使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究

使用爐碴

(石)對於混凝土力學與

耐久性能之研究

PG10101-0419

使用爐碴

(石)對於混凝土力學與

耐久性能之研究

受 委 託 者 ：國立臺灣海洋大學

研究主持人：黃 然

協同主持人：紀茂傑

研 究 員：陳君弢

研 究 助 理 ：蔡嘉榮

內 政 部 建 築 研 究 所 委 託 研 究 報 告

目次

表次

... III

圖次

...V

摘要

... XI

第一章

緒 論 ...1

第一節

研究緣起與背景

...1

第二節

研究目的與範圍

...3

第三節

研究方法

...4

第二章

蒐集資料、文獻分析 ...7

第一節

鐵、鋼製程與爐碴

...7

第二節

鐵、鋼碴之應用性與相關研究

...17

第三節

使用爐碴之相關規定

...27

第三章

試驗計畫 ...37

第一節

試驗計畫流程

...37

第二節

試驗變數、配比及材料

...38

第三節

試驗方法、儀器或設備

...50

使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究

第四章

試驗結果與討論 ...59

第一節

鐵、鋼碴水泥砂漿試驗結果

...59

第二節

鐵、鋼碴混凝土試驗結果

...95

第三節

混合鋼鐵碴水泥砂漿試驗結果

...100

第四節

節能減碳效益分析

...102

第五章

結論與建議 ...105

第一節

結論

...105

第二節

建議

...106

附錄一

期初審查意見及回應 ...109

附錄二

期中審查意見及回應 ...113

附錄三

期末審查意見及回應 ...117

參考書目

...121

表次

表

2-1 世界鋼產量(2000 至 2009 年) ...11

表

2-2 世界鐵產量(2000 至 2009 年) ...15

表

2-3 鋼鐵爐碴資源化近況

[29]

...21

表

2-4 經濟部事業廢棄物再利用種類及管理方式

[40]

...27

表

2-5 混凝土用飛灰及天然或煆燒卜作嵐攙和物化學成分標準規定(CNS 3036)31

表

2-6 混凝土用飛灰及天然或煆燒卜作嵐攙和物物理性質標準規定(CNS 3036)31

表

2-7 水淬高爐爐碴化學成分標準規定(CNS 12223) ...32

表

2-8 水淬高爐爐碴物理性質標準規定(CNS 12223) ...33

表

2-9 混凝土及水泥砂漿用水淬高爐爐碴粉化學成分標準規定(CNS 12549).33

表

2-10 混凝土及水泥砂漿用水淬高爐爐碴粉物理性質標準規定(CNS 12549) ..34

表

2-11 道路用高爐爐碴之粒徑標準規定 ...35

表

2-12 道路用高爐爐碴之物理性質標準規定(CNS 11824) ...35

表

2-13 道路用高爐爐碴之化學成分標準規定(CNS 11824) ...35

表

3-1 鐵、鋼碴水泥砂漿試驗配比 ...39

表

3-2 鐵、鋼碴混凝土試驗配比 ...40

表

3-3 混合鋼、鐵碴水泥砂漿配比 ...40

使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究

表

3-6 鋼碴化學成分 ...43

表

3-7 細粒料篩分析 ...43

表

3-8 粗粒料篩分析 ...44

表

3-9 累積通過電量對氯離子穿透指標評估表...55

表

4-1 混凝土組成材料碳排放量

[53]

...102

圖次

圖

1-1 研究流程圖 ...5

圖

2-1 鐵碴產出及再利用示意圖 ...8

圖

2-2 鋼碴產出流程圖 ...10

圖

2-3 鐵、鋼爐碴產出量及處理示意圖

[6]

...17

圖

2-4 全球水泥產量(含預估值)

[25-26]

...18

圖

2-5 大氣中二氧化碳、氧化碳及甲烷濃度成長趨勢圖(~2005 年)

[27]

...19

圖

2-6 卜特蘭水泥與爐碴三相圖

[6,20,28]

...20

圖

2-7 普通水泥砂漿與鋼碴混合水泥砂漿成分分析

[21]

...22

圖

2-8 普通水泥砂漿與鋼碴混合水泥砂漿 SEM 圖(X2500)

[21]

...23

圖

2-9 南星計畫區域示意圖

[34]

...24

圖

2-10 國道六號南投段示意圖

[35]

...25

圖

2-11 關西國際機場

[36]

...26

圖

2-12 明石海峽大橋

[37]

...27

圖

3-1 試驗流程圖 ...38

圖

3-2 鋼碴粒徑分佈圖(細度 4000 cm

2

/g)...44

圖

3-3 鋼碴粒徑分佈圖(細度 6000 cm

2

/g)...45

2

使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究

圖

3-6 轉爐爐碴外觀 ...46

圖

3-7 研磨後之轉爐爐碴外觀 ...47

圖

3-8 電弧爐爐碴外觀 ...47

圖

3-9 研磨後之電弧爐爐碴外觀 ...48

圖

3-10 天然粒料外觀 ...48

圖

3-11 篩後之電弧爐鋼碴外觀 ...49

圖

3-12 篩後之氣冷高爐鐵碴外觀 ...49

圖

3-13 混凝土透水試驗裝置 ...50

圖

3-14 圍塘試驗裝置 ...51

圖

3-15 圍塘試驗試體處理 ...52

圖

3-16 加速碳化箱 ...53

圖

3-17 加速氯離子滲透試驗裝置 RCPT ...55

圖

3-18 掃描式電子顯微鏡(SEM S-4800) ...56

圖

3-19 X 光繞射分析儀(XRD)...57

圖

3-20 流度台 ...57

圖

4-1 轉爐鋼碴水泥砂漿流度 ...60

圖

4-2 轉爐鋼碴水泥砂漿流度照片(10000 cm

2

/g)...60

圖

4-3 普通水泥砂漿流度照片 ...61

圖

4-4 電弧爐鋼碴水泥砂漿流度 ...62

圖

4-5 電弧爐鋼碴用量與水泥砂漿流度關係圖...62

圖

4-6 水淬高爐鐵碴水泥砂漿流度 ...63

圖

4-7 轉爐鋼碴水泥砂漿凝結時間 ...64

圖

4-8 不同取代量之轉爐鋼碴水泥砂漿初終凝時間...65

圖

4-9 不同細度之轉爐鋼碴對水泥砂漿初終凝之影響...66

圖

4-10 電弧爐鋼碴水泥砂漿初終凝時間 ...67

圖

4-11 不同細度電弧爐鋼碴水泥砂漿初終凝時間 ...68

圖

4-12 水淬高爐鐵碴水泥砂漿初終凝時間...69

圖

4-13 不同取代量之水淬高爐鐵碴水泥砂漿初終凝時間...70

圖

4-14 鐵、鋼碴粉水泥砂漿初終凝時間 ...71

圖

4-15 轉爐鋼碴水泥砂漿抗壓強度 ...72

圖

4-16 轉爐鋼碴水泥砂漿試體膨脹及龜裂(細度 4000 cm

2

/g)...73

圖

4-17 轉爐鋼碴粉水泥砂漿試體膨脹及龜裂(細度 6000 cm

2

/g)...73

圖

4-18 轉爐鋼碴細度及添加量抗壓強度關係圖(91 天) ...74

圖

4-19 轉爐鋼碴水泥砂漿不同養護齡期抗壓強度發展圖...74

圖

4-20 電弧爐鋼碴水泥砂漿抗壓強度 ...75

圖

4-21 電弧爐鋼碴細度及添加量抗壓強度關係圖 91 天...76

圖

4-22 電弧爐鋼碴水泥砂漿不同養護齡期抗壓強度關係圖...76

圖

4-23 水淬高爐鐵碴砂漿抗壓強度 ...77

使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究

圖

4-26 氯離子含量與滲透深度曲線 ...79

圖

4-27 氯離子擴散速率 ...80

圖

4-28 普通水泥漿試體 SEM 圖(X 3000)...81

圖

4-29 轉爐鋼碴取代量 10 %之水泥漿試體 SEM 圖(X 3000)...81

圖

4-30 轉爐鋼碴取代量 30 %之水泥漿試體 SEM 圖(X 3000)...82

圖

4-31 轉爐鋼碴取代量 50 %之水泥漿試體 SEM 圖(X 3000)...82

圖

4-32 轉爐鋼碴取代量 70 %之水泥漿試體 SEM 圖(X 3000)...83

圖

4-33 轉爐鋼碴漿試體 SEM 圖(X 3000)...83

圖

4-34 轉爐鋼碴漿試體 SEM 圖(X 20000)...84

圖

4-35 轉爐鋼碴水泥砂漿表面外觀(取代水泥 50 %) ...85

圖

4-36 轉爐鋼碴水泥砂漿試體(取代水泥 50 %)剖面圖 ...85

圖

4-37 轉爐鋼碴水泥砂漿之白色顆粒 SEM 圖(X100)...86

圖

4-38 轉爐鋼碴水泥漿不同養護齡期之水化產物 SEM 圖

[19]

