台灣南部再生綠建材應用之研究
王和源1、曾學雄2、黃文亮2、朱彥瑋3、林昱憲3 1. 國立高雄應用科技大學土木工程與防災科技研究所 2. 國立高雄應用科技大學工學院機械與精密工程研究所 3. 國立高雄應用科技大學土木工程系 E-mail : [email protected]摘 要
本研究以台灣南部再生綠建材對其應用之探討，針對飛灰、爐石粉、水庫淤泥輕質骨材、廢液晶玻璃、 脫硫渣及廢棄橡膠等再生綠建材其製程及應用介紹，評估各個再生綠建材應用於混凝土之使用性，以提高 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，朝向綠色建材之 方向發展。 關鍵詞：飛灰、爐石粉、水庫淤泥輕質骨材、脫硫渣、廢液晶玻璃The effect of the lightweight aggregate concrete Durability properties from
reservoir Sediment at high temperature
Wang Her-Yung1, Zeng Xue-Xiong2, Huang Wen-Liang2, Zhu Yan-Wei3, Lin Yu-Xian3
Department of Civil Engineering, National Kaohsiung University of Applied Sciences
Abstract
In this study, the southern part of Taiwan regeneration of green building materials to explore their application for fly ash、blast furnace slag、sludge lightweight aggregate、desulphurization dreg、waste rubber and waste liquid crystal glass of renewable green glass building materials, such as its application to assess the various renewable sources of green building materials used in the use of concrete and to enhance the utilization of renewable sources of green building materials. In the "circle of sustainable development" trend of trend of waste valuable renewable resources, the direction towards the development of green building materials.
Keyword: Fly Ash、Blast Furnace Slag、Sludge Lightweight Aggregate、Desulphurization Dreg、Waste Liquid Crystal Glass
1. 前 言
二十一世紀將為爭奪資源之世代，即主導人類經濟之活動除了資本與技術之外，最重要將是資源之擁 有，故在「永續發展」之世界潮流下，先進國家對於處理廢棄物之趨勢，逐步以資源化為主，因此資源之 有效利用，將維繫未來人類經濟活動之命脈，營建工程象徵國家進步發展及增進人類生活之重要工程建設， 為 避 免 過 度 開 發 製 造 大 量 營 建 廢 棄 物 導 致 污 染 環 境 ， 將 配 合 資 源 永 續 再 利 用 原 則 ， 利 用 廢 棄 物 減 量（Reduce）、重複使用（Reuse）、再生利用（Recycle）以及能源回收（Recovery）等方式，使廢棄物成為 有用再生綠建材並作為達成永續發展目標之必要手段。目前混凝土建築物佔國內所有建築總量九成，表示 混凝土仍為現今最普遍使用的營建材料，但因不具環保與可重覆利用之缺點，對生存環境之維護與節能實 有問題存在，且違反世界營建趨勢。因此尋找適當的再生綠建材為改善建築工程都是非常重要的一環。 臺灣將水庫淤泥經由高溫燒結處理製成性質優良的輕質骨材，具有隔熱、質輕、耐火性強等優點【1】， 除了具有上述之工程特性，亦可增加水庫蓄水容量，填補天然砂石資源的不足，在節能、環保具有極大的 助益。