第四章 試驗結果與討論
第一節 鐵、鋼碴水泥砂漿試驗結果
1.流度試驗結果
轉爐鋼碴對水泥砂漿流度之影響
圖 4-1 中 X 軸表示普通水泥砂漿及不同細度之轉爐鋼碴分別添加於水泥砂漿之比 例； Y 軸則表示漿體流度(cm)。圖中顯示，細度 4000 與 6000 cm2/g 之轉爐鋼碴，添 加量無論是10 %或 70 %，在流度方面大致上與控制組相近，介於 16 cm 至 17 cm 之 間，而細度10000 cm2/g 之轉爐鋼碴對水泥砂漿流度的影響明顯較其他兩組不同細度之 轉爐鋼碴不同，不論取代量水泥的量多或量少，皆可能使漿體流度降低或喪失其流動 性，其中以轉爐碴用量70 %對流度影響最明顯，最大坍流直徑僅維持於 10 cm，如圖 4-2 及圖 4-3 所示。
使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究
圖4-3 普通水泥砂漿流度照片 (資料來源：本研究拍攝)
添加電弧爐鋼碴對水泥砂漿流度之影響
圖 4-4 為不同細度之電弧爐鋼碴取代水泥( wt % )砂漿流度的試驗結果。圖中顯示，
不同細度之電弧爐鋼碴取代水泥時，可以增加電弧爐鋼碴水泥砂漿之流動性，而且電 弧爐鋼碴的比表面積越大，砂漿的流度越佳。另外由圖4-5 可發現，電弧爐鋼碴取代水 泥的量越多，流度越好，其中取代量70 %之電弧爐鋼碴水泥砂漿效果最明顯，相較於 普通水泥砂可增加流度12 %，而取代量 50 %及 30 %之電弧爐鋼碴粉水泥砂漿，則分 別增加流度8 %、4 %。
約16 cm
使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究
Replacement of Cement (wt %)
flow (cm)
添加水淬高爐鐵碴對水泥砂漿流度之影響
使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究
penetration depth (mm)
4000 cm2/g
0 30 60 90 120 150 180 210 0
10 20 30 40
final setting initial setting
penetration depth (mm)
setting (min)
4000 cm2/g OPM B1 B3 B5 B7
圖4-8 不同取代量之轉爐鋼碴水泥砂漿初終凝時間 (資料來源：本研究繪製)
圖 4-9 為不同細度之轉爐鋼碴水泥砂漿初終凝時間試驗結果，圖中 X 軸表示凝結 時間，Y 軸則表示針入度。從圖中得知，轉爐鋼碴細度會影響水泥砂漿之凝結時間，
其中以細度10000 cm2/g 的凝結時間最快，幾乎是 0 min 或僅有幾 sec，其次為細度 6000 cm2/g 及 4000 cm2/g 之轉爐鋼碴水泥砂漿，其終凝時間分別為 45 min 及 60 min。
使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究
penetration depth (mm)
setting (min)
0 50 100 150 200
penetration depth (mm)
4000 cm2/g
使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究
0 30 60 90 120 150 180 210 0
10 20 30 40
initial setting
final setting
penetration depth (mm)
setting (min)
E7
4000 cm2/g 6000 cm2/g 10000 cm2/g
圖4-11 不同細度電弧爐鋼碴水泥砂漿初終凝時間 (資料來源：本研究繪製)
水淬高爐鐵碴對水泥砂漿初終凝時間之影響
圖 4-12 為水淬高爐碴粉水泥砂漿凝結時間試驗結果，添加水淬高爐鐵碴粉之水泥 砂漿與轉爐鋼碴粉及電弧爐鋼碴粉一樣，會減少砂漿之凝結時間，而且添加量越多，
水泥砂漿初終凝的時間越短。再透過圖4-13 得知，水淬高爐鐵碴粉比表面積越大，初 終凝速度就越快，其中細度6000 cm2/g 水淬高爐鐵碴粉之砂漿初凝時間約 60 min，終 凝時間105 ~ 120 min，細度 4000 cm2/g 水淬高爐鐵碴粉之砂漿初凝時間約 76 min，終 凝時間120 ~ 135 min。
