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研究生： 陳立民
Li-Min Chen
論文名稱： 輕質骨材應用於透水性混凝土鋪面可行性之研究
Practicability Assessment of Pervious Concrete Pavement with Lightweight Aggregate
指導教授： 沈得縣
Der-Hsien Shen
口試委員: 黃兆龍
none
郭銘峰
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： 118
中文關鍵詞： 透水性混凝土 、配比設計法 、疲勞載重 、鋪面績效 、透水係數 、吸音係數
外文關鍵詞： pervious concrete, mix design, fatigue loading, pavement performance, water pervious coefficient, sound absorption coefficie
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    • 輕質骨材應用於透水性混凝土鋪面可行性之研究
    指導教授：沈得縣
    研 究 生：陳立民
    時 間：96年6月
    論 文 摘 要
    本研究係將輕質骨材部份取代天然粗粒料拌製透水性混凝土，以探討輕質骨材含量對透水性混凝土工程性質之影響。本研究分成四階段進行研究，第一階段將水泥漿添加鋼纖維、聚丙烯纖維、爐石粉、飛灰、矽灰及強塑劑，以探討改善水泥漿力學特性之方法。第二階段研發透水性混凝土配比設計法。第三階段將輕質骨材部份取代天然粗粒料拌製透水性混凝土，探討輕質骨材含量對透水性混凝土工程性質之影響。第四階段製作透水性混凝土試體進行力學性質、疲勞性質、吸音性質、透水性質及鋪面績效等試驗，以評估輕質骨材應用於透水性混凝土鋪面之可行性。
    研究結果顯示：在水泥漿體中添加鋼纖維比添加聚丙烯纖維更能提升力學強度，其中以1.5％鋼纖維量為最佳；在水膠比0.18時，添加爐石粉與矽灰組之力學強度優於飛灰與矽灰組。在新拌透水性混凝土性質方面，由於輕質骨材粒料為圓型顆粒，且添加卜作嵐摻料，可改善坍度及工作性。在力學性質方面，輕質骨材屬於多孔隙材質，隨輕質骨材含量增加，抗壓強度、抗彎強度及動彈性/動剪力模數皆有下降趨勢。在鋪面績效方面，隨輕質骨材含量增加及孔隙率設計20±1％，吸音係數峯值會愈高，使減噪效果更佳；在透水性質方面，各組之透水係數皆符合日本規範要求(0.01cm/sec)。Cantabria磨耗試驗結果顯示水泥漿體具有良好黏著性及強度能提供良好抗磨耗能力。透水性混凝土表面有粗糙紋理深度，可提供路面良好抗滑能力。在耐久性質方面，隨輕質骨材含量增加，抗疲勞能力降低；因水泥漿體均勻包裹粒料表面，受硫酸鹽侵蝕時不隨輕質骨材含量增加而增加。就整體而言，輕質骨材可應用於透水性混凝土鋪面，但建議輕質骨材取代天然粗粒料含量應低於25％。

    關鍵字：透水性混凝土、配比設計法、疲勞載重、鋪面績效、透水係數、吸音係數

    Practicability Assessment of Pervious Concrete Pavement
    with Lightweight Aggregate

    Thesis Advisor : Der-Hsien Shen
    Graduate student : Li-Min Chen
    ABSTRACT
    The aim of this study is to evaluate the performance effects of pervious concrete with various replacement proportions of lightweight aggregate. The study is consisted of four stages; Stage 1 Well be discusses how steel fiber, polypropylene fiber, slag powder, fly ash, silica fume, and superplasticizer in cement paste improve mechanical properties of cement paste. Stage 2 develops the pervious concrete mix design method. Stage 3 evaluates the engineering properties of pervious concrete which used lightweight aggregate as coarse aggregate replacement for mixtures. Stage 4 conducts laboratory tests such as fatigue test, sound absorption property and pavement performance test to evaluate the feasibility of lightweight aggregate applied in pervious concrete pavement.