公共工程委員會推動飛灰、爐石及廢玻璃等三項營建資源再生利用於公路工程之中，其資源化成果 相當豐碩如火力發電廠所產出之飛灰約100 萬公噸、煉鋼廠所產出之爐石約 400 萬公噸、廢玻璃約 55 萬公 噸【2】，產出量皆 100 % 回收再生利用，藉此可節省工程成本外，亦可解決砂石料源短缺之問題，且研 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，在工程品質或經濟效益都較單獨添加 水泥優良【3】。國內在光電技術、軟體技術、高科技工業等高度發展，因此產生了許多的產生許多工業廢 棄物，若處理不當，將增加社會成本與環境的破壞與污染。高科技產業裡頭，以液晶玻璃產品的數量大幅 提升，如液晶螢幕與手機面板等，2007 年我國平面顯示器整體產值（包括 TFT-LCD、TN/STN-LCD 及 OLED 等）之全球市占率達 39％，為全球第一，因此勢必會產生大量的廢棄材料，如廢液晶玻璃主要來自製程不 良品、邊料，年產生量約960～1048 噸【4】，如何將其回收再利用，亦為一值得探討的課題。
2. 再生綠建材之推動概念
推動再生綠建材有四大目的，其一在倡導資源有效再利用，以減少營建素材之開採，並創造永續循環 的社會，符合綠建築「二氧化碳指標」之要求；其二在要求國內業者妥善處理所產生之廢棄物，並充分利 用可再生之廢棄料，製成具商業價值的產品，符合綠建築「廢棄物減量指標」之要求；其三是藉由標章認 證確保各種回收再利用建材對環境無害且品質性能皆可符合國家標準，以維護建築工程品質，並提供國民 優質居住空間；其四是鼓勵業者創新研發新技術，在確保建材品質無虞之前提下，提高回收再利用材料使 用比例，以促進國內綠建材產業之發展【5】。對於綠建材的概念可歸納為表 1 所示。3. 再生綠建材產製過程
3.1 飛灰飛灰一詞係指燃煤火力發電廠所產生的煤灰(coal fly ash)，為極細之玻璃質圓球體，主要由 SiO2與Al2O3
所組成。其材料成份與電廠所使用之燃煤種類有直接關聯，若為次煙煤或褐煤，可生產含鈣質較高之C 級 飛灰，除卜作嵐反應性質外，亦具膠結性；台灣電力公司所生產的飛灰，因煤粉中黏土雜質被熔解，受到 N2 及 H2 膨脹作用形成中空圓球體，其含鈣質較少，屬於 F 級飛灰【7】。 3.2 爐石 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。高爐爐渣 又依其冷卻方式之不同，分為氣冷高爐石及水淬高爐石【8】。早期氣冷高爐石被用於填路基，或用做混凝 土骨材。水淬高爐石含高量玻璃質而具有膠結能力，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 性質相同，因此可用以適量 替代水泥。 3.3 輕質骨材 台灣南部地區現有重要水庫如阿公店水庫、白河水庫、虎頭埤水庫、澄清湖水庫、鳳山水庫、仁義潭
水庫普遍有淤積的問題，由於受地質及自然環境風化影響，易使分解黏土遇水形成泥砂進入河川流入水庫 經沉澱形成淤泥，使水庫有效蓄水量逐年降低，其平均蓄水容量減少約 13%。台灣南部地區每年水庫淤泥 量約為 138 萬噸，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，更可能解決台灣砂石短缺的物題。 水庫淤泥輕質骨材製作步驟如，將淤泥原料壓碎經脫水、造粒成型的輕質骨材放入旋窯中高溫燒結， 由不同燒結溫度可得不同單位重之輕質骨材。燒結溫度越高所燒結輕質骨材之孔隙越多且比重越低。至於 輕質骨材物理特性主要有兩種： 1. 吸水性：輕質骨材因具有大量孔隙，骨材中之孔隙會吸收大量水分，尤其燒結型之膨脹材，其吸水率常 大於常重骨材。常重骨材之吸水率一般小於 3%，輕質骨材依目前窯燒技術可將吸水率控制在 10%以下，以阿公店水庫淤泥製得之輕質骨材其吸水率約為 8%，遠低於以往一般輕質骨材 20~40%之吸水率【9】。降低吸水性可避免混凝土在泵送或澆置施工時高度的吸水率導致坍度 損失。 2. 總體比重：膨脹頁岩骨材之面乾內飽和比重約是常重骨材之 1/2~1/3，總體比重隨顆粒大小而異。經檢測 阿公店水庫淤泥製成之輕質骨材比重（OD）在 1.1 左右。 3.4 廢液晶玻璃 廢玻璃可分為分色玻璃與混色玻璃，台灣一般廢玻璃資源化途徑如圖1 所示。