行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
水洗垃圾焚化底渣資源化於高壓混凝土製品
研究成果報告(精簡版)
計 畫 類 別 ： 個別型 計 畫 編 號 ： NSC 99-2622-E-151-010-CC3 執 行 期 間 ： 99 年 06 月 01 日至 100 年 05 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立高雄應用科技大學土木工程系 計 畫 主 持 人 ： 郭文田 共 同 主 持 人 ： 劉志堅 計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：陳政宇 碩士班研究生-兼任助理人員：蘇德馨 處 理 方 式 ： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 100 年 08 月 25 日
行政院國家科學委員會補助產學合作研究計畫成果精簡報告
計畫名稱：水洗垃圾焚化底渣資源化於高壓混凝土磚
計畫類別：□ 先導型 □ 開發型 ■ 技術及知識應用型
計畫編號：NSC99-2622-E-151-010-CC3
執行期間：99 年
6 月 1 日至 100 年 5 月 31 日
執行單位：
國立高雄應用科技大學土木工程系
計畫主持人：
郭文田
共同主持人：
劉志堅
計畫參與人員：
陳政宇、蘇德馨
研究摘要(500 字以內)：
基於節能減碳、廢棄物資源再利用之理念，本研究以經水洗處理後之垃圾
焚化底渣細粒料，完全取代天然骨材製作之高壓混凝土磚。首先進行水洗焚化
底渣細粒料基本物化性質試驗，以確保垃圾焚化底渣資源化之正當性；根據現
有高壓混凝土製品工廠生產之尺寸縮小2/3，並於實驗室模擬工廠實際生產流
程，施加100kg/cm
2成型壓力製成16cm×8cm×4cm之試體，並經試作後決定試驗
配比。藉由抗壓強度、吸水率、孔隙率、透水係數、磨耗損失與超音波速等工
程性質試驗，探討以水洗垃圾焚化底渣製作高壓混凝土磚之可行性，並比較水
洗焚化底渣與天然粒料所製成之高壓混凝土磚性質。試驗結果顯示，實驗室模
擬製成之高壓混凝土磚之透水係數皆小於2.66×10
-5cm/sec、吸水率介於13.55%
～4.75%、孔隙率介於8.05%～1.62%；高壓混凝土磚抗壓強度在12.3～48.5Mpa
間 、 超 音 波 波 速 介 於
1521 ～ 3059m/sec 、 磨 耗 體 積 損 失 介 於 117.7 ～
16.0cm
3/50cm
2、磨耗厚度損失介於23.5mm～3.3mm。另以焚化底渣添加爐石
粉取代水泥用量20%在相同配比及級配下所製作之高壓混凝土磚，其各項工程
性質與焚化底渣者差異性不大，顯示以爐石粉可降低水泥用量但不影響其工程
性質，達到降低成本，而品質不變之成效。
人才培育成果說明：本計畫共培育碩士班研究生二名。其中一位研究生取得碩
士學位（準備服役），另一位研究生仍在學中。
技術研發成果說明：
水洗處理之垃圾焚化底渣再利用。本研究以通過#4 篩以下停留於底盤之
粒料，並全部取代天然粒料之方式製作高壓混凝土磚(實驗組)，先選擇較大範
圍水泥/粒料比及水灰比進行初期試作，依據試體加壓製作中及完成後之結果
再規劃正式的試驗配比，試驗完成後再選定成效較佳的配比，選取天然細粒料
(控制組)及底渣細粒料添加爐石粉取代水泥用量 20%(對照組)進行一系列試
驗，結果與實驗組進行比較，可以分別探討水洗垃圾焚化底渣及天然粒料於高
壓混凝土磚的性質差異性。
技術特點說明：
1. 垃圾焚化底渣之相對密度及容積密度約較一般天然粒料低、容積密度
1194.3kg/m
3低於
1200kg/m
3屬於輕質骨材一種，孔隙率及吸水率較一般
天然粒料高，
TCLP 檢驗值符合環保署規定之標準，且經水洗後重金屬含
量有降低之趨勢，因此可進行再生材料資源化推廣應用。
2. 高壓磚容積密度會隨著水泥/粒料比及水灰比增加而有增加之趨勢，約在
1790～2008kg/m
3；養護環境對高壓磚抗壓強度影響不大，影響水洗底渣
高壓磚各工程性質的最重要因素是水泥/粒料比，次為水灰比。
3. 實 驗 室 模 擬 製 成 的 水 洗 底 渣 高 壓 混 凝 土 磚 透 水 係 數 皆 小 於
5.19×10
-5cm/sec 、吸水率介於 4.57～13.55%、孔隙率介於 8.05～1.62%；
抗壓強度位於
12.3～48.5Mpa 間、超音波數介於 1521～3059m/sec、磨耗
體積損失率介於
117.7～16.0cm
3/50cm
2。
4. 本研究之配比在水泥/粒料比為 0.1、0.2 時，各項高壓磚工程性質以水灰
比
0.25 這組配比較佳；在配比為水泥/粒料比 0.3、0.4 時，各項高壓磚工
程性質以水灰比較高之配比較佳。
5. 高壓磚吸水率、孔隙率及透水係數的關係為，當吸水率降低時透水係數
及孔隙率則有降低之趨勢；高壓磚抗壓強度及超音波速關係為，當抗壓
強度增加超音波速也有增加之趨勢；磨耗體積損失與抗壓強度關係為，
當磨耗體積損失越低抗壓強度則有越高之趨勢。
6. 天然細粒料高壓磚各項工程性質皆優於水洗底渣細粒料高壓磚，並觀察
以爐石取代水泥
20%可降低水泥用量但不影響期工程性質，達到降低成
本，而品質不變之成效。
7.
