60.70.80.911.1Water-tobinderratioinfiltrationflowtimeOPCHSC301圖2水泥砂漿流度試驗3.案例介紹3.1攪拌樁應用案例[3]：本次之高細度地質改良固化材HSC301攪拌樁現場試作計畫所選定之工地為台北縣某體育館新建工程(圖3)。圖3基地平面圖及攪拌樁配置圖3.1.1試驗計劃：本工程之攪拌樁採機械攪拌和高壓噴射混合方式施工，攪拌翼之直徑80cm，在攪拌過程中地質改良材和水拌合之泥漿由攪拌翼末端之噴嘴噴出與土壤切削混合。此種攪拌翼和高壓噴射混合方式，主要是要用來補償攪拌翼切削之後，泥漿尚未硬固之前，周圍軟弱土壤內擠所產生之樁徑縮減問題，以確保軟弱黏土層中所形成攪拌樁之樁徑尺寸能符合設計規範要求。3.1.2試驗結果與分析:1.圖4為高細度地質改良固化材HSC301攪拌樁之鑽心試體抗壓強度及RQD關係圖。由圖中可得知試體強度較高時，其ROD值和取樣率也會相對的提高。2.圖5為室內準備試體之無圍壓縮強度與齡期之關係以及與鑽心試體強度之比較。由圖中可看出，在7天齡期抗壓強度即可大致達到28天齡期抗壓強度之90%，顯示高細度地質改良固化材HSC301強度發展相當快速。此項特性對須爭取工期之攪拌樁地層改良工法是正面優點。3.就同樣的地質條件下，高細度地質改良固化材HSC301攪拌樁之鑽心試體平均強度＝57.8kg/cm2(20天齡期)，與普通波特蘭水泥攪拌樁之鑽心試體平均強度＝54.0kg/cm2(28天齡期)相近；因此若能將材料成本控制在普通卜特蘭水泥之下，則在工程與環保的考量下，高細度地質改良固化材HSC301將可大量推廣於土壤攪拌樁之應用上。4pileA02040608010001234567891011121314unconfinedcompressionstrength(kg/cm2)0%20%40%60%80%100%strengthRQDRQD%(a)A樁pileB0204060801001200123456789101112unconfinedcompressionstrength(kg/cm2)0%20%40%60%80%100%strengthRQDRQD%(b)B樁pileC020406080100012345678unconfinedcompressionstrength(kg/cm2)0%20%40%60%80%100%strengthRQDRQD%(c)C樁圖4高細度地質改良固化材HSC301攪拌樁之鑽心試體抗壓強度及RQD關係圖18.257.8110.6120.354.037.80204060801001201400481216202428age(days)unconfinedcompressionstrength(kg/cm2)室內抗壓強度HSC301鑽心試體OPC鑽心試體圖5室內試驗與鑽心試體之抗壓強度之比較3.2SMPW應用案例[4]：本案工程位於台北市內湖區某大樓新建工程，施工現場平面圖如圖6。圖6施工現場平面圖3.2.1現場實作試驗：1.管狀取樣與製模試驗現場實作試驗施工中，於水泥漿與土壤拌合完成後，利用特製管狀取樣器，取上、中、下段之泥漿，每段之取樣製作三個直徑5cm，高10cm之試體。試體經養生14天後進行單壓試驗，求取試體抗壓強度。2.鑽心取樣與抗壓試驗現場實驗作完成養護14天後可以進行岩心管取樣，並依上、中、下三個高程各選擇一個試體進行抗壓試驗，以驗證配比之實際成效並求取最佳之水泥添加量。3.2.2試驗結果與分析：1.圖7為鑽心試驗結果。由圖中可看出，高細度地質改良固化材HSC301的鑽心試體強度皆高於普通卜特蘭水泥鑽心試體，顯示高細度地質改良固化材HSC301應用在黏土質SMPW工法中，較普通卜特蘭水泥效果良好。0510152025303505101520depth(m)compressionstrengh-14days(kgf/cm2)OPC配比250:375OPC配比300:450HSC301配比250:375HSC301配比300:450圖7鑽心試驗結果52.圖8為重模試驗結果。由圖中可看出，與現場鑽心結果相同，其高細度地質改良固化材HSC301在兩種配比下之重模試體抗壓強度皆較普通卜特蘭一般水泥重模試體抗壓強度高。05101520253035404505101520depth(m)compressionstrengh-14days(kgf/cm2)HSC301配比250:375HSC301配比300:450OPC配比250:375OPC配比300:450圖8重模試驗結果3.由試樁試驗結果，可以發現高細度地質改良固化材HSC301在黏土質土壤中之拌合效果，二種配比下均較普通卜特蘭水泥拌合效果佳，且獲得較高強度，更能確保工程品質，對於深開挖工程中擋土結構要求，高細度地質改良固化材HSC301比普通卜特水泥更能達到要求。4.本工程案例結果顯示，只要能正確應用SMPW工法與選擇良好拌合材料，SMPW工法為一相當優良的擋土牆施工方式。而高細度地質改良固化材HSC301在SMPW工法中之表現，遠超過普通卜特蘭水泥之表現，表示高細度地質改良固化材HSC301可充分應用在SMPW工法施工中，並具有極佳之成果。3.3高壓噴射灌漿應用案例[5][6]：3.3.1研究計畫：1.室內試驗：本研究於試驗室模擬工地現場施工，針對使用高細度地質改良固化材HSC301，應用於高壓噴射灌漿之地質改良體及其二次水化(地質改良研磨呈一定細度之粉末，再拌合呈漿體)，進行抗壓強度、超音波速及體積穩定性等試驗，藉以瞭解使用該材料之工程特性。2.現場鑽心取樣試驗：選定高雄捷運