National Kaohsiung University of Applied Sciences Institutional Repository:Item 987654321/10057

(1)

添加綠建材對輕質骨材混凝土工程性質之影響

王和源、張永興、王士暘國立高雄應用科技大學土木工程與防災科技研究所 E-mail : [email protected]

摘要

本研究之綠建材以目前台灣較多量的再生礦粉掺料（含飛灰、爐石、玻璃粉、脫硫渣）為主，分別取代水泥10％與 30％添加於輕質骨材混凝土內，經過不同養護齡期進行硬固、非破壞與耐久性質試驗；經分析各種礦粉掺料對輕質骨材混凝土之效益。結果顯示：添加綠建材因種類不同坍度有所增減，仍符合設計坍度75mm~100mm。抗壓強度以添加玻璃粉10%最高。超音波波速受綠建材取代量及性質影響，120 天波速範圍為控制組約 98%~105%，電阻值受化學性質影響最大，添加飛灰及玻璃粉 30%之電阻值高於控制組。顯示將各種綠建材應用與輕質骨材混凝土中，不但能有效利用廢棄資源，更能落實環保議題的提倡。關鍵詞：綠建材、再生礦粉掺料、輕質骨材混凝土、抗壓強度

A study on the properties of Lightweight Aggregate Concrete admixtures

Green Building-Material

Abstract

In this study, Green Building Materials such as fly ash, slag, glass powder, desulfurization slag are mainly used, and replaced the cement with 10% and 30%respectively to add in the light aggregate concrete. After harden test, non-destructive test and durability test at different age, the effectiveness of different admixtures to lightweight aggregate concrete will be analyzed.

The results showed that: The slump will change with different types of green building materials added, but it still conforms the design slump which is 75mm ~ 100mm. The maximum compressive strength is 10% of glass powder added. Ultrasonic wave velocity is affected by replacing amount and properties of green building materials, the impact velocity range of 120 days for the control group is about 98% ~ 105%, Electric resistance is affected by chemical properties most, Electric resistance of 30% of fly ash and glass powder is higher than the control group. The result also showed that adding the green building materials in lightweight aggregate concrete can not only reuse waste recourses but also promote the implementation of environmental protection issues.

Keyword:

green building materials、lightweight aggregate concrete、compressive strength

(2)

1. 前言

隨著全球商業化與工業化的發展，能源消耗量不斷地增加，雖然目前科技正研究開發將太陽能做為「次世代能源」，但短期內仍難以將它普及使用與推廣。混凝土建築物佔國內所有建築總量九成，表示混凝土仍為現今最普遍使用的營建材料，但因不具環保與可重覆利用之缺點，對生存環境之維護與節能實有問題存在，且違反世界營建趨勢【1】。輕質骨材具有隔熱、質輕、耐火性強等優點【2】，因此如何使用適當的材料來改善運作最大功率，材料的物理特性在所有的工程項目都是非常重要的一環。而臺灣可將水庫淤泥經由高溫燒結處理製成性質優良的輕質骨材，除了具有上述之工程特性，亦可增加水庫蓄水容量，填補天然砂石資源的不足，在節能、環保具有極大的助益。近年來，各國亦研究將各種綠建材添加於混凝土中，對其各種工程性質之影響。由於台灣鋼鐵業興盛，卻也在製造過程中產出不少副產品，脫硫渣即為煉鋼製成前之產物。目前脫硫渣每年產量約24 萬噸，倘若能將廢棄物再生利用實為一大助益。此外，台灣在光電技術、軟體技術、高科技工業等高度發展，因此產生了許多的產生許多工業廢棄物，若處理不當，將增加社會成本與環境的破壞與污染。液晶玻璃產品的數量大幅提升，如我國在液晶螢幕與手機面板（包括TFT-LCD、TN/STN-LCD 及 OLED 等）之全球市占率達 39.2％，為全球第一，因此勢必會產生大量的廢棄材料，如廢液晶玻璃主要來自製程不良品、邊料，年產生量約 960～1048 噸【4】，而台電火力發電廠所產生的飛灰及中國鋼鐵公司所生產的水淬爐石粉，研究顯示添加適當水淬爐石粉或飛灰等工業廢棄物取代部分水泥或砂，無論在工程品質或經濟效益都較單獨添加水泥優良【3】。如何將其回收再利用，為一值得探討的課題。本研究針對綠建材目前台灣較多量的再生礦粉掺料（含飛灰、爐石、玻璃粉、脫硫渣）為主，添加於輕質骨材混凝土內，經過不同養護齡期進行硬固、非破壞與耐久性質試驗；經分析各種礦粉掺料對輕質骨材混凝土之效益。將其互相比較，藉以評估各個礦粉掺料應用於混凝土之使用性，朝向綠色建材之方向發展。