微
觀界面顯示，水化反應有隨著水泥/粒料比及齡期的增加而增加，填補
其底渣孔隙，增加粒料與粒料間之連結性，符合各工程性質之趨勢。
可利用之產業及可開發之產品：高壓混凝土製品業，如都市人行道舖面及停車
場使用連鎖磚或空心植草磚、道路路緣石等，
降低工程對環境的影響。
推廣及運用的價值：本產品如能確實資源化再利用，則可增加水洗處理之垃圾
焚化底渣之再利用及附加價值或經濟價值之提升，產品可
申請綠建材，達到節能減碳、廢棄物資源再利用之終極目
標。
水洗垃圾焚化底渣資源化於高壓混凝土磚
Washed incinerator bottom ash resources in compressed concrete paving
units
摘要
本研究擬以經水洗處理後之垃圾焚化底渣細粒料，完全取代天然骨材製作之高壓混凝 土磚，以增加垃圾焚化底渣資源化之用途。首先進行水洗焚化底渣細粒料基本物化性質試 驗，以確保垃圾焚化底渣資源化之正當性；根據現有高壓混凝土製品工廠生產之尺寸縮小 2/3，並於實驗室模擬工廠實際生產流程，施加 100kg/cm2成型壓力製成16cm×8cm×4cm 之 試體。藉由抗壓強度、吸水率、孔隙率、透水係數、磨耗損失與超音波速等工程性質試驗， 探討以水洗垃圾焚化底渣製作高壓混凝土磚之可行性，並比較水洗焚化底渣與天然粒料所 製成之高壓混凝土磚性質。 試驗結果顯示水洗垃圾焚化底渣之相對密度約2.2、吸水率約 9.6%、細度模數約 3.2， TCLP 檢驗值遠低於環保署規定，且經水洗後重金屬含量較未經水洗者為低。實驗室模擬製 成之高壓混凝土磚之透水係數皆小於2.66×10-5cm/sec、吸水率介於 13.55%～4.75%、孔隙 率介於8.05%～1.62%；高壓混凝土磚抗壓強度在 12.3～48.5Mpa 間、超音波波速介於 1521 ～3059m/sec、磨耗體積損失介於 117.7～16.0 cm3/50cm2、磨耗厚度損失介於23.5mm～ 3.3mm。另以焚化底渣添加爐石粉取代水泥用量 20%在相同配比及級配下所製作之高壓混 凝磚，其各項工程性質與焚化底渣者差異性不大，顯示以爐石粉可降低水泥用量但不影響 其工程性質，達到降低成本，而品質不變之成效。 關鍵字：水洗垃圾焚化底渣、高壓混凝土磚Abstract
In this study, Washed Incinerated bottom ash is used to replace natural aggregates to manufacture compressed concrete paving units.First, the basic physical and chemical properties of washed incineration bottom ash are tested. based on existing concrete production size to decrease the file size by 2/3. and simulate the actual plant production process in the laboratory, Molding pressure applied 100kg/cm2 made of 16cm × 8cm × 4cm of the specimens. By tests of compressive strength, water absorption, porosity, permeability coefficient, and ultrasonic velocity, to discuss the availability of washing waste incineration bottom ash produced the feasibility of compressed concrete paving units.
The result showed that relative density of Washed Incinerated bottom ash is about 2.2, and the water absorption is about 9.6%, fineness modulus is about 3.2, TCLP value is much lower than EPA requirements, and after washing, the heavy metal content is lower. high permeability coefficients of concrete blocks made of are less than 2.66 × 10-5cm/sec, water absorption ranged from 13.55% to 4.75%, porosity ranged from 1.62% to 8.05%; high compressive strength is 12.3 to 48.5Mpa, the ultrasonic wave velocity is 1521 to 3059m/sec, abrasion volume loss value is 117.7 to 16.0 cm3/50cm2, abrasion thickness loss is 23.5mm to 3.3mm. With the same proportion and gradation, adding furnace slag powder to replace cement for 20% to manufacture compressed concrete paving units, whose engineering properties has little difference between those manufactured with Washed Incinerated bottom ash.