...86

圖

4-39 電弧爐鋼碴取代量 10 %之水泥漿試體 SEM 圖(X 3000)...87

圖

4-40 電弧爐鋼碴取代量 30 %之水泥漿試體 SEM 圖(X 3000)...88

圖

4-41 電弧爐鋼碴取代量 50 %之水泥漿試體 SEM 圖(X 3000)...88

圖

4-42 電弧爐鋼碴取代量 70 %之水泥漿試體 SEM 圖(X 3000)...89

圖

4-43 電弧爐鋼碴 SEM 圖(X 3000)...89

圖

4-44 電弧爐鋼碴漿試體 SEM 圖(X 3000)...90

圖

4-45 水淬高爐鐵碴取代量 10 %之水泥漿試體 SEM 圖(X 3000)...91

圖

4-46 水淬高爐鐵碴取代量 70 %之水泥漿試體 SEM 圖(X 3000)...91

圖

4-47 轉爐鋼碴不同取代量之水泥漿 X 光繞射分析...92

圖

4-48 電弧爐鋼碴不同取代量之水泥漿 X 光繞射分析...93

圖

4-49 水淬高爐鐵碴不同取代量之水泥漿 X 光繞射分析...94

圖

4-50 鐵、鋼碴混凝土抗壓強度 ...95

圖

4-51 鐵、鋼碴混凝土劈裂強度 ...96

圖

4-52 鐵、鋼碴混凝土 RCPT 結果 ...97

圖

4-53 鐵、鋼碴混凝土加速碳化試驗結果...98

圖

4-54 鐵、鋼碴混凝土抗硫酸鹽試驗結果...99

圖

4-55 鐵、鋼碴混凝土透水試驗結果 ...100

圖

4-56 鐵、鋼碴水泥砂漿抗壓強度(取代量 30 %) ...101

圖

4-57 鐵碴、鋼碴混合之水泥砂漿抗壓強度(電弧爐鋼碴) ...101

圖

4-58 鐵碴、鋼碴混合之水泥砂漿抗壓強度(轉爐鋼碴) ...102

圖

4-59 不同取代量之飛灰及爐石混凝土碳排放量

[53]

...103

摘要

關鍵詞：鐵碴、鋼碴、耐久性、節能減碳 一、研究緣起

煉鐵過程中會產生高爐石(碴)(又稱鐵碴)，依其冷卻方式可分為水淬與氣冷高爐石 (碴)兩類；煉鋼過程中會產生鋼碴，依使用的煉鋼爐可分為轉爐爐碴與電弧爐爐碴 等。水淬高爐石為非結晶結構具有活性，主要化學成分為 SiO2、Al2O3及 CaO 等，研 磨至一定細度的水淬高爐石粉，可代替部分卜特蘭水泥做為混凝土的膠結料，應用方 式可分為(1)於水泥廠製作爐石混合水泥，(2)於預拌廠拌製混凝土時加入混合及(3)利 用鹼液激發水淬高爐石粉製作爐石混凝土。在節能減碳永續的需求下，大量減用卜特 蘭水泥是目前混凝土科技研發的主要課題，適量的使用爐石除可減用水泥或天然粒料 外，亦能增進混凝土性能如耐久性等，符合永續混凝土或生態混凝土的需求。 二 、 研 究 方 法 與 過 程 本研究主要探討水淬高爐石做為混凝土膠結料的技術內涵，包括使用量、使用條 件與限制條件等。另外探討兩碴(鐵碴與鋼碴)混合應用的可行性與效益性。利用適當的 試驗計畫，訂定試體進行試驗。試驗變數包括水淬高爐、鋼碴(電弧爐鋼碴、轉爐鋼碴) 細度、使用方式、鐵碴與鋼碴的用量(代替水泥或粒料的比例)，再利用相關力學試驗(如 抗壓試驗、劈裂試驗等)、物理或耐久試驗及微觀觀察(如 SEM、X 光繞射分析等)，綜 合評估爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性的影響(RCPT、加速碳化試驗、圍塘試驗等)。 三 、 重 要 發 現 水淬高爐爐石(鐵碴)、轉爐鋼碴及電弧爐鋼碴，均可依一定的比例代替部分水泥 做為輔助性膠結料，其中鐵碴可以 70 wt %替代水泥，而鋼碴僅能以 10 wt %替代水 泥；鋼鐵碴混合以30 wt %(20 %轉爐鋼碴+10 %鐵碴，10 %轉爐鋼碴+20 %鐵碴)替代 水泥，28 天試體抗壓強度較控制組高，鐵碴及鋼碴細度對於試體 91 天抗壓強度無明顯 影響。

使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究 四 、 主 要 建 議 事 項 建議一 立即可行之建議 ─ 鐵碴或鋼碴做為混凝土的輔助膠結料或填充料之延續研究 主辦機關：社團法人中華民國建築技術學會、社團法人台灣混凝土學會 協辦機關：國立台灣海洋大學河海工程學系、國立台灣科技大學營建系、 國立交通大學土木系 依本研究試驗結果發現，鐵碴及鋼碴均可做為混凝土的輔助膠凝料，鐵碴可依 70 wt % 替代水泥，而鋼碴以10 wt %替代水泥，對水泥砂漿抗壓強度折減約 0.19 %~ 6.75 %影響甚 微，建議日後可進行相關延續性研究，以達開發資源再利用之效益。 建議二 立即可行之建議 ─ 鋼碴做為混凝土粒料之延續研究 主辦機關：社團法人中華民國建築技術學會、社團法人台灣混凝土學會 協辦機關：國立台灣海洋大學河海工程學系、國立台灣科技大學營建系、 國立交通大學土木系 依本研究試驗結果發現，鐵碴或鋼碴可以做為混凝土的填充料，其中以電弧爐鋼 碴表現最佳，或可依100 vol %替代天然粗粒料，且較不影響混凝土之抗壓強度，建議 日後可進行相關延續性研究，以達開發資源再利用之效益。 建議三 長期性建議 ─ 創新水泥質複合材料研發 主辦機關：內政部建築研究所

協辦機關：社團法人台灣混凝土學會，社團法人台灣區水泥製品同業公會、國立台灣海洋 大學河海工程學系、國立台灣科技大學營建系、國立交通大學土木系 研究發現，鋼鐵碴混合以 30 wt %替代水泥，其 28 天抗壓強度皆較控制組高(20 % 轉爐鋼碴+10 %鐵碴強度增加 5.7 %，10 %轉爐鋼碴+20 %鐵碴強度增加 12.03 %)，值 得應用推廣，建議可針對混合水泥製程、鋼鐵碴混凝土耐久性或鹼活化爐石粉混凝土 特性進行更進一步探討。

ABSTRACT

Key Words：steel slag、iron slag、durability、energy saving and emission reduction 1. Background

The slag is the by-product during the iron or steel manufacture. It is either cooled by air or quenched by water. Based on the furnace types used in the process, the steel slag is further classified as the Blast Oxygen Furnace Slag and the Electric Arc Furnace Slag. In general, the water-quenched slag with compositions of SiO2, Al2O3, and CaO is active and can be used by grinding to replace portions of the Portland cement as the binders in concrete. The applications of the steel slag include: (1) production of the slag cement in the cement industry;(2) production of the ready-mixed concrete with slag addition；(3) production of the alkali-activated water-quenched slag powders. With the increasing demand for low carbon and sustainability in construction, the ways to reduce the cement use are now important issues in concrete technology. With proper uses of the slag, not only the performance of concrete, such as durability, can be improved but also the consumptions of the cements and natural aggregates in concrete can be reduced so as to meet the requirements for making sustainable or ecological concrete.

2. Research Content

The purpose of this study is to explore the applications of the water-quenched steel slag in concrete and focus on the issues of the dosages, ways of addition, and limitation of use. The application of the mixture containing both the steel and iron slag is also studied. The experimental parameters in this study include the fineness, ways of addition, and dosages (proportions to replace the cement or the aggregates) of the slag. The mechanical properties and durability of the concrete with those slag addition are evaluated by the results of mechanical tests (ex. compressive and splitting strength tests), physical properties, durability, and microstructural analyses (ex. SEM, RCPT, and etc.).

使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究

(2) Flowability of mortar is affected by the fineness of steel slag but not by ggbs.

(3) Mechanical properties and durability of the concrete with slag replacement for coarse aggregate in concrete are suitable for practical application.

(4) Design procedure and mix design of slag concrete are proposed.

(5) Carbon reductions and energy-saving are verified by using slag in concrete.

(6) Graduate students obtain practical training on research and development on sustainable concrete.

