再生綠建材對輕質骨材混凝土工程性質影響之研究

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再生綠建材對輕質骨材混凝土工程性質影響之研究

王和源、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

本研究使用之再生綠建材以台灣生產之再生礦粉掺料（含飛灰、爐石、玻璃砂、橡膠粉）為主，並以廢液晶玻璃砂、廢輪胎橡膠粉分別取代部分細骨材 0％、5％及 10％，依 ACI 混凝土配比設計拌製成輕質骨材混凝土，經養護齡期7、28、56 及 91 天進行硬固、非破壞與耐久性質試驗，並探討其各項工程性質。結果顯示：添加再生綠建材因種類不同坍度有所增減，但是仍符合設計坍度。輕質骨材較常重混凝土有較佳之硬固及耐久性質，顯示將各種綠建材應用於輕質骨材混凝土中，不但能有效利用廢棄資源，落實環保議題的提倡，提高再生綠建材使用率。在「永續循環發展」趨勢潮流下，對廢棄物資源進行有價值的再生利用，朝向綠色建材之方向發展。關鍵字：再生綠建材、廢液晶玻璃、廢橡膠粉、輕質骨材混凝土、硬固性質

1. 前言

根據調查，台灣地區現有重要水庫普遍老化且有淤塞之問題，且國內水庫淤泥日漸增加及粗細骨材日漸短缺，未來勢必面臨替換骨材之情況，水庫清除淤砂以增加蓄水量為政府重要的水利政策[1] [2]。利用再生資源技術可有效將「廢棄物」完全轉換另一「新資源」，為維護環境極重要之研究領域。如能將水庫中淤泥加工製成工程用之輕質骨材，則不僅解決水庫蓄水的問題，恢復水庫原有之蓄水功能，更可解決台灣砂石短缺的問題，水庫淤泥製成輕質骨材能有效解決水庫淤泥無法棄置及處理問題；輕質混凝土具有質輕、高強度、低膨脹性、隔熱、消音、防水、抗火、耐久、體積穩定、施工方便、經濟等諸多工程特性[3~6]，且輕質粒料之吸水性與電阻比普通粒料小，抗硫酸鹽性則較佳[7]，實宜大力宣導這些特點，以鼓勵高樓建築興建[8]、橋樑、房舍外牆等工程優先選用輕質混凝土興建。輕質骨材應用於結構體上有不錯的成效，有許多優點如與重量比之下的高強度特性，良好的拉伸應變能力，低熱傳導係數與由於輕質骨材內部的空隙，而擁有隔音與隔熱之性質[9~11]。地震力的影響對結構體本身的自重有成正比的關係，輕質骨材常用於減輕結構體自重與降低地震對結構體的損害[12、 13]。近年來，各國亦研究各種廢棄物添加於混凝土中，對其工程性質之影響，例如:台電火力發電廠所產生的飛灰及中國鋼鐵公司所生產之水淬爐石粉，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[14、15]。國內光電相關產業中產值佔有率最大者為液晶面板（TFT-LCD）製造業。這些若是沒有妥當的處理，慢慢的將會造成生態環境的汙染。由於廢玻璃焚化不易熔成灰燼，如果亦能使回收再利用之價值一定大打折扣 [16~22]。依據行政院環保署事業廢棄物資訊中心 97 年公告，廢輪胎屬於應回收或再利用之一般廢棄物，代碼為 R-0302，回收再利用統計量為 1326 公噸[23]。廢輪胎處置是許多國家中最主要的環境影響因素之一，體積大且形狀固定、儲存體積較一般垃圾大、不易分解腐化，若以掩埋方式處理廢棄輪胎將會縮短掩埋場之使用年限且不符合經濟效益；此外長期掩埋廢棄輪胎常會滑出掩埋地表面或破壞掩埋場之防漏包覆層[24]，隨意棄置亦會成 ©2010 National Kaohsiung University of Applied Sciences, ISSN 1813-3851

