Wang Her-Yung*, Yu Jhih-Wei Department of Civil Engineering Technology.
KUAS.
Kaohsiung city, Taiwan.
Lin Pin-Chuan, Sheu Bor-Liang
CHC Resources Corporation, Chief, Technology Division and Engineer
Kaohsiung city, Taiwan
Huang Chao-Lung
Department of Construction Engineering.
NTUST Taipei city, Taiwan
Abstract—Environmental protection and sustainable development have been drawing global attention in the recent years so that how to effectively reuse by-products as viable green resourced materials is of importance. In the study a new pozzolanic material, also called new slag ash, containing blast furnace slag, basic oxygen furnace slag along with fly ash is developed and a part of cement in high flowing concrete is substituted by the new slag ash. To evaluate the engineering properties, uniformity and potential shrinkage of concretes, hardened properties such as compressive strength, splitting strength, elastic modulus, ultrasonic pulse velocity, and durability such as surface electrical resistivity, sulfate attack, as well as shrinkage are tested.
As to the mixture design of high flowing concrete, the ratio of cement to new slag ash is 3:7. Also, the mixing water is 180 kg/m3, respectively. The design strength for both concretes is 210kg/cm2. Once other properties testing will show satisfactory results as well, the slag ash will be applied into a variety of concrete structures in practical constructions, being a kind of green materials to reduce cement consumption and improve concrete performance. It is promising that the benefits in terms of energy conservation, carbon dioxide emission reduction, and concrete structure safety can be achieved.
Key words：Slag Ash Concrete, Mixture Design, Hardened Property, Durability
I. 前言
環境保護與永續發展近年來深受全球重視，因此如何 有效地將工業副產品再利用，使之成為有益綠色資源材料 至為重要。水泥與混凝土在建築產業上是非常重要且使用 量非常大的材料，全世界每年生產了近10億噸的混凝土【1】
又水泥與混凝土亦屬於高度環境衝擊的產業，在水泥生產 過程因需消耗大量的能源而產生二氧化碳，無疑對自然環 境造成極大的影響。經過國內外學者多年之研究顯示，工 業副產物飛灰、爐石及轉爐石等經過妥適的處理，做為礦 物摻料並適當的添加於混凝土中可有效降低水化熱、提升 長期抗壓強度，以及增加體積穩定性與耐久性能【2-5】，
更重要的是可局部降低水泥使用量，並有效處理工業副產 物等資源，達節能減碳之效果且有利於環境保護。
