輕質骨材混凝土添加再生綠建材耐久性質之研究
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: wangho@cc.kuas.edu.tw摘 要
本研究以廢輪胎橡膠粉及廢液晶玻璃砂作為再生材料，以固定水膠比(W/B=0.4)，通過篩號#30 之廢輪胎橡 膠粉及廢液晶玻璃砂取代部份細骨材0、5 及 10%，依 ACI 混凝土配比設計拌製成輕質骨材混凝土進行新拌性 質，經養護齡期7、28、56 及 91 天進行耐久性質試驗。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150~180mm。各組比較上仍以輕質骨材混凝土相較於常重混凝土有較佳的表面電阻值。抗 硫酸鹽侵蝕試驗則常重骨材比輕質骨材較佳，混和二種再生綠建材亦有較佳之抵抗性，且使用單一再生材料時 有較高的防蝕效益。研究顯示適量的添加再生綠建材可提升輕質骨材混凝土的耐久性質。 關鍵字 再生綠建材、廢液晶玻璃、廢橡膠粉、輕質骨材混凝土、耐久性質1.前 言
節能減碳已經是全球化運動，且台灣為增進整體經濟發展，提昇全民生活品質及國內砂石資源和勞力市場 短缺及環保觀念的盛行。使得資源運用最佳化、施工效率化、品質提昇化和建造成本經濟化等方面產生了迫切 的需求。 台灣地區現有重要水庫中普遍有淤積的問題，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]。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、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[2][3][4]，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[5]，實宜大力宣導這些特點，以鼓勵高樓建築、橋樑、房舍外牆等工程優先選用輕質混凝土興建。 目前台灣的輕質骨材是由水庫淤泥製造輕質骨材，不僅可解決長久以來水庫淤泥無處堆置及處理問題，更 可將淤泥資源化成另一種新材料，符合「綠色」、「環保」、「再生利用」的目標，為屬於「綠色材料」之一。因 此，將「水庫淤泥」製造處理成「輕質骨材」，已提供水庫淤泥的「環境負擔成本」的經濟效益。輕質骨材的粗 糙表面和吸水性，使其與水泥漿之間的界面結構（即過渡區）較為緻密而均質，不易滲透或開裂。高強度輕質 骨材混凝土的耐久性可優於常重混凝土，若適當摻用卜作嵐材料時，更可明顯提升輕質骨材混凝土的耐久性能 [6]。 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[7]。 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 [8][9][10][11][12][13]。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，可增加路面 的彈性及路面摩擦力，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[14]；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[15][16] 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於輕質骨材混凝土內，另外再拌製一組 常重混凝土，相互比較其耐久性質。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
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。2.2 試驗變數
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 新拌性質及耐久性質，並從中尋找各再生礦粉掺料最佳替代含量。3. 結果與分析
3.1 新拌性質
綠建材輕質骨材混凝土之新拌性質如表4 所示。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，其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，混凝土加入橡膠粉時，會使混凝土工作度下降相符合。再單位重因廢玻 璃砂(2.42)與廢橡膠粉(0.95)的比重較一般砂輕，固隨取代量增加，混凝土新拌單位重降低。3.2 表面電阻
