應用泥渣類廢棄物產製功能性建築材料之研究

103 學年度 休假研究報告書

休假研究計畫名稱：

應用泥渣類廢棄物產製功能性建築材料之研究

單位：環境工程學系 姓名：張祖恩

中華民國 104 年 4 月 1 日

應用泥渣類廢棄物產製功能性建築材料之研究

摘 要

近年廢棄物管理政策以零廢棄為目標，並積極推動資源循環，焚化飛灰、底 渣、金屬冶煉爐渣、燃煤飛灰、淨水污泥等無機產業廢棄物之主成分以鈣、矽、鋁、

鐵等元素之化合物為主，具有再利用為營建與建築材料之潛力，故應積極開發 相關資源化技術。然而上述無稽廢棄物含有鹽類與重金屬等雜質，其對於環境與 資源化產品性質之影響必須進一步深入研究探討。另一方面，廢棄物資源化技術 應以開發高附加價值之產品為方向，方可增強資源循環之動能。此外，綜觀現今 國際建築材料之發展趨勢，新型建築材料除了必須滿足抗壓、抗彎等基本物理性 質之外，亦需兼具輕質、隔音、隔熱、再生、保水、調濕等功能性，以達到節能減 碳、生態環保的綠建材理念。

有鑑於此，申請人以產業廢棄物水泥材料化相關研究為基礎，規劃將泥渣 類無機產業廢棄物再利用於產製矽酸鈣系功能性建築材料，故擬研提一年休假 研究計畫，題目為「應用泥渣類廢棄物產製功能性建築材料之研究」。研究中將 歸納矽酸鈣系建材原料配比與養護程序等最適條件，探討灰渣中鹽類對於矽酸 鈣水化與結晶反應之影響，評析泥渣類廢棄物前處理之必要性與操作條件，並 檢討製成的矽酸鈣系建材之功能性與環境相容性，期能充分運用材料特點並開 發高性能之綠色建築材料。

本 年 度 休 假 研 究 主 要 針 對 焚 化 飛 灰 （municipal solid waste incineration (MSWI) fly ash）應用於功能性建築材料之技術開發。焚化飛灰為常見煙道灰，

其 化 學 組 成 富 含 Ca 、 Si 等 元 素 ， 應 具 有 作 為 高 壓 蒸 氣 養 護 氣 泡 混 凝 土

（autoclaved aerated concrete，AAC）替代原料之潛力。由於焚化飛灰含有高量 氯鹽與硫酸鹽等鹽類，對於應用於一般水泥系材料存在凝結時間延長、鋼筋腐 蝕、耐久性差等問題，因此其資源化再利用受到許多限制。本研究將焚化飛灰應 用於AAC 之製作，藉由調整拌合水量，歸納原料最適製作條件。研究結果顯示 焚化飛灰產製AAC 係以水固比為 0.65 L/kg 製品具有較佳之密度與強度表現，

亦可提高取代比例至20 wt.%，並符合 AAC 標準規範。

關鍵字：焚化飛灰、氯鹽、高壓蒸氣養護氣泡混凝土

一、前 言

1-1 研究動機與目的

建築材料使用量大、應用範圍廣泛，因此建築材料從生產、應用、廢棄、再生 等過程對於地球環境與人類生活有著密切的關聯性。開發綠色建材是達到永續發 展的必要工作，目前世界各國皆在積極研究相關的技術，主要的方向包含開發 健康、功能性建材以及有效再利用工業副產物。綠色建築材料之發展可由產品設 計、替代材料、製程改善等方面著手，藉由提升技術水準、提高能源與資源的利 用效率、減少污染物質以避免環境污染，使得建築材料得以朝向資源循環利用的 方向進展。其中關鍵因素是發展和應用綠色製程技術，研究開發具有節約能源、

減少原料使用、減少廢棄物產生、具備環境友善及人體健康安全等特點的綠色建 材產品（Berge，2009）。

牆體材料佔建築物整體相當重要的比例，目前亦有許多綠色牆體材料的開 發，且再利用工業副產物可生產新型的牆體材料，不僅可促進資源循環、減少環 境污染，並且一般皆能得到良好的經濟效益，此應為目前建築材料發展的正確 方向。在目前的相關應用方面，煤灰、爐渣等可用於燒製磚材，煤灰另可再利用 於氣泡混凝土及輕質牆板的生產，含磷石膏、含氟石膏、脫硫石膏可作為替代原 料製造石膏板、石膏磚材等，水淬高爐石則可用於生產混凝土磚材、屋瓦等

