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研究生:林凱悅
研究生(外文):Kai-yueh lin
論文名稱:鐵礦碴再利用於鋪面工程之研究
論文名稱(外文):A Study on pavement engineering reusing steel slags
指導教授:林志棟林志棟引用關係
指導教授(外文):Jyh-Dongl Lin
學位類別:碩士
校院名稱:國立中央大學
系所名稱:土木工程研究所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:148
中文關鍵詞:鐵礦碴再利用卵石當量節能減碳
外文關鍵詞:ReuseCarbon reductionEvaluating gravel equivalencySteel slags
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台灣腹地狹小自然資源不足,由於政府擴大內需以及節能減碳政策,近年來相關公共工程推動,所需資源大幅增加,有鑑於歐美等先進國家廢棄物再利用制度完善,國內之研究也漸漸以此為發展方向,近來鐵礦碴之相關負面新聞報導,使得民眾對於鐵礦碴再利用觀感不佳,但大多數民眾並不了解鐵礦碴之處理方式與再利用特性。
因此,本研究針對鐵礦碴之工程基本性質做探討,再以相關之法律及規範介紹,進而評估其再利用於控制性低強度材料與瀝青混凝土面層、瀝青處理底層成效,從鐵礦碴再利用之成效輔以節能減碳效益與應用於鋪面工程的材料成本計算,使各界能夠了解鐵礦碴再利用於鋪面工程之適用性。
由結果得知,鐵礦碴再利用於鋪面工程之成效與天然骨材相若,且具有天然骨材所沒有之成效特性,如:可縮短應用於CLSM時之凝結時間、應用於瀝青混凝土之抗剝脫與卵石當量…等,此外隨著鐵礦碴摻配量之增加,其碳排放量及成本也將隨之減少,但是鐵礦碴目前之再利用實際案例不多且性質不穩定,本研究也建議需評估其毒物溶出影響與未來試用之長期觀測。
Taiwan is lack of natural resources. The policy of the government to expand domestic and carbon reduction. In recent years the public civil engineering promoted and the increase of the resources. In view of Europe and other advanced countries, waste recycling systems are well. The study also gradually as a domestic for the development. Recent the negative news about the steel slags were reported. Let public perception are poor about reuse but they don’t understand the reuse features and treatment of slags.
Therefore, the study is start from the basic properties. Then to introduce the relevant laws and regulations. And then assess their reuse in controlled low strength material and asphalt concrete pavement, Bitumen treat base’s results. From the slags’ results combined with the effectiveness of reuse efficiency and carbon reduction of materials used in pavement engineering costs, to enable the community to understand the slag recycling at the applicability of the pavement.
The results revealed that the steel slags recycling at the effectiveness of pavement are similar to natural aggregate, and have some effectiveness characteristics that natural aggregate did not have. For example:Shorten the setting time when used in CLSM, Anti-stripping and evaluating gravel equivalency…etc. In addition, to increase the blending with steel slags the costs and carbon emissions will be reduced. However, the reuse of steel slags present actual cases is sparse and its’ behavior is unstable. The study also recommended a need to assess their toxic effects and the future trial of stripping the long-term observation.
