透水瀝青混凝土鋪面滲透保水性能及熱行為之研究

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徐震宇(Chen-Yu Hsu) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

透水瀝青混凝土鋪面滲透保水性能及熱行為之研究
(THE STUDY OF PERMEABILITY, WATER-HOLDING, AND THERMAL CONDUCTIVITY IN POROUS ASPHALT CONCRETE)

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摘要(中)

本研究由材料觀點針對透水性鋪面滲透係數、熱學性質、入滲及保水等性能進行綜合評估分析與探討；於實驗室先行針對面層材料熱學性質、滲透性能之量測分析其基本性質，並藉由現地透水性鋪面施作案例，量測實際鋪面熱行為及保水量，並以統計分析方法評估其性能。
由實驗室量測之結果，傳統密級配瀝青混凝土熱傳導係數約1.3~1.8W/mK，而多孔隙瀝青混凝土量測結果由於孔隙率增加至20%，使得熱傳導係數降低至0.4~0.9 W/mK，但多孔隙瀝青混凝土與密級配瀝青混凝土皆由相同材料組成，孔隙的增加使熱容量降低、表面積增加，當獲得熱能時，溫度會有迅速升高之情形，於實驗室模擬及現地量測之結果顯示，多孔隙瀝青混凝土表面溫度較密級配瀝青混凝土高約4~6℃，由於多孔隙瀝青混凝土熱傳導係數低，其熱容量亦較低，因此白天吸收的熱能量較少，夜晚平均熱輸出量亦較密級配瀝青混凝土少，於鋪面下方4公分夜晚溫度較密級配瀝青混凝土約低1℃。
面層多孔隙瀝青混凝土材料之滲透係數，車轍試體滲透係數高於馬歇爾試體約10~40%，顯示尺寸大小或壓實方式對滲透係數有所影響，而模擬坡度10%對滲透係數之影響最大約減少10%的滲透能力；本研究中提出以鋪面材料基本性質包括各層厚度、孔隙率、滲透係數及鋪面各層中最低之滲透係數，並利用區域降雨強度公式，可使工程師利用簡易計算方式概估保水量及延緩表面逕流時間；利用實驗區模擬降雨進行保水量簡易計算公式驗證，總雨量、降雨延時及保水量，與簡易公式計算結果較符合。
實驗區透水瀝青混凝土鋪面歷經9年使用後進行鋪面更新，並於更新過程中針對鋪面各層滲透係數進行量測，結果顯示於面層下方各層滲透係數與初始鋪設之狀態並無太大差異，僅於面層產生孔隙阻塞現象，針對鋪面更新前之面層孔隙率，利用電腦斷層掃瞄分析結果顯示，孔隙阻塞約於表面至下方20mm，最低空隙率降至3%，使原始滲透係數2.2*10-1cm/sec降低至1.2*10-3cm/sec；針對鋪面更新前、後之面層多孔隙瀝青混凝土以電腦斷層掃瞄進行孔隙分布分析，發現滾壓可能造成表面至深度20mm孔隙率降低約4%之現象。
由於面層之滲透能力與排除降雨量有直接關係，而且鋪面各層中最低之滲透係數影響長期的直接滲透保水量，因此影響透水性鋪面滲透及保水能力主要因素為面層滲透係數及鋪面各層中最低之滲透係數。

摘要(英)

The objective of this study was to assess the permeability and the thermal conductivity in porous asphalt concrete. PACs mixed in the laboratory and paved on the test section were evaluated. The thermal conductivity performed in the laboratory in PAC with 20% of porosity in comparison with parallel dense-graded asphalt concrete were 0.4-0.9 W/mK and 1.3-1.8 W/mK, respectively; the temperature profile performed in the laboratory and field show a similar trend that the temperature in the surface portion of PAC was 4-6℃ higher than that of DGAC. This can attribute that the higher porosity in PAC was reducing the capacity of heat transfer across materials and thus the heat was accumulating on the surface of pavement structure. The field data also show that the temperature in 4cm underneath the surface in PAC was 1℃ lower than that of DGAC. It has to be noted that both PAC and DGAC were designed and mixed with same sources of aggregates and binder.
The permeability performed in the laboratory between Marshall compacted and wheel track specimens were evaluated and the wheel track specimen show 10-40% higher in that by the constant head permeability test. Additionally, a modified permeability test with 10% of pavement cross slope was found 10% reduction in permeability. The field permeability performed in the test section show a reduction from 2.2*10-1 to 1.2*10-3 cm/sec after nine years of service. The analysis in conjunction with X-ray Computed Tomography indicate that the clogging of PAC occurred in 20mm depth topdown where the porosity was reducing down to 3%. It was also found that the effect of roller compaction can cause 4% reduction in porosity on the same depth topdown. The test section was then excavated and it was found that permeability of base and subbase layers remained the same capacity in comparison with that in nine years ago. Hence, it can conclude that the porosity of surface layer can be the dominant parameter in term of overall capability of permeable pavement.