Keywords: Washed Incinerated bottom ash, Compressed concrete paving unit 一、前言
行政院環境保護署於民國 80 年代訂定「垃圾處理方案」，以「焚化為主、掩埋為輔」 為垃圾處理之主軸，並訂定「台灣地區垃圾資源回收(焚化)廠興建計畫」及「鼓勵公民營機
構興建營運垃圾焚化廠推動方案」，興建垃圾焚化廠，以達成垃圾焚化處理目標。目前國內 尚存163 處垃圾掩埋場，但其容量皆已接近飽和狀態。台灣地區，在民國 99 年度經由焚化 廠焚化處理之垃圾量已達到623 萬公噸，焚化垃圾後之灰渣量為 129 萬公噸，其中飛灰產 量30 萬公噸、底渣產量 99 萬公噸【1】 ，如能將灰渣全部回收再利用，則可減輕掩埋場設置 的壓力。 歐美日等國家早已將經過處理之焚化底渣用作道路基底層、步道用磚、隔間牆填充材 料及低強度混凝土製品等，而我國受限於焚化底渣之工程品質仍未受到工程單位的信任， 施工規範未將底渣視為工程材料，目前僅應用於級配料及管溝回填運用等。現今，環保署 採取相關方法讓民眾將垃圾分類做得更仔細，經焚化後的底渣品質也將更好，所製成的再 利用產品價值因而可以提升，未來底渣再利用範圍可以再擴大，例如：再利用於各式磚品 添加料、控制性低強度回填材料、混凝土添加料、瀝青混凝土添加料、或透水混凝土添加 料等，除可減少天然資源的開採或進口，並達到資源永續使用的目的。 二、文獻回顧 2.1 國內外垃圾焚化底渣資源再利用的相關研究 1.國外 1997 年法國利用都會垃圾底渣做為粒料替代料，產製 28 天抗壓強度達 25 MPa 混凝 土，篩選通過20mm 與停留 4mm 之間的底渣，發現當底渣直接應用於混凝土中，由於水泥 與金屬鋁導致試體產生膨脹與龜裂，建議以氫氧化鈉(sodium hydroxide)處理以改善分解 (degradation)問題，如此可在底渣部份取代天然粒料的用量達 50%時，不會影響耐久性[2]。 2006 年德國以底渣做為混凝土用粒料，指出在實驗室與工地現場可顯著觀察到氫氧化 鋁(aluminum hydroxide)的組成與金屬鋁在鹼性環境中的產生氫氣反應，此反應行為被認定 是導致混凝土表面破裂的主因，同時亦可觀察到鹼矽反應(alkali-silica reaction)產物，而鋁 反應所造成的損害遠大於鹼矽反應【3】 。 2.國內 胡志誠【4】
於2004年將底渣作為CLSM（Controlled Low-Strength Material，控制性低強 度材料）之粒料，探討底渣在營建工程上資源化利用之工程適用性與環境安全性。結果顯 示，經過妥善處理之底渣相當適合CLSM 使用，工作性透過配比設計能符合CLSM規範要 求(管流度＞15cm，坍流度＞40cm）；強度方面，大部分配比亦能滿足制式材料產製之CLSM 一般型的要求(強度790kgf/cm2，初凝時間為1236小時)。以非天然材料產製之CLSM的觀 點來看，底渣CLSM 配比相當成功，甚至可做到天然材料產製之CLSM早強型的要求(初凝 時間為35小時)。使用粗砂取代部分底渣，對整體的氧化鎂與鹼量具有稀釋效果，可避免 試體脹裂的發生。 郭政翰【5】 於2010年以經過水洗處理程序之垃圾焚化底渣，以全取代天然粒料方式製作 透水混凝土，探討底渣在營建工程上資源化利用之工程適用性與環境安全性。以全取代天 然骨材的情況下，分別使用孔隙填漿百分比40、50、60、70及80％，而水灰比為0.30、0.35、 0.40、0.45及0.50之間製作透水混凝土。結果顯示所有配比透水係數皆符合營建署對於透水 鋪 面 之 透 水 係 數 ＞10-2cm/sec 之 規 定 。 抗 壓 強 度 介 於 4.7512.68MPa ； 抗 灣 強 度 介 於 1.763.11MPa；劈裂抗張強度介於0.511.40MPa。水灰比及孔隙填漿比例對劈裂抗張強度 及抗彎強度，與對抗壓強度的影響相符，最高劈裂抗張強約為抗壓強度1/9，抗彎強度約為 抗壓強度1/4，固定水灰比，增加孔隙填漿比例，會減少連通孔隙率及透水係數，並發現透 水係數約為連通孔隙率百分比的1/10。 2.2 國內高壓混凝土磚的相關研究 施博仁【6】 於民國 98 年以脫硫渣粗細骨材分別取代天然粒料及全粒料製作高壓混凝土 磚， 藉由抗壓強度、吸水率、抗彎強度、耐磨耗性等工程性質試驗評估脫硫渣製作高壓 混凝土磚之可行性。研究顯示，以天然細粒料搭配脫硫渣粗粒料之高壓混凝土磚，其抗 壓強度最高可達 640kgf/cm2、吸水率約為5.08%，已達到 CNS 13295 中 B 級高壓混凝土 磚類之基本要求，且抗彎強度也可達 1200kgf/cm2以上，耐磨耗性亦可獲得良好的效果。 余姵如【7】 於民國 98 年發表以鈦砂(水洗除氯之礦尾渣)取代磚製程中部分細粒料的較 佳配比研究。利用直交表、Minitab 與孔隙填充比等三種方法，分析鈦砂取代部分細粒料製 磚之較佳配比，結果顯示 Minitab 分析法可以獲得材料配比與混凝土性質的關聯圖，在兼
