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高雄市焚化底渣再利用

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底渣用途及特性

底渣用途及特性

一、底渣再利用用途

有關垃圾焚化底渣之處理處置及資源再利用整體架構如圖1所示。

圖1 垃圾焚化底渣處理處置及資源再利用架構圖

1.底渣:底渣來源為爐床篩灰與爐尾底渣混合收集而得,依據目前法令規定其處理處置方式可分為清運至衛生掩埋場進行掩埋,或是清運至再利用機構經過分選前處理(篩分、破碎和磁選等)後進行再利用。

2.分選前處理:經篩分、破碎和磁選等前處理,所得之鐵及非鐵金屬則清運至電弧爐煉鋼業或金屬冶煉業,另替代骨材部分則是混拌其他骨材分散應用、單獨大量集中骨材應用或進階前處理等方式進行再利用,並搭配環境涵容能力評估再利用環境管制標的(按前處理及應用),且需符合土建材料CNS及施工規範,另在應用端除流向掌握外,並搭配應用現場必要之環境性與工程性監測管理,或是透過提升前處理品質融入土建材料既有市場監測與管理得予以簡化。

        經前處理後,可將其分成三大類,鐵金屬及非鐵金屬部分交由回收商處理;未燃物部分則送回焚化廠處理;底渣資源化產品則可作為道路級配粒料底層及基層、基地填築及路堤填築、控制性低強度回填材料、無筋混凝土添加料、瀝青混凝土添加料、磚品添加料及水泥生料添加料等用途,並不得用於臨時性用途。

        本市環保局過往曾委託專業機構執行「高雄市垃圾焚化底渣資源化廠興建計畫先期規劃設計成果及可行性研究」,曾針對底渣再利用作為道路級配粒料基層及底層、可控制性低強度回填材料(Controlled Low Strength Material,以下簡稱CLSM)之土木工程性質試驗分析,說明如下:

(一)道路級配粒料基層及底層:

        用於道路基層或底層之舖築材料,主要功用為支撐底層使其承載力提高,並使其承載力均勻分佈,以輔助面層的強度,故用於路面基層或底層之舖築材料材質,應具有良好物化性質。相關國內外研究及經驗顯示,由於焚化底渣具備相當的工程及物理特性,在符合相關規範下,可直接或混拌再利用於鋪面基層或底層(視規範而定)。該計畫報告針對底渣再利用於鋪面基層,做的試驗包含篩分析試驗、比重與吸水率試驗、含砂當量試驗、健性試驗、洛杉磯磨損試驗及加州承載比(CBR)試驗等,結果說明如下。

1. 篩分析試驗

● 目的及意義

        篩分析試驗(Sieve Analysis)之目的為利用標準試驗篩測定粗、細粒料大小顆粒分佈狀況,繪出粒徑分佈曲線圖,並求出均勻係數(Coefficient of Uniformity,Cu)和曲率係數(Coefficient of Curvature,Cc),作為土壤分類依據,及判斷粒料是否均勻。測定粒料之級配,可判定粒料粗細分佈是否合於規範,並可用於推導空隙率與緊實度之關係。

        其中,均勻係數為判斷土壤級配優劣指標之一,其大小為粒徑分佈曲線上,通過百分比60%之土粒直徑,與通過百分比10%之土粒直徑的比值(D60/D10),以砂而言,當Cu>6為優良級配(well graded);以礫石而言,當Cu >4為優良級配(well graded)。另曲率係數Cc =(D302/(D10×D60),而曲率係數介於1 與3 者為優良級配(well graded)。

● 試驗結果

        依ASTM D452-85進行試驗,並繪出粒徑分佈之曲線圖,在土木工程材料中,規範對細骨材之細度模數規定在2.3-3.2之間,於試驗結果顯示各焚化廠底渣粒徑分布符合規範規定;又一般來說,均勻係數1~4為均勻土壤、5~8為級配好之土壤,均勻係數等於或大於9時,為級配良好之土壤。曲率係數若介於1~3為級配良好之土壤,而礫石Cc值大於4,砂土則大於6,理想曲率係數值約為2。試驗結果顯示本市焚化底渣均勻係數介於14~27、曲率係數介於1.2~1.5之間,但由於各廠焚化物及焚化條件不同,使得各廠焚化底渣之組成亦不同,在同廠2次採樣所得之值亦不盡相同,因此若要應用於工程上,仍須考量不同供料時間時底渣組成物質之差異。