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為病媒蚊等害蟲的溫床，不僅對環境產生危害，且發生火災或燃燒時產生之戴奧辛更是破壞環境的元兇，因此，廢輪胎處置的問題對環境影響是非常重要的[25、26]。在世界上有國家曾立定政策要求各項建設必須使用一定數量的廢輪胎。以美國為例，美國曾1991 年訂定條款，強制各州政府在瀝青鋪面上必須使用一定數量之廢輪胎橡膠，後因許多包括技術不夠成熟等複雜因素，而終止條款，目前各州皆有屬各自的條款。亞利桑那州在廢輪胎橡膠應用於路面上有相當好的成果，並主張使用越級配或開放級配摩擦層，而非密級配摩擦層。橡膠瀝青雖成本高，但使用年限比一般瀝青還要長，具有其經濟價值[27]。目前國內外皆有人針對橡膠粉粒取代混凝土中的細粒料，加入混凝土中進行各項研究。其結果發現，由於橡膠的比重較一般常重骨材輕，當橡膠粉加入混凝土中，隨著取代量的提高，其坍度會變小，工作性降低，抗壓強度與劈裂拉伸強度有明顯下降的趨勢[28~31]耐久性方面，添加橡膠粉於混凝土中，因橡膠本身不吸水，除吸水率下降外，能有效的阻抗氯離子滲透，並擁有良好的抗凍融性[32、33、34]。一般人視為垃圾的廢輪胎，經粹裂後的橡膠粉末添加在混凝土中，可以作為瀝青混凝土鋪面[35、36]，可增加路面的彈性及路面摩擦力加使用壽命[37]，延長路面的使用年限，橡膠混凝土優良的延性也能利用結構物抗震，Fattuhi and Clark(1996)發現，橡膠混凝土具有輕質、吸音、減振等特性，可應用在鐵道工程、高速公路工程上[38]；Eldi 和 Senouci 將經破碎處理後的廢橡膠輪胎碎片加入混凝土，其抗壓和抗拉強度皆降低，但韌性及抗彎能力卻明顯提升[39、40]若善加回收利用也能創造龐大商機。如何將其回收再利用，亦為一值得探討的課題。本研究擬將飛灰、爐石粉、橡膠粉與玻璃砂等四種再生綠建材應用與輕質骨材混凝土內，另外再拌製一組常重混凝土，以研究相互比較其工程性質，並分析新拌、硬固、耐久等性質之試驗結果。藉以評估綠建材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 試驗材料與配比

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。廢液晶玻璃砂由壓碎機壓碎後，通過篩號為#4，以達近似天然細骨材之粒徑，玻璃砂物化性及粒徑分佈其化學分析表 1 所示。廢輪胎橡膠粉採用台灣水刀公司產製之廢棄輪胎橡膠，經水刀處裡過後，其細度為#30 其物化性分析如表 2 所示。輕質骨材取自台灣石門水庫淤泥經脫水、造粒燒結製成輕質骨材顆粒，依照ASTM C33 及 CNS 3691 進行篩分析後，過濾部份過大、小之粒徑顆粒，以降低粒徑對吸水率之影響，再將輕質骨材預先浸水24 小時以上，以減少輕質骨材內部之大量吸水能力，降低水膠比之影響。輕質骨材基本性質表3 所示。配比表如 4 所示。

2.2 試驗變數與方法

本研究針對再生綠建材應用於輕質骨材混凝土和一般常重混凝土之中進行探討其差異，固定水膠比（W/B=0.4），以再生綠建材取代一般砂（0%、5%、10%），拌合成輕質骨材混凝土和一般常重混凝土並探討其新拌性質、硬固性質、耐久性質，並從中尋找各再生礦粉掺料最佳替代含量。本研究各組新拌混凝土皆進行坍度試驗。工程性質於7、28、56 天齡期進行如抗壓及超音波速等試驗。混凝土坍度試驗依據CNS 1176；單位重試驗依據 CNS 11151；抗壓強度試驗依據 CNS 1232 標準測定；劈裂強度試驗依據 CNS 3801 標準規定；超音波試驗依據 ASTM C597 標準測定。

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3. 結果與分析

3.1 新拌性質

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 150mm~180mm，各組混凝土拌和後均無目視的泌水及析離現象，如圖1 所示，常重混凝土坍度值為 150mm~173mm，輕質混凝土坍度值為151mm~175mm 之間，各組皆符合設計坍度範圍。添加廢玻璃砂 5%、10%時，其坍度增加 6mm~15mm，其原因可能是廢玻璃砂是為片狀顆粒，且為不規則的形狀有凌有角，顆粒跟顆粒之間會有個互制的影響，雖然本身不容易流動，但水分具有潤滑的作用，因此對坍度有較大的提升作用。而各添加廢橡膠粉坍度值皆比控制組小，隨著廢橡膠粉的添加量增加，坍流度值也會跟著減少，此結果與熊杰[41]所述混凝土加入橡膠粉時，會使混凝土工作度下降相符合。圖 2 所示，綠建材輕質骨材混凝土單位重因廢玻璃砂(2.42)與廢橡膠粉(0.95)的比重較一般砂輕，故隨取代量增加，混凝土新拌單位重降低。