（ISTIS，2006）。各類新型牆體材料詳述如下：

1. 混凝土塊材

歐洲國家的建築中，應用混凝土塊材作為牆體材料約佔使用量的 10～

30%，日本與美國建築中使用混凝土塊材的比例更達到墻體材料總量的 33～

34%。混凝土塊材不僅產量大，而且相關的生產、加工及應用的技術也非常成 熟，各種規格、型式、顏色的塊材應有盡有．並有完整的混凝土塊材產品之標準 及施工規範等。

2. 氣泡混凝土

俄羅斯及東歐國家是氣泡混凝土生產和使用量最大的地區，其次是德國、日 本等國家。氣泡混凝土在這些國家的生產、加工、應用等技術皆已十分成熟，而 氣泡混凝土的特性更進一步朝向輕質、高強度、多功能方向發展。目前氣泡混凝 土逐漸採用燃煤飛灰、爐渣、廢石膏、廢石英砂等工業副產物作為替代原料。

3. 保溫隔熱材料

美國、日本與歐洲等國家受到氣候的影響，對於保溫材料使用量非常大，新 建住宅必須符合相關建築保溫的要求，舊建物翻修亦要增加屋頂、外牆的保溫的 功能。常用的保溫材料一般以礦物棉、玻璃棉、泡沫塑膠為主。

4. 輕質複合板材

國外的輕質板產品的種類繁多．舉凡單一板材與各種保溫材料（例如：聚 苯乙烯、岩棉、礦棉等）結合而成的複合板材皆歸屬此類別。常見的產品包括矽 酸鈣板、纖維加勁水泥板、石棉水泥板等。

5. 屋面材料

目前歐洲國家使用混凝土屋瓦佔屋面材料的40%以上，為使用量最高的屋 面材料。傳統的黏土屋瓦仍然普遍受到喜愛，其使用量僅次於混凝土屋瓦。石棉 水泥瓦和玻璃瓦的使用量較小，主要用於公共建築或工業廠房的簡易屋面。金屬 屋面約有50%用於工業建築。塑膠及聚碳酸酯屋瓦近年來開始發展，可用於公 共建築採光或苗圃溫室等。

目前世界各國皆致力於推動各項節能減碳的措施，許多國家均制定了建築 節能的法規和標準，可有效促進新型建材的產品開發，因此近年來發展了多種 製程節能、產品節能及替代原料的相關技術。此外，具有隔熱、輕質、減廢、保溫 等功能性的新型建材更成為了未來建築材料的主流，藉以符合節能、減碳、環保 的永續發展理念。

此外，由產業零廢棄與資源永續循環之觀點而言，無機廢棄物應積極拓展 相關再利用途徑，取代填地、掩埋等消極處理。焚化灰渣、燃煤飛灰、煉鋼爐石、

淨水污泥等多富含氧化鈣、二氧化矽及鐵氧化物，成分近似水泥系混凝土原料，

故具有再生資材化之潛力。而部分泥渣類廢棄物由於粒徑過小、含水量高等因素 造成再利用不易，亦需進一步開發相關資源循環技術。蒸壓養護輕質混凝土

（autoclaved aerated concrete，AAC）有別於一般混凝土材料，原料除需要少量 水泥外，主要為氧化鈣及二氧化矽，並以少量金屬鋁作為發泡劑而產生輕質特 性。蒸壓養護輕質混凝土具有多項優良的工程性質與物理特性，且製程與回收方 面兼具低能源需求與資源可循環特性，更被譽為21 世紀的優良建築材料，值得 進一步研究開發。

養護程序為輕質混凝土製造的重要步驟，藉由提高養護溫度可加速水泥材 料之水化反應，迅速提高材料的機械強度，縮減產品製造的時間及成本，一般 可 分 為 低 壓 蒸 氣 養 護 與 高 壓 蒸 氣 養 護 等 2 類 型 （ 黃 兆 龍 ， 2002 ； Taylor，1997）。

