再生骨材混凝土回收技術之研究

再生骨材混凝土回收技術之研究

王和源、莊依萍 國立高雄應用科技大學 土木工程與防災科技研究所 E-mail：[email protected]

摘 要

近年來由於環保意識的提倡，再生材料已在世界各國被廣泛應用。再生骨材的品質及特性主要受到來 源和產製技術不同所影響，其粒形、比重、吸水率、含水量及表面砂漿附著量亦會影響到再生骨材混凝土 的特性。 各先進國家對於再生骨材的研究已行之有年，以日本為例，目前的技術已能生產出結構用高品質再生 骨材；而機器的種類繁多，如何挑選適當的機器組合並生產出所需骨材品質是現今一大挑戰，本研究主要 是探討日本再生骨材處理技術，並比較各國再生骨材混凝土的特性，期望能助於再生骨材在台灣的應用及 發展。 關鍵字：再生材料、粒形、高品質再生骨材、吸水率

Abstract

Recently, Recycled materials have been widely used in the world because of the environmental consciousness. Recycled aggregates have different properties because of sources and manufacturing process. Aggregate quality is based on gradation, gravity, water absorption and water content. Especially cement mortar adhered amount on the aggregate surface has a significant impact. Recycled Aggregate Quality is based on Aggregate Absorption. The existing technology of Japan can produce high quality aggregate which similar to natural aggregate. The main purpose of the study is to investigate the newest technology of waste concrete in Japan, then assess the applicability in Taiwan.

Key words：Recycled materials, Gradation, Absorption

1. 前 言

在台灣，對於營建廢棄物的再生利用雖有不錯的初步成果，但大部分還是採回填或掩埋處理，隨著廢 棄物數量的上升，國內已無空間可容納如此龐大數量之混凝土塊；而台灣早在1997 年即面臨河川砂石不足 的問題，尤其是北部地區更出現無河川砂石可供開採之窘境[1]；若能將廢棄混凝土再製成骨材使用，將可 減輕環境負擔並解決砂石不足之問題，因此再生骨材回收技術的發展有其必要性。 利用劣化、損壞結構物的混凝土塊所製造之再生骨材，必須注意其鹼骨材反應和鹽化合物的含量，再 生骨材的品質受到原混凝土的成份、廢棄混凝土塊的處理方式、不純物混入程度的多少、骨材上附著砂漿 而影響。尤其再生細骨材的砂漿附著量較多，附著之砂漿會使骨材密度降低，吸水率增加。 日本現行的技術已經可以生產出與規範同等級之高品質之骨材，H 級再生骨材和原骨材的品質相近， 可用於混凝土拌合中，而處理過程中所產製之再生微細粉末也可以作為製造水泥的基本原料；再生骨材 M

級和L 級則可用於不要求強度及耐久性之建築物，骨材之分級標準如表 1[2]所示。 本文主要是介紹日本再生骨材處理技術，並比較各國再生骨材混凝土的特性，期望能助於再生骨材在 台灣之應用及發展。

2. 再生骨材處理機具

廢棄混凝土塊要製生再生骨材，首先必須由碎石機將其破碎為大小適當之粒徑。碎石機可分為壓碎式 和擊碎式二類；使用壓碎式製造之碎石多為扁長狀，如圖1 所示顎式壓碎機(Jaw crusher)[3]。若欲得到較細 小碎石，可以用擊碎式碎石機，如圖 2 和圖 3 分別為錐式壓碎機(Cone Crusher)[4]及打擊式壓碎機(Impact Crusher)[5]，在回收骨材初級處理中用以粉碎混凝土塊，其中又以顎式壓碎機最為常用。

在一完整的破碎處理裝置中，分選系統(Sieve Screening System)是不可或缺的，而為了增加篩分之效 果，多裝設振動裝置，故多為振動篩(vibrating screen)，此系統為能將石料按需要級配等級予以劃分之機具 設備，其篩孔口徑多以美國標準篩(American standard sieves)為主[6]。

