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第四節 再生材料在混凝土上之應用 再生材料在混凝土上之應用 再生材料在混凝土上之應用 再生材料在混凝土上之應用
第四節 第四節
第四節 再生材料在混凝土上之應用 再生材料在混凝土上之應用 再生材料在混凝土上之應用 再生材料在混凝土上之應用
2-4-1 飛灰(Fly ash)
粉煤飛灰是煤粉經高溫燃燒後所形成的一種類似火山灰質的混合式材料。燃煤發 電廠將煤磨成 100 微米以下之煤粉，利用預熱空氣噴入爐中以懸浮狀態燃燒並產生大 量不可燃的高溫廢氣，經集塵設備捕集後即可得粉煤灰。其化學组成與黏土相似，主 要成分為二氧化矽、三氧化二鋁、三氧化二鐵、氧化鈣和未燃燼的殘餘碳。目前粉煤 灰主要用來生產粉煤飛灰水泥、粉煤飛灰磚、粉煤飛灰矽質砌磚、粉煤飛灰輸氣混凝 土及其他建築材料，還可作為農業肥料、土壤改良劑、回收工業原料和環境材料等。
粉煤飛灰於水泥和混凝土產業的應用甚廣。例如，粉煤飛灰可代替黏土原料來生 產水泥，矽酸鹽水泥熟料和粉煤飛灰拌合後，加入適量石膏磨細可製成的水硬膠凝材 料，並可利用粉煤飛灰配料中未燃燼的殘餘碳。粉煤飛灰亦可作為水泥混合材料，如 生產低溫合成水泥，生產原理係將配合料以蒸汽養護生成水化物，再經脱水和低溫固 相反應形成水泥礦物。粉煤飛灰亦可用來製作無熟料水泥，包括石灰粉煤飛灰水泥和
粉煤飛灰水泥。石灰粉煤飛灰水泥是將乾燥的粉煤粉灰摻入 10%-30%的生石灰或硝石 灰後再和少量的石膏混合研磨成粉末，或者個别磨細後再將其混合均勻製成水硬性膠 凝材料。以粉煤飛灰作為砂漿或混凝土的礦物摻料時，係在混凝土中摻加適量粉煤飛 灰代替部分水泥或細粒料，不僅能降低成本，而且能提高混凝土的力學性、工作性、
抗水滲透性、緻密性、抗硫酸鹽性和耐化學侵蝕性等以達到降低水化熱、改善混凝土 的耐高溫性能、減少顆粒分離和析水現象、降低混凝土的體積收縮和開裂以及抑制混 凝土中鋼筋的腐蝕等[32]。
2-4-2 水淬高爐石(ground granulated blast furnace slag, ggbs)
爐石主要是高爐所併同產生出的工業產品，大煉鋼廠在高爐煉鐵過程中，必須加 入助熔劑，使鐵礦石及焦炭中之雜質相結合而生成爐碴，爐碴自高爐排出後冷卻所得 之固體物稱為高爐石，主要差別是在於冷卻處裡過程，一為將高爐碴置於空氣中，使 其自然冷卻稱為氣冷爐石，而另一方式則為將高爐碴從高爐取出後立即灑水，使其急 速冷卻稱為水淬爐石，水淬高爐石(碴)以矽酸鈣或鋁矽酸鈣為主要成分，比重約 2.9，
玻璃質率高達 95％以上，化學成份則主要有二氧化矽、三氧化二鋁、三氧化二鐵、氧 化鎂、氧化鈣等成份與水泥極為相近。
在混凝土配比設計中添加飛灰、矽灰及爐石等輔助膠結料，對混凝土的力學性質 與耐久性均有正面的影響[33]。Li 研究報告顯示，混凝土中添加飛灰及爐石，不僅可以 加速複合水泥的水化反應，同時也能改善其抗壓強度與孔隙結構[34]；利用飛灰、矽灰 及爐石等輔助膠結料取代部份水泥。結果顯示，矽灰取代部份水泥在抗壓強度和混凝 土阻抗的表現較佳，而同時使用爐石、飛灰及矽灰之試體抵抗氯離子侵蝕的能力最好
[35]。但是，當這些工業副產物添加量或取代水泥量的比例過高時，反而會降低混凝土 的某些力學性質與耐久性；如，學者 Escalant 分別使用 30%、50%及 70%的爐石取代 水泥。結果顯示抗壓強度隨爐石取代水泥量的增加而降低[36]。
2-4-3 矽灰(Silica fume)
矽灰是鐵矽合金或矽合金工業副產品，是一種高純度非結晶二氧化矽，水泥顆粒 大約是矽灰顆粒的100~200倍。此類的矽質材料添加至混凝土中可提高強度及耐久性，
另外也有大量的文獻顯示矽灰和火山灰一樣具有填充混凝土孔隙的效果[37, 38]，由於矽 灰具極微小顆粒故處理程序也相對水泥困難，因此在成本方面是較高的。另外，矽灰 可應用於配製高強度混凝土、超高早強混凝土等。使用矽灰除可提升混凝土的性能外，
也可大幅降低水泥用量，提昇經濟效益。於國外，矽灰混凝土大多用於高層建築及人 工河床，以提高強度、降低成本及增加耐磨性、長期耐久性。
2-4-4 稻殼灰(Rice-husk ash)