混凝土耐久性與混凝土本身電化學性有關，若電阻值越高其代表有害物質較難滲入混凝土之中，混凝土內 部結構之緻密性將影響電阻值高低，若緻密性越高，孔隙越少，不易連通，有效使電導通路減少或變長，相對 提高電阻值。圖2 所示，齡期 7 天表面電阻值提升較緩，這是由於水化反應未完全，孔隙中仍有游離水分與孔 隙的存在，而齡期28 天時，由於水泥水化反應大致完成，以齡期 28 天為基準，常重混凝土各組成長 52~58%； 輕質骨材混凝土各組成長55~62%，齡期 56 天時因家天飛灰與爐石等卜作嵐材料皆反應產生，混凝土表面電阻發展趨勢增加，於56 天齡期常重與輕質混凝土皆都可達到 20 kΩ-cm ，各配比皆大於 20kΩ-cm 以上屬於不易發 生腐蝕現象之標準電阻值。
3.3 體積變化量
圖3 顯示，以控制組之常重混凝土之齡期 91 天體積變化為-1.687，在不同取代量(玻璃砂、橡膠粉、玻璃砂 +橡膠粉)5、10%，體積變化分別為 0.79、0.1267，-0.081、1.339，0.682、1.323，體積變化量都可在 0.03%以內， 唯獨廢橡膠粉取代量10%體積變化量為 0.04%為最大。輕質骨材混凝土於不同取代量(玻璃砂、橡膠粉、玻璃砂 +橡膠粉)5、10%，體積變化分別為 1.393、0.775，1.877、1.312，1.019、1.058，除了廢玻璃砂取代量 5%體積變 化量為0.0368%較高，其餘各組體積變化量都可在 0.03%以內。3.4 硫酸鹽侵蝕試驗
混凝土在含有硫酸鹽的環境下，會隨著硫酸鹽的入侵導致混凝土之劣化、破壞，降低混凝土之耐久性，其 中硫酸鹽化學腐蝕及因水分蒸發導致鹽類析晶的物理侵蝕最為嚴重。本研究混凝土試體製作完成後養護於飽和 石灰水中，7 天齡期時於烘箱以 100±5℃烘乾 24 小時，浸泡於飽和硫酸鹽中 24 小時，進行反覆 5 次乾溼循環抗 硫酸鹽試驗，以評估硫酸鹽侵蝕混凝土其影響。如圖4 顯示，常重混凝土在硫酸鹽浸泡 5 次循環後，損失量為 -2.753~ -7.184%，而輕質混凝土在硫酸鹽浸泡 5 次循環後，損失量為-2.667~ -12.326%。顯示常重骨材較輕質骨 材有較好之抗硫酸鹽侵蝕，各組以廢玻璃砂和廢橡膠粉之混凝土試體再抗硫酸鹽侵蝕有較好之抵抗性，顯是混 和二種材料比單一使用時有較高的效益。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. 輕質骨材混凝土比常重混凝土有較佳之表面電阻值，且添加再生建材比控制組佳。56 天齡期常重與輕質混 凝土各配比皆大於20kΩ-cm 以上屬不易發生腐蝕現象之標準電阻值。 3. 添加再生綠建材可有效抑制輕質骨材混凝土體積變化，以廢玻璃砂取代量 5%之體積變化與控制組相比可 降低0.0112%，廢玻璃砂取代量 10%可降低 0.0228%。 4. 常重混凝土對於抗硫酸鹽侵蝕比輕質骨材混凝土為佳，各組以混合廢玻璃砂及廢橡膠粉之混凝土試體再抗 硫酸鹽侵蝕有較好之抵抗性，顯示混和二種材料比單使用廢玻璃砂或廢橡膠粉時有較高的效益。參考文獻
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表1 水泥、飛灰、爐石粉及廢液晶玻璃之化學成份 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 廢棄橡膠粉篩分析及物性
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 粒料基本性質
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
表4 新拌性質
NO. Slump (mm) Unit Weight (kg/m3)
N 157 2276 NG5 160 2223 NG10 173 2290 NR5 153 2242 NR10 150 2211 NGR5 154 2271 NGR10 150 2218 L 160 1808 LG5 166 1778 LG10 175 1782 LR5 156 1838 LR10 152 1784 LGR5 154 1787 LGR10 151 1782 0% G5% G10% R5% R10% GR5% GR10% 0 10 20 30 40 0 10 20 30 40 Normal aggregate R e sistivit y (kO -cm) Content
W/B=0.4
Lightweight aggregate 91 day 56 day 28 day 7 day 圖1 綠建材輕質骨材混凝土之表面電阻20 40 60 80 100 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 20 40 60 80 100 Lightweight aggregate Shrinka ge( %) Age(Day) C G5 G10 R5 R10 GR5 GR10 Normal aggregate
