第三章 冷結型粒料再生綠建材技術開發
第三節 試驗結果與討論
10
100
Passing percentage (%)
0 20 40 60 80
Selected dradation
Dmax=25.0 mm
圖3-12 冷結型粒料級配曲線（Dmax=25.0 mm）
第三節 試驗結果與討論
一、C50 及 C100 配比開發
以目前國際上節能與降低CO2排放的趨勢而言，採用冷結型技術開發營建剩餘土石 方中再利用率較低，抑或再利用價值較低的營建資材（B2-3、B3、B4、B6、B7 類營建 剩餘土石方），作為再生利用的產品，應是比較合理的方式。為提升冷結造粒再生利用 的可行性，所以考慮加入飛灰及少量水泥、爐石拌合後造粒冷結固化。加入飛灰及少量 膠結材料的目的是固結粒料及改善介面鍵結性能，如此將可大幅提升以營建剩餘土石方 作為冷結型再生粒料的可行性。
依據經濟部能源委員會「能源查核管理輔導計畫」，生產 1 公噸水泥將排放 409.57 公斤的CO2，相較於爐石、飛灰等水泥替代材料每生產1 公噸僅排放 68.3 公斤（爐石研 磨之耗能）與0 公斤（飛灰無須研磨）的 CO2，因此冷結型粒料組成材料中，係屬水泥 所排放的CO2最多，為達成節能減碳的目標，應減少水泥之使用。目前冷結型粒料已完 成C200 配比開發，本年度將開發 C50、C100（水泥量 50、100 kg/m3），將原本每1 m3 冷結粒料原料，使用200 kg 水泥，降至 100 kg/m3及50 kg/m3，增加剩餘土石方、飛灰、
爐石等營建資材與工業廢棄物用量，以提升節能減廢效能，並建立相關資料庫，作為日 後實廠化與實際推廣應用之參考因此之配比。
由（3-2）至（3-21）式配比計算步驟，本研究設定水膠比為 0.20，初步規劃之配比
設計如表3-15 所示，其中 C200 配比組於 97 年度計畫中經驗證性質有良好表現，因此，
200 20 280 39.4 1388
（139） C100 25.34 33.16 35.62 38.96 49.71 C200 59.49 68.34 70.83 73.55 94.03
由於飛灰於礦粉摻料中係屬於卜作嵐材料，爐石則兼具卜作嵐材料和膠結性材料特 性，其中膠結性材料具水硬性性質，卜作嵐材料則需與水泥水化產物產生反應，藉以改 善其界面性質，進而提高其強度。因此，配比強度不足可調高爐石用量，調整後配比如 表3-17 所示，單顆粒抗壓強度試驗結果如表 3-18 所示，配比調高爐石用量後，於單顆 粒抗壓強度明顯提升。
39
200 20 280 39.4 1388
（139） C100 35.17 48.08 52.90 63.19 85.33 C200 59.49 68.34 70.83 73.55 94.03
經上述配比驗證步驟，本研究設計之冷結型再生粒料配比，計有C50、C100 及 C200
表3-20 C100 冷結型再生粒料配比（kg/m3） 強塑劑（Superplasticizer）又稱作高性能減水劑（High Range Water Reducer，HRWR），
是一種高分子量之陰離子界面活性劑。ASTM C494 對混凝土化學摻料亦有所規定，強
41
對其化學成分並不作嚴格規定。在混凝土應用上能減少用水量 12~30%，是一般減水劑 減水效率的3 倍以上。依其化學結構的不同，其在混凝土中發揮的作用程度也不同[24]。
