以再開挖性 探討控制性低強度材料之原料選擇

陳泰安 技師

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：

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810.33 kg/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872.9 kg/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- 16^ε1), 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]

 表  2 CLSM參考配比[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]