1. 低壓蒸氣養護

低壓蒸氣養護係指在正常大氣壓力下，直接加溫產生蒸氣用於水泥材料之 養護，常用的溫度範圍約為65～80°C 之間。溫度過高或升溫過快都可能因熱脹 冷縮產生裂縫，造成產品性質劣化；而過低的溫度則需要較長的養護時間，雖 然有較佳的機械強度及耐久性，但亦會增加製造成本。養護的過程可分為預養

護、控制加溫期、蒸氣養護期、控制冷卻期等階段。預養護為材料凝結成型的時 期，一般約為2～6 小時；控制加溫期受到升溫速率之影響，升溫速率通常約為 10°C/小時，升溫時間約持續 2～3 小時；蒸氣養護期所需的時間則視材料特性、

最高養護溫度而決定；控制冷卻期之降溫速率通常約為20～30 °C/小時。

低壓蒸氣養護的水泥材料其基本水化反應與一般養護程序相同，矽酸鈣水 化物仍以非晶質的膠體狀態存在，僅藉由提高溫度促進相關反應之進行。然而加 速水化反應會使得水化產物分布較不均勻，增加內部孔洞與裂縫，且材料受熱 及冷卻過程產生的形變亦會影響其機械強度與性質。

2. 高壓蒸氣養護

高壓蒸氣養護係在密閉容器中加熱超過100°C 使得飽和蒸汽壓力提高，常 用的溫度範圍約為160～210°C，對應的蒸氣壓力則介於 6～20 atm。高壓蒸氣養 護的各個階段大致與低壓蒸氣養護相同，但在此溫度與壓力的條件下，矽酸鈣 水化產物之特性會發生顯著變化，非晶質的膠體水化物會逐漸轉變成結晶型水 化物。在缺乏活性SiO2的條件下，C-S-H 膠體在高壓蒸氣環境下會轉變為水化矽 酸二鈣（α-C2SH）晶體，造成水化物比重增加、體積減小，而材料本身整體體 積反而受熱膨脹，故會引起嚴重的裂縫產生及結構崩解。然而，若系統中存在適 量的活性SiO2時，C-S-H 膠體會進一步與 SiO2及H2O 反應生成結構穩定的結晶 型水化物C5S6H5，稱之為「托伯莫萊土」（tobermorite）。此結晶型水化物之比重 與體積並無顯著變化，且隨著高壓蒸氣養護程序持續生成並填充孔隙，故可增 加材料強度。但過多的SiO2會殘留在材料中形成惰性填料，不利於托伯莫萊土 之生成。此外，過長的高壓蒸氣養護時間會導致托伯莫萊土分解並生成「白矽鈣 石 」（Ca2Si3O7(OH)2•2H2O，gyrolite），因而造成強度衰減（Isu et al，1995）。

由此可知，水泥材料以蒸氣養護時，活性SiO2含量及養護條件必須針對不 同的原料組成加以妥善調配及控制。另一方面，目前少有文獻探討水泥材料中，

氯化物、硫酸鹽、重金屬等干擾物質在高壓蒸氣環境下可能發生的作用，以及對 於矽酸鈣水化物生成與結晶反應之影響，故值得進一步深入研究。

1-2 研究內容

有鑑於此，申請人規劃以歷年產業廢棄物水泥材料化相關研究為基礎，嘗 試應用焚化飛灰與底渣、煉鋼爐石、燃煤飛灰等作為矽酸鈣系建築材料之替代原 料，探討硫酸鹽、氯化物與重金屬於高壓蒸氣條件下對於矽酸鈣水化晶體生成與 特性之影響，據此檢討焚化灰渣替代量限值及前處理程序之必要與否。研究中將 歸納出無機廢棄物產製矽酸鈣系建材之原料配比、加壓成型/發泡鑄型、養護程序 等製程最適條件。此外亦測試分析矽酸鈣系建材製品之隔熱、耐燃、輕質、保水、

調濕等性質，並配合相關批次與長期溶出試驗，瞭解產品中硫酸鹽、氯化物、重 金屬等成分之溶出特性，藉此驗證所開發產品之功能性與環境相容性。因此，申

請人研提一年休假研究計畫，題目為「應用泥渣類廢棄物產製功能性建築材料之 研究」，期能開發無機產業廢棄物再利用於兼具節能、再生、高性能建築材料製 造之綠色資源化技術。

