第二章 蒐集資料、文獻分析
第二節 鐵、鋼碴之應用性與相關研究
2-2-1 鐵、鋼碴之應用性
人類使用水泥約已有兩千年的歷史。雖然水泥應用於混凝土已具有非常悠久的歷 史，但水泥工業化實際量產是由19 世紀中葉開始，最初的生產設備是水平窯，而後來 又逐漸被改良後的迴轉窯取而代之，而今全球水泥生產量每年約 25.4 億 ton，預估於 2015、2030 及 2050 年可能介於 33.5 ~34.8、33.4~38.6、36.8~43.8 億 ton，如圖 2-4 所 示[25-26]。
使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究
圖2-4 全球水泥產量(含預估值)[25-26]
(資料來源：Schneider, 2010)
水泥生產過程中會排放大量的二氧化碳，而二氧化碳是造成當前全球暖化與氣候 變遷的的一項主要原因，圖2-5 顯示地球自 1800 年開始至 2005 年止，大氣中二氧化碳 的濃度由最初的280 ppm 逐年升到 380 ppm 並且還持續增加[27]。根據統計，目前水泥 生產過程中所排放的二氧化碳約佔全球總二氧化碳排放量的5 %，所以必須盡早找出適 當的方案來降低水泥的產量，否則預估2050 年水泥可能成長到 4.38 億 ton 的上限[25]。
圖2-5 大氣中二氧化碳、氧化碳及甲烷濃度成長趨勢圖(~2005 年) [27]
(資料來源：Global Greenhouse Warming, 2010)
圖 2-6 為鐵、鋼碴與水泥的三相圖，由圖中可發現鐵碴、鋼碴與水泥的成分相當 接近，因此若能適當地使用或可取代水泥做為混凝土膠結料使用，將有助於降低水泥 生產量、減少二氧化碳排放及能源使用的問題[6, 20, 28]
。另外，混凝土中的粒料約70 % 以上，由於鋼碴、鐵碴具有一定的硬度(天然粒料硬度約 6 ~ 7，爐碴粒料約 7~8[6])，如 能取代混凝土中天然粒料，將有機會消耗大量的爐碴，同時可降低天然粒料的資源開 採。
使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究
圖2-6 卜特蘭水泥與爐碴三相圖[6,20,28]
(資料來源：Monshi, 1999. Muhmood, 2009. 蘇茂豐，2005 )
2-2-2 鐵、鋼碴之應用與相關研究
表2-3 顯示近幾年在歐盟、日本、美國、德國、澳洲及紐西蘭等先進的工業國家中，
鐵碴及鋼碴的資源轉化大致應用於煉鋼廠的回收再利用及各項的工程材料，如：道路 級配料、瀝青混凝土粒料、地基改良等，另外少部分是當做農業的肥料或水泥加工原 料[29]。鋼碴在混凝土相關應用研究如 2007 學者 Kourounis 在研究報告中提到，冶金 爐碴中的鐵碴(水淬高爐石粉)、鋼碴、磷碴、銅碴、鉛碴等的化學成，很接近水泥和火 山灰，因此很適合做為替代水泥的礦物摻料。但是，目前絕大部分的冶金爐碴當做混 凝土的粒料，僅有少部分水淬高爐石粉是用來當做水泥的替代原料。文章作者利用球 磨機將粒徑0 ~ 5 mm 的鋼碴研磨到比表面積 3000 cm2/g，再以水泥重量比 15 %、30 %、
45 %的用量，跟水泥混合製作成混凝土砂漿，並由試驗結果發現當鋼碴取代量達到 30 % 及45 %時會降低混凝土砂漿的水化作用，接著透過 XRD 成分分析發現可能是因為 FeO 含量過高所致，如圖 2-7 所示。另外從 SEM 觀察養護齡期 28 天的混凝土砂漿，證實 取代量為15 %(水泥重量比)時，仍會產生 C-S-H 膠體，如圖 2-8 所示[21]。
鐵碴在過去的研究中多是當做水泥的輔助膠凝材料使用，主要是水淬後的高爐石
(碴)具有良好的潛在活性。過去研究報告也證實以其取代部分混凝土膠結料的水泥，對
使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究
圖2-7 普通水泥砂漿與鋼碴混合水泥砂漿成分分析[21]
(資料來源：Kourounis, 2007)
圖2-8 普通水泥砂漿與鋼碴混合水泥砂漿 SEM 圖(X2500)[21]
(資料來源：Kourounis, 2007)
2-2-3 爐碴應用實例 南星計畫
南星計畫是位於台灣高雄市小港區大林蒲海岸的一個填海造陸計畫，起初的目的 係為了妥善處理爐石等工業廢棄物而設置，整體計畫共分為三期，其中第一期工程已 經在1991 年完成；第二期工程暫緩實施；第三期工程稱為中程計畫，又細分成兩個區，
如圖2-9 所示，第一區已在 2000 年填滿[34]。
使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究
圖2-9 南星計畫區域示意圖[34]
(資料來源：孫志鵬, 2011)
國道六號南投段
為原中橫快速公路之西段，1999 年 9 月 921 大地震造成南投縣建設及經濟產業重 創，2003 年 7 月行政院為加速災區重建，促進南投地區產業發展，將國道六號南投段 工程計畫納入「挑戰2008：國家發展重點計畫」，並核定正式訂名為「國道六號南投段」。 自台中縣霧峰鄉國道三號中橫系統交流道起，往東沿烏溪、南港溪、眉溪河谷及山區 而行，途經草屯鎮、國姓鄉、至埔里盆地東緣止，全長約37.6 公里，如圖 2-10 所示，
當中所使用之混凝土皆添加爐碴[35]。 第一期 第二期 第三期
第一區
第二區
圖2-10 國道六號南投段示意圖[35]
(資料來源：永續公共工程, 2012)
關西國際機場
關西國際機場位於日本大阪府泉佐野市近海離岸5 km 的人工島上，為京阪神都會 區和關西地方的主要聯外機場。1963 年「大阪國際機場擴張整備與第二國際機場建設」
計畫獲得日本內閣會議通過，並通過5 年的填海工程，用了 1.8 億 m3的土方(包含爐碴)，
在原先水深達17 至 18 m 的大海裡填出了 5.11 km2的機場用地[36]，如圖2-11 所示。
使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究
圖2-11 關西國際機場 [36]
(資料來源：大阪府政府, 2007)
明石海峽大橋
明石海峽大橋位於日本本州與四國之間，跨越明石海峽，連接神戶及淡路島。橋 身呈淡藍色，總長3,911 m，中央橋塔高 1,991 m，主塔高度 297 m[37]。明石海峽大橋 之主體結構、自充填混凝土(礦物摻料為水淬爐石粉及飛灰)使用量為 20 萬 m3，施工工 期為22 個月，平均每天澆置 500 m3的混凝土[38, 39]。明石海峽大橋外觀，如圖2-12 所 示。
圖2-12 明石海峽大橋[37]
(資料來源：科學與藝術數字博物館, 2004)