目錄
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究目的 2
1.3 研究範圍 2
1.4 研究流程 3
第二章 文獻回顧 5
2.1 爐碴之基本性質 5
2.1.1 來源與製程 5
2.1.2 組成與特性 9
2.1.3 鋼鐵礦碴應用現況 17
2.2 鋼鐵礦碴之相關法規 19
2.2.1 鋼鐵礦碴管理之法源 19
2.2.2 爐碴使用之規範 19
2.3 鋼鐵礦碴之安定化方式 20
2.4 節能減碳效益評估方法 23
2.4.1 溫室氣體盤查 23
2.4.2 碳足跡(量化)計算 25
2.5 鋼鐵礦碴應用時成本之考量 26
2.6 控制性低強度材料(CLSM) 28
2.7 熱拌瀝青混凝土 32
2.7.1 柔性鋪面結構 32
2.7.2 熱拌瀝青混凝土之特性 34
2.7.3 馬歇爾配合設計方法 36
第三章 試驗計劃 49
3.1 電弧爐碴物理性質試驗 50
3.1.1 篩分析試驗 50
3.1.2 比重及吸水率試驗 51
3.1.3 健性試驗 51
3.1.4 洛杉磯磨損試驗 52
3.2 CLSM配合設計 52
3.3 瀝青混凝土配合設計 53
3.4 鋼鐵礦碴使用於CLSM之應用試驗 54
3.4.1 工作性試驗 55
3.4.2 凝結時間試驗 56
3.4.3 氯離子濃度試驗 56
3.4.4 試體抗壓強度試驗 57
3.5 鋼鐵礦碴使用於瀝青混凝土之相關試驗 58
3.5.1 當量試驗 58
3.5.2 成效試驗 59
第四章 試驗結果分析 69
4.1 鋼鐵礦碴物理性質 69
4.2 CLSM試驗結果 70
4.2.1 工作性試驗 70
4.2.2 凝結時間試驗 71
4.2.3 試體抗壓強度試驗 72
4.2.4 氯離子含量試驗 75
4.3 瀝青混凝土試驗結果 77
4.3.1 配合設計結果 77
4.3.2 油膜厚度計算 84
4.3.3 回彈模數試驗 86
4.3.4 靜態潛變試驗 92
4.3.5 剝脫試驗 97
4.3.6 水份敏感性試驗(TSR) 98
4.3.7 車轍輪跡試驗 100
4.3.8 抗滑試驗 102
4.3.9 卵石當量試驗 105
4.3.10 膨脹壓力試驗 106
第五章 鋼鐵礦碴應用於鋪面工程之可行性評估 107
5.1 還原碴與天然骨材之比較 107
5.1.1 物理性質 107
5.1.2 化學性質 107
5.1.3 還原碴與天然骨材應用於CLSM之比較 109
5.2 氧化碴與轉爐石及天然粒料之比較 110
5.2.1 物理性質 110
5.2.2 化學性質 112
5.2.3 氧化碴與轉爐石及天然粒料應用於瀝青混凝土之比較 112
5.3 鋼鐵礦碴推廣與應用 115
5.3.1 節能減碳效益試算 115
5.3.2 成本分析 118
第六章 結論與建議 123
6.1 結論 123
6.2 建議 124
參考文獻 126

圖目錄
圖 1.1 研究流程圖 3
圖 2.1 高爐石及轉爐石生產流程圖 6
圖 2.2 轉爐石生產示意圖 6
圖 2.3 第一、二代轉爐石製程示意圖 7
圖 2.4 電弧爐鋼碴生產流程圖 9
圖 2.5 瀝青混凝土鋪面結構示意圖 34
圖 2.6 試驗所需基本器材 38
圖 2.7 馬歇爾夯打槌及加熱器 38
圖 2.8 馬歇爾夯打機 38
圖 2.9 自動拌合器 38
圖 2.10 自動頂樣器 38
圖 2.11 手動頂樣器 38
圖 2.12 馬歇爾配合設計流程 39
圖 2.13 夯實試體容積比重試驗 40
圖 2.14 理論最大密度(抽氣)試驗 41
圖 2.15 恆溫水槽(60℃) 42
圖 2.16 穩定值及流度試驗 42
圖 2.17 含油量關係曲線 46
圖 2.18 各性質之可接受瀝青含量範圍 46
圖 3.1 本研究試驗流程 49
圖 3.2 篩分析試驗流程 50
圖 3.3 粒料面乾內飽和判別 51
圖 3.4 工作性試驗 55
圖 3.5 貫入抵抗壓力試驗 56
圖 3.6 電位滴定法 57
圖 3.7 抗壓強度試驗 57
圖 3.8 威氏凝聚儀示意圖 59
圖 3.9 回彈模數試驗 61
圖 3.10 車轍輪跡試驗 62
圖 3.11 靜態潛變試驗 63
圖 3.12 抗滑試驗 64
圖 3.13 剝脫試驗 66
圖 3.14 水份敏感性試驗 67
圖 4.1 灰水比=0.7時之各試驗組凝結時間 72
圖 4.2 灰水比=0.75時之各試驗組凝結時間 72
圖 4.3 灰水比= 0.7之抗壓強度 73
圖 4.4 灰水比= 0.75之抗壓強度 74
圖 4.5 灰水比0.7 還原碴摻配量與抗壓強度趨勢 74
圖 4.6 灰水比0.75 還原碴摻配量與抗壓強度趨勢 75
圖 4.7 密級配回彈模數比較圖 87
圖 4.8 瀝青處理底層回彈模數比較圖 88
圖 4.9 氧化碴於密級配摻配量與25℃回彈模數趨勢 89
圖 4.10 氧化碴於密級配摻配量與40℃回彈模數趨勢 90
圖 4.11 氧化碴於瀝青處理底層摻配量與25℃回彈模數趨勢 91