顧強度及吸水率的要求下，可方便選擇適當的製磚配比，較具實用性。直交表分析法時， 發現水泥用量的影響效果最大，其次為水灰比，而改變鈦砂用量會產生交互作用之現象， 亦會影響強度變化。孔隙填充比分析法，可依所需之磚強度，調整水泥用量，可以獲得 較低水泥用量及較高鈦砂用量的磚製品。藉由磚的強度、吸水率與成本的綜合評估結果， 發現磚的強度可達到規範要求，但磚的吸水率無法符合規範要求。 白志清【8】 於民國 89 年，以水泥前處理Ａ公司經固液分離之礦渣用以取代高壓混凝土 圍牆磚、路緣石及高壓混凝土連鎖磚等無筋水泥細粒料，經乾濕冷熱循環加速老化試驗、 體積穩定性及超音波脈波速率檢測，證實其強度及耐久性成效良好。前處理礦渣使用量 之增加會降低細度模數及增加吸水率，可能會影響工作性，應避免任意加水而嚴重影響 強度。研究亦發現，以低細度模數細粒料搭配低水灰比之配比，成品製作過程可運用高壓 震動方式處理。 孫國鼎【9】 於民國89 年將大量的水庫淤泥及淨水污泥利用燒結程序做資源化利用，作為 鋪路磚之粒料，混合污泥中淨水污泥比例達到40∼50％時，可有效降低燒結體之軟化。當 混合污泥燒結體在成型壓力220kg/cm2，燒結溫度為1150 ℃，燒結時間為 60 分鐘，混合 污泥燒結體符合鋪路磚之規範。 三、研究方法 3.1 試驗設計 本研究以取通過#4 篩以下停留於底盤之之水洗垃圾焚化底渣(實驗組)全部取代天然粒 料之方式製作高壓混凝土磚。先選擇較大範圍水灰比及水泥/粒料比進行初期試驗，依加壓 過程及試體完成後之結果再規劃正式的試驗配比，試驗完成後再選定成效較佳的配比，選 取天然粒料(控制組)及水洗垃圾焚化底渣添加爐石粉取代水泥量 10%(對照組)進行一系列 試驗，結果與實驗組進行比較，可以分別探討水洗垃圾焚化底渣及天然粒料的高壓混凝土 磚性質差異性，及評估以爐石粉取代水泥對高壓混凝土磚性質的影響。 3-2 試驗方法 本研究試驗項目如下： 1.水洗垃圾焚化底渣化學及物理性質 (1).化性試驗包括毒物溶出試驗(TCLP)、氯離子含量、戴奧辛與呋喃；(2).物性試驗包括細 粒料相對密度、吸水率、容積密度、空隙率、健度及篩分析。 2. 水洗垃圾焚化底渣高壓磚工程性質試驗 (1).抗壓強度試驗；(2).超音波試驗；(3).吸水率試驗；(4).磨耗損失試驗；(5).孔隙率試驗使 用「日本混凝土協會生態混凝土科技研究委員會」【10】 建議之試驗方法；(6).透水試驗依據 Darcy 公式，以變水頭滲透試驗進行透水試驗。 四、結果與討論 4.1 粒料基本物理與化學性質試驗 1. 基本物性 水洗垃圾焚化底渣細粒料與天然細粒料基本物性試驗結果，如表 4-1 所示。由於底渣 中含有大量燒結料與玻璃陶瓷等，且材料形狀不規則以及孔洞多等原因，故與天然粒料比 較，相對密度較小、空隙率與吸水率較大。 表4-1 水洗垃圾焚化底渣與天然粒料基本物性試驗結果 材料 相對密度(SSD) 吸水率(%) 容積密度(kg/m3) 空隙率(%) 底渣細底渣 2.21 9.6 1194.3 43.54 天然細粒料 2.62 2.19 1794.5 31.42 2. 篩分析 水洗底渣的篩分析結果，如表 4-2 顯示，底渣細粒料各號篩之累積留篩率都高於天然 細粒料，底渣細粒料除通過#8 篩（2.36mm）之篩分析的比例較 CNS 1240 規定值略低外， 餘各號篩的通過百分比皆符合 CNS 1240 之規定，其原因除焚化爐底渣為非均質性混合物 外，因底渣經過水洗，較小粒料分布的部分已洗入沈澱池內，因此會相對增加較大尺寸粒
料的比例。 表4-2 水洗垃圾焚化底渣與天然粒料篩分析結果 累積留篩% 通過百分比% 篩號 天然細粒料 底渣細粒料 天然細粒料 底渣細粒料 CNS1240之規範 3/8”(9.5mm) 0 0 100.0 100 100 #4 (4.75mm) 0 8.1 100.0 95.9 95~100 #8 (2.36mm) 4.4 25.6 95.6 74.4 80~100 #16 (1.18mm) 17.2 48.7 82.8 51.3 50~85 #30 (600µm) 42.5 66.8 57.2 33.2 25~60 #50 (300µm) 71.8 81.7 28.2 18.3 10~30 #100 (150µm) 93.1 94.6 6.9 5.4 2~10 細度模數(F.M.) 2.3 3.3 ― ― 3.健度試驗 水洗底渣與天然細粒料的硫酸鈉健度試驗結果，如表4-3 所示。底渣細粒料為 9.7%， 高於天然粒料的1.3%，但仍符合 CNS 1240 混凝土粒料之細粒料健度要求(硫酸鈉健度值 ≦10%)。 表4-3 水洗垃圾焚化底渣與天然粒料健度試驗結果 粒料 試驗值 CNS1240 細粒料硫酸鈉之規定 水洗底渣細粒料 9.7％ 天然細粒料 1.3％ ≦10％ 4. 毒物溶出試驗(TCLP) 水洗垃圾焚化底渣毒物溶出試驗結果，如表 4-4 所示，經水洗處理底渣其重金屬檢驗 值遠低於環保署規定，皆可做為再利用之用途。與相同來源之未經水洗焚化底渣比較，經 水洗之底渣重金屬含量明顯較低，顯示水洗程序能有效將底渣中汙染濃度降低。 表4-4 水洗垃圾焚化底渣毒物溶出試驗結果 檢驗項目 水洗底渣 送驗檢驗值 廠商 檢驗值 高雄市南區 未經水洗底渣 第一類型 品質標準 萃出液中總砷 <0.002 <0.004(0.002) ND ≦0.50 萃出液中總鋇 0.603 0.565 0.396 ≦100.0 萃出液中總鎘 ND<0.050(0.008) ND<0.008 0.074 ≦1.0 萃出液中總鉻 ND<0.017 ND<0.017 0.643 ≦5.0 萃出液中六價鉻 <0.05 <0.05 ND ≦0.25 萃出液中總銅 1.96 0.461 3.36 ≦15.0 萃出液中總汞 <0.0010(0.0006) ND<0.0005 ND ≦0.02 萃出液中總鉛 ND<0.100 ND<0.018 2.25 ≦5.0 萃出液中總硒 ND<0.005 ND<0.005 ND ≦1.0 註1：單位為 mg/L。 註2：低於方法偵測極限之測定值以 ND 表示；低於檢量線最低點濃度時以<檢量線最低點濃度表示。 5. 氯離子含量測試 氯離子含量測試結果如表 4-5 所示。試驗結果得知水洗垃圾焚化底渣氯離子含量符合 CNS 規定之小於 0.024%。 6. 戴奧辛與呋喃 戴奧辛與呋喃試驗結果如表 4-5 所示，結果顯示試驗值皆低於環保署規定，皆符合環 保署對於底渣再利用的三種類型品質標準。