第一章

緒 論

第一節

研究緣起與背景

十八世紀工業革命後，鋼鐵工業奠定堅強基礎。過去二次大戰期間鋼鐵的用途大 多用於鐵路工程、武器製造及少部分的民間建設。而今，隨著經濟大幅成長，人類生 活水平提升及物資需求增加，許多國家開始進行大規模的科技發展、基礎建設及提高 都市化程度，在產業蓬勃發展及國家政策引導下，鋼鐵業在產業發展所占的地位也日 益重要。這幾年鋼鐵產量大幅增加，伴隨而來的除了生活水平提升、經濟發展外，人 類同時面臨鋼鐵生產所帶來的大量工業廢棄產物，如鐵碴、鋼碴等。根據世界鋼鐵協 會所公佈的數據，1996 年全球粗鋼產量約 7.5 億 ton，2009 年粗鋼產量約 12.2 億 ton， 13 年間約增加了 1.6 倍，而亞洲是目前世界的鋼鐵中心，其中中國的鋼鐵產量最多， 2009 年產量 5.7 億 ton，佔全世界鋼鐵產量的 47 %，列居全球第 1，臺灣同年產量 0.16 億 ton 世界排名第 15[1, 2] 。因此對於工業廢棄物驚人的成長趨勢，有必要找出的利用 方案，促使資源有效使用。 爐碴係指各種金屬在萃取及提煉過程所產出的副產品，而各類爐碴是以提煉的方 法命名。一般的煉鐵冶煉法都是採用高爐法(blast furnace process)，但有時在冶煉少量 生鐵時也可能使用電爐法冶煉，因此煉鐵所產出的鐵碴又可稱為「高爐爐碴(blast furnace slag, BFS)」。至於煉鋼的方法大致有轉爐法（converter process）、電爐法（electric furnace process）、平爐法（open hearth process）、及坩堝法（crucible process）四種[3-5]。 其中比較常使用的有轉爐法及電爐法，而採用這兩種方法所產出的鋼碴又稱轉爐爐碴 (blast oxygen furnace slag, BOFS)及電弧爐碴(electric arc furnace slag, EAFS)。高爐爐碴 是來自鐵礦、焦炭、石灰石在高爐中煉製鐵水的過程所產出的副產品，平均每生產1 ton 的鐵水約產出300 kg 的爐碴；轉爐爐碴則由鐵水、鐵礦、焦炭、石灰石在轉爐中提煉 鋼胚所產出的副產品，每生產1 ton 鋼胚約產出 150 kg 爐碴；至於電弧爐碴是來自於回 收的廢棄鋼鐵、生石灰及合金鐵在電弧爐中提煉鋼胚所產出的副產品，每生產1 ton 鋼

使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究

冷卻在高溫下所產出的爐碴是無可避免的一項步驟，然而爐碴的冷卻方式與速率對爐 碴的性質有相當地影響，爐碴冷卻方式大致可分為氣冷及水淬(水冷)法兩種，氣冷係指 爐碴在一般自然環境下冷卻，緩慢的冷卻方式會使爐碴中SiO2、CaO 及 MgO 形成結晶 態的C-M-S 或 C3-M-S2，不利水化反應，在營建材料應用上較適合做為級配粒料或填 充料，而水冷係指利用噴灑水的方式使爐石快速冷卻，急速冷卻方式會使SiO2、CaO 及MgO 來不及反應生成結晶態，進而轉生成為玻璃質，具較高的水化活性，一般在營 建材料應用上較適合做為取代水泥的膠結料及填充料[11]。 混凝土是目前營建工程材料中使用最多的其中一種，而混凝土的製作需要使用到 大量的天然粒料及卜特蘭水泥。如前述，許多國家正積極推動基礎建設、提高都市化 程度，因而也導致許多原料過度開挖，可用的資源正逐漸在減少[12]，又近幾年全球暖 化與氣候變遷的現象已經越來越明顯，如何減少溫室氣體排放，減緩環境持續惡化的 問題已受到世界的關注。其中，二氧化碳是造成「溫室效應」的主要原因之一，而水 泥在生產的過程中會排放大量的二氧化碳，約佔全球5 %，在美國更是列入三大碳排放 來源之一。水泥生產除了二氧碳排放的問題外，另外還會產出約數百萬ton 的水泥窯燒 粉塵(cement kiln dust, CKD)，嚴重危害到環境及人體健康[13]。根據文獻，將鐵碴、鋼 碴 研 磨 成 粉 ， 可 做 為 取 代 卜 特 蘭 水 泥 的 輔 助 膠 凝 材 料(supplementary cementitious materials, SCMs)[14-18]，因此如能使用大量的鐵碴及鋼碴來取代混凝土中的膠結料卜特 蘭水泥及填充料天然粒料，將有機會同時解決三個問題。 鐵、鋼碴的種類、成分的比值、研磨細度及添加量或取代量，皆有可能影響到混 凝土力學性、耐久性等性質[19-23]。學者 Tongsheng 將高爐爐碴和轉爐爐碴研磨成平均 尺寸 60.24、30.79、15.17、5.74、1.43µm 等 5 種不同粒徑的爐石粉與水泥混合製作水 泥漿體，並由試驗結果發現爐石粉的平均粒徑小於15.17 µm 時，會增加水泥漿體早期 養護3 天的抗壓強度成長指數，而後期養護 91 天的抗壓強度成長指數則會下降，整體 而言以平均粒徑15.17 µm 表現最佳，最後再分別以水泥重量 30 %、50 %、60 %取代水 泥用量製作水泥漿體，並由抗壓強度試驗結果發現爐石粉以水泥重量30 %、50 %、60 %取代水泥時皆有不錯表現，其中以 30 %取代量的表現最佳[19]。學者Luckman 將電弧 爐碴研磨成可通過# 200 (平均粒徑約 75 µm)之爐石粉以取代水泥製作混凝土，並由抗 壓強度的結果發現其表現可媲美普通混凝土[20]。關於取代量的部分，研磨過後的鐵碴 依ASTM C 989 規定，取代量最高可達 70%(水泥重量比)，但 Escalant 曾在研究報告中

表示，工業副產物添加量或取代水泥量的比例過高時，反而會降低混凝土的某些力學 性質與耐久性，同時在文中也提到使用30 %、50 %及 70 %的爐石取代水泥時，結果顯 示抗壓強度隨水淬高爐石粉取代水泥量的增加而降低[24]。至於鋼碴的添加量方面，有 學者建議可添加10 % ~15 %(水泥重量比)[25]。因此本計畫預計將鐵碴及鋼碴研磨成平 均粒徑75、45、15µm 的爐石粉再進行相關之試驗，而在水泥取代量部分預計將研磨後 的鐵碴及鋼碴，以水泥重量比10 %、30 %、50 %及 70%的用量，來取代普通混凝土的 水泥。另外在混凝土粒料方面，擬選擇適當的鐵碴及鋼碴粒徑，以天然粒料體積50 % 和100 %的用量，來取代普通混凝土的天然粒料，最後在控制組則採用水灰比 0.5 之普 通混凝土製作混凝土試體。試驗方面除了包括力學和多項的耐久性試驗外，另外也加 入許多微觀性質試驗及分析，如SEM 的微觀觀察和 SEM 附屬的 EDS 元素分析，還有 XRD 的成分分析。本計畫規劃完整系列的各類試驗及分析項目，對於使用爐碴(石)在 混凝土力學與耐久性能方面進行深入探討，希望以抽絲剝繭的方式，找出鐵碴及鋼碴 應用於混凝土的最佳使用方式，以利營建產業的技術發展，最後期望能夠達到工業廢 棄物鐵碴及爐碴轉資源化以達資源再生利用及節能減碳之目的，滿足永續發展的最終 目標。

第二節

研究目的與範圍

本研究目的與範圍概括為以下四點： 1.探討以三種不同的爐碴來替代混凝土中水泥或天然粒料的方式及比例。 2.評估比較三種不同的爐碴(石)混凝土的力學與耐久性。 3.建立三種不同爐碴(石)混凝土的配比設計及使用準則。 4.評估比較三種不同爐碴(石)混凝土的節能減碳效益。

使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究

第三節

研究方法

本 計 畫 初 步 先 蒐 集 國 內 外 鐵 碴、鋼 碴 其 應 用 於 混 凝 土 的 相 關 文 獻，透 過 文 獻 分 析 擬 定 試 驗 計 畫，並 依 照 試 驗 計 畫 內 容 準 備 試 驗 材 料，進 行 組 合 材 料 相 關 性 質 試 驗，並 依 配 比 設 計 製 作 水 泥 漿、砂 漿 及 混 凝 土 試 體，並 進 行 各 種 試 體 的 後 續 的 力 學 性 質 及 耐 久 性 並 SEM 微觀觀察與 X 光繞射分析等相關試驗。最後 綜 合 前 述 之 結 果 進 行 討 論 並 提 出 結 論 與 建 議 ， 研 究 流 程 如 圖 1-1 所示。

圖1-1 研究流程圖 (資料來源：本研究繪製)

第二章

蒐集資料、文獻分析

第一節

鐵、鋼製程與爐碴

2-1-1 鐵、鋼碴製程與產出 目前將鐵礦石還原成生鐵主要是透過高爐或電弧爐冶煉，而一般較常見的是利用 高爐冶煉，冶煉鐵的主要原料除了有鐵礦外，還必須添加適量的焦碳做為還原劑並提 供煉製過程中部分熱量，另外也會添加適量的石灰石(或矽石、螢石)做為熔劑將二氧化 矽等雜質轉化為爐碴，平均冶煉1 ton 生鐵需要 1.5 ~ 2.0 ton 鐵礦石、0.4 ~ 0.6 ton 焦炭、 0.2 ~ 0.4 ton 助熔劑。由於熔化的鐵液和鐵爐碴比重不同故會分層積存在爐缸中，在各 自由不同出口排出，分別得到鐵液及鐵碴。鐵碴依冷卻方法大致又分為氣冷高爐爐碴 (blast furnace slag, BFS)及水淬高爐爐碴(granulated blast furnace slag, GBFS)兩種，氣冷 法是將爐碴堆積於一般自然環境中冷卻，而水冷法則是利用噴灑水的方式加速爐碴的 冷卻。

鐵碴的成分主要有SiO2、CaO、Al2O3及MgO，另外還有少量的 Mn、Fe、S 等化 合物[48]，而氣冷及水冷間的最大差異則是鐵碴中的 SiO2、CaO 及 MgO 在自然冷卻下 會形成的結晶態 C-M-S 或 C3-M-S2，其不利水化反應，在營建材料應用上較適合做為 級配粒料或填充料。相反的，SiO2、CaO 及 MgO 在急速的冷卻下，來不及反應生成結 晶態，進而轉生成為玻璃質，具較高的水化活性，一般在營建材料應用上較適合做為 取代水泥的膠結料及填充料[11]。

