第 第
第五 五 五章 五 章 章 試驗計畫及結果討論 章 試驗計畫及結果討論 試驗計畫及結果討論 試驗計畫及結果討論
本章節參考 ACI 永續混凝土指針建議的類別，透過試驗來評估影響永續混凝土性質 的材料參數及應用範圍。
第一節 第一節
第一節 第一節 低碳混凝土 低碳混凝土 低碳混凝土 低碳混凝土
水泥是混凝土二氧化碳排放量的主要來源，為了減少水泥帶來的汙染問題，除了改 良水泥的製程技術外，其次有效的方法是減少混凝土中水泥的用量，及添加大量替代水 泥的礦物摻料(輔助膠凝材料)。輔助膠凝材料指的是除填充料以外的粉料，輔助膠凝材 料有些本身會產生水化反應具有水硬性，或是具有潛在水硬性，它們亦可能與水泥的水 化產物發生化學反應，產生膠結性。
粉煤飛灰與水淬高爐石粉是當前應用最廣泛使用最大量的輔助膠凝材料，取代部分 水泥，能夠改善混凝土的多項性能如新拌混凝土的工作性，硬固混凝土的強度，體積穩 定性及耐久性。因此在試驗案例中，主要以粉煤飛灰及水淬高爐石的應用，為案例來討 論改善混凝土碳排放的策略。
粉煤飛灰與水淬高爐石粉可運用於混凝土的配比設計，「CNS 11270 卜特蘭飛灰水 泥」將飛灰依含量分成 A、B、C 等 3 類，飛灰的使用量大致限制在水泥質量的 5 % ~ 30
%。「CNS 3654 卜特蘭高爐水泥」建議高爐石粉末用量佔水泥重量百分率 25 %~65 %。
ASTM C 595 建議高爐石粉用量佔水泥重量百分率 20%~80%。然而，目前 CNS 11270 與 CNS 3654 於民國 100 年 3 月已公佈廢止。關於飛灰、爐石和其它礦物摻料的使用可 參考「CNS 15286 水硬性混合水泥」，當中是依水泥的期望用途分為 IS 型 IP 型兩類，
其中 IS 型水泥中高爐石粉的最大容許用量是質量比的 70 %，而 IP 型則是規定 NaO 的 當量。本節僅就強度及成本的觀點來討論，於第六章混凝土生命週期評估延續此節，再 加入碳排放的量化計算加以探討。
5-1-1 試驗案例 5-1-1-1 試驗材料
拌合 用 水：採自來 水， 符 合 CNS 拌合水之要求。
粗 粒料：粗粒料的最大粒徑為 20 mm，乾搗單位重為 1652 kg/m3， 比 重 2.54，
吸 水 率 0.88%，篩分析結果如表 5-1 所示。
天 然 細粒料：天然河砂的細度模數為 3.2，比重為 2.72，吸水率 2 %，篩分析結 果如 表 5-2 所示。
水 泥 ： 卜特蘭 Type I 水泥，其性質符合 CNS61 第 I 型卜特蘭水泥之要求，其 化 學及 物 理 性 質 如 表 5-3 與表 5-4 所示。
飛灰：採用 F 級飛灰，細度達 376 m2/kg，通過 #325 篩約佔 14%，比重為 2.27。化 學 及 物 理 性 質 詳列於表 5-3 與表 5-4。
水 淬 高 爐 石 粉：細度達 412 m2/kg，比重為 2.89，化 學 及 物 理 性 質 詳列於表 5-3 與表 5-4。
NaOH：採用約 5 mm 大小之顆粒，可直接與空氣中水分反應而液化，化學成分詳如表 5-5 所示，外觀如圖 5-1 所示。
Na2SiO3：模數 n 等於 1.97，比重為 1.54，液固比為 1.27。化學成分如表 5-6 所示，外 觀如圖 5-2 所示。
H3PO4：比重 1.69，化學成分如表 5-7 所示，外觀如圖 5-3 所示。
表 5-1 粗粒料篩分析
篩號 各篩停留量(g) 停留百分率(%) 累積停留百分率(%) 通過百分率(%)
1” 0 0 0 100
3/4” 14 0.14% 0.14% 100
1/2” 1275 12.75% 12.89% 99.87
3/8” 1640 16.4% 29.29% 99.71
#4 6210 62.1% 91.39% 99.09
底盤 825 8.25% 100% 0
(資 料來源資 料來源資 料來源 ：資 料來源：：： 本研究整理本研究整理本研究整理 ) 本研究整理
表 5-2 細粒料篩分析
篩號 各篩停留量(g) 停留百分率(%) 累積停留百分率(%) 通過百分率(%)
3/8〞 0 0 0 100
No.4 0 0 0 100
No.8 0.5 0.25 0.25 99.75
No.16 20.9 10.45 10.7 89.3
No.30 67.1 33.55 44.25 55.75
No.50 61.7 30.85 75.1 24.9
No.100 29.3 14.65 89.75 10.25
底盤 20.5 10.25 100 0
total 200 100 F.M 3.2
(資 料來源資 料來源資 料來源 ：資 料來源：：： 本研究整理本研究整理本研究整理 ) 本研究整理
表 5-3 膠結材料化學成分
項目 (%) 水泥 I 型 水淬高爐石粉 飛灰 矽灰 稻殼灰 二氧化矽 (SiO2) 21.04 33.42 57.2 92.63 92
氧化鋁 (Al2O3) 5.46 13.35 20.8 - 0.41 氧化鐵 (Fe2O3) 2.98 0.21 8.1 - 0.6