2. 試驗規劃

2.1 試驗材料 採用的水泥由台灣水泥公司生產的普通水泥，其性質符合ASTM C150 及 CNS 61 第 Ι 型波特蘭水泥，水泥購進時均以不透水塑膠密封，以確保品質。飛灰採用台電興達火力發電廠之F 級飛灰，符合 CNS 3036 規範。爐石為中國鋼鐵公司所生產的水淬爐石粉，經中聯爐石資源處理公司研磨成細粉。脫硫渣採用台協公司所提供之脫硫渣粉，細度為通過標準篩號#100。廢液晶玻璃粉經由破碎機、球磨機進行乾式研磨，研磨方式以∮=10 ㎜氧化鋯球 50 顆、運轉速率 400rpm、5 min 一正（逆）轉、研磨時間 30min，研磨成細小的極高粒徑均質性之液晶玻璃粉。其再生礦粉掺料化學成份如表 1 所示。而輕質粗骨材為為大陸製輕質骨材，顆粒密度1660kg/m3_{；細骨材為台灣南部阿公店水庫淤泥經脫水、造粒、燒結後製成之輕質砂，顆粒密} 度1060kg/m3_{，基本性質如表}_{2 所示。} 2.2 試驗變數 本研究採用全輕質骨材，固定水膠比（0.4），各礦粉掺料以重量取代法分別為 0%、10%與 30%取代量取代部份水泥。製作圓柱試體（ψ10cm×20cm）、齡期為 7 天、28 天、56 天、91 天與 120 天進行新拌、硬固、非破壞與耐久性質等試驗，並從中尋找各再生礦粉掺料最佳替代含量。

(3)

3. 結果與分析

3.1 新拌性質 如表 3 及圖 1 所示由於輕質骨材顆粒密度較低，顆粒堆積之載重較輕，下壓力較小，水平的側向推力較小，為避免輕質骨材上浮之情況，故設計較高漿量，使具有足夠漿量包裹骨材表面。本研究採用設計坍度 75mm~100mm，各組混凝土拌和後均無目視的泌水及析離現象，，控制組坍度範圍為 90mm～100mm，符合設計坍度範圍。添加礦粉掺料之配比，除添加飛灰之外，其餘配比坍度皆低於控制組，原因在於爐石、脫硫渣及玻璃粉等三種再生礦粉掺料皆具水化膠結作用，拌和過程中會增加新拌混凝土之黏滯性，而輕質骨材顆粒密度較低，試驗時不容易因自重而自然坍落，工作性下降。 3.2 抗壓強度 圖2 所示，控制組於 7 天齡期時的抗壓強度為 32.48MPa，28 天時的抗壓強度為 37.21MPa，但 91 天齡期之抗壓強度只有38.19MPa，僅提升 2.6%，亦即，控制組在 28 天時其水泥漿體已近幾水化完全。圖 3 所示，添加飛灰於輕質骨材混凝土(FA10、FA30)其初期強度成長較為緩慢，且取代量越高強度越低，齡期在 7 天時添加量10％與 30％時，抗壓強度分別為 28.96MPa 及 26.26MPa，已達 28 天強度的 93%及 87%。在晚齡期添加量30％之強度已高於添加量 10％與控制組，120 天時甚至達到 40.19MPa，印證顏聰等所述【5】推測此時飛灰產生卜作嵐反應，含量越高者，強度成長速率越大。爐石添加量在(BFS10、BFS30)，齡期在 7 天之抗壓強度與控制組相近，28 天時 30％強度雖低於 10％與控制組，但抗壓強度為各個材料取代水泥量 30%的配比中最高的，相對於其他再生礦粉掺料，爐石的含量多寡對混凝土強度影響較小。而添加脫硫渣 (DLS10、DLS30)之抗壓強度曲線，7 天時 10％之抗壓強度與控制組相近，30％則明顯地偏低，僅達 10％之72%，齡期 28 天時，10％的強度已略高於控制組。至於，添加玻璃粉(GLP10)10％在 7 天與 28 天時抗壓強度為34.53MPa 與 39.54MPa，高於同齡期的控制組與添加玻璃粉(GLP30)30％。玻璃粉取代水泥量 10%時，其水泥漿體之內部結構已顯得相當緻密推斷在早齡期時10％已有卜作嵐反應產生。 3.3 超音波波速 圖3 所示，隨著水化作用的進行控制組的超音波波速也隨之成長，尤其在 56 天以前最為明顯，7 天波速可至 28 天的 96.9%，為全部配比中最高的，顯示控制組之水化速度最快。添加飛灰，不論是 10％或 30 ％，在齡期56 天前的波速皆與控制組相近，相差不到 1%，56 天至 91 天時，提升 1.3%與 5.3%。爐石本身具有少量膠結性反應，10％與 30％的 7 天超音波速相當接近，而後續齡期之波速成長亦相當地穩定。添加脫硫渣，10％與 30％的波速在相同取代量之配比中為最低，除了早齡期約略有所提升外，28 天之後波速成長幾近停止。而添加玻璃粉之配比其超音波速皆高於控制組，10％之 7 天波速為 3188 m/s，已超越控制組 56 天之波速。取代量 30％之 7 天超音波速為 28 天的 95%。 3.4 表面電阻 圖4 顯示，各配比其表面電阻皆隨齡期增加而增長，於晚齡期 90 天時，除添加脫硫渣之配比外，其餘各材料取代量皆達至20 KΩ-cm 以上，符合 Buenfeld and Newman and Page 所述，達到具有耐久性之程度【6】。以飛灰不同含量而言，於齡期 28 天時，分別可達 11.3 KΩ-cm 及 34.3 KΩ-cm。晚齡期 90 天時，其表面電阻可達23.6 KΩ-cm 及 57KΩ-cm，由此得知隨著飛灰取代量增加其表面電阻隨之增加。BFS10 與 BFS30 的7 天齡期電阻與 MA0 相近，隨齡期增加，齡期 28 天時分別為 11.8kΩ-cm 與 13.8kΩ-cm，已高於控制組，齡期90 天時，BFS30 其表面電阻高 BFS10，顯示隨著齡期於取代量的增加，爐石粉產生卜作嵐反應會增加電阻值。DLS10 與 DLS30 於 28 天以前電阻值為 6.6kΩ-cm 與 5.6kΩ-cm，隨著齡期的增加，電阻值雖略有提升但幅度不大，90 天電阻值只有 11.5kΩ-cm 與 10.3kΩ-cm，且各齡期之電阻值皆低於 MA0。GLP10 與

