一、前言

         臺(tái)灣地區(qū)位於亞熱帶地區(qū)，降水頻率及強(qiáng)度集中，氣候溫暖潮溼，年平均降水量高達(dá)2510mm。且因降水時(shí)間及空間分佈不均，在豐年期每年5~10月之降水量約佔(zhàn)全年之78%，而因臺(tái)灣地形陡坡，山脈高聳，東西向幅度窄，河川坡陡流快，不易蓄貯，因此水庫(kù)在水資源利用於攔豐濟(jì)旱之功能上更顯重要。以2001年為例，臺(tái)灣的降水量為1108億噸，而河川水只有130億噸，(其中水庫(kù)提供48億噸)約佔(zhàn)總降水量之12%而已。臺(tái)灣農(nóng)業(yè)、工業(yè)及民生用水共需185億噸，顯示臺(tái)灣地區(qū)水資源不足，若無(wú)水庫(kù)之?dāng)r蓋功能，則本省用水不足之壓力就更大。
         而根據(jù)經(jīng)濟(jì)部水利署所著「2001年蓄水設(shè)施水量營(yíng)運(yùn)統(tǒng)計(jì)報(bào)告」一書(shū)中指出目前已完工運(yùn)轉(zhuǎn)且有營(yíng)運(yùn)統(tǒng)計(jì)資料之水庫(kù)計(jì)有40座，其完工當(dāng)年的總?cè)萘繛?,745,000,000m³，水庫(kù)容量因受泥砂淤積之影響，在2001年量測(cè)之結(jié)果發(fā)現(xiàn)其總?cè)萘繛?,204,000,000m³，約減少479,000,000m³，約為總?cè)萘康?7.44%。平均每年減少16,100,000m³，可見(jiàn)水庫(kù)淤積量相當(dāng)嚴(yán)重，甚至有些水庫(kù)的淤積量高達(dá)77%。(1)
         有鑑於此，經(jīng)濟(jì)部水利署自1984~2002間在明德、石門(mén)等21座水庫(kù)實(shí)施浚渫清淤工作，共清除約25,600,000m³，再加上運(yùn)用水庫(kù)排砂操作方式辦理「空庫(kù)排砂」約排除10,100,000m3，合計(jì)約35,700,000m³，有效地改善水庫(kù)之容量。而民國(guó)91年提出水庫(kù)淤積緊急浚渫計(jì)畫(huà)，辦理石門(mén)等九座水庫(kù)之清淤工作，共清除4,750,000m³，其中以阿公店水庫(kù)清淤3,240,000m³最多。而白河水庫(kù)740,000m3次之，截至2002年為止，水庫(kù)的累計(jì)清淤量以石門(mén)之10,600,000m³最多，而其次是阿公店為5,400,000m³，由這些數(shù)據(jù)顯示水庫(kù)總淤積清除量約為40,500,000m³相當(dāng)驚人(1)。