    The findings show that, in view of cement paste strength the steel fiber has better mechanical property than polypropylene fiber, and based on test results shown steel fiber at 1.5% brings highest strength. Moreover, in the water/binder ratio at 0.18, the binder containing cement, slag powder and silica fume has higher mechanical properties than that used of fly ash and silica fume. In property of fresh concrete, lightweight aggregate are round nature with pozzolan admixture improves the slump and workability. In mechanical property, due to lightweight aggregate its porous structure. The compression strength, bending strength and dynamic elasticity/dynamic shear modulus are decreased with increase the replacement proportion of lightweight aggregate. In pavement performance, with increase of lightweight aggregate content and porosity at 20 ± 1%, sound absorption peak value increases, bringing better noise reduction. In water permeability, the permeability coefficient meets Japanese standard requirement (0.01cm/sec). Result of Cantabria test shows that cement paste has good adhesion and strength, offer better ability of anti-corrosion. Surface of pervious concrete has significant texture, offering a good skid-resistance on pavement surface. In durability property, used of lightweight aggregate place natural coarse aggregate will result in a negative effect of fatigue behavior. Overall, lightweight aggregate can be applied in pervious concrete. However, it is suggested the content of lightweight aggregate in place of natural coarse aggregate shall not exceed 25%.
    Keywords:pervious concrete, mix design, fatigue loading, pavement performance, water pervious coefficient, sound absorption coefficie

    目 錄 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 1-4 研究步驟 5 第二章 文獻回顧 6 2-1 輕質骨材於混凝土之應用 6 2-1-1 輕質骨材之特性 6 2-1-2 輕質骨材混凝土之機理 7 2-1-3 輕質骨材與水泥漿介面過渡區微結構特性 9 2-1-4 輕質骨材在公路工程之應用 9 2-2 透水性混凝土鋪面 10 2-2-1 透水鋪面之原理 10 2-2-2 透水性混凝土 12 2-2-3 透水性混凝土強度改善之機理 13 2-3 透水性混凝土配比設計法 14 2-3-1 透水性混凝土配比設計法 14 2-3-2 美國NCAT粒料結構配比設計 16 2-3-3 Shigeki Takahashi多孔隙瀝青混凝土配合設計法 16 2-4 纖維混凝土 18 2-4-1 纖維混凝土之機理 18 2-4-2 纖維種類及性質 19 2-5 卜作嵐摻料 21 2-6 透水性混凝土鋪面吸音效能 22 2-7 透水性混凝土抗疲勞性質 24 2-7-1 反覆載重形式 25 2-7-2 S-N曲線之分析模式 26 2-7-3 疲勞壽命評估 27 第三章 試驗材料與試驗計劃 28 3-1 試驗計劃 28 3-2 試驗材料 28 3-3 試驗組別配置 31 3-3-1 試驗變數 31 3-3-2 試驗編號 32 3-4 試體規劃與製作方法 33 3-5 基本物性試驗 34 3-5-1 水泥及卜作嵐基本物性試驗 34 3-5-2 粒料基本物理試驗 35 3-6透水性混凝土配比設計法 42 3-6-1 水泥漿體配比設計法 42 3-6-2 粒料級配架構 43 3-6-3 透水性混凝土配比設計法 47 3-7 水泥漿體力學性質試驗 48 3-8 新拌透水性混凝土性質試驗 51 3-9 硬固透水性混凝土力學性質試驗 53 3-10 透水性混凝土績效試驗 56 3-11 透水性混凝土微觀結構試驗 65 3-12 透水性混凝土耐久性試驗 65 第四章 試驗結果分析與討論 68 4-1 基本物性 68 4-1-1 水泥及卜作嵐摻料基本物性 68 4-1-2粗粒料基本物性 69 4-2 透水性混凝土配比設計 70 4-2-1 透水性混凝土粒料級配 72 4-3 水泥漿體硬固性質 76 4-3-1 抗壓試驗 76 4-3-2 抗彎試驗 79 4-3-3 抗拉試驗 82 4-4 透水性混凝土新拌性質 84 4-4-1 工作性 84 4-4-2 單位重 85 4-5透水性混凝土硬固性質 86 4-5-1 抗壓強度 86 4-5-2 抗彎強度 88 4-5-3 動彈性/動剪力模數 90 4-6透水性混凝土之鋪面績效 92 4-6-1 抗滑試驗 92 4-6-2 Cantabria磨耗 993 4-6-3 透水性 95 4-6-4 吸音係數 96 4-7透水性混凝土微觀結構 101 4-7-1 掃描式電子顯微鏡觀測 101 4-7-2 能量散佈光譜儀分析 103 4-8 透水性混凝土耐久性質 104 4-8-1 硫酸鹽侵蝕 104 4-8-2 疲勞載重 105 第五章 結論與建議 110 5-1 結論 110 5-2 建議 112 參考文獻 113 圖目錄 圖1-1 透水性混凝土結構---------------------------------------------------- 4 圖1-2 研究步驟流程圖 ------------------------------------------------------ 5 圖2-1 輕質骨材混凝土與常重混凝土之受力行為-------------------------- 8 圖2-2 一般鋪面、透水性鋪面與排水性路面之概念----------------------- 12 圖2-3 透水性混凝土小載重量之鋪築-------------------------------------- 13 圖2-4 