本次休假研究內容主要以焚化飛灰、氧化鈣（CaO）、二氧化矽（SiO2）、普 通卜特蘭水泥與鋁粉作為AAC 之原料，藉由焚化飛灰含大量氯鹽之特性，瞭解 鹽類對焚化飛灰產製AAC 之影響，另一方面藉以增加焚化飛灰之再利用性，提 升資材化之效益。

二、研究方法

2-1 休假研究工作規劃

為強化廢棄物資源化之應用，開發相關再利用技術並提昇材料特性及價 值，本休假研究計畫將以焚化灰渣、煉鋼爐石、淨水污泥等無機廢棄物為主要對 象，探討矽酸鈣系功能性建築材料製程最適操作條件及製品特性。休假研究計畫 進行之方式如下：

1. 研究實驗部分

（1）收集研析國內外泥渣類廢棄物相關資材化文獻資料，採集焚化灰渣、煉鋼 爐石、淨水污泥等樣品，以矽酸鈣系功能性建築材料為資材化為導向，分 析其物化特性，建立材料之基本特性資料。

（2）進行國科會補助計畫「應用焚化灰渣產製功能性建築材料之研究」，收集 相關文獻資料研析以瞭解製備輕質混凝土之重要條件及影響因素，完成原 料調配、拌和水化、發泡鑄型、蒸壓養護等實驗。透過後續材料特性分析回 饋修正實驗參數，尋求蒸壓養護輕質混凝土製造之最適原料配比、拌和水 及發泡劑量、蒸壓養護條件，並瞭解各參數對材料特性之影響，期能提升 無機廢棄物資材化技術之位階，提高相關資源化產品價值。

（3）進行無機廢棄物產製蒸壓養護輕質混凝土之研究，配合粒徑分選/縮減、磁 選等前處理程序，探討原料配比及養護條件之影響，開發高性能混凝土製 品。

（4）針對開發之矽酸鈣系建築材料測試其隔熱、隔音、防火、吸濕等功能性，以 及材料再生、重金屬/鹽類溶出等環境特性。綜合評估再生功能性建材之整 體經濟與環境效益。

2. 參訪考察部分

（1）國內—規劃參訪國內廢棄物處理/資源化廠、水泥製品廠之研發部門，瞭解 其原料來源、特性及操作條件、產品品質控制等，訪查無機廢棄物再利用

意向及須克服之技術問題。

（2）國外—規劃赴大陸、日本、德國等廢棄物資源化相關研究單位拜訪，並參 觀輕質混凝土製造廠等，蒐集相關廢棄物資源化研究及實務之資料，供教 學、研究工作之重要參考。

2-2 研究材料與方法 1. 研究材料

本研究所使用之原料包含焚化飛灰、試藥級CaO、SiO2、鋁粉及普通卜特蘭 水泥。焚化飛灰來自於南部某垃圾焚化廠，樣品採集後立即進行三成分與粒徑分 析，其餘材料置入105°C 之熱風循環烘箱乾燥。乾燥樣品經球磨及篩分至粒徑小 於1mm，置於乾燥箱中保存備用。

2. AAC 原料組成配比

本研究團隊先期研究結果歸納 AAC 之最適原料乾基配比為水泥 = 5 wt.

%、CaO = 25 wt.%及 SiO2 = 70 wt.%，鋁粉添加量為 0.5 wt.%（林俊達，2011）。

依此原料配比作為焚化飛灰調質上依據。

3. 漿體製備與高溫高壓養護程序

AAC 漿體製備係將上述原料加水後以攪拌機混合均勻，由於漿體發泡迅 速，需於2 分鐘內填入 125 cm3 鑄鐵模具中，並靜置 30 分鐘使鋁粉充分反應發 泡。當漿體膨脹完成後以刮刀將模具頂面刮平，隨即置入恆溫恆濕箱進行預養 護，控制相對濕度95%及溫度 25～30℃，待 24 小時後即可將試體自模具取 出，後續進行高壓蒸氣養護程序，養護溫度為189℃，壓力達 12 atm，養護時 間16 h。

4. 分析方法

（1）化學組成分析

焚 化 飛 灰 之 化 學 組 成 分 析 係 根 據 行 政 院 環 境 檢 驗 所 檢 測 方 法 NIEA R355.00C，利用強酸搭配微波消化後，藉由感應耦合電漿光學放射光譜儀