關鍵字(中)

★ 透水性鋪面
★ 熱學行為
★ 入滲
★ 保水
★ 多孔隙瀝青混凝土
★ X光電腦斷層掃描

關鍵字(英)

★ Permeable Pavement
★ Thermal Conductivity
★ Infiltration
★ Water Holding
★ Porous Asphalt Concrete
★ X-ray Computed Tomography

論文目次

中文摘要 i
Abstract iii
目錄 v
表目錄 ix
圖目錄 xiii
第一章緒論 1
1.1 研究緣起 1
1.2 研究目的 1
1.3 研究內容與方法 2
1.4 研究流程 4
第二章文獻回顧 5
2.1 都市熱島效應 5
2.1.1 都市熱島效應形成因素 5
2.1.2 都市土地使用與熱島現象的關係 9
2.1.3 熱島效應量測方式及相關研究 11
2.1.4 減緩都市熱島效應對策 14
2.2都市低衝擊開發與涼化鋪面回顧 17
2.2.1 低衝擊開發(Low Impact Development, LID) 17
2.2.2 涼化鋪面(Cool Pavement) 18
2.3 鋪面排水型式及透水機制 20
2.3.1 多孔隙鋪面 20
2.3.2 透水性鋪面 21
2.3.3 排水性鋪面與透水性鋪面比較 22
2.3.4 透水性鋪面滲透機制 24
2.4 鋪面能量傳遞原理及鋪面材料熱學性質回顧 25
2.4.1 熱傳學理論 25
2.4.2 鋪面熱能傳遞 28
2.4.3 鋪面材料熱傳導性質 30
2.4.4 鋪面材料溫度行為 34
2.5 透水性鋪面相關研究 42
2.5.1 國內綠建築基地保水指標回顧 42
2.5.2 日本透水性鋪面設計 46
2.5.3 透水性鋪面案例及成效 52
2.5.4 透水性鋪面之優點 57
2.6 電腦斷層掃描應用於材料孔隙分析回顧 59
2.7 新店實驗區透水性鋪面案例背景說明 63
第三章試驗及研究方法 67
3.1 實驗室材料配合設計 67
3.2 實驗室研究設備 68
3.1.1 鋪面溫度量測設備及規畫 68
3.1.2 鋪面材料熱傳導係數量測 70
3.1.3 滲透係數量測 72
3.3 現地試驗設備及監測規劃 74
3.4 透水性鋪面滲透定律理論及模擬方法 81
3.4.1 土壤力學滲透定律之應用及分析 81
3.4.2 層狀土壤滲透理論 82
3.4.3 實驗區模擬降雨 83
3.5 統計分析 84
3.5.1 多重比較 84
3.5.2 集群分析 85
3.5.3 迴歸分析 85
第四章透水性鋪面滲透性質分析及探討 87
4.1 透水瀝青混凝土配合設計結果 87
4.2 透水瀝青混凝土面層滲透係數量測與分析 89
4.3 透水性鋪面底層及路基土壤滲透性能對保水量之探討 93
4.4 透水性鋪面對延緩逕流時間之探討 96
4.5 本章小結 100
第五章透水性鋪面熱學行為分析及探討 101
5.1 透水瀝青混凝土面層熱行為實驗室量測與分析 101
5.1.1 面層材料降溫量測及分析 101
5.1.2 面層材料吸熱量測及分析 111
5.1.3 面層材料熱傳導係數量測及熱行為探討 115
5.2 新店實驗區現地鋪面溫度及反射率量測結果 117
5.3 鋪面熱輸出模型計算結果與探討 120
5.4本章小結 122
第六章新店實驗區透水性鋪面滲透及保水分析 123
6.1新店實驗區透水性鋪面成效分析 123
6.2新店實驗區透水瀝青混凝土鋪面更新試驗結果 125
6.3理論保水計算與實測結果 127
6.4 電腦斷層掃描應用於面層材料孔隙分析與探討 133
第七章結論與建議 139
7.1 結論 139
7.2 建議 141
參考文獻 143
附錄一配合設計結果 149
附錄二降溫分析 153

參考文獻

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指導教授

林志棟(Jyh-Dong Lin)

審核日期

2013-7-26

推文