使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究

鐵礦-焦碳-石灰

高爐

爐碴

鐵液

鐵產出

氣冷高爐碴

水淬高爐碴

替代部分水泥

鹼激發爐石

(Geopolymer)

應用於一般道

路基底層或回

填材料

圖2-1 鐵碴產出及再利用示意圖 (資料來源：本研究繪製) 鋼碴的來源相較於鐵碴較為複雜，圖2-2 顯示煉鋼的主要原料除了高爐冶煉的生鐵 以外，也能來是廢鐵或廢鋼，另外在通氧的過程可能產生大量的氧化碴，又可能若因 顧慮鋼含氧量過高，煉鋼時加入生石灰或焦碳等，使氧化物還原產出還原碴，另外也 可能因為冶煉的方法不同，需要添加不同的材料(如矽、錳鐵、焦碳、生石灰)來調整鋼 胚的成分，因此所排出的鋼碴成分種類或含量會有所不同。

煉鋼的方法大致分為轉爐法（converter process）、電爐爐法（electric arc furnace process）、平爐法（open hearth process）、及坩堝法（crucible process）四種[3-5]。比較常 見的煉鋼方法有轉爐法及電爐法，而採用這兩種方法所產出的鋼碴又稱轉爐爐碴及電 弧爐爐碴。以下介紹前述的四種煉鋼方法。

坩鍋法 坩鍋法一種最古老的煉鋼法，約於 1740 年左右由英國人杭茲曼所發明。一般較常 看到的坩鍋是以石墨或黏土製成，生產不多而且成本高，但可冶煉出較高品質的鋼， 所以大部分都用來冶煉合金鋼，比較適合小型工廠來使用。 轉爐法 轉爐煉鋼的方法很多，在各類的轉爐煉鋼法中，主要以貝塞麥轉爐法最具代表性， 貝塞麥轉爐法是英國人貝塞麥在 1856 年所發明的。冶煉方法是將鐵液、廢鐵和石灰 石放入轉爐內，用一根管子從坩鍋口插入熔鐵中，吹入高壓氧氣來煉鋼，使鐵液的溫 度急速上升。此時，鐵水中的碳會和氧化結合成一氧化碳氣泡溢出，其他的雜質則會 和石灰石化合成爐碴浮在表面上，而原來的鐵水便成了鋼的熔液。貝塞麥法是一種量 產的煉鋼法，平均只要 20 分鐘就能達到過去採用攪拌煉鋼爐 24 小時的鋼鐵產量。 貝塞麥法雖然是煉鋼爐中最有效率的一種，但其缺點是不易去除硫、磷等雜質。 平爐法 平爐法是法國人馬丁於 1864 年，利用德國人西門子的方法再進一步改良而開發， 所以又稱為西門子－馬丁法。當平爐在進行煉鋼時，下層蓄熱室預熱的空氣和煤氣被 送入上層熔池，在鐵液表面吹拂與燃燒，可去除鐵液中大部份碳和其他雜質，得到品 質較佳的鋼。雖然平爐冶煉的時間比較長(約 24 小時)，但也因為其熔池有足夠的容量， 一爐約可以煉製百ton 鋼胚，原料沒特別限制，大致上也可採用廢鋼、鐵屑、熟鐵或鐵 礦石等材料來進行冶煉，且冶煉出來的鋼質量穩定均勻，因此一直沿用至今。 電爐法 電爐法是利用電力產生的熱能來熔解金屬，是現代化煉鋼方式。電爐煉鋼速率快， 而且品質容易控制。電爐煉鋼生產的鋼純度高，因此許多的的煉鋼工廠都採用此法進 行冶煉特殊合金鋼。

使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究

廢鋼-氧-石灰-焦碳-來自於高爐的生鐵

轉爐、電爐、平爐、坩鍋

鋼碴

鋼胚

圖2-2 鋼碴產出流程圖 (資料來源：本研究繪製) 2-1-2 鐵、鋼碴產量

根據世界鋼協會(World Steel Association)西元 2000 至 2009 年的統計資料，顯示全 球自2000 起 2007 年止，其產量持四增加，直到 2008 年才開始出現逐漸下降(表 2-1 所 示)，然而 2009 年鋼的產量仍有 12.4 億 ton 之多，鐵的產量約 9.4 億 ton。另外根據全 球鋼鐵產量分年統計資料顯示，2010 年鋼產量約 14.1 億 ton，2011 年鋼產量約 14.9 億 ton，2010 年高爐產鐵量約 10.4 億 ton，2011 年高爐產鐵量約 10.8 億 ton[2]。圖2-3 顯 示，高爐每生產鐵1 ton 約產生 300 kg 的鐵碴，每生產 1 ton 鋼約產生 100 ~ 200 kg 的 鋼碴[6]，推估單就 2011 年鋼產量推估約產出 2.2 億 ton 的鋼碴，2011 年鐵產量推估約 產出3.2 億 ton 的鐵碴，全世界鐵鋼碴產量甚大，如仍然採用填埋拋棄置處理方式，除 對人類生活環境造成重大環境負面衝擊外，更因未能再利用工業副產品，無法符合節 能減碳永續發展的目標。

表2-1 世界鋼產量(2000 至 2009 年) Countries 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 Albania 5 80 140 140 143 180 206 263 250 221 Algeria 842 947 1,091 1,051 1,014 1,007 1,158 1,278 646 543 Angola 9 - - - Argentina 4,474 4,107 4,356 5,044 5,133 5,380 5,533 5,387 5,541 4,013 Australia 7,129 7,033 7,527 7,544 7,414 7,757 7,881 7,939 7,625 5,249 Austria 5,707 5,869 6,189 6,261 6,530 7,031 7,129 7,578 7,594 5,662 Azerbaijan - 80 125 250 250 330 300 150 150 120 Bangladesh - - - Belarus 1,502 1,486 1,484 1,591 1,792 2,027 2,324 2,410 2,589 2,417 Belgium 11,636 10,762 11,343 11,114 11,698 10,420 11,631 10,692 10,673 5,635 Bosnia- Herzegovina 77 84 74 95 75 289 490 533 608 519 Brazil 27,865 26,717 29,604 31,147 32,909 31,610 30,901 33,782 33,716 26,506 Bulgaria 2,022 1,972 1,860 2,317 2,106 1,949 2,102 1,909 1,330 726 Canada 16,595 15,276 16,002 15,929 16,305 15,327 15,493 15,572 14,845 9,286 Chile 1,352 1,247 1,279 1,377 1,579 1,537 1,627 1,679 1,523 1,308 China 128,500 151,634 182,249 222,336 272,798 355,790 421,024 489,712 512,339 577,070 Colombia 660 638 664 668 730 842 1,220 1,245 1,053 1,053 Congo (Zaire) 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 Costa Rica - - - Croatia 71 58 34 41 86 73 81 75 89 43 Cuba 336 270 268 210 192 245 257 268 279 267 Czech Republic 6,216 6,316 6,512 6,783 7,033 6,189 6,862 7,059 6,387 4,594 Czechoslova-kia - - - Denmark 801 751 392 - - - - Dominican Republic 39 - - - Ecuador 58 60 69 80 72 84 85 87 128 259 Egypt 2,838 3,799 4,316 4,398 4,810 5,603 6,045 6,224 6,198 5,541 El Salvador 41 39 49 57 59 48 72 73 71 56

使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究 Finland 4,096 3,938 4,003 4,766 4,832 4,739 5,054 4,431 4,417 3,066 France 20,954 19,343 20,258 19,758 20,770 19,481 19,852 19,250 17,879 12,840 Georgia - - - Germany 46,376 44,803 45,015 44,809 46,374 44,524 47,224 48,550 45,833 32,670 Germany (East) - - - Ghana 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 Greece 1,088 1,281 1,835 1,701 1,967 2,266 2,416 2,554 2,477 2,000 Guatemala 167 202 216 226 232 207 292 349 250 224 Honduras - - - Hong Kong - - - Hungary 1,871 1,956 2,053 1,989 1,952 1,958 2,084 2,227 2,097 1,403 Iceland - - - India 26,924 27,291 28,814 31,779 32,626 45,780 49,450 53,468 57,791 63,527 Indonesia 2,848 2,781 2,462 2,042 3,682 3,675 3,759 4,160 3,915 3,501 Iran 6,600 6,916 7,321 7,869 8,682 9,404 9,789 10,051 9,964 10,908 Iraq - - - Ireland 360 150 - - - Israel 280 280 280 280 280 300 300 300 300 300 Italy 26,759 26,545 26,066 27,058 28,604 29,350 31,624 31,553 30,590 19,848 Japan 106,444 102,866 107,745 110,511 112,718 112,471 116,226 120,203 118,739 87,534 Jordan 30 30 134 135 140 150 150 150 150 150 Kazakhstan 4,769 4,655 4,814 4,898 5,385 4,451 4,269 4,782 4,250 4,146 Kenya 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 Latvia 498 515 520 520 662 688 690 696 635 692 Libya 1,055 846 886 1,007 1,026 1,255 1,151 1,250 1,137 914 Lithuania - - - Luxembourg 2,571 2,725 2,719 2,675 2,684 2,194 2,802 2,858 2,582 2,141 Macedonia 161 260 260 291 309 310 354 359 253 270 Malaysia 3,650 4,100 4,722 3,960 5,698 5,296 5,834 6,895 6,423 5,354 Mauritania 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 Mexico 15,631 13,300 14,010 15,159 16,737 16,195 16,447 17,573 17,209 14,132 Moldova 908 967 514 850 1,012 1,016 675 965 885 380 Montenegro - - - 170 130 Morocco 5 5 5 5 5 205 314 512 478 479 Myanmar 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 Myanmar 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 Netherlands 5,666 6,037 6,117 6,571 6,848 6,919 6,372 7,368 6,853 5,194 New Zealand 702 826 765 853 885 889 810 845 799 765