         21世紀(jì)是水資源缺乏之世紀(jì)，臺(tái)灣雖有豐沛的降水量，但因降水之季節(jié)分配不均，再加上臺(tái)灣地形峻峭，水資源不易蓄儲(chǔ)，以及全球氣候溫度效應(yīng)之影響，因此未來(lái)臺(tái)灣地區(qū)發(fā)生乾旱及洪澇之機(jī)率相當(dāng)大，而水庫(kù)是防範(fàn)水災(zāi)害的一大設(shè)施。但因水資源開(kāi)發(fā)的水庫(kù)壩址難尋，再加上維護(hù)生態(tài)、環(huán)保及民眾抗?fàn)幍葐?wèn)題，使得加強(qiáng)水庫(kù)清淤更新工作為未來(lái)政府對(duì)水資源永續(xù)經(jīng)營(yíng)之主要工作。水庫(kù)清淤確實(shí)可以減緩現(xiàn)有水庫(kù)淤積率確保水庫(kù)的有效庫(kù)容及促進(jìn)水庫(kù)浚渫淤泥再生利用率和提昇水庫(kù)浚渫淤泥資源化技術(shù)，且增進(jìn)水庫(kù)永續(xù)利用及國(guó)土保育維護(hù)等效益。
         由於水庫(kù)浚渫淤積物若未妥善處理可能會(huì)造成環(huán)境公害，且順應(yīng)時(shí)代需求有效處理並減量控制廢棄物，使其資源化與再利用。因此行政院於2002年10月7日研商「營(yíng)建剩餘土石及淤泥再生利用」會(huì)議結(jié)論上，曾表示河川及水庫(kù)清淤應(yīng)朝資源化再生利用方式處理，淤泥處理應(yīng)以永續(xù)再利用為原則，招標(biāo)應(yīng)朝最有利標(biāo)方式辦理，並以淤泥再生利用所產(chǎn)生之附加價(jià)值為決標(biāo)之重要條件。故以往水庫(kù)浚渫採(cǎi)購(gòu)以清淤為單一目標(biāo)之招標(biāo)方式已漸不敷需求，如何將水庫(kù)淤泥再生利用納入決標(biāo)之重要條件為競(jìng)標(biāo)之重心(2)。而行政院經(jīng)建會(huì)已核定內(nèi)政部營(yíng)建署所提之「淤泥再生利用推動(dòng)方案」各相關(guān)單位亦加強(qiáng)再生利用技術(shù)之研發(fā)與推廣工作。
         水庫(kù)淤泥再生利用技術(shù)，雖然有許多的方案出現(xiàn)，但是其中已鍛燒至1100℃，製作輕質(zhì)骨材(LA)已被驗(yàn)証是最具潛力之可行方法。主要是其成分含有適合燒製LA之原料，而且其單位重足以製作結(jié)構(gòu)用輕質(zhì)混凝土(LC)，可在高樓建築及橋樑上應(yīng)用。目前已有廠商投資在石門(mén)水庫(kù)沉澱池旁設(shè)立試驗(yàn)工廠生產(chǎn)，今後數(shù)年內(nèi)若能在各具有燒製LA原料的水庫(kù)淤泥之水庫(kù)地區(qū)設(shè)廠製造LA及LC廠和預(yù)鑄混凝土廠，則水庫(kù)淤泥將可大量被再生利用，則臺(tái)灣水庫(kù)之淤泥問(wèn)題將可迎刃而解，不但其蓄水容量可增加，更重要的是我國(guó)之輕質(zhì)骨材混凝土之技術(shù)與產(chǎn)業(yè)，從此將邁入一個(gè)新的里程碑。

