工程实务

工程實務工程實務工程實務工程實務●半固態瀝青膠泥之黏度試驗特性吳武雄、陳裕新●再生、石膠泥、排水性瀝青混凝土配合設計概述及其CNLA認證作業廖學水、陳裕新●中鋼轉爐石使用於鋪面結構研究之初期成效探討房性中●台灣地區鋪面工程之現況問題探討與展望廖學水、房性中●美國NIH實驗室設計說明林金波、彭貴釗、洪至讀●都市計畫公共設施用地多目標使用之申辦－以台中車站站區空間多目標使用為例陳國光、林宏儒●國立大學學生宿舍BOT首例－中正大學第三期學生宿舍民間參與興建經營招商案林芳清、羅文貞●地方政府社會福利設施委外經營案例─桃園縣婦女館民間參與營運招商案蕭孟玫●高雄捷運消防水系統設計共用泵浦組之探討─以O10車站為例鄭紹材、林文華●洪氾區劃設圖資需求與精度分析之研究張哲豪、謝奇峰●利用CHAMPGPS資料決定衛星軌道及地球重力模型黃金維、許淑珍●潛盾隧道工法常見問答集-6隧道施工之建物保護陳福勝、李魁士、林摩西●鋪面平坦度檢測標準之探討周家蓓、李怡萱●冰凍工法之設計與施工(上)陳福勝、何泰源…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………摘摘摘摘要要要要瀝青膠泥應用於工程範疇上作為瀝青混合料的黏結材料，迄今已歷時數千年，最早可追溯至公元前3800年的美索不達米亞(Mesopotamia)第一次利用天然瀝青的膠結特性作為建築石料的黏結材料，其間多以天然瀝青為主，直到1900年以後，由於石油煉油技術的逐漸成熟並高度發展，石油瀝青便大量的使用於鋪面材料上。瀝青膠泥的種類繁多，「黏度」係現階段國際上用以作為瀝青膠泥等級分類的主要標準單位之一，舉凡天然瀝青、石油瀝青與近年來為因應道路鋪面功能性質需求而研發產製的改質瀝青，以及美國聯邦公路局(FHWA)費時數年發展之超級鋪面(Superpave)，其所採用瀝青分類等級P-GGrade等，基本上皆是以黏度為分類基準，不同的黏度代表不同等級的瀝青膠泥，在工程實務應用上，其黏度及溫度的關係與瀝青膠泥的各項工作性質指標息息相關，深切影響瀝青與瀝青混合料在設計、生產、施工及品質管制的各項作為。…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………壹壹壹壹、、、、前言前言前言前言瀝青膠泥為黏彈性材料，同時具有黏滯性與彈性的雙重特徵，在高溫狀態下，瀝青膠泥的行為幾乎為一黏滯性的流體，呈現如機油一般；在低溫時，則仿若固體，於彈性範圍內施加減荷重會恢復原來的形狀。瀝青膠泥的黏度除作為等級分類的基準外，亦決定瀝青混合料在生產拌和、鋪築與滾壓的作業條件，黏度大者，需要較高的溫度以維持工作性，反之，則溫度需求較低。瀝青膠泥的黏度種類包含黏度、動黏度、視黏度度等，以前二者較常使用於工程實務上，其定義及單位如下：一、黏度：係指流體對變形或內摩擦力的阻抗，以剪應力對剪應變速率的比值表示之，單位為dyne．s/cm2，即poise；國際單位SI制為Pa．s，單位為N．s/m2，相等於10poise或1000cp。二、動黏度：係指流體黏度與密度的比值，為測定流體在重力狀態下流動之阻抗力，單位為cm2/s，即st；國際單位SI制為m2/s，實際應用以mm2/s較普遍，即cst，1cst=10-2st。