強塑劑為一種直鏈式高分子有機化合物組成，屬於界面活性劑，添加後在不同混合 界面上（固體╱液體），以改變界面之物理與化學性質。當其溶於水中時會產生相當高 之帶負離子，其中磺化鍵群會朝水的方向排列，此時陰離子會被吸附在顆粒的表面，使 顆粒表面產生產生正電荷，因此顆粒間產生同性電荷而相互排斥。又由於顆粒與水化間 的界達電位，即為分散顆粒之電斥力[3]、固╱液相間的親和力及空間阻礙物（非離子聚 合物同向性的吸附在顆粒表面，可增加顆粒之分散性）影響，導致顆粒原先的聚簇現象 消失，各自分散而平衡[25-28]。
混凝土中水的存在形式有三種，即毛細孔水、吸附水及層間水。在新拌混凝土初期，
毛細孔水及吸附水少，拌合水主要以層間水存在，但由於水泥顆粒的聚簇作用會使 10
%~30 %的層間水包裹在其中，然而嚴重降低混凝土流動性。強塑劑主要作用就是破壞 水泥顆的聚簇作用，使其保持分散狀態，釋放出包裹於水泥顆粒中的層間水，而提高新 拌混凝土之流動性。然而不同分子結構的強塑劑，隨著分子量大小不同，極性基性質不 同，分子空間構形不同，則對水泥顆粒分散減水的作用也不盡相同[29]。
混凝土在拌合時加入水，有物理及化學兩種作用，物理作用是提供混凝土的流動性 質，而化學作用是提供水泥水化並發展強度。因此在理想狀況下，在可工作之流動範圍 內，用僅需足夠的水來進行最後及完全水泥水化即可。但由於水泥顆粒帶有未飽和表面 電荷，與極性材料-水接觸後，會產生強烈凝聚結構，使混凝土不易流動；另一方面，
由於水泥中具有相當高活性之組成成份，且顆粒相當細，故活性相當強，當與水接觸時，
水化反應立即發生。
凝聚趨勢起因於顆粒間凡得瓦力、顆粒間帶相反電荷引致之靜電吸引力、水分子或 水化產物間之強鍵結力，因此形成網狀的開放結構，其網狀孔隙可抓住部份之水，使水 不易均勻分佈，而造成工作度及水泥表面水化不足，此效應造成黏滯度增加，水泥漿因 而變成稠度不易流動。因此為達到水份均勻分佈及最理想之水-水泥接觸情形，水泥顆 粒應適當去除凝聚現象，保持高度之分散狀況。因此在低水灰比混凝土中，強塑劑在去 除凝聚現象及分散作用中，扮演著重要角色。
強塑劑為造成高性能混凝土流動性之重要化學摻料。在配比設計上強塑劑最佳劑量 之決定為一項關鍵因素。強塑劑添加不足，便無法發揮其減水或分散效能；但若添加過 量，可能產生泌水、析離或過度緩凝等反效果[30]。惟目前有關強塑劑之研究與應用，
主要多以混凝土為主，尤其具高流動性之高性能混凝土，或自充填混凝土，對於採用低 用水量，零坍度處理營建剩餘土石方再生利用，及冷結方式的課題則較少論述。
剩餘土石方相對於一般砂石材料來說粒徑分布較細，其粒料表面積也相對較大，本 研究冷結型再生粒料之配比設計採低用水量，故配比並無流動性。於拌合配比時，應先
將所有膠結料及土石方乾拌均勻，再添加拌合水、強塑劑及土石方含水；若採用先拌合 漿體或拌合土石方及其含水兩種方式，則先拌合部分會先結合成團塊狀態，後添加之固 體材料附著於團塊表面，使膠結料無法均勻分布，減低其膠結效應，對試體各項性質產 生不良影響。若持續或放大拌合能量，最終或可達到材料均勻性，但拌合時間過長可能 破壞膠結料水化反應，亦浪費拌合能量並提高成本。
本研究所採用之剩餘土石方屬利用價值較差之土壤類材料，粒料吸水特性與一般混 凝土使用之天然粗、細粒料差異甚大，不適宜以CNS 487 及 488 規範評估其吸水率，由 圖 3-7 中，土石方 2、3、4 及 6 之粒徑分布偏細，其分類屬於 B3、B4 及 B6 類土壤，
小於 100 μm 以下粒料含量大於 40 %以上，總表面積遠大於一般混凝土使用之天然粒 料，粒料吸水速率及表面凡得瓦力吸附水分子。土石方1 及 5 性質則偏向一般土壤，粒 徑分布小於一般混凝土細粒料，但大於B3、B4 及 B6 類土壤，其吸水率亦介於兩者間。