0 50 100 150 200
penetration depth (mm)
4000 cm2/g
setting time (min)
A
OPM
圖4-12 水淬高爐鐵碴水泥砂漿初終凝時間 (資料來源：本研究繪製)
使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究
0 30 60 90 120 150 180 210 0
10 20 30 40
final setting initial setting
penetration depth (mm)
setting (min)
G7
4000 cm2/g 6000 cm2/g
圖4-13 不同取代量之水淬高爐鐵碴水泥砂漿初終凝時間 (資料來源：本研究繪製)
鐵、鋼碴對水泥砂漿初終凝時間之影響
圖 4-14 為添加鐵碴粉及鋼碴粉之砂漿初終凝時間試驗結果。圖中點線表示添加轉 爐鋼碴粉水泥砂漿；虛線表示添加電弧爐鋼碴粉水泥砂漿；實線則表示水淬高爐鐵碴 粉水泥砂漿，鐵、鋼碴粉用量則選擇初終凝現象較明顯的 70 % 進行比較。由圖中發 現，電弧爐鋼碴粉細度4000 cm2/g 及 6000 cm2/g 之水泥砂漿，其初終凝時間最慢，然 後依序是水淬高爐鐵碴粉細度 4000 cm2/g、6000 cm2/g 及電弧爐鋼碴粉細度 10000 cm2/g 之砂漿，而添加轉爐鋼碴粉之砂漿初終凝時間最快。
0 30 60 90 120 150 180 210
penetration depth (mm)
setting (min)
使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究
compressive strength (MPa)
3 day
圖4-16 轉爐鋼碴水泥砂漿試體膨脹及龜裂(細度 4000 cm2/g) (資料來源：本研究拍攝)
圖4-17 轉爐鋼碴粉水泥砂漿試體膨脹及龜裂(細度 6000 cm2/g) (資料來源：本研究拍攝)
龜裂 俯視圖
前視圖 水中養護 室內養護
開裂
前視圖 俯視圖
使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究
compressive strength (MPa)
50% 70%
30%
10%
replacement of cement (wt %)
OPM(0%)
compressive strength (MPa)
age (day)
取代量10 %之砂漿試體，相較於普通水泥砂漿折減率約為 0.19 ~ 6.75 %，對抗壓強度
compressive strength (MPa)
3 day
使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究
compressive strength (MPa)
50% 70%
30%
10% replacement of cement (wt %)
OPM(0%)
直到取代量50 %後才開始遞減，但整體而言無論取代量 10 %、30 %、50 % 及 70 %，
compressive strength (MPa)
3 day
使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究
compressive strength (MPa)
50% 70%
30%
10%
replacement of cement (wt%)
OPM(0%)
compressive strength (MPa)
G
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
*Exp(-x*x/(2*1.040979E-7*7776000)) R^2 = 9.711954E-1
OPM
chloride (wt %)
depth (mm)
y=8.678713E-1/((3.1415962*2.432341E-7/2*7776000) ^0.5)
*Exp(-x*x/(2*2.432341E-7*7776000)) R^2 = 9.653527E-1
y=4.714024E-1/((3.1415962*1.005828E-7/2*7776000) ^0.5)