稻殼就是俗稱的粗糠，在臺灣及中國不少農民用糠來餵豬，而在歐美等國家，稻 殼常常被當成垃圾扔掉，或者墊在家禽或牲畜的圈裡，有的農民甚至把稻殼和稻草一 起放把火燒掉。1924 年的德國最早應用稻殼灰於混凝土中，後續一直到現在仍有部分 學者朝向更多的材料應用方面研究。1972 年有學者以砌磚為主要研究對象，主要用於 石灰-矽質泥磚及耐火磚[39]，1999 年的研究報告顯示，採用稻殼灰作為混凝土礦物摻料 時，建議稻殼的最佳燃燒溫度為 700oC，最佳的取代量為 20%水泥用量[40]。2011 年，
學者 Zerbino 表示，燃燒稻殼會產生大量二氧化碳，而水泥的生產也會產生大量二氧化 碳。如果以稻殼灰作為水泥複合式材料摻入混凝土中，將有效減少二氧化碳的排放[41]。
稻殼是一種有機物質，其主要成分可分為三部分：1.纖維素 2.木質素 3.半纖維素
[42]，而經過高溫燃燒得到的稻殼灰主要成分，大致是以二氧化矽為主，其次是極少量 的三氧化二鋁、三氧化二鐵、氧化鈣、氧化鈉、氧化鉀等成分。美國、中國、印度及 其他人口眾多的國家每年皆會製造出大量的稻殼灰。目前來說，稻米和混凝土兩者的 消耗量都是非常大的，所以對於許多開發或開發中的國家而言，稻殼灰具有相當的研 究潛力的。
2-4-5 再生粒料 (recycled aggregate)
由建築物拆除之廢棄材料(Construction and demolition waste,C&D waste)在美國每 年就約產生 2~3 億噸，使得棄置堆填區已無法再容納如此驚人的數量，特別是在土地 面積較小的國家如日本，剩餘的垃圾掩埋場容積估計僅剩短短的幾年[43]，加上粒料來 源日益匱乏等因素，因此利用再生混凝土粒料(Recycled concrete aggregate, RCA)替代天 然粒料材料逐漸普及。在歐洲，再生混凝土大多被用來當作路面基層或底基層材料(C
＆D) [44]，由於再生混凝土較便宜，若品質良好則比一般混凝土粒料更具價值，且原料
的取得來自於回收再利用，是混凝土科技的一項新革新[45, 46]，然而，再生粒料混凝土 密度比普通混凝土低，在加上粒料本身可能殘留許多不純物如石膏、土壤、瀝青等都 可能危害到混凝土品質。另外，有學者認為再生粒料也會導致混凝土的彈性模數減少，
增加潛變、收縮變形、高滲透性進而降低其耐久性。Fathifazl 等曾提出，可以用“等效
砂漿體積”的方式來計算混凝土添加再生粒料的的比例，如此便可獲致與傳統混凝土 相近的強度[47]。
2-4-6 廢棄玻璃(post-consumer glass)
哥倫比亞大學的研究表示，廢玻璃適合做為混凝土的粒料，市場上的廢棄玻璃運 用在混凝土的生產製造上，在經濟上是可行的 [48]。紐約市每年出售廢棄玻璃超過60萬 美元，一般都認為扔掉空瓶比回收空瓶來的便宜來的有價值，這種觀念應該要改變。
舉例來說，美國的鋪路石製造商，每年可以單獨地使用20萬噸的玻璃，相當於紐約市 每年可以收集的量，但其卻無法負擔，比目前支付砂和石來的更貴的玻璃[49]。廢玻璃 產品都早已經被商業化生產，縱使許多城市在廢玻璃處理上都付出可觀的成本支出，
但製造商仍需支付近每噸百美元的購買廢棄玻璃[50, 51]。現今做為增值產品的玻璃如水 磨石磚、牆板、桌面櫃檯等，若顧客願意使用更高階的類似產品，可以支付玻璃處理 更高的額外費用，該產品也可能與天然石材(如:大理石與花崗岩)相比具競爭力。
2-4-7 再生輪胎(recycled tires)
發達國家每年產生數以億計的廢舊輪胎並造成嚴重的環境問題。廢棄輪胎除不美觀 外，還會造成火災隱憂與蚊蟲孳生危害健康等重大問題。研究指出，輪胎燃燒所造成火災 可能延續數月甚至數年[52]。因此，將廢棄輪胎丟置垃圾掩埋場一般是被法令所禁止的。
由於業者非法傾倒廢舊輪胎案例一直不斷地在增加，伴隨來的便是許多環境汙染的問題，
最有意義的解決方案就是回收再利用[53, 54]。廢棄輪胎最常見的處理方法是將廢棄輪胎視 為燃料應用在蒸汽和電能或熱能的生產。在美國和歐洲，廢棄輪胎可當作製造水泥的替代 燃料[55]。另外，廢棄輪胎也可以加工處理後作為熱拌瀝青或瀝青路面的改質黏結劑[56]。 文獻指出，橡膠輪胎替代混凝土的粒料可增加混凝土的力學性質[57]，另外橡膠顆粒具有 抑制裂縫擴張的作用，顯著的提高應變能力、延展性和能量吸收能力，故將廢棄輪胎應用 在混凝土中是可行的，但當橡膠含量增加過高時卻會降低混凝土的抗壓強度、抗張強度及 剛性[58]。
2-4-8 其他再生材料(Other recycled materials)
混凝土組合材料中，除上述幾種再生利用材料外，尚有其它已被研發可做為替代 水泥或粒料的其它材料如椰子樹殼等。