二、水庫(kù)淤泥燒結(jié)輕質(zhì)骨材及製作混凝土之工程性質(zhì)          本文針對(duì)15 座水庫(kù)淤泥，在試驗(yàn)室中經(jīng)由程式控制電爐及商業(yè)用旋窯所製造的不同輕質(zhì)骨材，進(jìn)行顆粒密度(比重)與吸水率等物理性質(zhì)試驗(yàn)，及所燒結(jié)骨材表面狀況的探討。目前學(xué)者一致認(rèn)為燒製人工輕質(zhì)骨材最佳溫度介於1100～1250℃之間，因此燒結(jié)時(shí)的溫度則採(cǎi)用1200℃，經(jīng)過(guò)臺(tái)灣科技大學(xué)試驗(yàn)室之程式控制電爐作初步測(cè)試，結(jié)果顯示大部份之水庫(kù)淤泥均可燒結(jié)成輕質(zhì)骨材，但由於燒結(jié)時(shí)間受限於實(shí)驗(yàn)室電熱爐昇溫的速度，燒結(jié)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1 天。為求大量產(chǎn)製，另外使用桃園業(yè)者所提供之旋窯燒製骨材，並根據(jù)實(shí)驗(yàn)室燒結(jié)經(jīng)驗(yàn)，燒製溫度設(shè)定為1210℃，成功地將15 座水庫(kù)淤泥燒結(jié)為輕質(zhì)骨材。本文就是利用這些燒製之LA進(jìn)行其物性，以及製作高性能輕質(zhì)骨材混凝土探討其工程性質(zhì)。 (一)水庫(kù)淤泥輕質(zhì)骨材之物理性質(zhì)分析 1.顆粒密度(比重)          試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。顯示以程式控制電爐燒製的輕質(zhì)骨材，在相同燒結(jié)條件下，以澄清湖及鳳山水庫(kù)淤泥所燒製的輕質(zhì)骨材，其比重較小約在1.1~1.2 之間；其次為仁義潭、阿公店、石門(mén)、大埔等水庫(kù)淤泥所燒製的輕質(zhì)骨材比重為1.3~1.5 之間；其餘九座水庫(kù)之淤泥所燒製的輕質(zhì)骨材比重為2.0~2.2 之間。由此圖顯示在相同燒結(jié)情況下，不同水庫(kù)淤泥所所燒製的輕質(zhì)骨材比重並不相同，而且由旋窯所燒製得知輕質(zhì)骨材，由於溫度歷程控制較容易，因此燒結(jié)所得之輕質(zhì)骨材比重亦較實(shí)驗(yàn)室電熱爐為低。 2.吸水率          輕質(zhì)骨材會(huì)因骨材組織表面孔隙大或表層無(wú)產(chǎn)生玻璃化，致使骨材吸水率增大。由程式控制電爐及商業(yè)用旋窯所燒製的15 座輕質(zhì)骨材吸水率均小於10%，如圖2與圖3所示。尤其是以程式控制電爐的輕質(zhì)骨材吸水率甚至低於1%。因此，顯示水庫(kù)淤泥輕質(zhì)骨材具有低吸水率的性質(zhì)。 3.筒壓強(qiáng)度與鬆密度          大部分水庫(kù)淤泥輕質(zhì)骨材的筒壓強(qiáng)度介於3.0～4.5 MPa之間(圖4)。水庫(kù)淤泥輕質(zhì)骨材鬆密度約介於400～1200 kg/m3。 (二)水庫(kù)淤泥輕質(zhì)骨材混凝土工程性質(zhì)          共有17種配比包括三種不同淤泥輕質(zhì)骨材，兩種不同細(xì)骨材(機(jī)製砂及河川砂)及二種不同配比(緻密`配比及ACI 配比設(shè)計(jì)法)，水庫(kù)淤泥係採(cǎi)用石門(mén)水庫(kù)淤泥經(jīng)商業(yè)化旋窟所製造之輕質(zhì)骨材，其性質(zhì)如表1所示。使用17種混凝土配比如表2所示。 1.坍度及坍流度          雖然所測(cè)試的坍度、坍流度值均顯示較低。但各組混凝土均能符合坍度為230±20mm、坍流度為500±100mm 的高流動(dòng)性設(shè)計(jì)要求。