（inductively coupled plasma-optical emission spectrometer，ICP-OES）之高溫電 漿能量使原子自基態跳升至激發態產生能階躍越，而當原子自激發態回復至基 態時，放射出其特性光譜，元素定性及定量則依據其各元素特定波長及強度比 對標準品檢量線後，即可分析消化液各元素之濃度以推算樣品化學元素組成。

（2）抗壓強度測試

高壓養護完成之AAC 試體冷卻至室溫後進行抗壓強度試驗。施加載重於試

體直至崩裂並記錄其抗壓強度，並將崩裂後之試體收集，作為後續晶相及微觀 結構分析之樣品。

（3）X 光繞射分析

本研究之AAC 樣品經球磨過篩後，使其粒徑小於 100 mesh（0.15 mm），

鋪平後壓實置於載台內，進行X 光繞射（X-ray diffraction，XRD）分析。X 光管 以Cu 作為靶材，操作條件電流及電壓分別設定為 40 mA 與 40 kV，分析掃描範 圍在5～55°(2θ)，每步階掃瞄 0.03°(2θ)，掃描時間為 2 秒，經後端偵測器收集 得繞射數據。將所得之XRD 圖譜與國際繞射資料庫之標準圖卡比對特性峰之 2θ 角度及強度比例，藉以判定樣品之晶相組成。

（4）同步熱分析儀

本研究將欲分析樣品經球磨機研磨至粒徑< 0.15 mm，以氧化鋁坩鍋秤取 20

～30 mg 置 入 同 步 熱 分 析 儀 （ simultaneous differential scanning calorimetry -thermogravimetric analyzer，DSC-TGA）中分析，在加熱過程中，記錄樣品與 基準物質的溫度差（DTA）、比熱容量或反應熱（DSC）與天平儀量測樣品的重 量變化（TGA），可了解物質反應溫度或相轉變溫度與重量變化之關係。

三、結果與討論

3-1 焚化飛灰之基本特性

（1）物理特性

表 1 為焚化飛灰之基本物理特性， 包含水分、灰分、 燒失量（ loss on ignition，LOI）等近似分析結果。焚化飛灰之水分含量為 2.34 wt.%，灰分為 90.38 wt.%，燒失量為 7.28 wt%，係因飛灰屬旋風集塵器所收集之灰渣，採半 乾式處理，且垃圾在高溫焚化過程中水分多已蒸發成氣態，因此水分含量偏低。

表 1 焚化飛灰之基本物理特性

Waste Weight (wt.%)

Moisture Ash LOI MSWI fly ash 2.34 90.38 7.28 LOI: loss on ignition

（2）粒徑分布

圖1 為焚化飛灰粒徑分布之分析結果。焚化飛灰粒徑主要集中於 50～300 μm，約 25 wt.%粒徑小於 67 μm，50 wt.%小於 141 μm 及 75 wt.%小於 295 μm，

其平均粒徑為224 μm 左右。

Particle diameter (m)

1 10 100 1000

D iff er en tia l v ol um e (% )

0 1 2 3 4 5

C um m ul at iv e vo lu m e (% )

0 20 40 60 80 100 120 Differential Volume

Cummulative Volume

圖 1 焚化飛灰之粒徑分布

（3）化學元素組成

將焚化飛灰先進行微波消化，並利用ICP-OES 測定消化液各元素濃度，分 析結果如表2 所示。焚化飛灰主要元素 Ca 約為 16 wt.%，其次為 Si、Na 及 K 等 元素。焚化飛灰具有較高Ca 含量，應適合作為 AAC 之替代原料。在焚化飛灰方 面，可發現Zn 有大量溶出現象，濃度達約 591 mg/L；其餘則以 Cu 及 Pb 元素 有微量溶出情形，分別為2.54 及 6.17 mg/L，然而 Pb 因為超過有害事業廢棄物 認定標準，故可判定為有害事業廢棄物。焚化飛灰中氯鹽含量測定是採用連續式 水洗，水溶性氯鹽總量達8.25 wt.%。焚化飛灰中硫酸鹽含量測定是採用 ASTM C114，硫酸鹽總量達 18.88 wt.%。