Nigeria - - - - 40 100 100 100 100 100 North Korea 300 300 300 300 300 300 300 300 300 250 Norway 679 640 698 703 725 705 684 708 560 595 Pakistan 950 953 970 1,000 1,145 825 1,040 1,090 1,000 800 Panama - - - Paraguay 77 71 80 91 107 101 115 95 83 54 Peru 751 690 611 669 726 790 896 881 1,001 718 pHilippines 426 500 550 500 400 470 558 718 711 824 Poland 10,498 8,809 8,368 9,107 10,593 8,336 10,008 10,632 9,728 7,128 Portugal 1,088 728 920 1,000 1,250 1,338 1,338 1,847 1,630 1,587 Qatar 729 891 1,027 1,055 1,089 1,057 1,003 1,147 1,406 1,448 Romania 4,672 4,935 5,491 5,691 6,042 6,280 6,266 6,261 5,035 2,761 Russia 59,136 58,970 59,777 61,450 65,583 66,146 70,830 72,387 68,510 60,011 Saudi Arabia 2,981 3,413 3,570 3,944 3,902 4,186 3,974 4,644 4,667 4,690 Serbia - - - 1,662 1,061 Singapore 603 456 460 561 610 572 607 640 764 664 Slovak Republic 3,733 3,989 4,275 4,588 4,454 4,485 5,093 5,089 4,489 3,747 Slovenia 519 462 481 541 566 583 628 638 642 430 South Africa 8,481 8,821 9,095 9,481 9,500 9,494 9,718 9,098 8,246 7,484 South Korea 43,107 43,852 45,390 46,310 47,521 47,820 48,455 51,517 53,625 48,572 Spain 15,874 16,504 16,408 16,286 17,621 17,826 18,391 18,999 18,640 14,358 Sri Lanka 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 Sweden 5,227 5,518 5,754 5,707 5,978 5,723 5,466 5,673 5,164 2,804 Switzerland 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,158 1,252 1,264 1,312 934 Syria 70 70 70 70 70 70 70 70 70 70 Taiwan 16,896 17,261 18,230 18,832 19,599 18,942 20,000 20,903 19,882 15,873 Thailand 2,100 2,127 2,538 3,551 4,533 5,161 4,914 5,565 5,211 3,646 Trinidad and Tobago 741 668 817 903 815 712 673 682 489 417 Tunisia 229 239 200 86 66 70 75 80 82 155 Turkey 14,325 14,981 16,467 18,298 20,478 20,965 23,315 25,754 26,806 25,304 Uganda 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 Ukraine 31,767 33,108 34,050 36,932 38,738 38,641 40,891 42,830 37,279 29,855 United Arab Emirates 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90

使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究 United States 101,803 90,104 91,587 93,677 99,681 94,897 98,557 98,102 91,350 58,196 Uruguay 38 31 34 40 58 64 57 71 86 57 Uzbekistan 407 433 450 499 602 595 617 645 682 716 Venezuela 3,835 3,813 4,164 3,930 4,561 4,910 4,864 5,005 4,225 3,808 Vietnam 306 319 409 544 689 890 1,869 2,024 2,250 2,700 Zimbabwe 258 149 105 152 135 107 24 23 - - World 848,936 851,077 904,056 969,913 1,061,247 1,146,581 1,248,991 1,347,005 1,341,208 1,235,842

表2-2 世界鐵產量(2000 至 2009 年) Countries 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 Algeria 767 800 960 965 994 952 1,093 1,193 690 680 Argentina 2,186 1,917 2,180 2,402 2,392 2,646 2,481 2,593 2,581 2,042 Australia 7,049 6,017 6,106 6,116 5,735 6,203 6,433 6,369 6,057 4,370 Austria 4,318 4,375 4,669 4,677 4,847 5,444 5,547 5,908 5,795 4,353 Belgium 8,471 7,732 7,988 7,813 8,224 7,254 7,516 6,577 6,977 3,087 Bosnia-Herzegovina - - - 243 483 Brazil 27,723 27,391 29,694 32,038 34,558 33,884 32,452 35,571 34,925 25,135 Bulgaria 1,216 1,211 1,072 1,386 1,158 1,115 1,147 1,069 441 - Canada 8,904 8,302 8,670 8,554 8,828 8,274 8,305 8,579 8,770 5,273 Chile 1,024 897 964 988 1,137 1,074 1,115 1,147 1,109 923 China 131,015 155,543 170,792 213,667 251,851 344,732 413,641 476,604 483,226 568,634 Colombia 285 319 311 283 312 325 360 341 308 342 Czech Republic 4,621 4,671 4,840 5,207 5,384 4,627 5,192 5,287 4,737 3,483 Czechoslovakia - - - Egypt 990 1,160 1,100 1,080 1,000 1,100 1,100 1,000 900 800 F.R. Yugoslavia 598 456 485 635 1,003 1,208 1,762 1,485 1,582 1,006 Finland 2,983 2,852 2,828 3,092 3,037 3,056 3,158 2,915 2,943 2,042 France 13,916 12,298 13,510 12,972 13,198 12,705 13,013 12,426 11,372 8,104 Germany 30,845 29,184 29,427 29,481 30,018 28,854 30,360 31,150 29,111 20,104 Germany (East) - - - Hungary 1,340 1,226 1,335 1,333 1,351 1,338 1,340 1,393 1,289 1,050 India 21,321 21,875 24,315 26,550 25,117 27,125 28,256 36,488 37,313 38,233 Iran 2,202 2,183 2,182 2,231 2,096 2,305 2,041 2,118 2,176 2,433 Italy 11,220 11,220 9,775 10,148 10,604 11,423 11,497 11,110 10,377 5,692 Japan 81,071 78,836 80,979 82,091 82,974 83,058 84,270 86,771 86,171 66,943 Kazakhstan 4,010 3,906 4,008 4,123 4,312 3,624 3,393 3,240 2,761 2,409 Luxembourg - - - Malaysia - - - Mexico 4,856 4,373 3,996 4,183 4,278 4,047 3,790 4,078 4,450 3,919 Morocco 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 Netherlands 4,970 5,305 5,367 5,846 6,011 6,031 5,417 6,412 5,998 4,601

使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究 Norway 70 70 108 110 100 100 100 100 100 100 Pakistan 1,000 1,067 1,000 1,000 1,000 1,000 850 900 900 750 Paraguay 82 72 87 98 119 123 128 110 94 71 Peru 327 316 240 226 272 263 306 351 412 - Poland 6,492 5,440 5,294 5,632 6,400 4,477 5,333 5,804 4,934 2,984 Portugal 379 82 - - - Romania 2,985 3,085 3,976 4,101 4,244 4,098 3,946 3,923 2,958 1,575 Russia 44,536 44,947 46,251 48,325 50,321 48,410 51,742 51,043 48,295 43,945 Romania 2,985 3,085 3,976 4,101 4,244 4,098 3,946 3,923 2,958 1,575 Russia 44,536 44,947 46,251 48,325 50,321 48,410 51,742 51,043 48,295 43,945 Serbia - - - 1,582 1,008 Slovak Republic 3,166 3,255 3,533 3,892 3,765 3,681 4,145 4,012 3,529 3,019 South Africa 6,292 5,820 5,823 6,234 6,011 6,130 6,159 5,358 5,138 4,444 South Korea 24,937 25,898 26,570 27,314 27,556 27,309 27,559 29,437 31,043 27,284 Spain 4,059 4,219 4,021 3,645 4,036 4,160 3,432 3,976 3,784 2,920 Sweden 3,145 3,614 3,703 3,710 3,871 3,730 3,577 3,816 3,583 1,966 Switzerland 80 80 80 80 80 80 80 80 - - Taiwan 9,618 10,001 10,169 10,260 10,354 9,447 10,407 10,518 9,823 7,939 Tunisia 195 191 152 45 - - - Turkey 5,333 5,289 5,003 5,706 5,836 5,970 5,952 6,235 6,704 7,004 Ukraine 25,697 26,364 27,634 29,528 31,056 30,782 32,950 35,647 30,981 25,676 United Kingdom 10,890 9,870 8,561 10,228 10,180 10,189 10,696 10,960 10,137 7,671 United States 47,878 42,107 40,225 40,644 42,291 37,222 37,903 36,337 33,729 19,018 Venezuela - - - Vietnam 47 48 146 200 187 202 211 170 255 275 Zimbabwe 277 156 122 182 125 129 38 38 1 - World 576,253 586,950 611,134 669,986 719,204 800,821 881,123 961,582 951,171 934,663

圖2-3 鐵、鋼爐碴產出量及處理示意圖[6] (資料來源：蘇茂豐，2005)

