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研究生: 凃敏雄
Min-Hsiung Tu
論文名稱: 煉鋼爐碴再利用於低噪音路面之研究
Reuse of Steel Slag on Flexible Low Noise Pavement
指導教授: 沈得縣
Der-Hsien Shen
口試委員: 黃兆龍
none
杜嘉崇
none
劉明仁
none
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 營建工程系
Department of Civil and Construction Engineering
論文出版年: 2007
畢業學年度: 95
語文別: 中文
論文頁數: 150
中文關鍵詞: 聲學特性煉鋼爐碴配合設計法低噪音路面
外文關鍵詞: low noise pavement, acoustic properties, mix design method, furnace slag
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本研究係將煉鋼爐碴部份取代天然粗粒料拌製多孔隙瀝青混凝土,以探討煉鋼爐碴含量對多孔隙瀝青混凝土低噪音路面工程性質與吸音特性之影響。本研究分二階段進行,第一階段探討低噪音路面之配比方式,並建立含煉鋼爐碴低噪音路面配比設計法。第二階段進行力學性質試驗、鋪面績效試驗、耐久性質試驗及聲學特性試驗等,以評估煉鋼爐碴應用於低噪音路面之可行性。
研究結果顯示,在力學性質方面,馬歇爾穩定值、間接張力強度及直接剪力強度等皆隨煉鋼爐碴含量增加而提升。耐久性質及鋪面績效方面均能符合規範之要求。就聲學特性而言,吸音效果與較大孔隙率及較大粒徑級配有正向關係,較厚試體其吸音係數峰值之頻率較低;而孔隙性路面雙層化設計於上層及下層粒料粒徑相異且試體厚度維持不變時,吸音係數峯值頻率會隨上層材料孔隙率增加而逐漸往高頻位置移動,此外,若上層試體孔隙率達25%時,則吸音係數頻譜圖出現「雙峯值頻率」之次數會更加頻繁,而此種現象能減低重車引擎產生之低頻噪音及高頻率之氣泵噪音。就整體而言,煉鋼爐碴應用於低噪音路面具有可行性,不但能達到減低路面噪音之目的更能兼顧廢棄資源再利用之要求。


The purpose of this study is to investigate the sound absorption properties of porous asphalt mixture with various replacement proportions of crush furnace slag as coarse aggregate. The study is divided into two stages; Stage 1 develops the mix design method of porous asphalt mixture with furnace slag based on concept of particle packing. In stage 2, laboratory tests were preformed such as mechanical test, pavement performance test, durability test and acoustic property test to evaluate the feasibility of furnace slag application in low noise pavement.
From the test results, in mechanic properties, Marshall stability, indirect tension strength and direct shear strength are increased with increase of furnace slag replacement content. Durability and pavement performance meet the requirement of the standards. In acoustic property, sound absorption characteristic is positively related to larger porosity and larger aggregate grading. In general, the thicker specimen is, the frequency of sound absorption coefficient is tending to lower. In the double layer design when the aggregates size in the upper and lower levels are different and the specimen thickness is the same, sound absorption peak value moves to high frequency position with increase of air voids in upper layer. Moreover, the “two peak frequency phenomenon” has occurred while air voids of the upper layer reaches 25%. Such phenomonen may reduces the low frequcny noise and high frequency air pump noise from heavy vehicles, respectively. Based on laboratory investigations presented in this study, the application of furnance slag in low noise pavement is feasible. The furnace slag not only reduces the road traffic noise but also meets the requirement of recycling of waste resrouce.