以往求取此二種瀝青膠泥黏度所採用的試驗方法，主要是依據ASTMD2170與ASTMD2171，AASHTOT201與T202等試驗法，乃使用包含Connon-Manning，AsphaltInstitute，ModifiedKoppers，Connon-Fenske，ZeitfuchsCross-Arm，Lantz-Zeitfuchs等不同型式的毛細管，以定壓真空抽氣及重力流動的方式測定瀝青膠泥在不同溫度的黏度或動黏度，諸多關於瀝青工程的書籍或工程規範，皆是引用此等試驗法以求取黏度，惟此等試驗法在試驗過程中要求的溫控精度條件為試驗溫度±0.03℃，溫控條件極為嚴苛，一般的儀器設備甚難符合，加以毛細管管徑細小，通過管徑的樣品量會因瀝青膠泥種類而使代表性產生差異，其試驗為固定速率性質，並不適合且不利於黏度與剪應變率相關的改質瀝青之黏度量測，再則，毛細管乃玻璃材質、易碎且單支價格不斐，於試驗完成後清洗不易等因素，因而國內目前應用此等方法進行瀝青黏度試驗的試驗單位仍屬少數。黏度既是指流體對變形或內摩擦力的阻抗，以剪應力對剪應變速率的比值表示之，且顧及改質瀝青材料的發展日新月異，再生瀝青混合料(ReclaimedAsphaltPavement，RAP)之萃取瀝青(ExtractedAsphalt)的應用，使剪應變率對黏度正確性的影響已達不可忽視的程度，現階段包含瀝青工程書籍或工程規範已漸次轉而採用美國Brookfield旋轉黏度儀、以旋轉方式求取瀝青黏度，相關的試驗法主要為ASTMD4402及CNS14186，本儀器因具備可調整的轉速，能因應不同特質的瀝青膠泥在剪應變率的影響，黏度高、低者皆可適用。本文亦將以試驗法為試驗基準，探討瀝青膠泥的黏度試驗特性。…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………貳貳貳貳、、、、瀝青膠泥黏度特性瀝青膠泥黏度特性瀝青膠泥黏度特性瀝青膠泥黏度特性瀝青膠泥為溫感性材料，包含黏度在內的各種性質皆與溫度狀態相關，當瀝青膠泥加熱至高溫狀態時會產生流體行為，按流體中牛頓流體與非牛頓流體及其相關的定義：一、牛頓流體(NewtonianLiquid)：流體受到剪力時，不同的剪應力或剪應變率作用下，具有相同的黏度者，即剪應變速率與剪應力具有固定比例關係之流體稱為牛頓流體。二、非牛頓流體(Non-NewtonianLiquid)：流體受到剪力時，不同的剪應力或剪應變率作用下，具有不同的黏度者，即剪應變速率與剪應力不成固定比例關係之流體稱為非牛頓流體。三、剪應變速率(ShearRate，SR)：流體中間層相對於其它層的速率，量測表示單位為1/秒(即sec-1)。四、剪應力(ShearStress，SS)：剪力運動時單位面積所產生的阻抗力，國際單位SI制為Pascal，cgs單位為dynes/cm2。一般的石油瀝青膠泥在60℃時的狀態已接近牛頓流體，但仍會展現出非牛頓流體的行為，其黏度仍受到試驗過程之剪應變率的影響，同一瀝青樣品在某特定溫度下、量測黏度值時若施以不同的剪應變率，會得到不同結果的黏度值，當瀝青膠泥黏度愈高，或如改質瀝青等材料相位不同的瀝青，剪應變率的影響愈明顯，反之，當瀝青黏度較低，如一般的石油瀝青AC-10、AC-20等，剪應變率的影響則較輕微。以旋轉黏度儀試驗分析說明，將剪應力(SS)及剪應變率(SR)取對數(log)，分別為Y軸及X軸，線性迴歸出試驗結果的直線關係：logSS=C×logSR+K(式2.1)式中之C值稱為流體指數(FlowIndex)，當C值等於1.0時，表示流體為牛頓流體；若C值小於1.0，表示流體為假塑性流體(Pseudoplastic)；若C質大於1.0，表示流體為膨脹性流體(Dilatant)，對60℃狀態的一般的石油瀝青膠泥而言，大部分仍界於假塑性流體與牛頓流體，其C值約界於0.8至1.0間。而改質瀝青或某些特殊的瀝青材料，則可能為假塑性流體，亦可能為膨脹性流體，需視其產製時的添加物為何。