一般卜作嵐材料常被定義為其主要成分為氧化矽及氧 化鋁，本身具有很低或不具有膠結性質，但在水分存在下 能與水泥水化生成氫氧化鈣或外加鹼質物產生緩慢卜作嵐 水化反應，而有類似水泥水化產物之膠結性反應的任何材 料均屬之。卜作嵐材料的主要作用在轉換水泥水化的氫氧 化鈣及鈉與鉀鹼類，成為穩定性佳的膠體，使穩定性更為 穩定。卜作嵐材料的應用在固定水膠比的條件下，降低漿 量因而減少水泥的用量，除了卜作嵐材料為綠色建材特色 外，卜作嵐材料應用在混凝土亦可改善混凝土工作性、減 低混凝土熱裂縫、增加混凝土之水密性、降低鹼質粒料反 應、降低硫酸鹽侵蝕、增進混凝土晚期強度、增加混凝土 耐久性以及搭配強塑劑製造高性能混凝土【2】。少用水泥 對環境汙染的影響及衝擊也會降低。
連絡作者：教授、博士、E-mail：[email protected] 807 高雄市三民區建工路 415 號，07- 3814526 轉 5237
978-1-61284-459-6/11/$26.00 ©2011 IEEE 4692
表1 新型爐灰混凝土配比設計表(Unit: kg/m3)
Number SKB0 SKB1 SKB2
Cement 170 108 119
Slag 100 － －
Fly ash 90 － －
SKB － 252 276
Coarse aggregate 763 783 769
Fine aggregate 1000 985 967
Water 180 180 180
Admixture(%) 1.7 1.5 1.5
W/B 0.5 0.5 0.46
表2 水泥、新型爐灰、爐石粉、飛灰之物化性質
Properties Cement SKB Slag Fly ash Specific gravity 3.15 2.68 2.9 2.15
Specific area(m2/kg) 353 442 444 314
SiO2 20.22 46.18 33.79 50.79
Al2O3 4.96 14.89 13.59 24.97
Fe2O3 2.83 2.92 0.36 7.87
Ca0 64.51 28.64 41.33 5.68
MgO 2.33 4.98 7.26 1.72
LOI 2.4 1.26 1.1 3.1
SO3 2.46 0.24 0.1 0.3
Alkalis 0.48 0.14 － －
II. 試驗計畫
本研究以新型爐灰(SKB)應用於混凝土中，以固定體 積之比例取代一般水泥，設計符合結構混凝土標準之新型 爐灰混凝土配比(設計強度210kg/cm2)，並與一般常用之飛 灰爐石材料做比較，配比設計完成後於實驗室進行試拌，
調整工作性，以及量測評估混凝土硬固性質。再經過數次 試拌調整工作性後，決定出3種高流動混凝土配比如表1所 示，進行各項工程性質試驗，探討其適用性。在高流動混 凝土(high flowable concrete)部分，水泥與新型爐灰比例為 3：7，用水量180 kg/m3之HFC配比，設計粉體量為360 kg/m3(SKB1)與395 kg/m3(SKB2)，並加入一組飛灰爐石做 為對照組(SKB0)。
A. 試驗材料
水泥與礦粉摻料之物理及化學性質如表2所示，骨材之 基本性質如表3所示。本研究所使用之水泥為品牌水泥第I 型，性質符合CNS61規定；爐石粉採用中聯資源所生產之 水淬高爐石粉，符合CNS12549規範；飛灰採用台電興達火 力發電廠之F級飛灰，符合CNS10896規範；新型爐灰係由 中聯資源公司所研發之卜作嵐材料，將飛灰、爐石及轉爐 石以固定比例方式調製而成；添加劑係由欣得實業所提供
之Type D-H型流動減水劑；粗細粒料來自里港地區之河川 砂石，符合CNS 1240混凝土之要求規定，拌製混凝土前處 理成面乾內飽和狀態；拌合用水符合CNS1237混凝土拌合 用水要求規定。
B. 試驗項目及方法
硬固混凝土試驗之混凝土抗壓強度(CNS1232)、劈裂 強度 (CNS3801)依據標準進行，彈性係數試驗則利用應力-應變試驗測出側向應變與軸向應變，達試驗齡期時，進行 抗壓強度測定並利用應力-應變環來記錄其側向以及軸向 之應變值，藉以求得以及彈性係數。超音波速量測(ASTM C597)利用音波在不同物質中傳遞速度之不同而量測物體 內部狀況。
III. 結果與討論 A. 抗壓強度
圖1 顯示新型爐灰混凝土各組別皆隨齡期的增加，抗
壓強度隨之增加；對照組SKB0 於齡期 1、7、14、28、56 以及91 天可達到 77、243、322、393、446 以及 455kg/cm2， 而加入新型爐灰之SKB1 抗壓強度分別為 53、246、337、
388、467 及 507 kg/cm2，兩者之間亦頗為相近，且新型爐 灰混凝土會略高於對照組，而在相同用水量下，粉體量較 表3 骨材物理性質
Properties Coarse Fine
Specific Gravity 2.65 2.62
Water Absorption (%) 1.2 2
Maximum size(in) 3/8" －