機器處理效率取決於型號以及投入材料之粒徑，而如何能在種類繁多的機器中挑選並適當的組合以生 產所需骨材品質是一大挑戰。

3. 再生骨材處理模式

廢棄混凝土塊要製成再生骨材，首先必須由碎石機將其破碎為大小適當之粒徑，混凝土塊經由 Jaw Crusher 處理後為一次破碎材，再經不同的二次處理方法組合可以生產出低、中、高三種品質的骨材，骨材 的品質主要受到表面附著砂漿量的影響，與天然骨材相比，低品質再生骨材多呈角形，表面砂漿附著量較 多，中品質骨材表面之雜質較少，高品質骨材之粒形則最接近天然骨材；在生產高品質再生粗骨材方面， 日本研發了許多項技術，可利用多種處理方法得到結構用高品質粗骨材及細骨材；然而，經處理後之再生 骨材的品質良好，產生大量微粉末等問題仍有待解決。 再生骨材的品質取決於原混凝土的性質、若原混凝土品質低劣，含磚、瓦量太高者，不適合用於生產 再生骨材。低品質再生骨材處理模式如圖 4 所示，一般常用之低品質再生骨材，是將廢棄混凝土直接破碎 再篩選出需要的粒徑，常作為路盤材料。 中品質骨材和低品質骨材的處理模式類似，其處理模式如圖 5 所示，不同之處是中品質骨材通常經由 二回或二回以上的破碎處理，可以去除較多的不純物質，因此骨材的物性也比較好，要做為結構用混凝土 之骨材，除了要求高品質，更必須考慮骨材表面所附著不純物的去除，因為不純物將影響到骨材的物性， 導致其吸水率增高，在拌合時所需的水量也會增加，故處理程序繁複亦耗費成本。 日本常用的高品質骨材處理模式主要有加熱搓揉法、偏心迴轉磨碎法、機械搓揉法和重力濕式選別法 四種，經開發後的高品質骨材物性與天然骨材相近，可以利用在需求量最大的結構用混凝土上。 加熱搓揉法如圖 6 所示，為乾式處理方法，利用此方法可同時得到高品質再生粗骨材及高品質再生細 骨材。利用充填型的加熱設備將一次破碎材以300℃加熱後進行搓揉。本方法的原理是利用加熱，先將骨材 表面沾附之砂漿脆弱化，再用搓揉法進行處理，如此可得與原骨材性質相近之再生骨材。 偏心迴轉磨碎法處理模式如圖 7 所示，是一種乾式製造之粗骨材品質改善法。前處理裝置會將 40mm 以上和5mm 以下的骨材去除，其餘骨材再經偏心迴轉裝置做二次處理；迴轉內筒與外筒骨材高速摩擦後， 會去除骨材表面砂漿。經過一回處理的骨材尚無法達到所需品質，為了能夠多次處理並兼顧效率，常會設 有二台以上的設備。 機械搓揉磨碎法的處理裝置是將骨材再經螺旋磨碎裝置做二次處理，處理模式如圖 8 所示，只經過一 回處理的骨材尚無法達到所需品質，其裝置的原理是在主馬達上加壓使其旋轉，使骨材呈壓密狀態互相摩

擦以去除沾附之水泥砂漿。 濕式比重選別法處理模式如圖9 所示，是利用比重篩選機把較輕密度的物質去除(砂漿塊等)，其它原混 凝土塊中之雜質經由此方法也會一併去除，最後得到的再生粗骨材品質較好，沾附之微粉末也比較少。

4. 再生骨材混凝土特性

4.1 低品質骨材再生混凝土 王和源 [8]研究認為，當相同配比且再生骨材之組成成分不同的情況下，新拌再生混凝土的空氣含量亦 較普通混凝土略高；以坍度而言，相同水灰比及配比條件下，使用天然骨材之混凝土擁有較大坍度。

M. Etxeberria, E. Vázquez, A. Marí, M. Barra [9]利用破碎混凝土所再生之粗骨材來做為混凝土之骨材， 並使用 0%、25%、50%以及 100%比例之再生粗骨材取代一般骨材。在 28 天強度值上，取代比例 100%所 產製之混凝土的抗壓強度比一般混凝土低(水灰比和水泥含量皆相同)，且必須添加高含量的水泥才能達到高 強度。

Kiyoshi Eguchi et al. [10] 針對低品質再生粗骨材取代比例對混凝土力學性 質及耐久性之影響進行實 驗，研究發現，當粗骨材取代比例增加，再生混凝土的抗壓強度和彈性模數皆降低，而乾縮應力增加。