        由篩分析試驗知,本市底渣通過#200號篩細粒料皆低於12%,無須做阿太堡限度試驗,其塑性指數為NP。依試驗結果得知該兩廠底渣於土壤分類中屬於砂。雖試驗顯示,焚化底渣材料部分性質並未完全符合相關規範要求,但若透過加進適當之摻拌(混拌),將可改善及強化其材料性質,符合工程運用需求。

2.比重與吸水率試驗(Specific Gravity and Absorption Tests)

● 目的及意義

        比重可用於計算各種混合料中所佔之體積,與組成顆粒相對密度有關;吸水率用於計算粒料孔隙吸水後,所導致乾燥狀態粒料質量變化。量測骨材比重之容積比重、視比重及其吸水率,以作為控制混凝土強度之依據,並得以調整粒料因比重不同之配合比。一般容積比重常應用於波特蘭水泥混凝土、瀝青混凝土及其他含有粒料之混合料等,用以作為其配比設計時之依據;視比重則與粒料絕對密度有關連。

● 試驗結果

        一般天然骨材經驗值,比重為2.55~2.80,吸水率1~8%,試驗結果顯示本市底渣之吸水率為12.35~15.60,均較一般骨材為高。

3.阿太堡限度試驗 (Atterberg Limit Test)

● 目的及意義

        阿太堡限度試驗(Atterberg Limit Test) 主要應用於通過#40篩之細粒土壤之試驗,包括液性限度試驗(Liquid Limit Test)、塑性限度試驗(Plastic Limit Test)及縮性限度試驗(Shrinkage Limit Test)。其中液性限度與塑性限度常於土壤分類,而土壤分類不需應用到縮性限度。

        一般土壤若通過200號篩之細粒料大於12%,則須取通過40號篩之土樣進行阿太堡限度試驗。阿太堡限度於鋪面工程之相關規定如下:

○  路床、路基土壤之塑性土壤以PI=6%為界,大於6者為塑性土壤,小於6者為非塑性土壤。

○  AI MS-1規定基層級配料之LL小於25,PI小於6;底層級配料為NP。

○  ASTM D2940規定,LL小於25,PI小於4。

○  AASHTO M147規定,LL小於25,PI小於6。

● 試驗結果

        本市底渣篩分析結果顯示通過200號篩細粒料皆低於12%,因細粒料含量偏低無須進行阿太堡限度試驗,其塑性指數為NP。而從結果亦可推知底渣依土壤分類屬於砂,其粉土質細料含量偏低,因此應用於道路基層回填料時應不受液性限度與塑性指數規範值之限制。

4.含砂當量試驗(Sand Equivalent Test)

● 目的及意義

        含砂當量試驗(Sand Equivalent Test)目的,是用以測定細級配料,或土壤中黏土相對含量。目的在於求出細顆粒與黏土質材料之比值,可預測黏土對路面結構不穩定之影響,因此若粒料中含土量過多時,將會影響工程成效。

        通常粒料篩分析及比重計分析是以重量百分比為黏土含量,而含砂當量是以粘土的體積百分比表示,與現地路面各層結構中粘土遇水後膨脹之性質較接近,可預知粘土對路面結構不穩定之影響

● 試驗結果

        本市焚化底渣之含砂當量試驗值皆高於道路基層各類標準值之最低下限,顯示底渣含砂量高,適宜作為道路基層材料。又由各式鋪面與砂當量極限值可知,高雄市中區廠及南區廠焚化底渣可符合廠拌瀝青底層、路拌瀝青底層、碎石級配底層、天然級配底層、路基之含砂當量標準。

5.健性試驗 ( Soundness of Aggreate by Use of Sodium Sulfate or Magnesium Sulfate)

● 目的及意義

        健性試驗( Soundness of Aggreate by Use of Sodium Sulfate or Magnesium Sulfate)目的,主要模擬對自然現象之風化分解抵抗能力,以測定其強度和耐久性。一般健性試驗可分為硫酸鈉與硫酸鎂2種,評估粒料經過硫酸鈉或硫酸鎂等循環後之抗風化狀況。