Finess Modulus (FM) － 2.88
圖1 新型爐灰混凝土抗壓強度
4693
圖2 新型爐灰混凝土之水泥強度效益 圖3 新型爐灰混凝土之彈性係數 高的SKB2 其抗壓強度有較其他組別高。在強度成長上，
高流動混凝土以相同粉體量的方式使用新型爐灰與飛灰爐 石，兩者之間有著相同且差異不大的趨勢，皆隨著齡期的 增長而增長，試驗結果亦相近，新型爐灰(SKB1)與飛灰爐 石之高流動混凝土(SKB0)在齡期 7 天就已超過設計強度，
約為28 天強度 63%、69%，28 天強度皆以接近 400kg/cm2。 B. 水泥強度效益
圖2 所示相對於應用在高流動混凝土中，新型爐灰具
有較高的強度，飛灰爐石所用之水泥量較新型爐灰混凝土 多，在兩者抗壓強度相近之下，應用較少水泥之新型爐灰 混凝土所表現出的水泥強度效益比一般飛灰爐石混凝土 佳，在齡期 28 天差異最大到 39%，故將新型爐灰應用於 混凝土中，對經濟性有相當大的幫助。
C. 靜彈性模數
一般混凝土彈性模數係指靜彈性模數，藉由抗壓試驗 之應力應變曲線所得，為分析混凝土力學性質，及結構設 計剛度計算的重要參數。靜彈性模數越大，表示相同應力 下有較小的應變。由於混凝土為一複合材料行為，其力學 行為只有初期可視為彈性行為，隨著載重增加而逐漸呈現 非彈性的行為。圖3 所示，SKB1(33.59GPa)明顯高於對照 組SKB0(27.59GPa)，即在承受相當的力量時，新型爐灰能 承受的應變較一般型的來的高。
D. 劈裂強度
圖4 所示，無論是在相同粉體量或不同粉體量的情況
下，SKB0 與 SKB1、SKB2 頗為接近，在齡期發展方面皆 隨著齡期的增加劈裂強度有增加的趨勢；SKB0 的試驗結 果略低於試驗組SKB1 及 SKB2，在 7 天、14 天、56 天以 及91 天的強度發展結果分別為 72%、87%、112%、117%
以及70%、83%、107%、117%和 78%、95%、110%、118%；
顯示新型爐灰混凝土與飛灰爐石混凝土相比具較高的劈裂 強度。
E. 超音波速
圖5 所示超音波速皆隨齡期的增加而增加，高流動混
凝土部分SKB0 與 SKB1 兩者有相近的超音波速，新型爐 灰 略 低 於 對 照 組 ， 在 齡 期 28 天 超 音 波 速 接 近 4000 m/sec(4074 m/sec、3998 m/sec)，差異範圍約在-2.3%～
0.3%；就試驗結果而言，在粉體量不同的情況下，SKB1 與SKB2 之超音波速結果相當接近。加入新型爐灰於混凝 土中，雖與對照組相比有較低的表現，但在波速的成長上 加入新型爐灰相對高於對照組。
F. 表面電阻
圖6 顯示高流動組新型爐灰混凝土之電阻值比一般飛
灰爐石有明顯較高的趨勢；在抗蝕混凝土之規定，新型爐 灰混凝土SKB1 於齡期 14 天就已達到 19.3kΩ-cm，28 天、
圖4 新型爐灰混凝土之劈裂強度 圖5 新型爐灰混凝土之超音波速
4694
圖6 新型爐灰混凝土之表面電阻 圖7 新型爐灰混凝土之齡期 7 天後之抵抗硫酸鹽侵蝕情形 56 天及 91 天分別可達到 32 kΩ-cm、54.6 kΩ-cm、及 65.9k
Ω-cm，且高於對照組。研究顯示新型爐灰應用於混凝土 中，具有抵抗侵蝕性的貢獻。
G. 硫酸鹽侵蝕
圖7 所示，應用新型爐灰於高流動混凝土中(SKB1)，
與飛灰爐石之對照組(SKB0)相比，在前五次循環重量損失 有較後者大的趨勢，然而當以齡期7 天進行試驗後，SKB1 的重量損失程度明顯低於SKB0 及 SKB2。顯示應用新型 爐灰於混凝土中能有效降低硫酸鹽侵入混凝土內部造成膨 脹破壞。
H. 長度變化
圖8 所示，加入新型爐灰之 SKB1 及 SKB2，長度變 化率有較高的趨勢，且皆隨著齡期的增加而使長度變化增 加，粉體量越高變化越大；在有相同以 28 天齡期 SKB1 的長度變化較高 0.004%(30%)。結果顯示，加入新型爐灰 於混凝土中，在長度變化上會高於一般飛灰爐石混凝土。
IV. 結論與建議
使用新型爐灰於高流動混凝土，結果如下所述：
1. 在新型爐灰混凝土之硬固性質中，抗壓及劈裂強度皆 隨著齡期的增加而增加，應用新型爐灰於高流動混凝 土中，強度發展皆與對照組相近。且齡期28 天之抗壓 強度較對照組高，並具有較高之水泥強度效益值。
2. 超音波速皆隨著齡期的增加而增加，然而新型爐灰仍
圖8 新型爐灰混凝土之體積變化量
有較高的波速成長相對於對照組。
3. 高流動新型爐灰混凝土於齡期 7 天硫酸鹽侵蝕試驗結 果，重量損失明顯較低。顯示應用新型爐灰於混凝土 中能有效降低硫酸鹽侵入混凝土內部造成膨脹破壞。
混凝土的收縮一般會受總膠結材量及水膠比所影響，
應用新型爐灰之混凝土與同為總膠結材量360kg/m3的 基準組比較，其收縮率相近，皆在0.03%範圍內。
誌謝
感謝中聯資源股份有限公司的經費，台灣科技大學陳
感謝中聯資源股份有限公司的經費，台灣科技大學陳