透水性混凝土配比之設計流程-------------------------------------- 15 圖2-5 PPA與SPA堆積方式------------------------------------------------- 17 圖2-6 理論堆積------------------------------------------------------------- 17 圖2-7 設計流程------------------------------------------------------------- 18 圖2-8 不同鋪面材料受疲勞載重之情形------------------------------------20 圖2-9卜作嵐反應----------------------------------------------------------21 圖2-10 透水性混凝土聲音傳遞之機理------------------------------------- 23 圖2-11 固定振幅及頻率之正弦應力-時間型態---------------------------- 25 圖2-12 S-N曲線------------------------------------------------------------- 26 圖3-1 鋼纖維外型----------------------------------------------------------- 30 圖3-2 聚丙烯纖維外型------------------------------------------------------ 30 圖3-3 輕質骨材外型---------------------------------------------------------30 圖3-4 筒壓強度試驗---------------------------------------------------------38 圖3-5 洛杉磯磨損試驗儀器-------------------------------------------------39 圖3-6 ASTM D4253震動台法示意圖------------------------------------------ 41 圖3-7 粒料堆積試驗---------------------------------------------------------41 圖3-8 水泥漿體示意圖------------------------------------------------------ 43 圖3-9 粒料堆積示意圖------------------------------------------------------47 圖3-10 透水性混凝土配比設計示意圖------------------------------------- 47 圖3-11 抗壓強度試驗------------------------------------------------------- 48 圖3-12 抗彎強度試驗------------------------------------------------------- 49 圖3-13 抗拉強度試驗------------------------------------------------------- 50 圖3-14 透水性混凝土坍度試驗-------------------------------------------- 51 圖3-15 混凝土抗壓試驗---------------------------------------------------- 54 圖3-16 混凝土抗彎試驗-----------------------------------------------------55 圖3-17 混凝土動彈剛性模數------------------------------------------------56 圖3-18 透水性混凝土透水試驗---------------------------------------------58 圖3-19 Cantabria 磨耗試驗試驗前後試體---------------------------------60 圖3-20 抗滑試驗------------------------------------------------------------ 62 圖3-21 阻抗管構造示意圖-------------------------------------------------- 64 圖3-22 阻抗管儀器架設圖-------------------------------------------------- 64 圖3-23 SEM電子顯微鏡------------------------------------------------------ 65 圖3-24 混凝土疲勞載重試驗------------------------------------------------67 圖4-1 輕質骨材取代天然粒料 0 % 之VCA曲線---------------------------- 73 圖4-2 輕質骨材取代天然粒料 25 % 之VCA曲線---------------------------74 圖4-3 輕質骨材取代天然粒料 50 % 之VCA曲線---------------------------74 圖4-4 輕質骨材取代天然粒料 75 % 之VCA曲線---------------------------74 圖4-5 輕質骨材取代天然粒料 100 % 之VCA曲線------------------------- 75 圖4-6 粒徑分佈曲線---------------------------------------------------------75 圖4-7 添加纖維水泥漿體各組抗壓強度比較-------------------------------78 圖4-8 水泥漿體各組不同齡期抗壓強度比較-------------------------------79 圖4-9 添加纖維水泥漿體各組抗彎強度比較-------------------------------80 圖4-10 水泥漿體各組不同齡期抗彎強度比較----------------------------- 81 圖4-11 水泥漿體各組不同齡期抗拉強度比較----------------------------- 83 圖4-12 透水性混凝土各組坍度比較----------------------------------------85 圖4-13 透水性混凝土各組單位重比較------------------------------------- 86 圖4-14 透水性混凝土各組抗壓強度比較-----------------------------------88 圖4-15 透水性混凝土各組抗彎強度比較-----------------------------------89 圖4-16 透水性混凝土各組動彈性模數比較--------------------------------91 圖4-17 透水性混凝土各組動剪力模數比較--------------------------------91 圖4-18 透水性混凝土各組抗滑值比較------------------------------------- 93 圖4-19 透水性混凝土各組不同齡期磨耗能力比較------------------------ 94 圖4-20 透水性混凝土各組透水係數比較-----------------------------------96 圖4-21 透水性混凝土PCF-0不同厚度吸音係數比較--------------------- 97 