圖 4.12 氧化碴於瀝青處理底層摻配量與40℃回彈模數趨勢 92
圖 4.13 氧化碴於密級配摻配量與25℃時潛變模數趨勢 94
圖 4.14 氧化碴於密級配摻配量與40℃時潛變模數趨勢 94
圖 4.15 氧化碴於瀝青混凝土摻配量與25℃時潛變模數趨勢 96
圖 4.16 氧化碴於瀝青混凝土摻配量與40℃時潛變模數趨勢 96
圖 4.17 天然骨材剝脫試驗結果 97
圖 4.18 氧化碴剝脫試驗結果 97
圖 4.19 氧化碴於密級配摻配量與TSR值之趨勢 99
圖 4.20 氧化碴於瀝青處理底層摻配量與TSR值之趨勢 100
圖 4.21 密級配滾壓次數與車轍深度關係圖 101
圖 4.22 氧化碴摻配量與動態穩定值趨勢圖 102
圖 4.23 氧化碴摻配量與車轍輪跡試驗前之摩擦係數之趨勢圖 104
圖 4.24 氧化碴摻配量與車轍輪跡試驗後之摩擦係數之趨勢圖 105
圖 4.25 膨脹壓力試驗圖 106
圖 5.1 爐碴CaO-SiO2-Al2O3三相圖[8] 109
圖 5.2 煤油當量試驗 112
圖 5.3 稜角率試驗 112
圖 5.4 成本分析流程 118
圖 5.5 密級配單位排碳量及成本與卵石當量關係圖 121
圖 5.6 瀝青處理底層單位排碳量及成本與卵石當量關係圖 121

表目錄
表 2.1 不同鹼度轉爐石的礦物組成含量(W%) 10
表 2.2 轉爐石之化學性質 12
表 2.3 各國之電弧爐氧化碴之礦物組成 13
表 2.4 氧化碴化學組成表 15
表 2.5 典型電弧爐還原碴化學成份 17
表 2.6 先進鋼鐵國家在煉鋼爐碴資源化近況統計 18
表 2.7 鋼鐵礦碴資源化再利用比較 19
表 2.8 我國目前鋼鐵礦碴相關之CNS規範 20
表 2.9 溫室氣體各種係數說明簡表 26
表 2.10 馬歇爾配合設計方法試驗資料彙整計算 43
表 2.11 瀝青混凝土配合設計不良原因與結果 48
表 3.1 健性試驗規範 52
表 3.2 洛杉磯磨損率規範 52
表 3.3 本研究中使用之CLSM配比總表 53
表 3.4 粒料配合設計級配表 54
表 3.5 瀝青混凝土配合設計品質規定表 54
表 3.6 CLSM之試驗項目 55
表 3.7 AI MS-II建議之表面積因子 65
表 4.1 鋼鐵礦碴基本物理性質 69
表 4.2 鋼鐵礦碴篩分析表 70
表 4.3 灰水比= 0.7 時之氯離子含量 76
表 4.4 灰水比= 0.75 時之氯離子含量 77
表 4.5 面層密級配配合設計結果 78
表 4.6 面層密級配配合設計曲線 79
表 4.7 面層密級配各骨材之摻配用量 79
表 4.8 面層密級配較適含油量判斷 80
表 4.9 瀝青處理底層配合設計結果 81
表 4.10 瀝青處理底層配合設計曲線 82
表 4.11 瀝青處理底層各骨材之摻配用量 82
表 4.12 瀝青處理底層較適含油量判斷 83
表 4.13 密級配成效試體油膜厚度計算 85
表 4.14 瀝青處理底層成效試體油膜厚度計算 85
表 4.15 密級配25℃回彈模數試驗值 88
表 4.16 密級配25℃回彈模數變異數分析 88
表 4.17 密級配40℃回彈模數試驗值 89
表 4.18 密級配40℃回彈模數變異數分析 89
表 4.19 瀝青處理底層25℃回彈模數試驗值 90
表 4.20 瀝青處理底層25℃回彈模數變異數分析 90
表 4.21 瀝青處理底層40℃回彈模數試驗值 91
表 4.22 瀝青處理底層40℃回彈模數變異數分析 91
表 4.23 面層密級配之潛變模數比較 93
表 4.24 密級配於25℃時潛變模數變異數分析 93
表 4.25 密級配於40℃時潛變模數變異數分析 94
表 4.26 面層密級配之潛變模數比較 95
表 4.27 瀝青處理底層於25℃時潛變模數變異數分析 95
表 4.28 瀝青處理底層於40℃時潛變模數變異數分析 96
表 4.29 ASTM D3625 剝脫試驗結果 97
表 4.30 面層密級配水份敏感性試驗結果 98
表 4.31 面層密級配水份敏感性試驗結果 99
表 4.32 密級配車轍輪跡試驗結果 101
表 4.33 車轍輪跡試驗前之抗滑試驗結果 103
表 4.34 車轍輪跡試驗前之摩擦係數變異數分析 103
表 4.35 車轍輪跡試驗後之抗滑試驗結果 104
表 4.36 車轍輪跡試驗後之摩擦係數變異數分析 104
表 4.37 凝聚儀試驗結果(凝聚值,C) 105
表 4.38 卵石當量計算結果 106
表 5.1 還原碴與天然骨材之物理性質比較 107
表 5.2 還原碴與天然骨材應用於CLSM之比較 110
表 5.3 氧化碴與轉爐石及天然粒料之物理性質比較 111
表 5.4 氧化碴與轉爐石及天然粒料之瀝青混凝土相關物理性質比較 111
表 5.5 原料之單位排放量 116
表 5.6 瀝青混凝土單位碳排放量結果 116
表 5.7 瀝青混凝土卵石當量單位碳排放量結果 117
表 5.8 CLSM單位碳排放量結果 117
表 5.9 砂石市場價格調查表(不含運費) 119
表 5.10 鋼鐵礦碴材料價格成本分析表(元/公噸) 119
表 5.11 鋼鐵礦碴摻配於瀝青混凝土成本試算 120
表 5.12 鋼鐵礦碴摻配於瀝青混凝土卵石當量成本試算 120
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