第二節

鐵、鋼碴之應用性與相關研究

2-2-1 鐵、鋼碴之應用性 人類使用水泥約已有兩千年的歷史。雖然水泥應用於混凝土已具有非常悠久的歷 史，但水泥工業化實際量產是由19 世紀中葉開始，最初的生產設備是水平窯，而後來 又逐漸被改良後的迴轉窯取而代之，而今全球水泥生產量每年約 25.4 億 ton，預估於 2015、2030 及 2050 年可能介於 33.5 ~34.8、33.4~38.6、36.8~43.8 億 ton，如圖 2-4 所 示[25-26]。

使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究 圖2-4 全球水泥產量(含預估值)[25-26] (資料來源：Schneider, 2010) 水泥生產過程中會排放大量的二氧化碳，而二氧化碳是造成當前全球暖化與氣候 變遷的的一項主要原因，圖2-5 顯示地球自 1800 年開始至 2005 年止，大氣中二氧化碳 的濃度由最初的280 ppm 逐年升到 380 ppm 並且還持續增加[27]。根據統計，目前水泥 生產過程中所排放的二氧化碳約佔全球總二氧化碳排放量的5 %，所以必須盡早找出適 當的方案來降低水泥的產量，否則預估2050 年水泥可能成長到 4.38 億 ton 的上限[25]。

圖2-5 大氣中二氧化碳、氧化碳及甲烷濃度成長趨勢圖(~2005 年) [27] (資料來源：Global Greenhouse Warming, 2010)

圖 2-6 為鐵、鋼碴與水泥的三相圖，由圖中可發現鐵碴、鋼碴與水泥的成分相當 接近，因此若能適當地使用或可取代水泥做為混凝土膠結料使用，將有助於降低水泥 生產量、減少二氧化碳排放及能源使用的問題[6, 20, 28]。另外，混凝土中的粒料約70 % 以上，由於鋼碴、鐵碴具有一定的硬度(天然粒料硬度約 6 ~ 7，爐碴粒料約 7~8[6])，如 能取代混凝土中天然粒料，將有機會消耗大量的爐碴，同時可降低天然粒料的資源開 採。

使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究 圖2-6 卜特蘭水泥與爐碴三相圖[6,20,28] (資料來源：Monshi, 1999. Muhmood, 2009. 蘇茂豐，2005 ) 2-2-2 鐵、鋼碴之應用與相關研究 表2-3 顯示近幾年在歐盟、日本、美國、德國、澳洲及紐西蘭等先進的工業國家中， 鐵碴及鋼碴的資源轉化大致應用於煉鋼廠的回收再利用及各項的工程材料，如：道路 級配料、瀝青混凝土粒料、地基改良等，另外少部分是當做農業的肥料或水泥加工原 料[29]。鋼碴在混凝土相關應用研究如 2007 學者 Kourounis 在研究報告中提到，冶金 爐碴中的鐵碴(水淬高爐石粉)、鋼碴、磷碴、銅碴、鉛碴等的化學成，很接近水泥和火 山灰，因此很適合做為替代水泥的礦物摻料。但是，目前絕大部分的冶金爐碴當做混 凝土的粒料，僅有少部分水淬高爐石粉是用來當做水泥的替代原料。文章作者利用球 磨機將粒徑0 ~ 5 mm 的鋼碴研磨到比表面積 3000 cm2/g，再以水泥重量比 15 %、30 %、 45 %的用量，跟水泥混合製作成混凝土砂漿，並由試驗結果發現當鋼碴取代量達到 30 % 及45 %時會降低混凝土砂漿的水化作用，接著透過 XRD 成分分析發現可能是因為 FeO 含量過高所致，如圖 2-7 所示。另外從 SEM 觀察養護齡期 28 天的混凝土砂漿，證實 取代量為15 %(水泥重量比)時，仍會產生 C-S-H 膠體，如圖 2-8 所示[21]。 鐵碴在過去的研究中多是當做水泥的輔助膠凝材料使用，主要是水淬後的高爐石

(碴)具有良好的潛在活性。過去研究報告也證實以其取代部分混凝土膠結料的水泥，對 混凝土的力學性質、耐久性與其他多種特性具有正面的影響[33]。如2000 年 Dongxu 的 研究報告提出，混凝土中添加飛灰及爐石，不僅可以加速複合水泥的水化反應，同時 也能改善其抗壓強度與孔隙結構[17]；2008 年 Yazıcı 學者利用飛灰、矽灰及爐石等輔助 膠結料取代部份水泥。結果顯示，矽灰取代部份水泥在抗壓強度和混凝土阻抗的表現 較佳，而同時使用爐石、飛灰及矽灰之試體抵抗氯離子侵蝕的能力最好[18]。 表2-3 鋼鐵爐碴資源化近況 [29] 鐵碴、鋼碴資源化比例(%) 日本(2008) 資源化項目及用途 歐盟 (2007) 電爐碴 轉爐碴 德國 (2006) 美國 (2007) 澳洲及紐西 蘭(2008) 廠內回收(包或渣、殘鐵 及殘鋼) 4 2.3 15.2 13.4 - - 道路級配料 51.3 瀝青混凝土粒料 35.4 19.8 14.4 鐵道碴 - - 43.9 2.3 48 地基改良 4.3 5.5 4.4 13.3 土木工事 34.5 47.4 混凝土粒料 45 1.6 3.5 18.8 - 12 工程材料 港灣/堤岸工程 2 - - 3.7 - - 水泥原料 0.9 5.6 - 6.7 製造原料 加工用原料 37 9.8 0.2 - - 20 肥料/土壤改良 2 4.8 - - 其他(下游販售包或 渣、殘鐵及殘鋼等) - 2.7 1.1 - - - 掩埋/棄置 7 8.4 0.6 10.2 - - 堆存 3 0.1 0.1 0.8 12 20 合計 100 100 100 100 100 100 (資料來源：蘇茂豐，2010)

使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究

圖2-7 普通水泥砂漿與鋼碴混合水泥砂漿成分分析[21]

圖2-8 普通水泥砂漿與鋼碴混合水泥砂漿 SEM 圖(X2500)[21] (資料來源：Kourounis, 2007) 2-2-3 爐碴應用實例 南星計畫 南星計畫是位於台灣高雄市小港區大林蒲海岸的一個填海造陸計畫，起初的目的 係為了妥善處理爐石等工業廢棄物而設置，整體計畫共分為三期，其中第一期工程已 經在1991 年完成；第二期工程暫緩實施；第三期工程稱為中程計畫，又細分成兩個區， 如圖2-9 所示，第一區已在 2000 年填滿[34]。

使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究 圖2-9 南星計畫區域示意圖[34] (資料來源：孫志鵬, 2011) 國道六號南投段 為原中橫快速公路之西段，1999 年 9 月 921 大地震造成南投縣建設及經濟產業重 創，2003 年 7 月行政院為加速災區重建，促進南投地區產業發展，將國道六號南投段 工程計畫納入「挑戰2008：國家發展重點計畫」，並核定正式訂名為「國道六號南投段」。 自台中縣霧峰鄉國道三號中橫系統交流道起，往東沿烏溪、南港溪、眉溪河谷及山區 而行，途經草屯鎮、國姓鄉、至埔里盆地東緣止，全長約37.6 公里，如圖 2-10 所示， 當中所使用之混凝土皆添加爐碴[35]。 第一期 第二期 第三期 第一區 第二區

圖2-10 國道六號南投段示意圖[35] (資料來源：永續公共工程, 2012) 關西國際機場 關西國際機場位於日本大阪府泉佐野市近海離岸5 km 的人工島上，為京阪神都會 區和關西地方的主要聯外機場。1963 年「大阪國際機場擴張整備與第二國際機場建設」 計畫獲得日本內閣會議通過，並通過5 年的填海工程，用了 1.8 億 m3的土方(包含爐碴)， 在原先水深達17 至 18 m 的大海裡填出了 5.11 km2的機場用地[36]，如圖2-11 所示。

使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究 圖2-11 關西國際機場 [36] (資料來源：大阪府政府, 2007) 明石海峽大橋 明石海峽大橋位於日本本州與四國之間，跨越明石海峽，連接神戶及淡路島。橋 身呈淡藍色，總長3,911 m，中央橋塔高 1,991 m，主塔高度 297 m[37]。明石海峽大橋 之主體結構、自充填混凝土(礦物摻料為水淬爐石粉及飛灰)使用量為 20 萬 m3，施工工 期為22 個月，平均每天澆置 500 m3的混凝土[38, 39]。明石海峽大橋外觀，如圖2-12 所 示。

圖2-12 明石海峽大橋[37] (資料來源：科學與藝術數字博物館, 2004)

第三節

使用爐碴之相關規定

2-3-1 鐵、鋼碴用途及使用規定 表2-4 為經濟部 100 年 6 月公告修訂「經濟部事業廢棄物再利用種類及管理方式」 的一部分內容，主要列出感應電爐爐碴（石）、化鐵爐爐碴（石）及電弧爐煉鋼爐碴 （石）等鐵、鋼碴，其用途及再利用應符合之規定 [40]。 表2-4 經濟部事業廢棄物再利用種類及管理方式[40] 電弧爐煉鋼爐碴（石） 一、事業廢棄物來源：基本金屬製造業在電弧爐煉鋼製程所產生之 氧化碴（石）或還原碴（石）。但氧化碴（石）與還原碴（石） 無法分離或依相關法規認定為有害事業廢棄物者，不適用之。 二、再利用用途：水泥原料、水泥製品原料、瀝青混凝土粒料原料、 非結構性混凝土粒料原料或鋪面工程（機場、道路、人行道、 貨櫃場或停車場）之基層或底層級配粒料原料（但鋪面工程之 路基為土壤者，需先以其他工程材料隔離），不得有直接接觸土 壤致生與其混合改變土壤性質之再利用用途。但不銹鋼製程產 生之還原碴（石）僅限於水泥原料及水泥製品原料。