因 TFT-LCD 產業之廢玻 璃因材質為比較特殊的無鹼硼矽玻璃，回收後無法進入傳統平板玻璃熔融製造廠；也因膨脹係數的關係。 因此 TFT-LCD 產業之廢玻璃的後續處理，應朝廢玻璃原材質加工資源化利用的方向進行，包括土木/營建 骨材資源化利用、二次製品製造利用、其他用品製造利用等。廢玻璃原材質加工資源化方式是將廢玻璃經 由分類、去雜質、碎篩選、洗滌及振動篩選等流程後，控制粒度與顏色分選等條件最後產出玻璃碎砂。玻 璃碎砂可當成「再生玻璃砂」也可應用為「綠建築材料」【4】。 3.5 其他廢棄物 在一貫作業的煉鋼廠，以中國鋼鐵為例，出自高爐出來的鐵水，要進入煉鋼制程前，為提升鋼液的品 質，利用脫硫劑加入 1500℃的鐵水中，進入脫硫所得到的副產品即為脫硫渣。煉鋼鐵水脫硫過程所產生之 脫硫渣，主要成分有CaO、SiO2、Fe2O3、Al2O3。目前脫硫渣資源再利用，大部分在於酸性土壤改良劑、水
泥廠生料、水泥製品填充材、回收至燒結工廠或高爐使用【10】。近年來國內車輛逐年增加，連帶廢輪胎 也與日俱增，須加以處理，以免造成環境汙染。廢輪胎其處理方式大約為，經過燃燒切割成塊，再經過粉 碎機予以絞碎成不規則的橡膠碎塊，或使用水刀切割成橡膠粉末使用。廢橡膠經處理後可產製橡膠瀝青混 凝土或隔音牆填充料等使用。
4. 再生綠建材於營建材料應用效益
4.1 飛灰效益 飛灰形狀大部份呈圓球形、粒徑細小、粒徑分佈範圍在0.4μm 至 100 μm，能影響水泥漿體的流動性。 若用適當的配比加以取代水泥，將增加骨材流動性與糊漿體積及混凝土塑性，但若超量使用，其浮水量會 增加。飛灰取代混凝土內部分水泥時，由於水泥量減少將使水化熱降低、水化速度減慢，因此會降低整體 的活性，使凝結速率減慢而延長其凝結時間。材料水化過程中，水化熱降低，降低程度隨著飛灰取代量大 小而定。飛灰取代量20﹪的水化熱已可符合 Type Ⅱ水泥的規範要求，而取代量 30﹪時，早期水化熱將比 Type Ⅳ低熱水泥還低，更適合於巨積混凝土【12】。飛灰於水泥漿體內之反應是以卜作嵐反應為主，卜作嵐反應必先有水泥水化反應產生相當含量之 CH 後，才能激發飛灰進行卜作嵐反應。飛灰於水化早期少參與反應，故飛灰混凝土早期強度較低。隨著卜作 嵐反應發酵，晚期強度發展較佳。飛灰產生卜作嵐反應,消耗了會溶於水的 CH,產生 C-S-H 膠體填補空隙, 因此添加了飛灰的混凝土,空隙率低.緻密度高,對於防止硫酸鹽等化學物質侵蝕方面有正面效果。 4.2 爐石效益 高爐石混凝土強度發展與高爐石粉之反應活性有密切關係，相對於普通水泥砂漿而言，採用 120 級高 爐石粉，1 至 3 天早期強度較低，7 天以後晚期強度較高；採用 100 級高爐石粉，1 至 21 天強度較低，晚期 強度相同或較高；採用80 級高爐石粉，各期強度均較低。爐石粉對混凝土強度發展之影響與混凝土之水膠 比、養護溫度及替代率比例亦有很大關係。於水膠比愈低，尤其替代率較高時，強度之提昇愈明顯；高溫 養護有助於高爐石混凝土強度之提昇；爐石粉替代率越高，早期強度發展緩慢。高爐石粉對混凝土乾縮潛 變之影響甚微；但養護不足時，則會明顯增加，另應注意拌和水量對乾縮潛變之影響【13】。爐石粉適量 替代水泥，可降低初期水合熱及混凝土內部溫度上升之速率，替代率愈高或爐石粉活性愈差時，隨水泥用 量減少，其降低之程度愈明顯。 高爐石混凝土硬固後有很好的低透水性；在適量替代率下，替代率愈高，水密性愈好。爐石粉之卜作 嵐反應，使混凝土中水泥漿體內之毛細孔直徑減小，微觀結構緻密，因此非常顯著地增加混凝土之透水性。 爐石使用於混凝土可提高耐久性，例如抵抗硫酸鹽侵蝕，鹼骨材反應及鋼筋銹蝕之能力【14】。 4.3 輕質骨材效益 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。輕質骨材混凝土整 體上而言由於其質輕，故可減少地震力。而它具有熱絕緣性可節省能源、耐火及對天候有耐久性以及體積 穩定性和實際施工性佳，其經濟性及隔熱節能評估已有學者進行過研究都相當肯定其應用推廣供結構用 【15-17】。 輕質骨材混凝土其抗壓強度都隨單位重而提升，以天然砂取代輕質砂的抗壓強度也可大幅上升【18】。 而且輕質骨材混凝土強度發展，早齡期的強度增加快速、晚齡期趨緩，使混凝土形成早強的傾向。這是輕 質骨材混凝土特有的現象，乃因輕質骨材強度低於水泥漿體的最終強度所致【18】。