第二章 文獻回顧
第二節 飛灰混凝土
飛灰為煤燃燒廢氣經由過濾與靜電集塵器收集所得之無機物質。直徑大約分 佈於1 μm 至 100 μm 之間 18。飛灰與爐石均是礦物摻料的一種，可以在有水份 存在之條件下可與水泥水化生成物中的氫氧化鈣產生波索蘭反應（pozzolanic reaction），因此被稱為波索蘭材料 19。其主要反應方程式如下：
CH S H CS H (2-3) 式中CH 為氫氧化鈣，S為二氧化矽，H為水。由於波索蘭材料含有數量頗多的 非晶質矽氧化物（amorphous silica），因此在水泥水化過程中會與水化生成物中 的CH 晶體再反應形成緻密的CSH 膠體。對水泥漿體孔隙而言，毛細孔隙尺 寸會縮小，孔隙率也因而降低 20。
又礦物摻料亦含有相當數量的鋁化合物，鋁化合物與氫氧化鈣(CH )晶體反 應生成C AH（calcium aluminate hydrates）反應物，如下式所述 21：
18 Yan F. D., Ding J., and Beaudoin J. J., “Effect of different calcium aluminate hydrates on ettringite formation and expansion of high alumina cement-based expansive cement pastes,” Cement and Concrete Research, Vol. 26, pp. 417-426, 1996.
19 Mehta P. K., and Monteiro P. J. M., “Concrete-Structure, Properties, and Materials,” Prentice Hall, pp. 283, 1993.
20 Collepardi M., Monosi S., and Piccioli P., “The influence of pozzolanic materials on the mechanical stability of cement,” Cement and Concrete Research, Vol. 25, pp. 961-968, 1995.
21 Suryavanshi A. K., Scantlebury J. D., and Lyon S. B., “Mechanism of Friedel’s salt formation in
16
CH A H C AH (2-4) 式中A為鋁化合物。反應物C AH 可與硫化物再反應生成鈣釩石。由於此種 鈣釩石是在水泥基複合材料硬固之後由硫化物侵入與C AH 反應之生成物，
屬於DEF（delay ettringite formation，遲滯形成的鈣釩石）的一種，而 DEF 是在 具穩定體積之硬固水泥基複合材料中形成，所以膨脹所產生的應力會造成水泥基 複合材料裂縫的產生。因此當有硫化物侵蝕的疑慮時，必需考量礦物摻料鋁含量 的最低限制 22。
鋁含量雖對水泥基複合材料抗硫化物侵蝕有不力的影響，但對氯離子傳輸而 言，當孔隙水中氯離子與鋁化合物進行反應時，會形成穩定的法拉第鹽類
（Friedel's salt），填充孔隙，減少氯離子擴散路徑 23,24,25。
目前我國 CNS 3036 及美國 ASTM C618 規範將飛灰分成兩類：C 級與 F 級飛灰。C 級飛灰是由燃燒褐煤或次煙煤所生成者 其成分中 + +
至少含 50％以上， F 級飛灰是由燃燒煙煤或無煙煤所生，而成分中 + + 則至少 70％以上26，如表 2-2 所示。表 2-3 為各種飛灰的典 型化學成分，其中以 含量最大，其次為 Al O2 3、Fe O2 3 及 CaO，此三種氧 化物含量會因燃煤的不同而有所變動，如 F 級飛灰的 C aO含量明顯偏低。台 灣地區由於進口的煤礦大都為煙煤，飛灰的 CaO含量甚低，多在 10％以下，屬 於 F 級，含有高量的二氧化矽（ ）及氧化鋁（Al O2 3），主要由鋁矽鹽酸玻 璃組成。煤料在爐子裡燃燒時，由於已被熔融的大粒球體面上玻璃無法快速且均 勻地冷卻，導致部分矽鋁晶體，如石英、 、Al O2 3 及 2 ‧3 等針狀
cement rich in tri-calcium aluminate,” Cement and Concrete Research, Vol. 26, pp. 1673-1680, 1996.
22 Dhir R.K., El-Mohr M. A. K., and Dyer T. D., “Chloride binding in GGBS concrete,” Cement and Concrete Research, Vol. 26, pp. 1767-1773, 1996.
23Princd W., Perami R., and Espagne M., “Mechanisms involved in the accelerated test of chloride permeability,” Cement and Concrete Research, Vol. 29, No.2, pp.687-694, 1999.
24Zhang Y. M., Sun W. Y. and Han D., “Hydration of high-volume fly ash cement pastes,” Cement and Concrete Composites, Vol. 22, pp. 445-452, 2000. ,
25 Nixon P. J., “The effect of pfa with a high total alkali content on pore solution composition and alkali-silica reaction,” Magazine of Concrete Research, Vol. 38, pp. 30-35, 1986.
26 CNS 3036, “卜特蘭水泥混凝土用飛灰及天然或煆燒卜作嵐摻和物＂,中國國家標準, (2009).
形物質，會混雜在飛灰球體內，影響低鈣質 F 類飛灰之活性。
18
表2-3 不同飛灰的典型化學成分26 飛灰
種類
化學成分 (%)
SiO2 Al O2 3 Fe O2 3 C aO SO3
MgO
燒失量 含水率 C 類 38.6 19.2 4.8 24.2 1.6 4.1 0.5 0.2 F 類 49.4 23.5 14.8 1.2 0.9 1.0 2.9 0.1（資料來源：文獻26）
飛灰的卜作嵐反應與混凝土孔隙水之酸鹼環境有關，相關文獻指出，F 級飛 灰的卜作嵐反應需在混凝土孔隙水pH 大於 13.2 時才會發生27,28。所以飛灰的卜 作嵐反應須在水泥水化反應數星期之後有足夠的鹼性氫氧化鈣生成時才會開始，
因此飛灰加入混凝土後可以因延後反應而降低水化熱，可大量改善熱裂縫的產生。
1993 年 Mehta 27曾針對 F 級飛灰替代水泥量多寡進行研究，指出飛灰對混凝土 氯離子滲透率有正面之影響。 Thomas 等28針對養護材齡進行研究發現添加飛灰 之混凝土在28 天或早期材齡時的氯離子擴散改善不大，但在材齡 91 天之後的長 期材齡卻有顯著的改善。此與卜作嵐反應較慢有關。亦有研究指出使用適量飛灰 可以抑制混凝土因鹼骨材反應所造成的膨脹裂縫，減少氯離子傳輸途徑 27。對 飛灰使用量而言，雖然對混凝土耐久性有相當助益，但替代水泥量過高會導致力 學行為折減，因此一般均會考慮最大替代量。