        台灣地處亞熱帶,氣候炎熱潮濕且四周環海,因此應考量材料之耐久性質以確保道路工程結構之穩定性。目前國內對於道路基底層材料並無相關耐久性規定,故以健性試驗作為判斷焚化底渣再利用於道路工程時,其路基底層材料耐久性之判斷方式。

● 試驗結果

        以硫酸鈉溶液進行反覆5次循環之健性試驗,結果顯市兩廠焚化底渣之健性均較國內常用之健性試驗規範(如交通部、高公局等)值為高,亦即焚化底渣粒料之耐久性可能較差,若混拌添加天然砂可降低健性試驗之損耗率。

6.洛杉磯磨損試驗 (Abrasion Test)

● 目的及意義

        洛杉磯磨損試驗(Abrasion Test)目的,用以瞭解粒料之硬度與抗磨損能力,可推估其耐久程度。表示粒料在瀝青混凝土路面中,接受車輛衝擊與磨損作用下抵抗之能力。典型範圍約介於10~60%之間。過高試驗值通常表示骨材之塵土含量較高,如此可能造成混合時之問題與將來環境方面的問題,值得注意。

● 試驗結果

       由於焚化底渣經篩分析都通過3/8",故根據CNS 490之規定取通過 #4篩停留 #8篩之底渣5公斤來進行洛杉磯磨損試驗,本市焚化底渣試驗結果顯示第1、2次採樣其磨損率在46~50%間,雖未超出一般道路基層規範之上限值50%,惟仍建議混拌天然骨材使用為佳。

        另國內各單位常用於混凝土、瀝青混凝土(面層及底層)及底層碎石級配料等之500轉數磨損率規範值略有不同,由本市焚化底渣洛杉磯磨損率在39~50%間,雖小於50%但大部分亦大於40%,因此建議應用端視焚化底渣再利用於何種用途及採用何種規範,始決定是否為符合規範。

7.加州承載比試驗(California Bearinig Ratio,CBR)

● 目的及意義

        加州承載比試驗(California Bearinig Ratio,CBR)目的,為土壤或碎石級配料與美國加州標準碎石承載力比值百分率表示值,主要作為評估道路路基(Subgrade)及路基底層級配料材料強度方法之一。

● 試驗結果

        在進行本試驗前須先進行夯實試驗,以求得各試樣最大乾密度及最佳含水量,作為加州承載比試驗試體之夯實控制,本市焚化底渣CBR之試驗值約3.85~200.02%,國內常用基底層級配料CBR值規範值略有不同,惟約須大於10~85%,因此建議應用端視焚化底渣再利用於何種用途及採用何種規範,始決定是否為符合規範。

8.膨脹率試驗

● 目的及意義

        膨脹率試驗(回脹量)目的,在於瞭解評估將底渣作為路基之回填材時,若日後因施工不確實而使得雨水入侵或地下水水位上升,可否造成路基回填區產生膨脹或沉陷之現象產生。一般土壤中若黏土含量較高之狀況下,雨水入侵會產生膨脹現象。

● 試驗結果

        本市焚化底渣試驗結果顯示膨脹率都非常細微(幾近於0),都未超過道路膨脹量規定要求3%,顯示本市底渣應不會有膨脹及因水入侵,而產生不均勻沉陷之情況產生。

(二) 可控制性低強度回填材料(Controlled Low Strength Material,以下稱CLSM)

       依據國內底渣之相關研究顯示,焚化底渣已成功再利用於可控制性低強度回填材料(CLSM)中,工程性質頗佳,且CLSM以水泥為膠結料,對於焚化底渣應用於環境中具有正面功效。

1.CLSM工程試驗說明

● 目的及意義

        透過相關試驗探討本市焚化底渣合適配比,並探討本市焚化底渣之土木工程性質。

● 配比設計說明

        化底渣實驗之配比設計主要以水灰比(W/C)為控制強度因子、水固比(W/S)為控制工作性因子,兩大主要設計概念,相關設計流程如圖2所示,而後經試拌程序,確認配比合乎需求。

        有關焚化底渣CLSM之配比設計流程,其配比設計實驗主要係透過基本試驗來決定水固比W/S後,接著進行試拌確認其工作性(如管流度、坍度、坍流度) ,若其工作性不良,則須在重新決定水固比W/S;如確認其工作性可行,則可進行下階段決定水灰比W/C步驟後,再進行試拌確認其強度與初凝時間,若其強度與初凝時間不符需求,則需再重新決定水灰比W/C;如確認其強度與初凝時間符合需求,則可作為焚化底渣CLSM一般型配比。