（4）晶相組成

圖3 為焚化飛灰之 XRD 圖譜，經由對照礦物標準繞射圖卡得知，焚化飛灰 主要礦物為含硫及含氯化合物，包含硫酸鈣（anhydrite，CaSO4）、氯化鈉

（halite，NaCl）及二水氯化鈣（sinjarite，CaCl2.(H2O)2）等晶相，係因焚化廠 垃圾性質複雜，燃燒後之廢氣處理過程大多使用消石灰作為吸收酸氣之鹼劑，

故導致CaSO4繞射強度較高。

表 2 焚化飛灰之化學組成

Chemical composition MSWI fly ash TCLP

Element (wt.%)

Ca 15.99 NA

Si 4.21 NA

Al 2.21 NA

Fe 1.27 NA

K 4.06 NA

Na 4.07 NA

Mg 1.37 NA

Heavy metal (mg/kg)

Cr 619 ND

Zn 11056 591.2

Ni 109 ND

Pb 5041 6.17

Cd 44 ND

Cu 904 2.54

Chloride

(wt.%) Cl^- 8.25 NA

Sulfate

(wt.%) SO42- 18.88 NA

MSWI: municipal solid waste incineration ND: not detected (< 0.01 mg/L)

NA: not available

2 (degrees)

20 30 40 50 60 70

In te ns ity

A: Anhydrite, CaSO

H: Halite, NaCl Q: Quartz, SiO

S: Sylvite, KCl

J: Sinjarite, CaCl

.(H

O)

A

Q S

J H

A

A A S A A A

H J H

圖 3 焚化飛灰之 XRD 圖譜

3-2 焚化飛灰產製 AAC

圖4 為焚化飛灰取代比例對 AAC 製品密度與抗壓強度之關係，當取代比例 為5 wt.%與 10 wt.%時，平均密度與抗壓強度約為 746 kg/m³及7 MPa，可符合 AAC-6 標準規範，但相較於未添加飛灰之 AAC，密度與抗壓強度分別降低約 80 kg/m³與9.5 MPa，顯示添加焚化飛灰對於 AAC 製品強度與密度會存在不利 影響。當取代比例提升至20～30 wt.%，可明顯看出密度與抗壓強度大幅降低，

平均值僅約為523 kg/m³與1.4 MPa，無法滿足任一 AAC 標準。推測應是漿體流 動性過高，發泡過於旺盛使得製品產生大型孔洞，導致試體結構弱化。再將取代 比例增加至40 wt.%時，製品強度微幅上升至約 2 MPa，但密度卻大幅上升至 789 kg/m³；此由於AAC 製作過程中發泡情形不佳，造成此現象之原因並非漿體 流動性過低所導致，應是由於漿體鹼度不足導致鋁粉無法充分反應產生H2所造 成。

Replacement ratio (wt.%)

0 5 10 20 30 40

C om pr es si ve s tr en gt h (M P a)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

D en si ty ( kg /m

)

400 500 600 700 800 900

Compessive strength Density

圖 4 焚化飛灰取代比例對 AAC 製品密度及抗壓強度之關係

圖5 為不同焚化飛灰取代比例之 AAC 製品 XRD 圖譜，當取代比例為 5 wt.

%與 10 wt.%時，其晶相組成與取代 0 wt.%之 AAC 無明顯差異，皆可在繞射峰 位置約28^o(2θ)觀察到托伯莫萊土（Ca5(OH)2Si6O16･4H2O，tobermorite）晶相 。 tobermorite 可填充製品內部孔隙並提供強度，因此由抗壓強度結果得知，該製 品係符合AAC-6 標準規範。而取代比例超過 10 wt.%，tobermorite 晶相強度減弱 直 到 取 代 比 例 為 40 wt.% 時 ， 可 清 楚 觀 察 到 tobermorite 轉 變 為 復 氯 矽 石

（Ca10Si5O18(Cl,OH)4，rustumite），顯示焚化飛灰中的氯鹽會進入 tobermorite 晶 格內，影響tobermorite 生成，導致填充孔隙情形不佳，降低製品抗壓強度。此

外，亦可觀察到硫酸鈣（CaSO4，anhydrite）晶相生成，係因過多焚化飛灰添加 情況下，anhydrite 無法與矽質物質完全反應，因此有明顯殘餘。由此可知 tobermorite 晶相之生成會因焚化飛灰取代量增加而受到影響，並使得製品強度 減弱，此結果與圖4 抗壓強度分析之結果一致。