調整剩餘土石方含水量考慮之因素包含土石方種類、強塑劑性能及造粒方式等，因 此，土石方含水量依據實際製作情形加以調整，最適含水量拌合結果如圖3-13 所示：
土石方1（B2-3） 土石方2（B4） 土石方3（B4）
土石方4（B3） 土石方5（B2-3） 土石方6（B6）
圖3-13 土石方最適含水量拌合結果
一般而言，高性能混凝土最佳強塑劑用量檢驗方式，可根據混凝土坍度、坍流度試 驗法，以目視無泌水、析離條件下，所能達到最大坍度、坍流度即為高流動化混凝土之 最佳強塑劑用量，如圖3-14 所示，即為高性能混凝土強塑劑之建議用量。
14 %
14 % 10 %
10 % 14 %
14 %
43
120 140 160 180 200
Total water (kg/m3)
0 0.4 0.8 1.2
SP percentage (%)
圖3-14 高性能混凝土強塑劑之建議用量
本研究冷結型再生粒料之工作性係屬零坍度，以一般混凝土工作性量測方式無法求 得最佳強塑劑用量，因此，本研究採用兩種步驟決定強塑劑最佳用量：步驟一為添加不 同劑量強塑劑，使配比漿體達流動化之最小額外需水量，評估強塑劑用量之經濟效益；
步驟二為添加不同劑量強塑劑，製作單顆粒抗壓試體後，依據不同齡期之單顆粒抗壓強 度，評估強塑劑添加量對試體強度效益影響。經由以上兩種強塑劑添加量測試後，即可 決定配比最佳強塑劑用量。
1. 不同強塑劑添加量對照之配比額外需水量
依據上述強塑劑建議用量計算求得配比最初之強塑劑用量後，分別調整強塑劑用量 為0.2、0.4、0.6、0.8 及 1.0 倍，調整強塑劑用量後亦需相對增減配比用水量，如表 3-22~3-24 所示，組成材料添加拌合水及強塑劑進行拌合後，由於水膠甚低，無法使漿體產生流動 行為，因此，必須添加額外拌合水，以使配比漿體達流動化狀態，若配比完全未添加強 塑劑，顆粒材料間缺乏強塑劑界面活化功能，使表面包覆水層過厚，漿體凝聚力不足，
亦無法產生流動行為。
表3-22 C50 配比漿體流動時所需之額外水量 水泥
（kg/m3）
爐石
（kg/m3）
飛灰
（kg/m3）
SP factor
SP
（%）
SP
（kg/m3）
拌合水
（kg/m3）
額外水
（kg/m3） 1 50 150 235 0.2 0.69 3.0 84 68.4
SP（%） = 2.30 × 10 × X – 9.37 × 10 × X +
2 0.4 1.38 6.0 81 59.6
45
40 50 60 70 80 90 100
Extra water (kg/m3)
0 1 2 3
SP percentage (%)
C100 C200
圖3-15 強塑劑用量與額外添加水量關係圖
0.30 0.32 0.34 0.36 0.38 0.40
Water-to-cementitious material ratio (w/cm)
0 1 2 3 4
SP percentage (%)
C50 C100 C200
圖3-16 強塑劑用量與水膠比關係圖
2. 不同強塑劑添加量對照之單顆粒試體抗壓試驗
強塑劑添加主要目的在於有效分散膠結料顆粒、減少混凝土拌合用水量及降低混凝 土水膠比。膠結材料顆粒分散均勻，膠結料顆粒與水分子接觸面完全，充分產生水化反 應，減少顆粒材料聚簇而造成水化不完全之弱面。由空間概念中，混凝土漿體由於水膠 比降低，膠結材料顆粒間距離縮短，水化過程中產生之水化產物有效結合成網路結構，
水分子造成之微觀空隙減少，同時提升混凝土強度及緻密性。
由於強塑劑的使用可減少拌合水量，使膠結料分散後與水分子接觸面積增大、水化
由於強塑劑的使用可減少拌合水量，使膠結料分散後與水分子接觸面積增大、水化