專論：新型爐灰混凝土工程性質之研究 中華民國99年12月 25
摘 要
環境保護與永續發展近年來深受全球重 視，因此如何有效的處置廢棄物，使之成為 有益綠色資源材料至為重要。本研究以開發 一種含水淬高爐石、轉爐石及飛灰混合之新 型卜作嵐膠結性材料，亦稱新型爐灰，取代 部分水泥製作成高流動混凝土，進行新拌性 質(工作度、泌水量、單位重、裂縫敏感度) 與硬固性質(抗壓強度、超音波速、表面電阻 )等試驗驗證其工程性質、均勻性及可能之收 縮狀況。試驗計畫上，設計強度為210kg/cm2 ，高流動混凝土水泥與新型爐灰之比例為 3：7，設計水量180 kg/m3。試驗結果顯示， 新拌性質皆能符合規範要求，工程性質經過 驗證結果是良好，此將可擴大未來爐石材料 應用範圍，並提供工程上一種新型綠建材與 實做經驗，同時亦能降低水泥用量與提升混 凝土性能，達到節能減碳，安全與永續之理 想。一、前
言
環境保護與永續發展近年來深受全球重 視，因此如何有效的處置廢棄物，使之成為 有益綠色資源材料至為重要。而發展中的工 業國家，每年都有大量的工業廢棄物產生(1) ，例如火力發電廠燃煤發電，以靜電集塵器 收集而成的飛灰，以及煉鐵過程中排出產生 之礦渣，在過去皆被視為一種廢棄物，而採 取棄置掩埋處理，既浪費了大量的寶貴資源 ，亦易造成環境破壞。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(2)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。 礦物摻料對混凝土材料性能的提升上， 不單只侷限在化學效應上，而應同時考量它 對水泥混凝土基體的物理緻密填充效應上(3) 。而礦物摻料之微細顆粒填充於混凝土組成 材料的空隙中，使其增加密實性；同時礦物新型爐灰混凝土工程性質
之研究
王和源
國立高雄應用科技大學 土木工程與防災科技研究所 教授黃兆龍
國立台灣科技大學 營建工程所教授林平全
中聯資源(股)公司 技術室主任許伯良
中聯資源(股)公司 研發工程師余志偉
國立高雄應用科技大學 土木工程與防災科技研究所 研究生26 中工高雄會刊 第18卷 第2期 摻料加入混凝土中，發生二次水化反應(即卜 作嵐反應)，混凝土內部達化學強化效果，從 而填充於混凝土空隙與孔隙，進而強化混凝 土微結構的作用。因此，對於礦物摻料的使 用上，常根據各摻料之材料特性，而共同摻 合兩種或三種礦物摻料，可提升混凝土品質 性能，如高雄東帝士85大樓、台北101連續壁 及基樁工程、台北遠企、中鋼公司預力混凝 土軌道枕及南港車站SCC工程等(3)。 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 ，表為卜作嵐礦粉摻料的種類及材料。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，少用水泥對環境汙染的 影響及衝擊也會降低。一般卜作嵐材料在混 凝土中可用來取代部分水泥或細粒料時，其 主要的化學反應包括催化性水化反應及卜作 嵐反應(4)，而催化性水化反應係指爐石粉或 含鈣質較高的C類飛灰，因受到外來鹼質物 的刺激而能產生水化之反應作用；卜作嵐反 應係卜作嵐材料內含有氧化矽及氧化鋁成分 ，在有水分環境下，會與水泥水化產物CH 、NH及KH產生水化反應形成低密度C-S-H 膠體，因而能充填微孔隙提高混凝土水密性 及強度。因此卜作嵐材料應用在混凝土之主 要目的包括改善混凝土工作性、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(4)。 國內飛灰以F級(低鈣)飛灰居多，氧化鈣 含量低於10%，主要為無煙煤與煙煤的燃燒 產物，且含有高量的二氧化矽與氧化鋁。