大部分的研究認為回收細骨材具有很高的吸水率，而這個特性將成為再生混凝土使用上的一大限制， 因此日本使用再生骨材作為結構用混凝土之粒料時，不使用再生細骨材。L.Evangelista & J. de Brito [11] 利 用吸水率 13.1%之再生細骨材取代天然砂產製再生結構用混凝土，當取代量達到 30%時，再生混凝土的抗 壓強度隨時間的變化量較一般混凝土大，主要是由於再生骨材孔隙較多，性質較不穩定；此外，再生混凝 土的彈性模數和劈裂應力雖隨著齡期增加而折減，但仍然在容許值內。 4.2 中品質骨材再生混凝土 棚野博之(Hiroyuki Tanano)及日本混凝土工程協會[12]，依據日本規範針對中品質再生骨材使用於混凝 土中的基本物性、新拌性質以及硬固特性(力學性質及耐久性)特性做試驗。試驗中使用粗骨材五種、細骨材 三種，水灰比為0.65、0.55、0.45，單位重為 180 kg/cm3_{，目標坍度為18±2.5%，空氣含量為 4.5±1.5%。} 試驗結果發現添加化學藥劑之再生混凝土的可以使其與普通混凝土相同工作性。再生混凝土抗壓強度 為普通混凝土的70%~80%，且抗拉強度與抗壓強度有相同的變化趨勢；靜彈性係數較普通混凝土小，約 5*10 N/mm3_{；乾縮比率、抗凍融性、耐久性較普通混凝土差。} 4.3 高品質骨材再生混凝土 由於高品質粗骨材的特性和天然骨材相近，一般而言，高品質骨材再生混凝土的力學性質和普通混凝 土也並無太大不同。 日本混凝土再生材料高度利用研究會利用高品質粗骨材產製再生混凝土，並於2005 年 9 月提出研究報 告書[13]。 研究使用偏心rotor 處理裝置所生產之高品質再生粗骨材製作之試體進行乾縮率、中性化速度、抗凍融性 和鹼骨材反應試驗。水灰比皆為0.5；再生骨材取代碎石的比例為 100%、75%、50%，控制組混凝土完全使 用碎石，並使用水泥種類為高爐B 種水泥。 實驗結果顯示：再生混凝土的乾縮率與控制組有相同的變化趨勢但使用再生骨材的乾縮率較控制組略 高；中性化深度與控制組大約相同；一般而言，普通混凝土的抗凍融性較好，此研究只使用高品質再生粗 骨材，發現其抗凍融性較控制組佳且穩定。鹼骨材反應試驗為依據日本ZKT-206 試驗方法測定，試驗後， 高品質再生混凝土的相對動彈性係數平均皆大於80%判定標準，為一合格之混凝土。

松村宇[14]於平成 13 年至 16 年間，利用濕式比重選別法挑選高品質骨材，產製高品質再生骨材混凝土 以進行力學試驗，抗壓強度以及彈性模數變化趨勢和天然骨材混凝土相同，會隨著水灰比增加而增加。

5. 再生骨材混凝土之應用

台灣在再生骨材產製技術上，目前僅採破碎及篩選處理，所得到之再生骨材吸水率平均皆為5%~7%， 屬於低品質再生骨材，多用於路基填方或鋪面，在結構體方面尚無實際應用之案例，目前尚停留於研究階 段[15]。 而應用再生混凝土最為成功之地區為歐洲，尤其是荷蘭，因其幅員狹小天然資有限等外在條件限制下， 必須努力發展回收技術，自1990 年起，全國使用率已超過 90%；美國亦有應用於剛性路面之案例，且再生 骨材的使用已列入許多州高公局之規範[15]。 王建昇[16]等人利用再生粗骨材及天然砂產製混凝土，再生粗骨材及再生混凝土抗壓強度，經本研究試 驗結果分析而得知：再生混凝土二十八天抗壓強度平均可達到一般混凝土28天強度的88%，能再度運用於一 般建築物結構體使用；在強度最高試驗的結果，並可作為結構預力部分或地下連續壁體以上之構造物使用。 湯兆緯、顏聰[17]利用水、水泥、爐石、低品質再生粗骨材、天然砂拌製再生混凝土，並進行強度和力 學性質試驗，決定配比後，為增加工作性添加少量強塑劑。其拌製再生混凝土之坍度達200 mm、單位重 2240 kg/m3_{及空氣含量1.20%均與文獻相若；且 28 天抗壓強度達 289 kgf/cm}2_{，符合漁礁設計需求}

6. 結 論

利用混凝土廢料於再生混凝土之製造時，需要注意者主要為沾附在骨材上之水泥漿所造成骨材性質的 變異性，以及使用於混凝土製造過程及性質方面的影響；而推動骨材再生技術時，所需之成本、規範、標 準規格、市場發展等分析亦是必要的；此外，廢棄混凝土再生、碎化過程中的雜質去除，以及如何維持骨 材的品質為當前重要課題。

參考文獻

[1] 楊秉蒼，「營建料源不穩，品質堪慮」，行政院衛生署國民健康局政風室轉載, 2008 年 10 月。

[2] 花崎芳朗，坂田博志“コンクリート廃材から骨材の再生, 廃棄物処理と粉砕技術”, 廃棄物処理とリサイクル技術

特集1, 2008 年 7 月号.

[3] Jaw Crusher , http://www.pulverizer.com.cn/images/jaw%20crusher-1.JPG. [4] http://www.hsnee.com/images/pro/Cone_Crusher.gif.