圖2 焚化底渣CLSM之配比設計流程圖

        焚化底渣CLSM之配比設計採用乾重比,與一般混凝土配比設計所採用的骨材面乾內飽和(Saturated Surface Dry,SSD)之重量比不同;以乾重比來設計,主要考量底渣吸水率高且不易判斷是否已達面乾內飽和。依據圓錐模試驗(CNS 487),細粒料稍有坍落即可判斷為面乾內飽和,然而底渣成分含有許多細粉,對於是否稍有坍落不易判斷,且易受試驗者主觀判定。因此以乾重表示,以避免在判定吸水率上之人為誤差。

根據相關研究顯示,受不同來源、廠機具設備、處理過程等條件影響,各焚化廠之底渣特性(如成分組成、吸水率、顆粒大小等)亦有所不同,故於拌合CLSM過程要達相同流動性所需之總拌合水量也有所差異,可依規範要求利用坍流度試驗或管流度試驗來求得所需水量決定水固比。

○水固比(W/S):W (拌合水量),S (骨材乾重+水泥用量)

□ 試驗參數

        該研究主要以同一採樣時間不同採樣地點之底渣與水泥用量為參數進行試驗,分述如后:

○泥用量

       水泥種類與水泥用量多寡會直接影響到試體之凝結時間與各齡期的強度。該試驗採用台灣水泥股份有限公司所出產之水泥—卜特蘭水泥第I型。參數主要目的在求出合適的水泥用量,以期符合CLSM的工程要求,依以上參數,規劃以乾重比為配比設計。

○CLSM之流程規劃與試驗項目

       主要之試驗流程規劃如圖3所示。

       有關焚化底渣之試驗流程,首先係將取得之焚化底渣進行含水量試驗和乾單位重試驗,再依據試驗參數設計配比調整拌合水量,接著進行試拌確認其工作性,若其工作性不良,則須再重新設計配比調整拌合水量;如確認其工作性可行,則可進行下階段物性實驗(如管流度、初凝時間、抗壓強度)後,若其物性實驗所得之資料不符需求,則需再重新設計配比調整拌合水量;如確認其物性實驗所得之資料符合需求,則可進行大量拌合試體,並進行養護後,進行3日、7日和28日等齡期抗壓試驗。

 

圖3 焚化底渣之試驗流程

       而詳細試驗項目如下:

○決定水固比與水灰比。

○ 工作性試驗:管流度、坍度、坍流度。

○ 單位重試驗。

○ 初凝試驗(可續行時間試驗)。

○  抗壓強度試驗:7日、28日等2個齡期之抗壓強度。

2.焚化底渣配比試驗

●含水量試驗

       自焚化廠所採回焚化底渣骨材,載回試驗場中將骨材過4號篩之後,放入烘箱以105±℃烘乾24小時後,進行含水量試驗,本市焚化底渣含水量約18.5~25.5%。

       焚化底渣含水率與出渣設備操作有關,垃圾焚化底渣排出後通常會先經過水淬(Quench)處理,因此呈現潮濕狀態,依國內外經驗顯示,焚化底渣含水率約在15~20%間。本市中區廠第1、2次採樣之含水率皆略高於文獻記載之15~20%,可能在於採樣時焚化底渣經水淬處理由輸送帶排入貯坑有關。

●單位重試驗

      單位重試驗以烘乾底渣骨材為材料,所得數據為提供配比設計所需。本市焚化底渣之乾搗單位重約在1,010~1,280  kg/m3之間,本市焚化底渣之乾搗單位重皆符合CLSM規範要求單位重不得超過2,000 kg/m3

●組合及配比

       該計畫將本市中區廠和南區廠焚化底渣採等比例組合成100%底渣進行試驗配比,拌合水泥、水及早強劑相關用量,其中均未添加天然骨材。以2組水灰比(W/C)2.3及2.6進行配比。 

●工作性試驗

       依ASTM D6103-97之管流度試驗,管流度值需在15~20cm,本市焚化底渣所製CLSM其管流度皆超過20cm,水灰比(W/C)2.6時因拌合水量超過所需,產生水、固分離現象,因此進行管流度試驗時操作需迅速,減少拌合水流出現象以降低實驗之誤差。