輕質骨材混凝土的界 面過渡區性能較佳，密度較大、強度較高，而輕質骨材的彈性模數與水泥漿體者相近，使兩者間之握裹力 較為理想，界面裂縫較少發生，而使輕質骨材混凝土的握裹強度得以優於常重混凝土者【19】。 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【19-21】。 4.4 廢液晶玻璃效益 廢液晶玻璃進行資源化再利用，以 96 年 TFT-LCD 製造業廢玻璃產生量 19,689 公噸計算，若以再利用 方式處理每年可節省4.8 千萬元。而玻生產玻璃所需礦物開採每公噸產生 0.005 公噸之二氧化碳，以 93 年 TFT-LCD 製造業所產生之廢玻璃，若以再利用方式行處理，則可減少 105.6 公噸之溫室氣體排放【10】。 廢液晶玻璃壓碎成廢玻璃砂，添加於 ACI 混凝土、控制性低強度混凝土及自充填混凝土。可發現，隨 廢玻璃砂取代量提高，混凝土其坍度、坍流度值隨之增大；添加於自充填混凝土時，其箱型試驗、V 型試 驗可發現，隨玻璃砂取代量越多，其工作性更佳；玻璃砂取代量 20%時，混凝土強度發展為最好；各取代 量其超音波波速比控制組快，且具有優良品質範圍；隨廢液晶玻璃砂取代量增加時，可降低混凝土體積變
化；玻璃砂添加於混凝土可有效填塞混凝土中的孔隙，能提供較佳之耐久性質，表面電阻、耐酸、耐鹽、 耐鹼、氯離子電滲較佳之表現【10、22、23】。 4.5 其他再生綠建材效益 1. 脫硫渣 於農業用途發現，脫硫渣可以改善養蝦底泥及養蝦環境，可增加養蝦成功率，其效果不亞於農用生石 灰。脫硫渣也可改善土壤酸化所衍生之農業問題【31】。於混凝土使用方面，研究顯示，當使用脫硫渣時， 添加卜作嵐材料，可增加其效益。應用於控制性低強度材料時，齡期28 天抗壓強度則介於 15~27 kgf/cm2， 皆符合非制式CLSM 之要求，並且後期強度增幅微小，因此符合 CLSM 易再開挖之原則【32】。 2. 廢橡膠輪胎 大約1960 年發展膠瀝青混凝土，主要皆由橡膠本身彈性特性，一般路面受限於彈性特性而有嚴重的疲 勞現象，使得壽命較短，需要時常維修，經由廢輪胎橡膠改質的瀝青混凝土，可能因擁有較佳的彈性性質 而使壽命增長，節省養路所需的經費。廢輪胎做成的隔音牆，可有效降低音量達10 分貝，相對於傳統的隔 音牆，橡膠塊粒隔音牆有三大優點：(1)價格較低﹔(2)施工迅速﹔(3)隔音效果較佳【33】。研究得知混凝土 添加廢橡膠會影響其工作度及強度下降，但延性提高有助於混凝土抵抗反覆荷載的能力，可應用於非主結 構的混凝土工程上【34】。
5. 結 論
1. 台灣南部為工業重鎮，隨工業的發達，也帶來許多產業廢棄物，故如何處理產業廢棄物再生利用為綠建 築材料，並提升其使用效益，為重要之研究。 2. 飛灰與爐石粉添加於混凝土內部，除了可減少水泥用量外，因其本身卜作嵐反應，添加於混凝土內部， 可提升混凝土其強度及耐久性質 3. 水庫淤泥輕質骨材由於其質輕，故可減少地震力。而它具有熱絕緣性可節省能源、耐火及對天候有耐久 性以及體積穩定性和實際施工性佳，其經濟性及隔熱節能等性質，於市面已有大量使用。 4. 玻璃含有大量的矽和鈣，於理論上性質屬於卜特蘭材料，其物理性質皆與混凝土相近，因此將廢玻璃粉 碎後添加於混凝土中作為骨材使用，為可行的資源化途徑。抗壓、抗彎、劈裂以及硬度會依取代量增加 其強度降低。應用於混凝土中可以降低用水量及乾縮。在中、低強度之混凝土添加玻璃砂能提供較佳之 耐久性質。參考文獻
[1] H.Y. Wang, K.C. Tsai, “Engineering properties of lightweight aggregate concrete made from dredged silt”, Cement & Concrete Composites, 28 pp.481~485, 2006. [2] 行政院公共工程委員會網站：http://www.pcc.gov.tw/. [3] 行政院公共工程委員會，「公共工程飛灰暨高爐石混凝土使用手冊」，行政院公共工程委員會，台北，2001。 [4] 鄭智和，「TFT-LCD 製造業廢棄物處理現況探討」，工業技術研究院環安中心，2002。 [5] 陳文卿，「再生綠建材推動契機」，產業廢棄物再生建材研發技術成果發表暨產學座談會論文集，2008。 [6] 王俊喬，「綠建材概念及運用綠建材概念之衍生環保產品研發與多重功能」，2006 綠色營建科技研討會，2006。 [7] 郭淑德，「飛灰的利用與發展」，如何使用飛灰以提生混凝土品質研討會論文集，財團法人台灣營建研究院，第 1-26 頁，1998。 [8] 中國鋼鐵公司，「爐石利用推廣手冊」。 [9] 顏聰、陳豪卲、王順元，「台灣地區輕質骨材混凝土之研發與應用」，第二屆海峽兩岸輕骨料混凝土產製與應用 技術研討會，pp.12~17，上海，2006。 [10] 劉國忠，「煉鋼爐渣之資源化技術與未來推展方向」，環保月刊，第四期十月號，2001。 [11] 黃文亮，「自充填廢液晶玻璃混凝土性質之研究」，高雄應用科技大學土木工程與防災科技研究所 ，高雄， 碩 士論文，2009。 [12] 顏聰，“飛灰混凝土之工程性質”，正確使用飛灰以提昇混凝土品質論文集，頁 105-121，台中，民國 85 年。 [13] 中國鋼鐵公司，「爐石利用推廣手冊」。 [14] 詹穎雯,「飛灰爐石混凝土之原理、性質與應用」, 飛灰爐石於混凝土工程之合理運用研討會論文集, 台灣營建研 究院, 1999 年 5 月, pp.1~16。
[15] Hogan, F.J. and Meusel, J.W., 〝Evaluation for Durability and StrengthDevelopment of a Ground Granulated Blast-Furnace Slag,〞Cement, Concrete,and Aggregates, V.3, No.1, Summer 1981, pp.40~52。
[16] 湯兆緯、顏聰，「鋼結構輕質混凝土建築之隔熱節能評估」，輕質骨材及輕質骨材混凝土應用研討會論文集，中 華民國節能輕質骨材混凝土推廣協會主辦，pp.117~135(2003 年 4 月)。 [17] 劉玉雯、陳豪吉、湯兆緯，「輕質骨材混凝土之隔熱性質」，輕質骨材及輕質骨材混凝土應用研討會論文集，中 華民國節能輕質骨材混凝土推廣協會主辦，pp.83~98(2003 年 4 月)。 [18] 黃玉麟、顏聰、顏坤毅，「鋼結構使用輕質混凝土之經濟效益」，輕質骨材及輕質骨材混凝土應用研討會論文集， 中華民國節能輕質骨材混凝土推廣協會主辦，pp.43~80(2003 年 4 月)。
[19] S. Chandra and L. Berntsson, “ Lightweight aggregate concrete”, Noyes Publications, Norwich, N. Y. U.S.A., 2002, pp.100-285. [20] 黃中和，「輕質骨材混凝土樑耐震行為之研究」，國立中興大學博士論文，2005， pp.71-100. [21] 胡曙光，王發洲，「輕集料混凝土」，化學工業出版社，北京，2006，第 127-174 頁。 [22] 曾學雄，「添加廢液晶玻璃於混凝土之可行性研究」，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，2006。 [23] 陳俊升，「廢液晶玻璃應用於控制性低強度混凝土(CLSM)配比及特性之研究」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，2008。 [24] 陳瑤湖，「以煉鋼爐渣及脫硫渣改善養蝦池底泥可行性之研究」，國立台灣海洋大學水產養殖系，基隆，碩士論 文，2000。 [25] 翁明瑋，「脫硫渣與水淬爐石資源化於無水泥CLSM可行性之研究」，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，2007。 [26] 陳志恆，「廢橡膠─廢輪胎資源化與管理」，資源廢棄物回收再利用管理，行政院環境保護署，1999。 [27] 陳振福、柯國軍、胡紹全、石建軍、郭長青、陳俊杰、孫德綸，「橡膠混凝土小變形阻尼研究」，噪音與震動控 制，第二十四卷，第三期，pp.32-34，2004
表1 綠建材之概念綜整【6】 特性 再使用 再循環 減量 低汙染 使用優點 生態材料 減少化學合成材之生態負荷與能源消耗 回收再用 減少材料生產耗能與資源消耗 健康安全 使用天然材料與低揮發性有機物質的建材，可減免化 學合成材料所帶給人體的危害 材料性能 材料基本性能及特殊性能評估與管制，可確保建材使 用階段時之品質 評估項目 性能確保 環保確保性 健康性確保 圖1 廢玻璃資源化途徑