2(degrees)

10 20 30 40 50

In te ns ity

5 % 10 % 20 % 30 % 40 % Q: Quartz, SiO

T: Tobermorite, Ca

(OH)

Si

O

.4H

O A: Anhydrite, CaSO

R: Rustumite, Ca

Si

O

(Cl,OH)

T T

0 %

T T Q

Q

Q Q

Q Q Q Q

A A

A

A A A A AA

R R

圖 5 焚化飛灰不同取代比例之 AAC 製品 XRD 圖譜

如圖6 為不同焚化飛灰取代比例之 AAC 製品 TGA 分析結果，在溫度介於 105～260℃時，各取代比例之熱重與熱流變化無明顯差異，均能觀察到 C-S-H 膠體與tobermorite 水化物經熱分解所形成吸熱峰；當溫度為 800～900℃時，C- S-H 膠體與 tobermorite 因形成 β-CaSiO3而放熱，此波鋒強度會隨焚化飛灰取代 比例增加而有減弱的現象，顯示過量焚化飛灰會影響tobermorite 水化物生成。

此外，當取代比例為40 wt.%，可觀察到 600～700℃之間發生熱重損失伴隨吸 熱變化，係屬CaCO3分解形成CaO 與 CO2之吸熱波峰，從而得知，漿體中鈣質 物質與SiO2未反應完全，導致CaCO3有明顯殘餘，且tobermorite 生成情形不佳。

表3 為焚化飛灰之 AAC 製品調整水固比對 AAC 製品的等級。先前實驗水固 比皆為0.7 L/kg，當水固比調降至 0.65 L/kg 時，製品密度與強度均能有所提升，

取代比例為5～10 wt.%之製品皆符合 AAC-6 之規範。取代比例為 20 wt.% 之製 品也能夠符合AAC-4 標準，顯示調降水固比係可拓展焚化飛灰應用量。而取代 比例為30 wt.%之製品密度與抗壓強度均未達 AAC 標準，因此無法提高焚化飛 灰之再利用比例。當水固比調升至0.75 L/kg 時，製品密度有明顯降低的趨勢，

顯示AAC 試體已有較輕質之表現。而取代比例為 5 wt.%之製品可符合 AAC-4 標 準規範。但取代比例為20 wt.%之試體則因密度與強度皆超過標準，因此無法符 合任何AAC 標準。

Temperature (oC)

200 400 600 800

85 90 95 100

-2 -1 0 1 2 3

TG DSC

0 wt.%

TG (% )

85 90 95

100

D SC (W /g )

-2 -1 0 1 2

5 wt.%

90 95 100

-2 -1 0 1 2

20 wt.%

90 95 100

-2 -1 0 1 2

40 wt.%

圖 6 焚化飛灰不同取代比例之 AAC 製品熱重及熱流曲線

表 3 焚化飛灰取代比例於不同水固比之 AAC

W/S ratio

(L/kg) AAC strength class

5 wt.% 10 wt.% 20 wt.% 30 wt.% 40 wt.%

0.65 AAC-6

AAC-4 AAC-6

AAC-4 AAC-4 None^a NA 0.70 AAC-6

AAC-4 AAC-6

AAC-4 None^a None^a None^a

0.75 AAC-4 None^a NA NA NA

a: Compressive strength or density do not meet the specification NA: not available

四、 結論與建議

1. 焚化飛灰富含 Ca、Si 等元素為主，與 AAC 之原料組成相似，可知應具有作為 AAC 替代原料之潛力。

2. 應用焚化飛灰產製 AAC 係以水固比為 0.65 L/kg 之製品具有較佳之密度與強 度表現，亦可提高取代比例至20 wt.%，並符合 AAC 標準規範，使其資源再 利用量增加。若提升水固比至0.75 L/kg，能使取代比例 5 wt.%之製品具有更 輕質特性並符合AAC-4 標準規範。

3. 應用焚化飛灰製作 AAC 皆可使取代量達 20 wt.%，且滿足 AAC 標準規範。但 超過此含量範圍，可觀察到tobermorite 生成減少並形成含氯鈣矽水化物，同 時有大量CaSO4 殘留，導致 tobermorite 填充孔隙之程度降低，進而造成抗 壓強度減弱。

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