中文摘要 I 英文摘要 II 誌謝 III 目錄 IV 圖目錄 VII 表目錄 X 第一章 緒論 1 1.1 研究動機 1 1.2 研究目的 2 1.3 研究方法 3 第二章 文獻回顧 5 2.1 爐碴來源 5 2.2 爐碴性質概述 6 2.2.1 爐碴特性 6 2.2.2 物理性質 6 2.2.3 化學性質 9 2.3 爐碴資源化再利用處理 11 2.4 煉鋼爐碴應用於鋪面之特性 15 2.5 路面行車噪音產生之機理 16 2.6 低噪音路面之機理 17 2.7 路面型式對行車噪音之影響 19 2.8 多孔隙瀝青混凝土 22 2.9 柔性低噪音路面設計要點 26 2.10 孔隙性路面雙層化 27 第三章 試驗材料與試驗計劃 29 3.1 試驗材料 29 3.2試驗組別配置 30 3.3 瀝青膠泥物性試驗 34 3.4 粒料物化性質試驗 39 3.4.1 比重及吸水率試驗 39 3.4.2 洛杉磯磨損試驗 39 3.4.3 扁長率試驗 39 3.4.4 健性試驗 39 3.4.5 膨脹試驗 40 3.4.6 掃描式電子顯微鏡(SEM)觀測 40 3.4.7 能量散佈光譜儀(EDS)分析 40 3.5 配合設計 41 3.5.1 粒料堆積試驗 41 3.5.2 網籃法垂流試驗 42 3.6 力學性質試驗 44 3.6.1 馬歇爾穩定值試驗 44 3.6.2 間接張力強度試驗 44 3.6.3 直接剪力強度試驗 46 3.7 耐久性質試驗 47 3.7.1 浸水馬歇爾試驗 47 3.7.2 凍融循環試驗 48 3.7.3 老化試驗 49 3.8 鋪面績效試驗 50 3.8.1 車轍輪跡試驗 50 3.8.2 抗滑試驗 54 3.8.3 Cantabria磨耗試驗 55 3.8.4 透水係數試驗 56 3.9 聲學特性測試 58 第四章 試驗結果分析與討論 60 4.1 瀝青膠泥物性試驗結果 60 4.1.1 瀝青膠泥物性 60 4.1.2 拌合溫度及夯壓溫度 60 4.2 粒料物性試驗結果 62 4.3 煉鋼爐碴化性試驗結果 63 4.3.1掃描式電子顯微鏡觀測 63 4.3.2 能量散佈光譜儀分析 65 4.4 含煉鋼爐碴低噪音路面配合設計結果 66 4.4.1 粒料堆積 66 4.4.2 最佳瀝青含量 79 4.4.3 級配之決定 92 4.5 力學性質試驗結果 99 4.5.1 馬歇爾穩定值 99 4.5.2 間接張力強度 101 4.5.3 直接剪力強度 103 4.6 耐久性質試驗結果 105 4.6.1 浸水剝脫試驗 105 4.6.2 磨耗試驗與老化試驗 108 4.7 鋪面績效試驗結果 110 4.7.1 車轍試驗 110 4.7.2 抗滑試驗 115 4.7.3 透水試驗 117 4.8 聲學特性試驗結果 119 4.8.1 單層試體量測 119 4.8.2 雙層化試體量測 128 第五章 結論與建議 141 5.1 結論 141 5.2 建議 142 參考文獻 143 圖1.1 研究流程圖 4 圖2.1 輪胎路面噪音形成之機理 17 圖2.2 具反射性路面聲波傳遞示意圖 23 圖2.3 多孔隙瀝青混凝土聲音傳遞示意圖 23 圖2.5 雙層多孔隙瀝青混凝土斷面 28 圖3.1 本研究之流程 33 圖3-2 軟化點試驗 38 圖3-3 延展性試驗 38 圖3.4 SEM電子顯微鏡 41 圖3.5 ASTM D4253震動台法示意圖 43 圖3.6 粒料堆積試驗 43 圖3.7 垂流試驗之標準金屬網籃 44 