圖1 淤泥1200℃高溫?zé)Y(jié)顆粒輕質(zhì)骨材的比重比較 圖2 水庫(kù)淤泥單顆粒吸水率比較(電熱1200℃燒結(jié)) 圖3 不同水庫(kù)淤泥於單顆粒吸水率比較(旋窯1200℃燒結(jié)) 圖4 輕質(zhì)骨材鬆密度與筒壓強(qiáng)度關(guān)係(旋窯1200℃燒結(jié))

表1 輕質(zhì)粗骨材及常重砂基本性質(zhì)

物理性質(zhì)	水庫(kù)淤泥輕質(zhì)粗骨材			機(jī)製砂 (大安溪)	河川砂 (木瓜溪)
顆粒密度(g/cm3)	90.7	1.1	1.5	2.64	2.74
吸水率(%)	6.4	7.2	80	2.6	3.0
Dmax(mm)	20	13	13	…	…
細(xì)度模數(shù)(FM)	6.95	6.48	6.40	2.96
30顆輕質(zhì)骨材平均抗壓強(qiáng)度(MPa)	2.66	3.33	6.74	…	…
桶壓強(qiáng)度(MPa)	2.75	3.51	6.85	…	…
鬆密度(kg/m3)	498	658	836	…	…

表2 輕質(zhì)骨材混凝土配比

組別	LWA 比重	常重砂 種類(lèi)	W/cm	Wtotal	N	w/c	w/s	材料配比(kg/m3)
								Sand	L.Agg	Cement	Fly	Slag	Water	SP
M15-32-140	1.5	機(jī)製砂	0.32	140	1.173	0.4915	0.0765	781	612	285	138	15	114	24
M15-32-150	1.5	機(jī)製砂	0.32	150	1.278	0.4716	0.0823	759	595	318	134	17	138	12
M15-32-160	1.5	機(jī)製砂	0.32	160	1.383	0.4554	0.0881	737	578	351	130	19	151	9
M07-32-140	0.7	機(jī)製砂	0.32	140	1.173	0.4915	0.0926	781	294	285	138	15	112	28
M07-32-150	0.7	機(jī)製砂	0.32	150	1.278	0.4716	0.0991	759	286	318	134	17	126	24
M11-32-140	0.7	機(jī)製砂	0.32	160	1.383	0.4554	0.1056	737	278	351	130	19	147	13
M11-32-150	1.1	機(jī)製砂	0.32	140	1.173	0.4915	0.0843	781	443	285	138	15	119	21
M11-32-160	1.1	機(jī)製砂	0.32	150	1.278	0.4716	0.0904	759	431	318	134	17	138	12
M11-32-150	1.1	機(jī)製砂	0.32	160	1.383	0.4554	0.0966	737	419	351	130	19	149	11
R11-32-150	1.1	河川砂	0.28	150	1.417	0.3916	0.0956	751	426	383	133	20	125	25
R11-32-140	1.1	河川砂	0.32	140	1.193	0.4965	0.0912	796	452	282	141	15	119	11
R11-32-150	1.1	河川砂	0.32	150	1.301	0.4756	0.0977	774	440	315	137	17	138	12
R11-32-160	1.1	河川砂	0.32	160	1.409	0.4587	0.1042	752	427	349	133	18	153	7
R11-32-150	1.1	河川砂	0.40	150	1.140	0.6791	0.1009	807	459	221	143	12	144	6
R-ACI-28-223	1.1	河川砂	0.28	223	……	0.28	0.137	417	409	796	0	0	200	23
R-ACI-32-223	1.1	河川砂	0.32	223	……	0.32	0.138	504	409	697	0	0	223	0
R-ACI-40-223	1.1	河川砂	0.40	223	……	0.40	0.140	625	409	558	0	0	223	0

2.抗壓強(qiáng)度發(fā)展
         如圖5可知，由不同骨材密度比較顯示，顆粒密度1.5g/cm³ 的強(qiáng)度發(fā)展斜率較大，即密度大的輕質(zhì)骨材可提供較大的強(qiáng)度發(fā)展，相對(duì)於顆粒密度0.7g/cm³，其顆粒強(qiáng)度甚低，在同樣水泥漿質(zhì)與量的配比中，在強(qiáng)度上比其它顆粒骨材密度大的相差很多，這應(yīng)歸咎於此類(lèi)骨材強(qiáng)度甚低的緣故。
         圖6為緻密配比及ACI 配比在不同水膠比的比較，緻密配比用水量固定150kg/m³，ACI配比為用水量為223 kg/m³。在緻密配比組別比較上，呈現(xiàn)水膠比越低，抗壓強(qiáng)度越高，此與傳統(tǒng)混凝土相同趨勢(shì)，在不同配比比較上，由於ACI 配比使用較多的水泥漿量，因此，在相同的水膠比情況下，ACI 配比的抗壓強(qiáng)度發(fā)展均高於緻密配比法所得之結(jié)果