表4-5 水洗垃圾焚化底渣的水溶性氯離子與戴奧辛及呋喃試驗結果 檢驗項目 檢驗值 檢驗方法 水溶性氯離子 (%) 0.0118 CNS 13407 0.009(ng I-TEQ/g d.w.) 戴奧辛及呋喃 0.008(ng I-TEQ/g d.w.) NIEA M801.11B 註1：CNS 規定所有其他混凝土其氯離子最大許可含量為 0.024 % 註2：戴奧辛及呋喃於垃圾焚化底渣再利用第二類型之品質標準為≦0.1(ng I-TEQ/g d.w.) 4.2 水洗底渣高壓磚工程性質 1. 水洗底渣高壓磚-單位重分析 表4-6 試驗結果顯示，實際製作出高壓磚單位重與試拌時所計算之單位重間之誤差在 0.03%~0.41%範圍，顯示實驗室模擬製成之高壓磚的品質具有一致性，並符合設計配比的要 求。 表4-6 高壓磚試拌與實際試驗的單位重誤差百分率 編號 試拌的單位重 (kg/m3) 實際試驗的單位重 (kg/m3) 單位重誤差率 (%) B1-20 1797.0 1791.2 0.33 B1-25 1820.5 1819.5 0.05 B1-30 1843.9 1839.0 0.26 B2-20 1843.9 1836.3 0.41 B2-25 1867.3 1865.6 0.09 B2-30 1890.8 1887.3 0.19 B3-20 1890.8 1888.6 0.11 B3-25 1914.2 1912.6 0.08 B3-30 1937.7 1937.3 0.02 B4-20 1937.7 1935.3 0.12 B4-25 1961.1 1958.9 0.11 B4-30 1984.5 1983.9 0.03 B5-20 1984.5 1982.4 0.11 B5-24 2008.0 2007.4 0.03 2. 水洗底渣高壓磚-抗壓試驗 圖4-1 為全部配比之抗壓強度柱狀圖。28 天抗壓強度最高之設計配比為水泥/粒料比 0.5 而水灰比為0.24，其抗壓強度值為 48.5 MPa，造成抗壓強度較高的原因，是因為單位重較 高使磚體較緻密，而且高水泥/粒料比及高水灰比，增加其漿體與粒料間之連結性；抗壓強 度最低之設計配比為水泥/粒料比 0.1 而水灰比為 0.2，抗壓強度值為 12.3 MPa，其抗壓強度 較低的原因，為單位重較低磚體緻密程度較差，並且使用低水泥/粒料比及低水灰比，導致 水泥漿量過少，漿體與粒料間黏結性較差。經由敘述性統計量及T 檢定發現高壓磚於水泥/ 粒料比介於0.1
～
0.5、水灰比介於 0.2～
0.3 的範圍時，在水中及空氣中養護 7 天、28 天的 抗壓強度的差異性並不顯著，如表4-7、4-8 及 4-9 所示，顯示水洗底渣高壓磚強度並不像 一般混凝土經水養護來的明顯，其原因可能與水洗底渣高壓磚的配比使用細粒料，而製程 中施加壓力等因素有關，因此養護環境對水洗底渣高壓磚抗壓強度影響不大。 4-7 水洗底渣高壓磚於水中與空氣養護的抗壓強度之敘述統計 水中養護7 天 空氣養護7 天 水中養護28 天 空氣養護28 天 平均數 27.4429 26.7929 30.9500 30.1500 平均數的標準誤 3.18495 3.11948 3.10292 3.04405 標準差 11.9170 11.6720 11.6100 11.38974-8 水洗底渣高壓磚於水中與空氣養護的 7 天抗壓強度之 T 檢定 4-9 水洗底渣高壓磚於水中與空氣養護的 28 天抗壓強度之 T 檢定 變異數相等的Levene 檢 定 平均數相等的t 檢定 F 檢定 顯著性 t 自由 度 顯著性(雙 尾) 平均差 異 標準誤差 異 假設變異數相等 .0.03 .960 -.184 26 .855 -.8000 4.3468 抗 壓 強 度 不假設變異數相 等 -.184 25.9 .855 -.8000 4.3468 3. 水洗底渣高壓磚-吸水率試驗 圖4-2 為全部配比之吸水率柱狀圖。28 天最低吸水率之設計配比為水泥/粒料比 0.5 而 水灰比為0.24，其吸水率為 4.57%，會有較低吸水率的原因，是因為該配比具有高水泥/粒 料比及適當的水灰比使得磚體較緻密，可以由該配比具有較高的單位重加以證實；吸水率 最高之設計配比為水泥/粒料比 0.1 而水灰比為 0.2，吸水率為 13.55%，造成吸水率較高的 原因，是因為該配比使用的水泥/粒料比較低及用水量較少使得磚體內部空隙較多，可以由 該配比具有較低的單位重加以證實。 4. 水洗底渣高壓磚-透水係數試驗 圖4-3 為全部配比之透水係數柱狀圖。