[5] http://simple.break-day.com/images/impact-crusher.jpg.

[6] 勞工安全衛生研究所安全資料表庫 http://www.iosh.gov.tw/Publish.aspx?cnid=31&p=616. [7] 電力施設解体コンクリートを用いた再生骨材コンクリートの設計施工指針(案) 土木学会.

[8] 王和源，「Study on the aggregate recycling and its application to the concrete」，中國工程師學會高雄分會會刊(2002)， 第十卷,第一期,第 33~39 頁。

[9] M. Etxeberria, E. Vázquez, A. Marí, M.Barra. “Influence of amount of recycled coarse aggregates and production process on properties of recycled aggregate concrete.” Cement and Concrete Research, 735-742, 2007.

[10] Kiyoshi Equchi, Kohji Teranishi, Akira Nakagome, Hitoshi Kishimoto, Kimihiko Shinozaki, Masafumi Narikawa. “Application of recycled coarse aggregate by mixture to concrete construction.” Construction and Building Materials, p.1542-1551, 2007.

[11] L.Evangelista, J.de Brito. “Mechanical behavior of concrete made with fine recycled concrete aggregates.” 397-401, 2007. [12] 棚野博之”再生骨材および再生骨材コンクリトの品質(再生骨材 M と他骨材比較検討)”、再生骨材コンクリトの 現状と将来展望, p.43,日本コンクリト工学協会,2006.11.02. [13] “コンクリトリサイクルシステムの普及に向けての提言 再生材高度利用研究会活動報告書” 2005 年 9 月 , p.79~86. [14] 松村宇, ” コンクリートの技術リサイクル, 湿式選別法によるゼロエミッショ化”. センターゼミナール 124. [15] 行政院公共工程委員會專案研究計畫，「營建資源再利用於公共工程之研究期末報告」，行政院公共工程委員會， 2000，台北。 [16] 王建昇，何志軒，何德仁，「營建工程應用再生粗骨材之研究」，資源與環境學術研討會，2005， 花蓮。 [17] 湯兆緯，顏 聰，「再生骨材之應用實例－人工漁礁」，http://www.csu.edu.tw/csitshow/Hmanager/90data/427.doc

表1.1 日本再生骨材之分級(JIS 規格) [2] 粗骨材 高品質 中品質 低品質 絕乾密度(kg/l) 2.5 以上 2.3 以上 ― 吸水率% 3.0 以下 5.0 以下 7.0 以下 規格 A 5021 A 5022 A 5023 細骨材 高品質 中品質 低品質 絕乾密度(kg/l) 2.5 以上 2.2 以上 ― 吸水率% 3.5 以下 7.0 以下 13.0 以下 規格 A 5021 A 5022 A 5023 用途 結構物 基樁、樑 回填、丟棄 圖 1 顎式壓碎機 [3] 圖2 錐式壓碎機 [4] 圖3 打擊式壓碎機 [5]

Ordinary Concrete

Jaw Crusher

Fine aggregates

Concrete Scraps

Coarse aggregates

Sieve Cone Crusher Sieve

圖2.1 低品質骨材處理模式 [7] 圖5 中品質骨材處理模式 [7] 圖4 低品質骨材再生模式 [7] Or

dinary Concrete Separation Separation Jaw Crusher Impact crusher

+40mm

-5mm

Fine aggregates

-40mm

Road Sub-bases

Concrete Scraps Materials

5-20mm

Coarse aggregates

Washing Rod Mill Separation

圖6 加熱搓揉法 [7] 圖7 偏心迴轉磨碎法 [7] Ordinary Concrete

Jaw Crusher

Powders

recycled devices recycled device

Fine aggregates

_{-40mm Coarse aggregates}

Heating Tower Coarse aggregates Fine aggregates

-5mm Concrete rubbles

5-25mm

300°C Separation

Ordinary Concrete

+40mm

Separation ntric-shaft rotor devices Separation Jaw Crusher 5-40mm Coarse Aggregate

5-25mm

-5mm

Waste -5 mm Ecce Concrete rubbles

圖8 機械搓揉法 [8]

圖9 重力濕式選別法 [8]

Ordinary Concrete

+40mm

Separatio chanical Scrubbing device Separation Jaw Crusher (Screw type)

5-40mm Coarse Aggregate

5-25mm

-5mm

Waste n Me -5 Concrete rubbles mm Ordinary Concrete

Separation

Jaw Crusher Impact crusher

+40mm

-40mm

Separation

Concrete rubbles _+8mm Coarse Aggregate

Low density materials

Rod Mill

-8mm

-5mm

埋戾し材

Rod Mill

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