圖3.8 馬歇爾穩定值試驗 45 圖3.9 間接張力強度試驗 46 圖3.10 直接剪力強度試驗 47 圖3.11 Cantabria磨耗及老化試驗 50 圖3.12 車轍輪跡試體及模具 53 圖3.13 車轍輪跡試驗機 53 圖3.14 英式擺錘抗滑儀 55 圖3.15 洛杉磯磨損試驗儀 56 圖3.16 定水頭透水試驗裝置 58 圖3.17 阻抗管試驗儀 59 圖4.1 改質瀝青Ⅲ型BTDC圖 61 圖4.2 煉鋼爐碴SEM微觀照片(一) 64 圖4.3 煉鋼爐碴SEM微觀照片(二) 64 圖4.4 煉鋼爐碴SEM微觀照片(三) 64 圖4.5 煉鋼爐碴EDS成分分析圖 66 圖4.6 亁式堆積法示意圖 67 圖4.7 標稱最大粒徑3/4”之粒料間孔隙率曲線(爐碴比例0%) 68 圖4.8 標稱最大粒徑3/4”之粒料間孔隙率曲線(爐碴比例25%) 69 圖4.9 標稱最大粒徑3/4”之粒料間孔隙率曲線(爐碴比例50%) 70 圖4.10 標稱最大粒徑3/4”之粒料間孔隙率曲線(爐碴比例75%) 71 圖4.11 標稱最大粒徑3/4”之粒料間孔隙率曲線(爐碴比例100%) 72 圖4.12 標稱最大粒徑1/2”之粒料間孔隙率曲線(爐碴比例0%) 73 圖4.13 標稱最大粒徑1/2”之粒料間孔隙率曲線(爐碴比例25%) 74 圖4.14 標稱最大粒徑1/2”之粒料間孔隙率曲線(爐碴比例50%) 75 圖4.15 標稱最大粒徑1/2”之粒料間孔隙率曲線(爐碴比例75%) 76 圖4.16 標稱最大粒徑1/2”之粒料間孔隙率曲線(爐碴比例100%) 77 圖4.17 細粒料之粒料間孔隙率曲線(天然料) 78 圖4.18 多孔隙瀝青混凝土適量粘結料之相關性 80 圖4.19 3/4-0%最佳瀝青含量 81 圖4.20 3/4-25%最佳瀝青含量 82 圖4.21 3/4-50%最佳瀝青含量 83 圖4.22 3/4-75%最佳瀝青含量 84 圖4.23 3/4-100%最佳瀝青含量 85 圖4.24 1/2-0%最佳瀝青含量 86 圖4.25 1/2-25%最佳瀝青含量 87 圖4.26 1/2-50%最佳瀝青含量 88 圖4.27 1/2-75%最佳瀝青含量 89 圖4.28 1/2-100%最佳瀝青含量 90 圖4.29 細粒料含量與孔隙率之關係圖(標稱最大粒徑為3/4”) 93 圖4.30 細粒料含量與孔隙率之關係圖(標稱最大粒徑為1/2”) 94 圖4.31 最佳瀝青含量與孔隙率之關係圖(標稱最大粒徑為3/4”) 95 圖4.32 最佳瀝青含量與孔隙率之關係圖(標稱最大粒徑為1/2”) 96 圖4.33 馬歇爾穩定值試驗結果 100 圖4.34 25℃之間接張力試驗結果 102 圖4.35 40℃之間接張力試驗結果 103 圖4.36 直接剪力強度試驗結果 104 圖4.37浸水馬歇爾試驗結果 106 圖4.38 凍融循環試驗結果 107 圖4.39 磨耗試驗結果 109 圖4.40 老化試驗結果 110 表4.41 車轍試驗結果(輪壓為16.8kgf/cm2) 113 表4.42 車轍試驗結果(輪壓為22.2kgf/cm2) 114 圖4.43 抗滑試驗結果(乾燥) 116 圖4.44 抗滑試驗結果(濕潤) 117 圖4.46 最大粒徑1/2”不同孔隙率及厚度之試體(爐碴含量0%) 120 圖4.47 最大粒徑1/2”不同孔隙率及厚度之試體(爐碴含量25%) 120 圖4.48 最大粒徑1/2”不同孔隙率及厚度之試體(爐碴含量50%) 