*Exp(-x*x/(2*1.005828E-7*7776000)) R^2 = 9.736299E-1
G
y=1.906684E+0/((3.1415962*6.633459E-7/2*7776000) ^0.5)
*Exp(-x*x/(2*6.633459E-7*7776000)) R^2 = 9.110891E-1
B
E
圖4-26 氯離子含量與滲透深度曲線 (資料來源：本研究繪製)
使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究
chloride diffusion (1*10-11 m2 /s)
specimen 漿試體的微觀表面產物，主要以C-S-H膠體及少量的CaCO3為主，再透過圖4-29及圖4-31 得知，當轉爐鋼碴取代量增加時，硬固漿體的表面C-S-H膠體分佈範圍會出現減少的趨 勢，而相對的CaCO3及Ca(OH)2的分佈範圍會逐漸擴散。另外由圖4-31得知，轉爐鋼碴 取代量達50 %時，轉爐鋼碴水泥漿試體的表面微結構形貌會開始轉變，除了C-S-H分佈 範圍減少外，還會出現許多顆粒形貌的產物，而且由圖4-32到圖4-33得知，取代量70 % 及100 %之漿體此現象會越來越明顯。透過EDS得知其主要元素為Ca、Mg、Fe、Mn及 O等，根據前人研究報告指出，轉爐鋼碴水泥漿的表面結構會以 CaO-FeO-MnO-MgO 固溶物形態存在[19, 21, 51,52]，圖4-34為該產物放大20000倍之表面結構形貌。
圖4-28 普通水泥漿試體 SEM 圖(X 3000) (資料來源：本研究拍攝)
圖4-29 轉爐鋼碴取代量 10 %之水泥漿試體 SEM 圖(X 3000) (資料來源：本研究拍攝)
C-S-H
CaCO3
Ca(OH)2
C-S-H CaCO3
使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究
圖4-30 轉爐鋼碴取代量 30 %之水泥漿試體 SEM 圖(X 3000) (資料來源：本研究拍攝)
圖4-31 轉爐鋼碴取代量 50 %之水泥漿試體 SEM 圖(X 3000) (資料來源：本研究拍攝)
C-S-H CaCO3
CaCO3
Ca(OH)2
圖4-32 轉爐鋼碴取代量 70 %之水泥漿試體 SEM 圖(X 3000) (資料來源：本研究拍攝)
圖4-33 轉爐鋼碴漿試體 SEM 圖(X 3000) (資料來源：本研究拍攝)
使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究
圖4-34 轉爐鋼碴漿試體 SEM 圖(X 20000) (資料來源：本研究拍攝)
轉爐鋼碴水泥砂漿體積膨脹之原因
圖 4-35 及圖 4-36 為轉爐鋼碴水泥砂漿試體(取代水泥 50 %)的照片，從圖中可以發 現試體的裂縫上，會出現許多白色小顆粒，粒徑約100 µm 到 1000 µm，散佈於試體各 部位。圖4-37 是白色小顆粒之 SEM 影像，經由 EDS 分析後得知，得知其主要成分為 Ca(OH)2。再根據文獻得知，轉爐鐵碴在吸水後，f-CaO 會生成 Ca(OH)2，體積將可能 會膨脹100 %~ 300 %，MgO 會生成 Mg(OH)2，體積膨脹約77 %[49]， Tongsheng 等學 者的試驗結果也發現，轉爐鋼碴水泥砂漿在養護過程中，同樣會產出 Ca(OH)2結晶顆 粒[19]，如圖4-38 所示。因此推估轉爐鋼碴成分中析出的 f-CaO 與水反應產生之 Ca(OH)2
顆粒，可能造成轉爐鋼碴水泥砂漿試體內部發生膨脹，進而衍生試體出現膨脹及開裂 等現象。
圖4-35 轉爐鋼碴水泥砂漿表面外觀(取代水泥 50 %) (資料來源：本研究拍攝)
圖4-36 轉爐鋼碴水泥砂漿試體(取代水泥 50 %)剖面圖 (資料來源：本研究拍攝)
使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究
圖4-37 轉爐鋼碴水泥砂漿之白色顆粒 SEM 圖(X100) (資料來源：本研究拍攝)
圖4-38 轉爐鋼碴水泥漿不同養護齡期之水化產物 SEM 圖[19]
(資料來源：Tongsheng Zhang, 2011)