氧化鈣 (CaO) 63.56 41.16 2.4 - 1.2 氧化鎂 (MgO) 2.52 7.76 2.2 - 0.5
三氧化硫 (SO3) - - - - -
C3A ≦8% - 0.61 - - - 三氧化硫(SO3) %
C3A ≧8% 2.01 - - - - 燒失量(L.O.I) 1.38 0.30 2.1 2.95 -
有效鹼類 (Na2O＋0.65K2O)
0.78 - - - -
氧化納 (Na2O) 0.32 - - - - 氧化鉀 (K2O) 0.7 - 0.8 - - 游離氧化鈣 (Free CaO) 0.76 - - - - 矽酸三鈣 (C3S) 49.08 - - - - 矽酸二鈣 (C2S) 23.3 - - - - 鋁酸三鈣 (C3S) 9.43 - - - - 鋁鐵酸四鈣 (C4AF) 9.07 - - - - (資 料來源資 料來源資 料來源資 料來源 ：：：： 本研究整理本研究整理本研究整理本研究整理 )
表 5-4 膠結料物理性質
項目 水泥 I 型 爐石 飛灰 矽灰 稻殼灰
比重 3.15 2.89 2.27 2.2 1.98 細度(透氣儀試驗) (m2/kg) 362 412 376 - -
正常稠度用水量 (%) 25.8 - - - -
假凝結 (%) 87.3 - - - -
凝結時間 - - - - -
初凝 (min.) 195 - - - -
終凝 (min.) 290 - - - -
3 天 3602 - - - -
7 天 5092 - - - -
抗壓試驗 (psi)
28 天 6418 - - - -
水泥砂漿空氣含量(體積比) (%) 3.23 - - - - 細度(NO.325 濕篩法停留量) (%) - 2.2 14 96.16 - (資 料來源資 料來源資 料來源資 料來源 ：：： 本研究整理：本研究整理本研究整理 ) 本研究整理
表 5-5 NaOH 化學成分
化學成份 含量
Chloride(Cl) Max. 0.005 % Sulfate(SO4) Max. 0.003 % Silicate(SiO2) Max. 0.01 % Phosphate(PO4) Max. 0.001%
Heavy metal (as.Pb) Max. 0.001%
Iron(Fe) Max. 0.0007%
Aluminum(Al) Max. 0.003%
Calcium (Ca) Max. 0.001%
Magnesium(Mg) Max. 0.0005%
Potassium(K) Max. 0.1%
Total Nitrogen(N) Max. 0.001%
Arsenic(As) Max. 0.0002%
Sodium Carbonate(Na2CO3) Max.2.0
Assay (NaOH) Max. 95.0
(資 料來源資 料來源資 料來源 ：資 料來源：：： 德行化工德行化工德行化工 ) 德行化工
表 5-6 Na2SiO3化學成分
化學成份 含量
Assay(Na2O) 14.8%
Silicic acid(SiO2) 29.2%
H2O 56.8%
(資 料來源資 料來源資 料來源 ：資 料來源：：： 德行化工德行化工德行化工 ) 德行化工
表 5-7 H3PO4化學成分
化學成份 含量
Chloride(Cl) Max. 0.001 % Nitrate (NO3) To pass test Sulfate (SO4) Max. 0.006 % Alkali and other phosphates (sulfate) To pass test
Substances Reducing KMnO4 To pass test Heavy Metals (as Pb) Max. 0.001%
Iron (Fe) Max. 0.005%
Arsenic (As) Max. 0.0003%
Specific Gravity 1.700-1.710
Assay Max. 85.0%
(資 料來源資 料來源資 料來源 ：資 料來源：：： 德信化工德信化工德信化工 ) 德信化工
圖 5-1 水淬爐石粉末 圖 5-2 粉煤飛灰 (資 料來源資 料來源資 料來源 ：資 料來源：：： 本研究整理本研究整理本研究整理 ) (資 料來源本研究整理 資 料來源資 料來源資 料來源 ：：：： 本研究整理本研究整理本研究整理本研究整理 )
圖 5-3 NaOH 圖 5-4 Na2SiO3
(資 料來源資 料來源資 料來源資 料來源 ：：：： 本研究整理本研究整理本研究整理本研究整理 ) (資 料來源資 料來源資 料來源資 料來源 ：：：： 本研究整理本研究整理本研究整理本研究整理 )
圖 5-5 H3PO4
(資 料來源資 料來源資 料來源資 料來源 ：：： 本研究整理：本研究整理本研究整理 ) 本研究整理 5-1-1-2 試驗方法
抗壓強度試驗
本試驗依據 ASTM C39 之方法進行，將養護齡期已達到 7 天、14 天及 28 天的混 凝土圓柱試體由水中取出後，經蓋平並置於混凝土壓力試驗機上，以每秒鐘 1.4~3.5 kgf/cm2的速率控制並平均加壓於試體，至其破壞為止。