28 天最低透水係數之設計配比為水泥/粒料比 0.5 而水灰比為0.24，其透水係數為 6.91×10-7 cm/sec，會有較低透水係數的原因，是因為該配 比具有高水泥/粒料比及適當的水灰比使得磚體較緻密，可以由該配比具有較高的單位重及 較低的吸水率加以證實；透水係數最高之設計配比為水泥/粒料比 0.1 而水灰比為 0.2，透水 係數為5.19×10-5 cm/sec，造成透水係數較高的原因，是因為該配比使用的水泥/粒料比較低 及用水量較少使得磚體內部空隙較多，可以由該配比具有較低的單位重及較高的吸水率加 以證實。 5. 水洗底渣高壓磚-孔隙率試驗 圖4-4 為全部配比之孔隙率柱狀圖。28 天最低孔隙率之設計配比為水泥/粒料比 0.5 而 水灰比為0.24，其孔隙率為 1.62%，會有較低孔隙率的原因，是因為該配比具有高水泥/粒 料比及適當的水灰比使得磚體較緻密，可以由該配比具有較高的單位重、較低的透水係數 及較低的吸水率加以證實；孔隙率最高之設計配比為水泥/粒料比 0.1 而水灰比為 0.2，孔隙 率為8.05%，造成孔隙率較高的原因，是因為該配比使用的水泥/粒料比較低及用水量較少 使得磚體內部空隙較多，可以由該配比具有較低的單位重、較高的透水係數及較高的吸水 率加以證實。 6. 水洗底渣高壓磚-磨耗損失試驗 圖4-5 為全部配比之磨耗體積損失柱狀圖。28 天最低體積損失之設計配比為水泥/粒料 比0.5 而水灰比為 0.24，其體積損失為 16 cm3/50cm2，會有較低的磨耗損失原因，是因為該 配比具有高水泥/粒料比及適當的水灰比使得磚體較緻密及結實，可以由該配比具有較高的 單位重及較高的抗壓強度加以證實；磨耗損失最高之設計配比為水泥/粒料比 0.1 而水灰比 為0.2，其體積損失為 117.7cm3/50cm2，造成磨耗損失較高的原因，是因為該配比使用的水 泥/粒料比較低及用水量較少使得磚體內部空隙較多及鬆散，可以由該配比具有較低的單位 重及抗壓強度加以證實。 7. 水洗底渣高壓磚-超音波試驗 0 變異數相等的 Levene 檢定 平均數相等的t 檢定 F 檢定 顯著性 t 自由 度 顯著性(雙 尾) 平均差 異 標準誤差 異 假設變異數相等 .0.02 .962 -.146 26 .855 -.6500 4.4581 抗 壓 強 度 不假設變異數相等 -.146 25.9 .855 -.6500 4.4581
圖4-6 為全部配比之孔隙率柱狀圖。28 天最高超音波速之設計配比為水泥/粒料比 0.5 而水灰比為0.24，其超音波速為 3059.8 m/sec，會有較高超音波速的原因，是因為該配比具 有高水泥/粒料比及適當的水灰比使得磚體較緻密，可以由該配比具有較高的單位重及較高 的抗壓強度加以證實；超音波速最低之設計配比為水泥/粒料比 0.1 而水灰比為 0.2，超音波 速為1521 m/sec，造成超音波速較低的原因，是因為該配比使用的水泥/粒料比較低及用水 量較少使得磚體內部空隙較多，可以由該配比具有較低的單位重及較低的抗壓強度加以證 實。 圖4-1 全部配比之抗壓強度柱狀圖 圖 4-2 全部配比之吸水率柱狀圖 圖4-3 全部配比之透水係數柱狀圖 圖 4-4 全部配比之孔隙率柱狀圖 圖4-5 全部配比之磨耗體積損失柱狀圖 圖 4-6 全部配比之超音波速柱狀圖 8. 水泥/粒料比及水灰比對水洗底渣高壓磚各工程性質之影響 經統計相關係數分析。由表4-10 可知水泥/粒料比再各工程性質皆有顯著影響且相關性 大，其中抗壓強度及超音波介於0.96 至 0.93 間，顯示水泥/粒料比增加時抗壓強度及超音 波速也會增加，吸水率、透水係數、孔隙率及磨耗損失介於-0.99 至-0.92 間，顯示吸水率、 透水係數、孔隙率及磨耗損會隨著水灰比增加而降低；水灰比則顯示無顯著影響，相關性 也較水泥/粒料比來的小，介於 0.09 至 0.001 間。
表4-10 水泥/粒料比及水灰比對各工程性質之相關係數分析 抗壓強度(Mpa) 水中養護 空氣養護 吸水率(%) 透水係數(cm/sec) 7 天 28 天 7 天 28 天 7 天 28 天 7 天 28 天 水泥/粒料比 0.95** 0.96** 0.95** 0.95** -0.96** -0.93** -0.99** -0.95** 水灰比 0.02 0.04 0.03 0.04 0.02 -0.03 0.05 -0.01 磨耗損失 體積損失(cm3/50cm2) 厚度損失(mm) 孔隙率(%) 超音波速(m/sec) 7 天 28 天 7 天 28 天 7 天 28 天 7 天 28 天 水泥/粒料比 -0.92** -0.93** -0.92** -0.94** -0.98** -0.99** 0.95** 0.93** 水灰比 0.09 0.005 0.08 0.03 0.003 0.05 -0.001 0.05 備註:*P<0.05、**P<0.01 4.3 水洗底渣與天然粒料高壓混凝土磚之性質比較 實驗組(水洗垃圾焚化底渣細粒料)、控制組(天然細粒料)與對照組(水洗垃圾焚化底渣細 粒料添加爐石粉10%取代水泥)經比較後結果如下： 1. 實驗組與控制組比較後發現： (1).實驗組的單位重較控制組低。 (2).實驗組與控制組 28 天最大抗壓強度值分別為 25.6 及 33.4MPa，均為水灰比 0.25 差異性大。 (3).實驗組的孔隙率高於控制組 (4).