●抗壓強度

      該計畫拌合試體只考量7日之抗壓強度,本市焚化底渣混拌之抗壓強度不論是在水灰比(W/C)2.3或2.6皆類似,由於水灰比2.6與水灰比2.3近似,可能因為高水灰比之情況下,所產生之水固分離的析離現象,使得多數水泥成份被留滯在骨材上,故強度反而與水灰比2.3近似。又各種焚化底渣組合混拌之抗壓強度在7日皆超過5kg/cm2,故以試拌之配比進行正式拌合。

3.焚化底渣最適配比試驗

        依照先前配比試拌結果,採W/C=2.3及W/C=2.6配比進行大量拌合。為減少拌合過程之影響,應採用固定之拌合流程。其流程如下:

○拌合前1日將所需之骨材用量,置入110℃烘箱內烘乾24小時候,再拿出待其溫度降至室溫。

○準備拌合材料。

○先將所需藥量與拌合用水充分混合攪拌,再混慢倒入拌合機與乾拌材料拌合3分鐘。

        本試驗試體製作採用直徑7.5公分、高15公分之圓柱試體,製作時採用免搗實方式製作;拆模後,即將試體移至室內通風良好處並將之放入飽和石灰水中進行養護。

●可續行工作時間(初凝時間)

       依據ASTM D-1558規定,使用現場貫入試驗儀,進行試驗。以13mm/sec的速率,貫入CLSM材料達76mm時,記錄上方滑動套環顯示之外力;當貫入強度達400~500psi時判斷為可續行施工。實驗結果顯示,使用本市焚化底渣之CLSM於w/c=2.3在39小時達到400psi之貫入強度,w/c=2.6在43小時達到400psi之貫入強度。

●抗壓強度

        將本市焚化底渣拌合後分別養護7日、28日兩個齡期,再進行抗壓試驗,整體而言7日抗壓強度約10~20 kg/cm2,28日抗壓強度約近40 kg/cm2。 

二、底渣工程特性介紹

        本市環保局於96年度委託中興工程顧問執行「高雄市垃圾焚化底渣資源化廠興建計畫先期規劃設計成果及可行性研究」,針對底渣再利用進行土木工程性質試驗分析,其相關工程特性結果如表1所示。

表1 高雄市焚化底渣進行土木工程性質試驗分析結果

項目

底渣

天然級配料/

工程用途要求1

篩分析

均勻係數

14.28~26.67

曲率係數

1.11~1.46

比重

容積比重

1.86~1.96

視比重

2.43~2.63

2.5~2.8

吸水率(%)

12.35~15.60

1~8

阿太堡限度

NP

2

含砂當量(%)

52.79~54.43

須大於10~80

健性試驗(%)

23.51~27.37

須小於9~20

洛杉磯磨損率(%)

46.406~49.501

須小於50

加州承載比(%)

3.85~200.02

須大於10~85

膨脹率(%)

0.0052~0.0654

須小於3

 

註:1.工程用途要求包括含砂當量、健性試驗、洛杉磯磨損率、加州承載比和膨脹率等。

       2.因一般土壤若通過200號篩之細粒料大於12%,則須取通過40號篩之土樣進行阿太堡限度試驗,而阿太堡限度於鋪面工程之相關規定各有不同。

        表1焚化底渣進行土木工程性質試驗分析結果顯示,底渣經篩分析後所得之均勻係數約介於14.28~26.67間,而曲率係數約介於1.11~1.46間,而比重分析則可分為容積比重約介於1.86~1.96和視比重約介於2.43~2.63,其視比重較天然級配料(約2.5~2.8)略低。至於底渣之吸水率則是約介於12.35~15.60,其吸水率較天然級配料(1~8)高,而阿太堡限度則是因通過200號篩細粒料皆低於12%,細粒料含量偏低無須進行阿太堡限度試驗,其塑性指數為NP。

        另底渣之含砂當量(約介於52.79~54.43%)、健性試驗(約介於23.51~27.37%)、洛杉磯磨損率(約介於46.406~49.501%)、加州承載比(3.85~200.02%)和膨脹率(0.0052~0.0654%)等土木工程試驗分析顯示,焚化底渣材料部分性質並未完全符合相關規範要求,但若透過加進適當之摻拌(混拌),將可改善及強化其材料性質,符合工程運用需求。