3.2 抗壓強度

圖3 所示，輕質骨材混凝土於齡期 7 天時，抗壓強度為 24~35.7MPa，齡期 28 天抗壓強度為 32.3~46MPa，各組皆大於常重混凝土5~33%，亦齡期 91 天以廢玻璃砂取代量 5%為各組最高達 50MPa，隨著廢玻璃砂與廢橡膠粉取代量之增加，抗壓強度有下降趨勢。加添廢橡膠粉抗壓強度為最低，廢橡膠粉使用在混凝土抗壓強度下降的原因有兩方面：(1)橡膠為彈性體，其自身強度遠小於砂的強度，將其加入混凝土中會降低原本混凝土的的抗壓性能。(2)橡膠為一種有機高分子的材料，填充到混凝土中，材料界面之間的結合會變得比較脆弱，因此當混凝土受到外力作用時，很容易沿著材料界面處破壞。

3.3 劈裂強度

隨著齡期的發展輕質骨材比常重骨材之劈裂強度有較高的趨勢，圖4 所示，各組比較下以廢玻璃砂取代量 5%為最高皆高於控制組(N，L)，而廢橡膠粉取代量 5%及 10%皆低於控制組，隨著取代量最高，劈裂抗張強度也隨之下降。混和二種廢玻璃砂與廢橡膠粉之劈裂強度低於控制組但比單一廢橡膠之組別有較高的強度。顯示混和二種材料比單一使用廢橡膠有較高的效益。

3.4 反彈錘數預估強度

圖5 所示，實際平均強度分佈為 39~44MPa，反彈錘預估強度為 34~57 MPa 之間，經誤差值公式求得誤差值位於-20%~40%之間，而預估強度平均高於實際抗壓強度，造成反彈錘精確度偏低或高原因很多，如:撞桿直接撞擊粗骨材、孔隙、水泥種類、骨材種類、重量、接觸條件、表面形式、養護條件、表面碳化、濕度、溫度、受力情形或水泥漿體，都會造成反彈值過高或高低；粗糙的混凝土表面造成試驗時局部壓碎使反彈值偏低；諸多因素使反彈直因環境或是人為有不同誤差產生。

3.5 超音波波速

超音波波速之快慢，反應出混凝土內部均勻性與緻密性質，為最直接之非破壞性試驗方式。超音波速容易受到齡期、水膠比、水泥用量、水及骨材性質的影響，而使得波速及傳遞的路徑也就會有所不同。一般而言粗骨材的波傳速度會大於細骨材，細骨材的波傳速度會大於水泥砂漿，所以當混凝土的粗骨材越多，相同單位體積情況下，波傳速度越越快，且當用水量及空隙多則會降低波傳速度。圖6 所示，常重混凝土其齡期 7 天之超音波波速為3552~4034 m/s，齡期 28 天超音波波速為 3719~4204 m/s，比起輕質混凝土齡期 7 天超音波波速 3310~3728 m/s，齡期 28 天超音波波速 3531~3926 m/s 較高。各取代量中以廢玻璃砂取代量 10%為最高。因廢液晶玻璃砂比重較小於天然河砂比重，以同樣重量來添加於混凝土內部，因廢玻璃砂其體積較大，且較小的廢

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玻璃砂可填空天然河砂其孔隙，減少混凝土內部孔隙，因此隨廢液晶玻璃砂取代量增加時，超音波波速也隨之增加；而以廢橡膠粉取代量10%之超音波波速為最低。

4.結論

1. 固定水膠比 0.4 ，常重混凝土其坍度分別為 ( 廢玻璃砂 )160~173mm 、 ( 廢橡膠粉 )150~153mm 、 ( 混和)150~154mm 。輕質混凝土坍度分別為 ( 廢玻璃砂 )164~175mm 、 ( 廢橡膠粉 )152~156mm 、 ( 混和)151~154mm。皆符合設計坍度 150mm~180mm。 2. 輕質骨材混凝土7 天齡期抗壓強度可達 35.7MPa，晚齡期 91 時抗壓強度高達 56MPa，以廢玻璃砂取代量 5%時，其抗壓強度最高。而全組輕質骨材混凝土抗壓強度皆比常重混凝土佳。以材料取代時抗壓強度發展依序為，添加廢玻璃砂5%、控制組、廢玻璃砂 10%、混合材料、廢橡膠粉 5%及廢橡膠粉 10%。 3. 添加綠建材於輕質混凝土有較佳劈裂強度，並以廢玻璃砂取代量5%為最高，以廢橡膠粉取代量 10%為最低，混和二種材料比單一使用廢橡膠有較高的效益。 4. 常重混凝土與輕質骨材混凝土各組施打反彈錘預估強度其誤差值範圍均落在-20%~40%。 5. 齡期91 天時，常重混凝土超音波波速(3914~4530 m/s)。較輕質混凝土 (3637~4388 m/s)高。各取代量中以廢玻璃砂取代量10%為最高，以廢橡膠粉取代量 10%為最低。