使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究 混凝土粒料或砂石。 四、運作管理： (一)再利用機構之設置應符合下列規定： 1、廠房之建築應堅固，地面應採用水泥混凝土或其他易清 理之材料。 2、工廠廠區周圍應設置二．四公尺高結構體圍牆或其他適 當阻隔之設施，廠內及廠外連接主要交通之道路應舖設 瀝青混凝土或水泥混凝土路面。 3、廠內各作業場所應明確區隔，製造作業區與行政作業區 應明確劃分。 4、原料、物料、半製品及成品之儲存場所，應適當隔離。 5、工廠內部應有充分採光、照明與通風設備。 (二)再利用應符合下列規定： 1、氧化碴（石）：再利用於水泥製品原料、鋪面工程之基 層或底層級配粒料原料、瀝青混凝土粒料原料或非結構 性混凝土粒料原料用途者，應先經破碎、磁選及篩分等 處理。 2、還原碴（石）：再利用用途除再利用於水泥原料用途外， 應經安定化處理措施。前述安定化係指為穩定爐碴之膨 脹性，將冷卻硬固之爐碴破碎後，使其與空氣及水接觸 反應之行為。 (三)貯存地點應符合下列規定： 1、氧化碴（石）及還原碴（石）不得混合貯存。 2、氧化碴（石）：得採用露天貯存方式，但貯存場所應設 排水收集設施。 3、還原碴（石）：不得採用露天貯存方式。 4、電弧爐煉鋼爐碴（石）及再利用用途產品之貯存場所毗 鄰農業用地者，應設置截流溝渠，但貯存於廠房內者， 不在此限。 (四)再利用用途之產品屬鋪面工程之基層或底層級配粒料者， 其使用地點應符合下列規定： 1、與飲用水源及依水利法規定取得水權之水井距離需在二 十公尺以上。 2、不得使用於農業用地、耕地、環境敏感地及屬公告之水 庫集水區、國家重要濕地與自來水水質水量保護區。 (五)電弧爐煉鋼產生之氧化碴（石）與還原碴（石），產源事 業不得將集塵灰及地面、廠房及屋頂清潔收集之塵灰混入 再利用，於出廠前，應至少每年檢測一次重金屬及戴奧辛 項目，另至少每月檢測一次氫離子濃度(pH 值)，連續三個 月之 pH 檢測值未大於 12.5 者，得每年至少檢測一次。產 源事業應於採樣前十日通知當地環保主管機關，並於每年 三月前將上年度檢測報告提報環保主管機關及中央目的事 業主管機關。 (六)電弧爐煉鋼爐碴（石）經再利用程序之產出物，於出廠前 應至少每年依國際間、國家標準或中央主管機關公告之環

境相容性檢測方法檢測一次，再利用機構應於採樣前十日 通知當地環保主管機關，但再利用用途產品為水泥者，不 在此限。經檢測符合標準者，始得作為再利用用途之產品 使用。 (七)前二款採樣應通知採樣時間與地點、採樣單位及環保主管 機關核發許可證之檢驗測定機構。變更採樣時間及地點未 於十天前通知者，其檢驗結果不予採信。檢測報告應由檢 驗測定機構依環保主管機關所訂格式辦理，並由再利用機 構將檢測報告提報環保主管機關及中央目的事業主管機 關。 (八)再利用機構於堆置、輸送或以車輛運輸逸散性粒狀污染物 質及從事易致粒狀污染物逸散之製程、操作或裝卸作業 時，應依固定污染源逸散性粒狀污染物空氣污染防制設施 管理辦法相關規定辦理。 (九)再利用後之剩餘廢棄物應依廢棄物清理法相關規定辦理。 (十)再利用用途產品貯存量超過該再利用用途產品前六個月之 累積銷售量時，應停止收受廢棄物進廠再利用。 (十一)再利用用途之產品應符合國家標準、國際標準或該產品 之相關使用規定。 感應電爐爐碴（石） 一、事業廢棄物來源：金屬基本工業在感應電爐熔煉鋼鐵製程所產 生之爐碴（石）。但依相關法規認定為有害事業廢棄物者，不 適用之。 二、再利用用途：水泥原料、水泥製品原料、爐碴（石）粒料原料、 砂石原料、混凝土粒料、道路工程粒料或非農業用地之工程填 地材料。 三、再利用機構應具備下列資格： (一)領有工廠登記證或符合免辦理登記規定之製造業，其產品 至少為下列之一項：水泥、水泥製品、爐碴（石）粒料、 砂石、預拌混凝土或其他相關產品。但直接再利用於非農 業用地之工程填地材料用途者，其資格及產品不在此限。 (二)直接再利用於非農業用地之工程填地材料用途者需符合下 列資格： 1、 公共工程：由該工程之設計單位在該工程圖樣及說明書 中載明使用再生材料之種類及數量，向工程招標單位申 請工程核准使用感應電爐爐碴文件，始得向感應電爐爐 碴產生者取用。 2、 非公共工程：由該工程之設計單位在該工程圖樣及說明 書中載明使用再生材料之種類及數量，並依建築法規定 取得建造或雜項執照後，始得向感應電爐爐碴產生者取 用。 四、運作管理：

使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究 (三)再利用後之剩餘廢棄物應依廢棄物清理法相關規定辦理。 (四)再利用用途之產品應符合國家標準、國際標準或該產品之相關 使用規定。 化鐵爐爐碴（石） 一、工業廢棄物來源：金屬基本工業在化鐵爐熔煉鋼鐵製程所產生 之爐碴（石）。但依相關法規認定為有害事業廢棄物者，不適 用之。 二、再利用用途：水泥原料、水泥製品原料、爐碴（石）粒料原料、 砂石原料、混凝土粒料、道路工程粒料或非農業用地之工程填 地材料。 三、再利用機構應具備下列資格： (一)領有工廠登記證或符合免辦理登記規定之製造業，其產品 至少為下列之一項：水泥、水泥製品、爐碴（石）粒料、 砂石、預拌混凝土或其他相關產品。但直接再利用於非農 業用地之工程填地材料用途者，其資格及產品不在此限。 (二)直接再利用於非農業用地之工程填地材料用途者需符合下 列資格： 1、 公共工程：由該工程之設計單位在該工程圖樣及說明書 中載明使用再生材料之種類及數量，向工程招標單位申 請工程核准使用化鐵爐爐碴文件，始得向化鐵爐爐碴產 生者取用。 2、 非公共工程：由該工程之設計單位在該工程圖樣及說明 書中載明使用再生材料之種類及數量，並依建築法規定 取得建造或雜項執照後，始得向化鐵爐爐碴產生者取 用。 四、運作管理： (一)再利用於水泥製品原料、爐碴(石)粒料原料、砂石原料、混 凝土粒料、道路工程粒料及非農業用地之工程填地材料用 途者，應先經破碎、磁選及篩分等處理。 (二)得採用露天貯存方式，但貯存場所應設有排水收集設施。 (三)再利用後之剩餘廢棄物應依廢棄物清理法相關規定辦理。 (四)再利用用途之產品應符合國家標準、國際標準或該產品之相關 使用規定。 (資料來源：經濟部，2011) 2-3-2 鐵、鋼碴做為混凝土摻料的物理性及化學性之相關規定與要求 CNS 3036 針對燃煤飛灰及天然或煆燒卜作嵐材料，為可供混凝土達到所需之「膠 結性」或產生「卜作嵐效應」或符合前述兩者特性，以及其它礦物摻和物經研磨成細 粒狀而可發展出相同特性之材料，提出以下物理與化學性之要求，該規範之 N、F、C 分類標準較傾向飛灰的等級分類[41]，因此規定之物理性及化學性之標準值，可作為日 後鐵、鋼碴相關試驗或手冊擬定之參考，如表2-5 及表 2-6 所示。

表2-5 混凝土用飛灰及天然或煆燒卜作嵐攙和物化學成分標準規定(CNS 3036) 礦物性攙和物類別 試驗項目 N 類 F 類 C 類 二氧化矽、氧化鋁與氧化鐵之總量，%(最小值) 70.0 70.0 50.0 三氧化硫，%(最大值) 4.0 5.0 5.0 含水量，%(最大值) 3.0 3.0 3.0 燒失量，%(最大值) 10.0 5.0 6.0 (資料來源：CNS 3036，2009) 表2-6 混凝土用飛灰及天然或煆燒卜作嵐攙和物物理性質標準規定(CNS 3036) 礦物性攙和物類別 試驗項目 N 類 F 類 C 類 細度：試驗篩0.045 mm，CNS 386﹝試驗篩﹞ 篩餘量﹝濕篩法﹞，%(最大值) 34 34 34 強度活性指數： 與卜特蘭水泥攙和7 天，控制百分率，%(最小值) 與卜特蘭水泥攙和28 天，控制百分率，%(最小值) 75 75 75 75 75 75 需水量，控制百分率，%(最大值) 115 105 105 健度 高壓蒸煮膨脹或收縮率，%(最大值) 0.8 0.8 0.8 均質性規定： 各別式樣之密度及細度值與其前10 個試樣(如前式 _{5 5 5}