(4)

GLP30 在 28 天齡期前的電阻皆低於 MA0，但 28 天時電阻值為 13.5 kΩ-cm 與 19.3 kΩ-cm，因玻璃粉其卜作嵐反應填充了混凝土內部毛細孔。

4. 結論

1. 輕質骨材混凝土控制組坍度在 95~100mm；添加飛灰 10％與 30％坍度為 100mm 與 110mm；添加爐石 10％與 30％坍度為 85mm 與 75mm；脫硫渣 10％與 30％坍度為 80mm 與 70mm；玻璃粉 10％與 30％坍度為85mm 與 75mm。由於礦粉掺料水化提高漿體黏稠度而有所折減，但仍符合設計坍度 75mm~100mm。 2. 添加綠建材於輕質骨材混凝土中，飛灰 30％之晚期強度明顯提升，爐石 10％之強度發展則較為穩定，脫流渣10％有早強的情況發生，玻璃粉 10％之各齡期強度皆高於控制組。 3. 添加飛灰、爐石及玻璃粉之超音波速介於 3245~3334 m/s 之間，高於控制組約 102~105%。主要原因在於它們具卜作嵐反應之特性，而脫硫渣不具卜作嵐反應，故無法使混凝土結構更為緻密。 4. 添加飛灰、爐石及玻璃粉有助於電阻值的提升，其中飛灰 30％最高。脫流渣 10％與 30％之電阻值分別為控制組約90%與 72%。

參考文獻

[1] 吳協勳，「由建築節能觀點探討外牆構法上隔熱功能改善之研究」，碩士論文，國立臺灣大學生物環境系統工程學系暨研究所，台北，2002。

[2] H.Y. Wang, K.C. Tsai, ―Engineering properties of lightweight aggregate concrete made from dredged silt , Cement & ∥ Concrete Composites, 28 pp.481~485, 2006.

[3] 行政院公共工程委員會，「公共工程飛灰暨高爐石混凝土使用手冊」，行政院公共工程委員會，台北，2001。 [4] 鄭智和，「TFT-LCD製造業廢棄物處理現況探討」，工業技術研究院環安中心，2002。

[5] 顏聰、陳豪卲、王順元，「台灣地區輕質骨材混凝土之研發與應用」，第二屆海峽兩岸輕骨料混凝土產製與應用技術研討會，pp.12~17，上海，2006。

[6] Buenfeld, N.R., Newman, J.B. and Page, C.L., "The Resistivity of Mortar Immersed in Sea-Water," Cement and Concrete Research, Vol.16, No.3, pp. 511-524 (1986).

(5)

表1 再生礦粉掺料物理化學性質

(6)

表3 輕質骨材混凝土新拌性質

(7)

圖2 輕質骨材混凝土抗壓強度與齡期之關係

(8)