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表1 水泥、飛灰、爐石及廢液晶玻璃的化學組成. unit：%

Items SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 K2O Na2O TiO2 P2O5 LOI

Cement 20.74 4.65 3.1 62.85 3.43 2.36 - - - - 2.11 Fly ash 48.27 38.23 4.58 2.84 - - 1.16 0.2 1.42 - 5.38

Slag 35.47 13.71 0.33 41 6.6 - - - - LCD glass 62.48 16.67 9.41 2.7 - - 0.2 0.64 0.01 0.01 -

表2 廢輪胎粉的物性及篩分析.

Sieve NO. #30 #50 #100 Chassis Fineness modulus Specific gravity #20~40 121 56.9 65.5 9.6 2.17 0.95 #50~100 2.1 165.5 135 1.8 1.56 0.95

表3 骨材的物理性質.

Coarse Lightweight Fine Properties of Aggregates

Aggregates Aggregates Aggregates

Specific Gravity 2.65 1.35 2.61 Water Absorption in 30min (%) - 4.6 -

Water Absorption in 24hr (%) 0.87 10 2.67 Maximum size(in) 1/2" 3/8" - Finess Modulus (FM) 6.66 6.28 2.84

Dry-rodded unit weight (kg/m3₎_{1572 901 1750}

表4 配比單位重. (kg/m3₎

Binding materials Coarse Substation Fine aggregate NO.

Cement Fly ash Slag aggregate % Sand Glass Rubber Water

N 0 885 - - NG5 5 840.7 44.2 - NG10 10 796.5 88.5 - NR5 5 840.7 - 44.2 NR10 10 796.5 - 88.5 NGR5 2.5 840.7 22.1 22.1 NGR10 398 32 32 872 5 796.5 44.25 44.25 185

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L 0 690 - - LG5 5 655.5 34.5 - LG10 10 621.0 69.0 - LR5 5 655.5 - 34.5 LR10 10 621.0 - 69.0 LGR5 2.5 655.5 17.25 17.25 LGR10 545 5 621.0 34.5 34.5 C G5 G10 R5 R10 GR5 GR10 130 140 150 160 170 180

W/B=0.4

Slum p (mm) Mix Samples

Normal aggregate

Lightweight aggregate

圖1 綠建材輕質骨材混凝土之坍度

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0% G 5% G 10% R 5% R 10% GR 5% GR 10% 0 600 1200 1800 2400 Unit weight(kg/m3) Gl a s s an d ru bb er c o nt en t Lightweight aggregate Normal aggregate 圖2 綠建材輕質骨材混凝土之單位重 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Normal aggregate

W/B=0.4

Compres s iv e st rengt h (MP a ) Age (Day) Lightweight aggregate C G5 G10 R5 R10 GR5 GR10

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圖3 綠建材輕質骨材混凝土之抗壓強度 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Normal aggregate

Splitting Tenslie Strength (M

Pa) Age (Day) N NG5 NG10 NR5 NR10 NGR5 NGR10 Lightweight aggregate

W/B=0.4

L LG5 LG10 LR5 LR10 LGR5 LGR10 圖4 綠建材輕質骨材混凝土之劈裂強度 10 20 30 40 50 60 -40 -20 0 20 40 60

Glass & Rubber = 5,10%

W/B=0.4

Er

ror (%)

Compressive strength (MPa)

NGR5 NGR10 LGR5 LGR10

(10)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 3200 3400 3600 3800 4000 4200 4400 4600 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Normal aggregate Ul tr ason ic Pul s e V e lo ci ty ( m /s) Age (Day) Lightweight aggregate

W/B=0.4

C G5 G10 R5 R10 GR5 GR10 圖6 綠建材輕質骨材混凝土之超音波速

再生綠建材對輕質骨材混凝土工程性質影響之研究