當 飛灰使用為卜作嵐混凝土摻料時，飛灰粒子 的顆粒粒徑分布、型態學和表面特性，會對 新拌混凝土需求拌合水量和工作性及硬固混 凝土的強度發展速率產生相當程度的影響。 應用飛灰於混凝土中有以下的特性(4)： 1.利用飛灰取代混凝土中部分水泥或填充細 骨材間隙，可能對早其強度有所折損，但 能有效填塞顯微孔隙，提升晚期強度，在 不失安全性考量下增加混凝土耐久性。 2.飛灰為火力發電廠之副產品，價格較水泥 低甚多，若以適量飛灰取代水泥，除有效 降低混凝土製造成本外，亦可間接減少生 產水泥CO2排放與能源耗用，達到資源再生 利用與的球生態保護的目的。 3.飛灰為圓球形顆粒，英用於混凝土中可因 軸承效應明顯改善新拌混凝土的流動性， 對工作性之提升有明顯的助益。 至於一貫作業煉鋼廠在以高爐煉鐵過程 中，每生產一噸生鐵伴隨著產生約300公斤的 高爐爐渣。爐渣由高爐排出冷卻所得之固體 物，稱為高爐石，依冷卻方式的不同，可分 為水淬高爐石與氣冷爐石二種(4-6)。早期氣冷 高爐石被用於填路基，或用做混凝土骨材。 水 淬 高 爐 石 研 磨 後 稱 為 高 爐 石 粉 ， 依 CNS12549之規範將爐石粉依照活性分成80 、100、120三種等級。 水淬高爐石由於含高量玻璃質而具有潛 在的膠結能力，若加以磨成細粉與水泥混合 使用則產生卜作嵐反應，形成類似水泥熟料 之水化物C-S-H膠體，與由水泥主成分形成 之水化物C-S-H膠體性質相同，因此可用以 適量替代水泥；另外顆粒微細之高爐石粉， 若做為填加料摻用於混凝土，則可減少水泥 漿中之孔隙，增加混凝土之緻密性，而增進
專論：新型爐灰混凝土工程性質之研究 中華民國99年12月 27 混凝土之耐久性，亦可提升混凝土之品質(4) 。 通常自轉爐用鐵水吹煉一噸鋼時，大約 產 生130公斤之冷卻固體物，稱為轉爐石 (Basic Oxygen Furnace Slag)，圖1為爐石、飛 灰、水泥之三相平衡圖(7,8)，因受限於其膨脹 特性等限制，已往常作為填海造陸圍堤背填 、土木工程填方、掩埋場便道級配，其中絕 大部分集中於工程填方與道路的應用，所以 經濟上的成本回收並不是很明顯，大多是屬 於解決轉爐石的處理問題，若能增加其應用 的方向，則不但可以解決其處理問題，更可 創造更大的經濟價值，以日本為例，其每年 轉爐石在水泥方面的應用約為400～500千噸 ，占其有效利用率的6 %。 圖1 爐石、飛灰與水泥成份CaO-Al2 O3-SiO2相位 平衡圖(7,8) 一般而言由於轉爐石含鐵量較高，因此 其密度較高爐石為大，具有耐磨性。轉爐石 之單位容積重量受到成分的影響，且與粒度 有關。當轉爐石中CaO/(SiO2+P2O3)之比值大 於1.8時，便含有60-80%的C3S和C2S等具有 水硬膠結性之活性礦物，並且隨著比值(鹼度 )提高，C3S 含量也增加，當鹼度高於2.5的 轉爐石與10%的石膏研磨，其強度可達一般 水泥之程度。因此，C3S、C2S含量高的高鹼 度轉爐石，可作為水泥生產原料和製造建材 製品。另外轉爐石含游離氧化鈣(f-CaO)、 MgO、C3S、C2S等，這些組成在一定條件下 較具有不穩定性。另外，轉爐石吸水後，f-CaO 會消解為氫氧化鈣Ca(OH)2，體積將會膨脹 100 ～ 300% ， MgO 會 消 解 為 氫 氧 化 鎂 Mg(OH)2，體積膨脹約77%。因此含有f-CaO 、MgO的常溫轉爐石是處於不穩定狀態，只 有當f-CaO、MgO消解完成或含量很少時， 才會穩定。 如何依據各項材料的特性善加以組合利 用已是當今響應節能減碳之際最重要的課題 之一。本研究係利用中聯公司所開發之新型 爐灰(結合高爐石、轉爐石及飛灰)進行結構 用混凝土配比設計與工程應用品質控制。預 期可完成新型爐灰於普通混凝土及高性能混 凝土配比設計，瞭解新型爐灰混凝土與一般 飛灰爐石混凝土新拌、硬固性質差異，累積 新型爐灰混凝土實際工程應用施做經驗，進 而提高新型爐灰使用之經濟價值。