121 圖4.49 最大粒徑1/2”不同孔隙率及厚度之試體(爐碴含量75%) 121 圖4.50 最大粒徑1/2”不同孔隙率及厚度之試體(爐碴含量100%) 122 圖4.51 最大粒徑3/4”不同孔隙率及厚度之試體(爐碴含量0%) 122 圖4.52 最大粒徑3/4”不同孔隙率及厚度之試體(爐碴含量25%) 123 圖4.53 最大粒徑3/4”不同孔隙率及厚度之試體(爐碴含量50%) 123 圖4.54 最大粒徑3/4”不同孔隙率及厚度之試體(爐碴含量75%) 124 圖4.55 最大粒徑3/4”不同孔隙率及厚度之試體(爐碴含量100%) 124 圖4.56 孔隙率15%不同最大粒徑及厚度之試體 125 圖4.57 孔隙率20%不同最大粒徑及厚度之試體 126 圖4.58 孔隙率25%不同最大粒徑及厚度之試體 127 圖4.59 相同標稱最大粒徑(3/4") ─上層孔隙率15% 129 圖4.60 相同標稱最大粒徑(3/4") ─上層孔隙率20% 130 圖4.61 相同標稱最大粒徑(3/4") ─上層孔隙率25% 131 圖4.62 相同標稱最大粒徑(1/2") ─上層孔隙率15% 132 圖4.63 相同標稱最大粒徑(1/2") ─上層孔隙率20% 133 圖4.64 相同標稱最大粒徑(1/2") ─上層孔隙率25% 134 圖4.65 上下層標稱最大粒徑3/4"及1/2"-上層孔隙率15% 135 圖4.66 上下層標稱最大粒徑3/4"及1/2"-上層孔隙率20% 136 圖4.67 上下層標稱最大粒徑3/4"及1/2"-上層孔隙率25% 137 圖4.68 上下層標稱最大粒徑1/2"及3/4"-上層孔隙率15% 138 圖4.69 上下層標稱最大粒徑1/2"及3/4"-上層孔隙率20% 139 圖4.70 上下層標稱最大粒徑1/2"及3/4"-上層孔隙率25% 140 表2.1 國內外爐碴物理性質比較表 8 表2.2 冶煉鋼鐵爐碴化學成份 10 表2.3 台灣地區25廠煉鋼爐碴毒性溶出試驗(TCLP)結果 14 表2.4 不同形式路面面層行車噪音產生量(世界各國之研究) 19 表2.5 不同形式路面面層行車噪音產生量(美國各州之研究) 21 表2.6 各種不同路面型式降低行車噪音之程度 22 表2.7 路面厚度及粒料粒徑對多孔隙瀝青混凝土吸音能力之影響 25 表3.1 本研究試驗組別配置 31 表3.2 雙層化試驗組別配置 32 表3.3 溫度T℃時水之黏性修正係數 58 表4.1 改質瀝青Ⅲ型物性試驗結果 60 表4.2 粒料物性試驗結果 63 表4.3 煉鋼爐碴EDS成分分析結果 65 表4.4 粒料乾式堆積之試驗結果 79 表4.5 各組級配之最佳瀝青含量及孔隙率 91 表4.6 本研究低噪音路面之粒料級配 (標稱最大粒徑3/4”) 97 表4.7 本研究低噪音路面之粒料級配 (標稱最大粒徑1/2”) 98 表4.8 馬歇爾穩定值試驗結果 100 表4.9 25℃之間接張力試驗結果 101 表4.10 40℃之間接張力試驗結果 102 表4.11 直接剪力強度試驗結果 104 表4.12 浸水馬歇爾試驗結果 106 表4.13 凍融循環試驗結果 107 表4.14 磨耗試驗結果 109 表4.15 車轍試驗結果 112 表4.16 抗滑試驗結果 116 表4.17 透水試驗結果 118

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