砂漿抗壓強度(kgf/cm2)=
A
P (5-1)
P：最大重值(kgf) A：實際受力面積(cm2) 5-1-1-3 試驗配比
配比設計中普通混凝土(控制組)的水膠比為 0.5，而比照組則選擇粉煤飛灰、水淬
高爐石粉並各以水泥重量比 10%、30%、50%的方式來取代水泥用量。另外，配比中還 利用鹼激發爐石混凝土的技術，以鹼模數(0.75)來調製鹼液，希望經由強鹼的作用來激 發水淬高爐石粉的潛在活性並能夠完全取代水泥，配比設計，如表 5-8 所示。
編號說明：OPC 表示普通混凝土；
F 表示粉煤飛灰；
S 表示水淬高爐石粉；
數字表示取代量。
表 5-8 低碳混凝土配比(kg/m3)
編號 水膠比 水 水泥 粉煤飛灰 水淬爐石粉 粗粒料 細粒料 Na2SiO3 NaOH H3PO4
OPC 220 440 - - 934 649 - - - F1 220 396 44 - 926 644 - - - F3 220 308 132 - 910 632 - - - F5 220 220 220 - 893 621 - - - S1 220 220 - 44 934 648 - - - S3 220 308 - 132 928 645 - - - S5 220 220 - 220 925 643 - - - AAS
0.5
116 - - 440 915 640 64.9 20.43 2.18 (資 料來源資 料來源資 料來源 ：資 料來源：：： 本研究整理本研究整理本研究整理 ) 本研究整理
5-1-1-4 試驗結果與討論 低碳混凝土抗壓強度試驗結果
表 5-9 為 低碳混凝土抗壓強度的試驗結果，由圖 5-6 可得知，混凝土會隨著養護 齡期、摻料的組合及添加量而產生不同的變化。
表 5-9 低碳混凝土抗壓強度試驗結果(MPa)
(資 料來源資 料來源資 料來源 ：資 料來源：：： 本研究整理本研究整理本研究整理 ) 本研究整理 編號
養護天數 OPC S1 S3 S5 F1 F3 F5 AAS 7 36.85 35.06 31.86 18.22 34.65 24.75 16.22 49.91 14 40.78 40.12 35.23 20.61 39.45 32.4 17.09 54.17 28 44.3 41.59 39.51 24.77 40.86 36 18.17 65.32
圖 5-6 低碳混凝土抗壓強度 (資 料來源資 料來源資 料來源 ：資 料來源：：： 本研究整理本研究整理本研究整理 ) 本研究整理
摻料對混凝土成本之影響
根據實際訪查，水泥的市價 1 包大約 150 元、水淬高爐石粉 1 公噸約 1300 元、粉 煤飛灰 1 公噸約 600 元、天然細粒料 1m3約 1050 元、天然粗粒料 1m3約 1100 元、NaOH 25 kg 約 3000 元、Na2SiO3 1 公噸約 7000 元、H3PO4 1 kg 約 3250 元。經計算後得知，
水膠比 0.5 的普通混凝土(OPC)每立方造價約 NT 1973 元。由圖 5-7 得知，粉煤飛灰每 取代水泥重量的 10 %大約可減少 5.6 %成本、水淬高爐石取代水泥重量的 10%大約可 減少 3.8 %成本，但當水淬爐石粉完全取代水泥時，造價卻反而高約 2 倍的價格。透過 表 5-10 可以發現主要的原因是鹼活化劑，當水淬高爐石粉完全取代水泥時，必須要透 過鹼液來機發它的潛在活性，因此需要大量的藥劑，但目前藥劑的市價偏高，相對的 影響到混凝土的造價。有鑑於此，永續混凝土材料的選擇除了要考量到環境與性能外，
成本效益亦是一項值得列入考量的因子。
0 10 20 30 40 50 60 70 80
7 14 28
Age (days)
Compressive strength (MPa)
OPC S1 S3 S5 F1 F3 F5 AAS
表 5-10 低碳混凝土組成材料概估價格(NT$)
編號 水 水泥 粉煤飛灰 水淬高爐石粉 粗粒料 細粒料 Na2SiO3 NaOH H3PO4 總計 OPC 2 1320 - - 392 260 - - - 1973 F1 2 1188 26 - 389 258 - - - 1863 F3 2 924 79 - 382 253 - - - 1640 F5 2 660 132 - 375 248 - - - 1417 S1 2 1188 - 57 392 259 - - - 1898 S3 2 924 - 172 390 258 - - - 1745 S5 2 660 - 286 389 257 - - - 1593 AAS 1 - - 572 384 256 454 2452 283 4402
(資 料來源資 料來源資 料來源 ：資 料來源：：： 本研究整理本研究整理本研究整理 ) 本研究整理
圖 5-7 低碳混凝土概估價格(NT$) (資 料來源資 料來源資 料來源 ：資 料來源：：： 本研究整理本研究整理本研究整理 ) 本研究整理