實驗組與控制組 28 天最小吸水率值分別為 8.34 及 7.43%，均為水灰比 0.25 差異性 小。 (5).實驗組的超音波速遠低於控制組。 2. 實驗組與對照組比較後發現： (1).實驗組的單位重與對照組相同。 (2).實驗組與對照組 28 天最大抗壓強度值分別為 25.6 及 24.3MPa，均為水灰比 0.25，無顯著差異。 (3).實驗組的孔隙率與對照組，無顯著差異。 (4).實驗組與控制組 28 天最小吸水率值分別為 8.34 及 10.37%，均為水灰比 0.25，差異 性小。 (5).實驗組的超音波速與控制組，無顯著差異。 4.4 掃描式電子顯微鏡之微觀性質 探討水洗底渣高壓磚內部微結構與工程性質之關連性，並探討水泥/粒料比多寡與齡期 之差異性。 1. 低水泥用量－水泥/粒料比 0.1、0.2(配比 B1 及 B2)之高壓磚 圖 4-7 顯示，於齡期 7 天時放大 1000 倍下觀察，水化物結構較為鬆散凌亂，並且 散佈於粒料表面各處，在粒料附近可發現一些孔洞、裂縫，裂縫可能是試體處理時所造 成的，微裂縫為粒料本身的，並於放大 3000 倍率下觀察，可發現在粒料表面有分佈一 些不規則狀片狀與針刺狀之C-S-H 膠體及尚未反應之水化物。於齡期 28 天時放大 1000 倍下觀察，發現已反應之水泥水化物，例如一些不規則狀片狀與針刺狀之C-S-H 膠體， 均勻的分佈粒料表面各處，並且水化物結構較 7 天來的緻密及完整，並於放大 3000 倍 下，發現這些孔洞及微裂縫上佈滿狀片狀與針刺狀之C-S-H 膠體及薄片狀之單硫鋁酸鈣 (Afm)水化物，填充於其中。 2. 高水泥用量－水泥/粒料比 0.3 至 0.5(配比 B3 至 B5)之高壓磚 圖 4-8 顯示，於齡期 7 天時放大 1000 倍下觀察，發現與同齡期 7 天低水泥用量之 界面晶像圖比較，已有許多反應之水泥水化物，例如針刺狀之C-S-H 膠體，並且分佈較 緻密於粒料表面，水化物結構也較完整。在粒料本身可發現一些孔洞、微裂縫，再放大 3000 倍下觀察，可發現在粒料表面分佈一些針刺狀之 C-S-H 膠體及六角薄片狀之單硫 鋁酸鈣(Afm)水化物。齡期增加至 28 天時再放大 1000 倍下觀察，發現已反應之水泥水
化物較齡期 7 天時多而且分佈也較緻密及完整，並與同齡期 28 天低水泥用量之界面晶 像圖比較，水化物較均勻與廣泛的分佈於粒料表面各處，並且水化物較緻密及完整，並 於放大3000 倍下，發現粒料表面上佈滿不規則狀片狀與蜂巢狀之 C-S-H 膠體及薄片狀 之單硫鋁酸鈣(Afm)水化產物，均於的覆蓋於粒料表面上。 1000X 3000X 7 Day 1000X 3000X 28 Day 圖4-7 低水泥用量－SEM 影像圖(水泥/粒料比 0.1、水灰比 0.2) 1000X 3000X 7 Day 1000X 3000X 28 Day 圖4-8 高水泥用量－SEM 影像圖(水泥/粒料比 0.4、水灰比 0.2)
五、結論 在本研究條件下獲得以下結論： 1.水洗垃圾焚化底渣之相對密度及容積密度約較一般天然粒料低、容積密度 1194.3kg/m3低 於1200kg/m3屬於輕質骨材一種，孔隙率及吸水率較一般天然粒料高，TCLP 檢驗值符合 環保署規定之標準，且經水洗後重金屬含量有降低之趨勢，因此可進行再生材料資源化 推廣應用。 2.高壓磚容積密度會隨著水泥/粒料比及水灰比增加而有增加之趨勢，約在 1790
～
2008 kg/m3；養護環境對高壓磚抗壓強度影響不大，影響水洗底渣高壓磚各工程性質的最重要 因素是水泥/粒料比，次為水灰比。 3.實驗室模擬製成的水洗底渣高壓混凝土磚透水係數皆小於 5.19×10-5cm/sec 、吸水率介於 4.57～
13.55%、孔隙率介於 8.05～
1.62%；抗壓強度位於 12.3～
48.5Mpa 間、超音波數 介於1521～
3059m/sec、磨耗體積損失率介於 117.7~16.0cm3/50cm2。 4.本研究之配比在水泥/粒料比為 0.1、0.2 時，各項高壓磚工程性質以水灰比 0.25 這組配比 較佳；在配比為水泥/粒料比 0.3、0.4 時，各項高壓磚工程性質以水灰比較高之配比較佳。 5.高壓磚吸水率、孔隙率及透水係數的關係為，當吸水率降低時透水係數及孔隙率則有降 低之趨勢；高壓磚抗壓強度及超音波速關係為，當抗壓強度增加超音波速也有增加之趨 勢；磨耗體積損失與抗壓強度關係為，當磨耗體積損失越低抗壓強度則有越高之趨勢。 6.天然細粒料高壓磚各項工程性質皆優於水洗底渣細粒料高壓磚，並觀察以爐石取代水泥 20%可降低水泥用量但不影響期工程性質，達到降低成本，而品質不變之成效。 7. 微觀界面顯示，水化反應有隨著水泥/粒料比及齡期的增加而增加，填補其底渣孔隙，增 加粒料與粒料間之連結性，符合各工程性質之趨勢。 六、參考文獻 【1】 行政院衛生署網站統計資料， http://www.epa.gov.tw/ch/SitePath.aspx?busin=4177&path=4327&list=4327。【2】Pera, J., Coutaz, L., Ambroise, J., Chababbet, M., “Use of incinerator bottom ash in concrete”. Cement and Concrete Research, Vol.27, No.1, pp. 1-5(1997).