使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究 停留於試驗篩0.045 mm CNS 386 篩餘量百分比， 與平均值之最大變異 5 5 5 (資料來源：CNS 3036，2009) CNS 12223 主要針對水淬高爐碴，提出以下表 2-7、表 2-8 之物理與化學性要求， 並表示其化學成分除應符合表之規定外，還必須符合下式 2-1 之規定[42]。另外，CNS 12549 針對混凝土及水泥砂漿用之水淬高爐爐碴粉的物理與化學性提出要求。化學性方 面，主要說明硫化物(S)的最大值必須 > 2.5%，硫酸鹽(以 SO3 表示)的最大值必須 > 40%。而在物理性方面，主要將水淬高爐爐碴活性指數分為 80、100、120 等三級，詳， 如表2-9、表 2-10 所示 [43]。 2 3 2 C 1.4 aO MgO Al O SiO + + > (2-1) 表2-7 水淬高爐爐碴化學成分標準規定(CNS 12223) 項目 含量百分率，% 二氧化矽(SiO2) 氧化鈣(CaO) 氧化鋁(Al2O3) 氧化鎂(MgO) 氧化鐵(Fe2O3) 氯離子(Cl-) 硫化物硫(S) 硫酸鹽硫(以 SO3表示) 總鹼量(Na2O + 0.658K2O) 不溶殘渣 燒失量 38.0 以下 37.0 以下 16.0 以下 10.0 以下 1.0 以下 0.1 以下 2.0 以下 3.0 以下 0.6 以下 1.5 以下 3.0 以下 (資料來源：CNS 12223，1988)

表2-8 水淬高爐爐碴物理性質標準規定(CNS 12223) 項目 含量百分率，% 粒度： 試驗篩4.75 mm CNS 386 篩餘量 試驗篩37.5 mm CNS 386 篩餘量 玻璃質 表面水分 5 以下 無 95 以下 12 以下 (資料來源：CNS 12223，1988) 表2-9 混凝土及水泥砂漿用水淬高爐爐碴粉化學成分標準規定(CNS 12549) 項目 要求(%) 硫化物(S) 最大值 2.5 硫酸鹽(以 SO3表示) 最大值 4.0 (資料來源：CNS 12549，2009)

使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究 表2-10 混凝土及水泥砂漿用水淬高爐爐碴粉物理性質標準規定(CNS 12549) 項目 要求(%) 試驗篩0.045 mm，CNS 386 (試 驗篩)濕篩後殘留最大值 20 細度 比表面積 雖在此並無要求，為仍應依CNS 2924(卜特蘭水泥細度檢驗法(氣 透儀法))加以測定以並報告之 水淬高爐砂漿之空氣含量最大值 12 天別 級別 連續五個試樣_平均值 任一各別試樣 80 - - 100 75 70 7 天指數最小值 120 90 90 80 75 70 100 90 90 水 淬 高 爐 爐 石 活 性 指 數 28 天指數最小值 120 115 110 (資料來源：CNS 12549，2009) CNS 11827 道路用高爐爐碴主要說明高爐碴冷卻後壓碎的爐碴粒料其級配必須 達到之要求[44]。CNS 11824 高爐爐碴級配應用於混凝土時，除必須符合物理及化性要 求外[45]，另外粒徑大小須依照規定分為4005、4020、2505、2005、1505 等 5 類。在化 學成分，則規定氧化鈣須 > 45 %，硫須 < 20 %，三氧化硫須 < 0.5 %、氧化鐵須< 3 %。 而在鋼碴部分可參考CNS 15310、CNS 15305，CNS 15310 其內容主要介紹瀝青鋪面混 合料用鋼爐碴粒料應符合之標準[46]；其中CNS 15305 規範主要說明，鋼碴做為級配粒 料基層、底層及面層用材料之物理及化學性之要求[47]。

表2-11 道路用高爐爐碴之粒徑標準規定 種類 粒徑範圍 mm 高爐爐碴粗粒料 4005 高爐爐碴粗粒料 4020 高爐爐碴粗粒料 2505 高爐爐碴粗粒料 2005 高爐爐碴粗粒料1505 37.5 ~ 4.75 37.5 ~ 19 25 ~ 4.75 19 ~ 4.75 16 ~ 4.75 (資料來源：CNS 11824，1987) 表2-12 道路用高爐爐碴之物理性質標準規定(CNS 11824) 分類 容積比重 吸水率% 粒料單位質量kg/m3(壓實) A 2.2 以上 6 以下 1250 以上 B 2.4 以上 4 以下 1350 以上 (資料來源：CNS 11824，1987) 表2-13 道路用高爐爐碴之化學成分標準規定(CNS 11824) 項目 規格要求 氧化鈣(以 CaO 表示) 45.0 以上 硫(以 S 表示) 20 以下 三氧化硫(以 SO3表示) 0.5 以下 化 學 成 分 (%) 鐵(以 FeO 表示) 3.0 以下 水中浸漬試驗 不得有龜裂、分解、泥狀化、粉化等現象 紫外線 ( 360.0 nm )照射試驗 不發光或同樣之紫色 (資料來源：CNS 11824，1987) 2-3-3 國內外鐵、鋼碴的相關應用技術與手冊 目前國內鐵、鋼碴相關之使用手冊及規範大致上有級配粒料基層、級配粒料低層、 電弧爐煉鋼爐碴混凝土、高壓混凝土透水地磚、混凝土用回收粒料、混凝土用電弧爐 氧化碴粒料等施工規範及相關草案，另外使用手冊部分有電弧爐煉鋼還原碴資源化使

使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究

應用於混凝土粒料等。以上所列之相關應用技術及手冊，內容詳細說明鐵、鋼碴使用 時的各項注意事項與可應用範圍及條件，未來在擬定鐵、鋼碴有關手冊或規範時，具 相當參考價值。

第三章

試驗計畫

第一節

試驗計畫流程

本試驗計畫，如圖3-1 所示，分兩階段進行： 第一階段 主要針對鐵、鋼碴的研磨及材料基本性質進行加工與分析，再依試驗結果設 計砂漿的配比及製作試體，並透過砂漿之新拌性質試驗、力學性質試驗、微 觀觀察與成分分析進行結果討論。 第二階段 主要選擇適當種類的爐碴，過篩後做為混凝土粗粒料(# 4 篩)，並透過各項力 學性、耐久性試驗進行結果討論。 第三階段 此為最後一階段的試驗，主要是將三種爐碴混合一起應用於水泥砂漿，由於 此部分非於本次規畫之研究範圍，因此僅以抗壓試驗值做為日後相關研究之 參考依據。

使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究

試驗規畫

材料基本性質分析

爐碴加工研磨

材料準備

第一階段

試體製作

混凝土配比設計

爐碴種類及粒徑篩選

第二階段

砂漿配比設計

試體製作

新拌性質試驗

力學性質

耐久性試驗

微觀分析

力學性質試驗

材料基本性質分析

圖3-1 試驗流程圖 (資料來源：本研究規劃)

第二節

試驗變數、配比及材料

3-2-1 試驗變數 第一階段的試驗變數可分為 3 類： 1.選擇高爐爐碴、轉爐爐碴、電弧爐碴等 3 種鐵、鋼碴。 2.研磨後鋼碴粒徑：< 45 µm、< 35 µm、< 15 µm，鐵碴則採用市面販售的水淬高 爐碴粒徑約< 45 µm 及< 35 µm。 3.爐碴取代水泥重量比 10 %、30 %、50 %及 70 %。 第二階段的試驗變數可分為 2 類： 1.同樣選擇高爐爐碴、轉爐爐碴、電弧爐碴等 3 種鐵、鋼碴。 2.爐碴取代天然粗粒料體積比 50 %及 70 %。

第三階段的試驗變數主要著重於鐵、鋼爐碴混合使用，依本次研究之爐碴種類混合使 用可分為2 類： 1.水淬高爐鐵碴混合轉爐鋼碴取代水泥 30 % (wt %)。 2. 水淬高爐鐵碴混合電弧爐鋼碴取代水泥 30 % (wt %)。 3-2-2 試驗配比及編號說明 第一階段試驗中，砂漿之水膠比為0.5，膠結料/細粒料為 1/2.75，濕養護 3、7、14、 28 及 91 天，試驗配比如表 3-1 所示。編號 OPM 表示純水泥砂漿，編號 B、E、G 分別 表示轉爐鋼碴、電弧爐鋼碴、水淬高爐鐵碴；字母後編號1、3、5、7 分別表示爐碴取 代水泥重量比10 %、30 %、50 %及 70 %。 表 3-1 鐵、鋼碴水泥砂漿試驗配比 ( kg/m3) 編號 水 水泥 爐碴 粒料 OPM 258 516 - 1421 B1 259 466 52 1422 B3 260 364 156 1428 B5 261 261 261 1435 B7 262 157 367 1441 E1 259 466 52 1424 E3 260 364 156 1430 E5 262 262 262 1440 E7 264 157 370 1447 G1 258 464 52 1417 G3 257 360 154 1414 G5 257 257 257 1412 G7 256 154 358 1407 (資料來源：本研究規劃) 第二階段試驗中，混凝土之水灰比為0.5，濕養護 91 天，試驗配比，如表 3-2 所示。 編號 OPC 表示普通混凝土，編號 BA、EA、AA 分別表示轉爐鋼碴、電弧爐鋼碴、氣