Ca(OH)2
CaCO3
3 day 3 day 3 day
28 day 28 day 28 day
電弧爐鋼碴水泥漿試體之表面微結構
圖 4-39 到圖 4-43 為各取代量 10 %到 70 %之電弧爐鋼碴水泥漿體表面微結構。大 致上由圖中可以看見，電弧爐鋼碴無論取代量多少表面皆會有 C-S-H 膠體存在。但仔 細由圖4-40 及 4-42 可以發現，在圖中所標註範圍內的微結構形貌，似乎與常見之 C-S-H 膠體結構形貌有些許不同。再透過圖4-43 及圖 4-44 得知，電弧爐鋼碴粉加水後，其表 面微結構改變形成類似毛球狀並與C-S-H 表面形貌極為接近，本研究透過 EDS 得知，
其主要元素為Ca、Mg、Fe、Mn、Al、Ti、Na、Zr 及 O 等。
圖4-39 電弧爐鋼碴取代量 10 %之水泥漿試體 SEM 圖(X 3000) (資料來源：本研究拍攝)
C-S-H 水泥顆粒
使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究
圖4-40 電弧爐鋼碴取代量 30 %之水泥漿試體 SEM 圖(X 3000) (資料來源：本研究拍攝)
圖4-41 電弧爐鋼碴取代量 50 %之水泥漿試體 SEM 圖(X 3000) (資料來源：本研究拍攝)
疑似C-S-H 的 毛球狀顆粒
C-S-H
圖4-42 電弧爐鋼碴取代量 70 %之水泥漿試體 SEM 圖(X 3000) (資料來源：本研究拍攝)
圖4-43 電弧爐鋼碴 SEM 圖(X 3000) (資料來源：本研究拍攝)
使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究
圖4-44 電弧爐鋼碴漿試體 SEM 圖(X 3000) (資料來源：本研究拍攝)
水淬高爐鐵碴水泥漿試體之表面微結構
圖 4-45 及圖 4-46 為水淬高爐鐵碴水泥砂漿之微觀影像。圖 4-45 為水淬高爐鐵碴 漿體取代量10 %之水泥漿體放大 3000 倍的微結構，由圖中可以看到，其於表面會出現 C-A-S-H 及 C-S-H 兩種膠體。另外，由圖 4-46 可發現取代量 70 %仍會顯示相同的產物，
也就是說水淬高爐鐵碴，不管取代量多少皆會產生C-A-S-H 及 C-S-H 膠體。
圖4-45 水淬高爐鐵碴取代量 10 %之水泥漿試體 SEM 圖(X 3000) (資料來源：本研究拍攝)
圖4-46 水淬高爐鐵碴取代量 70 %之水泥漿試體 SEM 圖(X 3000) (資料來源：本研究拍攝)
7. XRD 成分分析
轉爐鋼碴水泥漿X 光繞射分析 C-A-S-H
C-S-H
C-S-H
C-A-S-H
使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究
rep lacemen t o f cemen t (wt%)
2
θ
(Degree)電弧爐鋼碴水泥漿成分X 光繞射分析
rep lacemen t o f cemen t (wt%)
2
θ
(Degree)使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究
水淬高爐鐵碴水泥漿試體X 光繞射分析
圖 4-49 為不同取代量之水淬高爐鐵碴水泥漿試體 X 光繞射分析結果。從圖中得 知，水淬高爐鐵碴成分主要的結構是由C3S 及 C2S 成分，在訊號位置約 25o到35o組成 的非晶質結構(amorphous structure)。由實線框可以看到，水淬高爐鐵碴取代部分水泥 時，該結構會由原先之非晶態而轉變為結晶態。另外在虛線框內可以發現，當水淬高 爐鐵碴取代量增加時，原先水泥漿體中的 Ca(OH)2結構，會隨著水淬高爐鐵碴的取代 量增加而逐漸減少。
10 20 30 40 50 60 70 80
▲：Ca(OH)2 ◆：Ca2SiO4 ◎：Ca3SiO5
◆ ◎ ◎
◎
▲ ◎
rep lacemen t o f cemen t (wt%)
2
θ
(Degree)original
100 % 70 % 50 % 30 % 10 % 0 %
圖4-49 水淬高爐鐵碴不同取代量之水泥漿 X 光繞射分析 (資料來源：本研究繪製)
第二節 鐵、鋼碴混凝土試驗結果
compressive strength (MPa)
OPC 0