【3】Urs Müller, Katrin Rübner, “The microstructure of concrete made with municipal waste incinerator bottom ash as an aggregate component”, Cement and Concrete Research, Vol.36, No.8, pp.1434-1443(2006). 【4】胡志誠，「焚化廠底灰應用於工程回填材料之環境安全性研究」，國立台灣大學土木 工程研究所，碩士論文(2003) 【5】郭政翰，「水洗垃圾焚化底渣資源化於透水混凝土」，國立高雄應用科技大學土木工 程與防災科技研究所，碩士論文(2010) 【6】施博仁，「脫硫渣應用於高壓混凝土磚之研究」，國立高雄應用科技大學土木工程與防 災科 技研究所，碩士論文(2009) 【7】余姵如，「磚製品中摻配鈦砂之較佳配比研究」，國立中央大學土木工程研究所，碩士 論文(2009) 【8】白志清，「工業礦渣取代無筋水泥製品之細粒料應用研究」，國立中央大學土木工程研 究所，碩士論文(2000) 【9】孫國鼎，「水庫淤泥及淨水污泥再利用製磚之研究」，國立交通大學土木工程研究所， 碩士論文(2000)
【10】 Zhang, R., T. Nakazawa, F. Imai, and N. Shinnishi, “Void content of no-fines concrete” , コソクート工學年次論文報告集, Vol.19, No.1, pp.1051(1997).
國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表
日期:2010/08/04國科會補助計畫
計畫名稱: 水洗垃圾焚化底渣資源化於高壓混凝土製品 計畫主持人: 郭文田 計畫編號: 99-2622-E-151-010-CC3 學門領域: 土木材料研發成果名稱
(中文) 水洗垃圾焚化底渣資源化於高壓混凝土製品(英文) Washing Municipal Solid Waste Incinerator Bottom Ash Resource on Compressed Concrete
成果歸屬機構
國立高雄應用科技大學發明人
(創作人)
郭文田,劉志堅技術說明
(中文) 本研究計畫將使用水洗垃圾焚化底渣，以全取代天然粒料方式製做高壓混凝土製 品。映誠公司的水洗焚化垃圾底渣的品質良好且穩定，增加了多元化再利用的可 行性。本研究先進行水洗垃圾焚化底渣細粒料的基本性質檢測，以掌握焚化底渣 與天然粒料的材料性質差異性，據以修訂試驗設計。其次，於實驗室模擬製作高 壓混凝土磚，製磚的材料配比設計選取較大改變範圍加以試驗，以探討磚的工程 性質與設計配比的趨勢關係，並利用Minitab程式，進行混凝土製品的設計配比 對工程性質影響的圖形分析，利用影響圖，可以輔助找到需滿足製品品質的材料 設計配比，再選擇代表性配比進行工廠實作。最後，透過實驗室模擬及工廠實作 結果的比較，希望尋求以實驗室的模擬試驗，而得到評估工廠製磚成效的方法。 (英文) This research firstly analyzes the element properties of WMSWIBA to realize thedifference between WMSWIBA and natural aggregate. The result is helpful to modify the design of this experiment. Secondly, the mixed proportion of compressed concrete was selected in a large extent and produced in the laboratory. This is benefit to discuss the relationship between the engineering properties of compressed concrete and the mixed proportion. And then use the Minitab program to analyze the influence of the mixed proportion in the engineering properties of compressed concrete. Using the influence chart, can help us to determine the satisfied mix design in the practical produce. Finally, compare the results obtained from the laboratory and the factory to find the method of evaluating the quality of the compressed concrete produced in the factory using the result of laboratory research.
產業別
土石採取業技術/產品應用範圍
水泥製品業，如各種高壓混凝土製品、磚類、及透水磚等技術移轉可行性及
預期效益
研究成果將可使細粒料部分全資源化於高壓混凝土製品，可增加M公司水洗垃圾焚化底渣 的銷售通路及其附加價值 註：本項研發成果若尚未申請專利，請勿揭露可申請專利之主要內容。99 年度專題研究計畫研究成果彙整表
計畫主持人：郭文田 計畫編號：99-2622-E-151-010-CC3 計畫名稱：水洗垃圾焚化底渣資源化於高壓混凝土製品 量化 成果項目 實際已達成 數（被接受 或已發表） 預期總達成 數(含實際已 達成數) 本計畫實 際貢獻百 分比 單位 備 註 （ 質 化 說 明：如 數 個 計 畫 共 同 成 果、成 果 列 為 該 期 刊 之 封 面 故 事 ... 等） 期刊論文 0 0 100% 研究報告/技術報告 1 1 100% 研討會論文 1 1 100% 篇 論文著作 專書 1 0 100% 申請中件數 0 0 100% 專利 已獲得件數 0 0 100% 件 件數 0 0 100% 件 技術移轉 權利金 0 0 100% 千元 碩士生 2 2 100% 博士生 0 0 100% 博士後研究員 0 0 100% 國內 參與計畫人力 （本國籍） 專任助理 0 0 100% 人次 期刊論文 0 1 100% 研究報告/技術報告 0 0 100% 研討會論文 0 1 100% 篇 論文著作 專書 0 0 100% 章/本 申請中件數 0 0 100% 專利 已獲得件數 0 0 100% 件 件數 0 0 100% 件 技術移轉 權利金 0 0 100% 千元 碩士生 2 2 100% 博士生 0 0 100% 博士後研究員 0 0 100% 國外 參與計畫人力 （外國籍） 專任助理 0 0 100% 人次其他成果