K為截距，為logSR等於0時對應之logSS，亦即SR=1.0對應的logSS，黏度值即為10K，由此關係可知黏度值的量測是要排除剪應變率的影響，於測試過程中，若能採用固定的剪應變率或藉某些量測手段使剪應變率成為一定值或近似定值，則可排除或將剪應變率影響降至最小、得到正確的黏度值。國內現行使用的瀝青膠泥，包含道路與機場鋪面，在石油瀝青方面主要為AC-10、AC-20、AC-30、AR-4000、AR-8000等，黏度值界於1,000～8,000poises，在改質瀝青方面則以CNS14184之聚合物改質瀝青Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型為主，黏度值約在4,500～20,000poises，近年來部分專業廠商汲取日本技術與經驗、發展出更高黏度的改質瀝青(約可達200,000poises以上)，惟並未大量使用於道路鋪面。石油瀝青與改質瀝青在黏度性質上展現不同的特質，如前述，黏度愈高者，受剪應變率的影響也愈大，且當黏度值使用目的不同時，欲排除剪應變率影響所採取的量測手段亦有差異，因此，量測這些不同瀝青膠泥的黏度值，除需視其黏度規格及樣品產製特性外，黏度值的使用目的亦是決定量測手段的共同因素。…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………參參參參、、、、BrookfieldBrookfieldBrookfieldBrookfield旋轉黏度儀簡介旋轉黏度儀簡介旋轉黏度儀簡介旋轉黏度儀簡介Brookfield旋轉黏度儀是配合加熱控制系統將瀝青膠泥樣品控溫至所需的試驗溫度範圍內，以轉子(Geometry或Spindle)浸入特定試管容器內的瀝青膠泥樣品中，藉旋轉對瀝青膠泥產生一剪應變率，此旋轉產生的阻抗經由扭力(Torque)換算成剪應力，再計算出該轉速下的黏度值。在有效扭力值區間的條件下，藉由調整轉子轉速(rpm)，能產生不同的剪應變率及對應的剪應力，對於不同的瀝青膠泥，可搭配施以不同的量測手段，達到量測目的。國內已有多數試驗單位使用本儀器進行瀝青黏度試驗，尤以改質瀝青的量測為甚，現階段為配合資源回收再利用而全力推廣的再生瀝青混凝土，其RAP萃取瀝青的黏度與混合後瀝青的黏度目標值，皆指定採用本儀器依ASTMD4402或CNS14186試驗法進行試驗，做為工程品管的依據，致瀝青相關廠商與試驗單位均紛紛購置，普及度日漸提高。Brookfield旋轉黏度儀常用的轉子型號主要為SC-18至SC-31，每一個轉子的黏度量測範圍與旋轉黏度儀的型號相關，目前的量測範圍已可達250,000poises以上。較之前述採用毛細管的黏度試驗，基本上具有下列優點：一、儀器之操作方便、容易。二、溫度控制僅需試驗溫度±1.0℃，一般的加熱控制條件均可達到。三、校正查驗作業與試驗程序相同，易於進行。四、剪應變率可視瀝青膠泥種類調整，以契合材料特性。五、使用的樣品量較多，結果較具代表性。六、試驗完成後較易於清洗善後…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………肆肆肆肆、、、、黏度試驗要件黏度試驗要件黏度試驗要件黏度試驗要件瀝青膠泥黏度試驗要件包含樣品處理，不同樣品特性與試驗目的之試驗操作等，茲予分述如下：一一一一、、、、樣品處理樣品處理樣品處理樣品處理瀝青膠泥為溫感性材料，當與空氣接觸後，空氣中的氧就和瀝青膠泥產生氧化作用，其內含成份由飽和成份→芳香族→樹脂類漸次轉化為較脆硬的瀝青精，且降低各成份的相容性，尤其在高溫狀態下的老化作用至為明顯，當溫度超過200℉(93.3℃)，每提高25℉(13.9℃)老化速率便增為約2倍，因此300℉(148.9℃)狀態下