地质改良固化材於台湾重大工程之应用案例探讨.docx

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1

1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
CASE STUDY OF APPLICATION OF GEOLOGICAL IMPROVEMENT HARDENER TO PUBLIC WORKS AT TAIWAN
Wu-te Ko 1，Shih-Sheng Ho 2，Chia-Hao Liang 2，I-Shin Tsai 1
1 Cheng Shiu University，Kaohsiung
2 China Hi-Ment Corporation，Kaohsiung
Abstract The blast furnace slag was recently used to develop new geological improvement hardener (super fine cement) (SFC) for soil improvement purpose at Taiwan. Advantages of the super fine cement include better water-resistant and improved soil strength resulted from a well-graded grain size distribution. Moreover, because the SFC is recycled from the manufacture process of iron, not only the price of the SFC is very compatible with other Portland cement but also recycling slag is a typical case of waste reduction.
In this paper, the authors will first present the material properties of the SFC. Three case will then be presented to describe the applications of this new cement at public works. Finally, performance of the SFC would be summarized as conclusions of this paper.
Keywords: geological improvement hardener, jumbo-jet special grout method, back-fill

1.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
（Pozzolanic Reaction）』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
2.2 HSC301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
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。

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。
(a) A樁

(b) B樁

(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

圖5 室內試驗與鑽心試體之抗壓強度之比較
3.2 SMPW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。

圖7 鑽心試驗結果
2.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。

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：
選定高雄捷運工程中使用高細度地質
改良固化材HSC3016個工區，鑽心取樣之試
體依分上、中、下取三段D=5cm，H=10cm(1
組3個試體)之試體，進行超音波速檢測後
再施作抗壓強度試驗。
3.3.2試驗結果分析結論：
1.室內試驗-抗壓強度與超音波速：
圖9為以高細度地質改良固化材
HSC301為膠結材料之抗壓強度-超音波速
關係圖。由圖中可得知兩種配比之抗壓強度
(qu)與超音波速(Vp)的關係均成近似直線關
係，相關係數(R2)均在0.96以上，故相關性
甚佳，由此可推估其緻密性良好。

圖9 抗壓強度-超音波速關係圖
2.體積穩定性：
圖10為二次水化膨脹率。由圖中可得
知最高膨脹率為0.035%，均在容許範圍(0.8%)
之內。使用普通卜特蘭水泥與高細度地質改
良固化材HSC301為膠結材料時，齡期56天
前發生二次水化之膨脹率會因含砂量之多
寡有很明顯的差異，甚至於接近2倍，但是
齡期91天後發生二次水化之膨脹率，其值
不僅較小且含砂量之多寡，較不會影響膨脹
率的差異性。
3.現場鑽心取樣試驗結果：
圖11為鑽心取樣抗壓試驗結果-以高細
度地質改良固化材HSC301(砂)為代表。由圖
中可得知其抗壓強度集中分布於20~130
kgf/cm2之間，其抗壓強度之差異性較少。

圖10 二次水化膨脹率

圖11 鑽心取樣抗壓試驗結果
（高細度地質改良固化材HSC301、砂質土）
圖12為鑽心取樣抗壓試驗結果。由圖
中得知，無論任何膠結材料，粉土在理想強
度(20~75kgf/cm2)所佔的比例(約60%)較砂
土為高，然而砂土之高細度地質改良固化材
HSC301在理想強度之比例(50%)較砂土之普
通卜特蘭水泥(17%)為高。在砂土之高強度
(150kgf/cm2以上)所佔的比例來看，高細度
地質改良固化材HSC301所佔比例(14%)比普
通卜特蘭水泥明顯較少(45%)，粉土的兩者
關係則相近。

圖12 鑽心取樣抗壓試驗結果(百分比)
由以上結果得知，當以粉土為膠結材料時，高細度地質改良固化材HSC301與普通卜特蘭水泥在理想強度內所佔百分比皆約略相同，但當以砂質土壤為膠結材料時，普通卜特蘭水泥在理想強度只佔了17%，而高細度地質改良固化材HSC301所佔百分比仍然有50%，故以高細度地質改良固化材HSC301為膠結材較為理想。
4.結論
1.由各案例的試驗結果顯示，高細度地質改
良固化材HSC301之強度表現不亞於普通波
特蘭水泥。
2.由以上試驗得知在二次水化膨脹率亦符
合規範。
3.高細度地質改良固化材HSC301價格低廉
且可縮短工期而達到經濟效果，也符合工
程界大力提倡之環保回收再利用的概念。
參考文獻
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HSC301應用於潛盾發進、到達及聯絡通道
地質改良之適用性評估”研究計畫期末報
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2.”中鋼牌地質改良劑”產品介紹型錄，中聯
資源股份有限公司，2002。
3.廖洪鈞，”高爐水泥系地質改良材料HSC301
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究計畫期末報告，國立台灣科技大學，2000。
4.李維峰、林平全等”高細度地質改良材料研
發與案例應用分析” ∙ 地工技術 ∙ No.93，
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5.柯武德、林平全等，”以超音波檢測推估高
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改良品質之探討”，第五屆海峽兩岸隧道
與地下工程學術與技術研討會論文集，台
北，2006。
6.柯武德、林平全等，”高細度高爐水泥系地
質改良劑應用在潛盾發進、到達及聯絡通
道地質改良之探討”，新技術、特殊條件
下之捷運工程技術研討會論文集，2006。