圖4-22 透水性混凝土LPCF-25不同厚度吸音係數比較------------------98 圖4-23 透水性混凝土LPCF-50不同厚度吸音係數比較------------------ 98 圖4-24 透水性混凝土LPCF-75不同厚度吸音係數比較----------------- 99 圖4-25 透水性混凝土LPCF-100不同厚度吸音係數比較-----------------99 圖4-26 試體厚度30mm吸音係數綜合比較---------------------------------100 圖4-27 試體厚度63.5mm吸音係數綜合比較------------------------------100 圖4-28 試體厚度100mm吸音係數綜合比較------------------------------- 101 圖4-29 透水性混凝土PCF-0 SEM微觀影像--------------------------------102 圖4-30 透水性混凝土LPCF-25 SEM微觀影像----------------------------- 102 圖4-31 透水性混凝土LPCF-50 SEM微觀影像----------------------------- 102 圖4-32 透水性混凝土LPCF-75 SEM微觀影像----------------------------- 102 圖4-33 透水性混凝土LPCF-100 SEM微觀影像---------------------------- 103 圖4-34 輕質骨材SEM微觀影像-------------------------------------------- 104 圖4-35 輕質骨材EDS成分分析圖------------------------------------------104 圖4-36 透水性混凝土各組平均重量損失率比較------------------------- 105 圖4-37 透水性混凝土PCF-0之S-N曲線---------------------------------106 圖4-38 透水性混凝土LPCF-25之S-N曲線------------------------------107 圖4-39 透水性混凝土LPCF-50之S-N曲線------------------------------107 圖4-40 透水性混凝土LPCF-75之S-N曲線------------------------------108 圖4-41 透水性混凝土LPCF-100之S-N曲線-----------------------------108 圖4-42 透水性混凝土疲勞載重S-N曲線綜合比較-----------------------109 表目錄 表2-1 輕質骨材之種類與基本物理性質------------------------------------- 7 表2-2 各國透水混凝土鋪面規範之要求------------------------------------11 表2-3 透水混凝土使用水泥、骨材等之要求--------------------------------15 表2-4 不同纖維特性---------------------------------------------------------19 表2-5 卜作嵐建議使用量--------------------------------------------------- 22 表3-1 纖維之規格----------------------------------------------------------- 29 表3-2 強塑劑成份----------------------------------------------------------- 29 表3-3 水泥漿體試驗數量--------------------------------------------------- 33 表3-4 透水性混凝土試驗數量---------------------------------------------- 34 表3-5 粗粒料基本物理試驗-------------------------------------------------35 表3-6 五度循環硫酸鈉試驗所秤取之試樣重-------------------------------39 表3-7 溫度T℃時水之黏性修正係數--------------------------------------- 58 表4-1卜作嵐摻料基本物理性質試驗結果---------------------------------- 68 表4-2 粒料物性試驗結果--------------------------------------------------- 70 表4-3 粒料細分試驗結果--------------------------------------------------- 70 表4-4 水泥漿體各組配比--------------------------------------------------- 71 表4-5 透水性混凝土各組配比---------------------------------------------- 72 表4-6 本研究透水性混凝土採用之粒料級配-------------------------------75 表4-7 本研究粒料級配之VCA----------------------------------------------- 76 表4-8 添加纖維水泥漿體各組平均抗壓強度-------------------------------77 表4-9 水泥漿體各組平均抗壓強度----------------------------------------- 78 表4-10 添加纖維水泥漿試體各組平均抗彎強度-------------------------- 80 表4-11 水泥漿試體各組平均抗彎強度------------------------------------- 81 表4-12 水泥漿體各組平均抗拉強度----------------------------------------82 表4-13 透水性混凝土各組平均坍度----------------------------------------85 表4-14 透水性混凝土各組平均單位重------------------------------------- 85 表4-15 透水性混凝土各組平均抗壓強度-----------------------------------87 表4-16 透水性混凝土各組平均抗彎強度-----------------------------------89 表4-17 透水性混凝土各組平均動彈性/動剪力模數----------------------- 90 表4-18 路面表面紋理之描述方式------------------------------------------ 92 表4-19 透水性混凝土各組平均抗滑值------------------------------------- 93 表4-20 透水性混凝土各組平均磨耗百分比--------------------------------94 表4-21 透水性混凝土各組平均透水係數-----------------------------------96 表4-22 輕質骨材EDS成分分析結果---------------------------------------103 表4-23 透水性混凝土各組平均重量損失率-------------------------------105

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