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垃圾焚化炉环保底渣粒料对砂浆混凝土各项强度变化之研究
admin在2019-07-29发布 频道:行业资讯 标签:垃圾 焚化 砂浆 混凝土
     
摘要:在环境保护与永续发展被视为重要课题下,如何处理废弃物以符合再生利用资源材料至关重要。为了进一步了解垃圾焚化炉底渣的应用,因此探讨底渣粒料对于水泥混凝土砂浆之各项强度的影响,以利于对底渣在后续推广与应用。
  底渣粒料用于透水性MRC拌合,主要采贫配比水泥混凝土,其中由于水泥用量少,透水性MRC各项物理特性受拌合及浇筑过程影响甚大,无法明确了解底渣粒料对混凝土的影响情况,因此本研究将采用较高水泥含量的砂浆配比,采用通过16号筛之焚化炉产生之底渣与相同级配之天然砂作为主要试验骨材,并依此分为两组,制成5mmX 5mmX 5mm公分之方型试体进行强度试验相互对照,经过水泥砂浆之各种不同的配比拌合、灌模并进行养护等步骤后,进行试体之抗压强度、抗拉及抗弯强度试验以探讨各组砂浆之基本性质,并为探讨以飞灰及炉石粉之物理特性以及取代水泥的可行性,以进一步加强资源再利用的适用性。本研究亦将以飞灰及炉石粉取代部分水泥,期能为后绩研究提供部分可行方向。
 
1 前言
  现代的营建工程和土木工程中,混凝土一直是最常被使用且用量最多的材料,其优异的力学性质与材料取得容易,为人类之发展带来了莫的助益[4],也由于土木工程相关产业在生产历程中其原料大多取材自然资源,例如河砂为现今普遍使用的营建材料之一,其对于天然环境的影响甚大[1,3]。近年来随着环保意识的增强,许多国内外学者不断研发新营建材料,目的在于减水水泥与河砂之用量,并能提升营建材料之整体性能及符合工程应用上之特殊需求。其方法则可利用再生资源之技术,将所谓的“废弃资源”经回收后转换为“新资源”,重新再投入于营建材料中,并且符合“绿色”、“环保”、“再生利用”的目标。[3]

  在发展中的工业国家,每年都有大量的工业废弃物产生[10],例如火力发电厂燃煤发电,以静电集尘器收集而成的飞灰,以及一般家庭垃圾经由垃圾焚化炉焚化后所产生的灰渣等,而以往处理方式大多为掩埋处置,导致垃圾焚化后的底渣含有重金属成分的机会提高[6],对环境造成了莫大的影响。因此如何降低底渣掩埋处理进而逐渐增力口再生利用的比例成为了目前发展的趋势,所以学界努力开发再生利用的各种可行方法来有效处理废弃物,以减少资源浪费及环境破坏。经过国内外学者多年之研究结果显示,煤渣废弃物经过妥当的处理,适当的添力口可有效降低混凝土水化热、提高长期抗压强度,以增加体积稳定性与耐久性能[12],更重要的是可降低水泥使用量,并有效处理废弃物资源,达到节能减碳且有利于环境保护。而近年来国内研究单位进行多项炉石利用与开发研究,诸如高炉水泥、炉石粉等材料常被利用在混凝土工程上,业者也为节省成本,使用部分飞灰取代水泥或细粒料,以及以炉石粉取代部分水泥的添力口比例[8]。然而,为了进一步了解焚化炉底渣水泥混凝土制品的应用, 本研究将探讨底渣粒料对于水泥混凝土砂浆各项强度的影响,及飞灰与炉石粉取代水泥的可行性[3],以进一步加强资源利用的适用性,并期许能为后续研究提供部分的可行方向。
 
2 研究目的
  由于营建及土木工程中,需大量使用到砂石资源,其原料大多取材自于天然资源,对环境影响甚大。然而,台湾每年产生大量的营建废弃物,一来对环境造成污染及破坏,二来掩埋场所不易寻得,大量营建废弃物或受外力所破坏之拆除废弃物无处可放置,而近年来随着环保意识增强,各国对于永续发展也越来越重视[]。基于以上种种原因,为了找寻其他资源来替代砂石的使用量,因此国内外许多相关研究皆以废弃物等资源作为取代砂石或水泥使用,如能将资源废弃物回收应用于工程建设上,将可大幅减少废弃物处理数量,降低掩埋场之压力[]。因此本研究为进一步了解焚化炉底渣对水泥混凝土制品的应用,主要为探讨底渣细粒料对水泥混凝土砂浆各项强度的影响,以利于 底渣后续的推广及应用。
  由于底渣粒料应用于一般透水多功能再生混凝土拌合,主要是采用贫配比水泥混凝土,因其主要功能为透水,然而因低水泥量之配比设计在强度上无法明显示出底渣粒料对混凝土的影响,因此本试验采用较高水泥量的砂浆配比来进行试验。试验选择之粒料采用通过16号筛之焚化炉产生之底渣与相同级配之天然砂作为主要试验骨材,并依此分为两组,制成5mmX5mmX5mm之方型试体、8字型抗拉试体及4cmX4cmX16cm抗弯试体进行强度试验相互对照,经过水泥砂浆之各种不同的配比拌合、灌模并进行养护等步骤后,进行试体之抗压、抗拉及抗弯强度试验以探讨各组砂浆之基本性质。此外,为符合经济成本及环保原则,于本研究中依不同的比例添加炉石粉及F级飞灰分别取代部分水泥,藉以探讨添加此两种掺料对底渣混凝土之强度影响,以进一步加强资源再利用的适 性, 并期待能为后绩研究提供部分可行方向。

3 研究方法
  为了进一步了解焚化炉底渣添加于混泥土制品的应用,本试验采用通过16号筛之焚化炉底渣与相同级配之天然砂作为主要试验骨材,试验中所添加之掺料为火力发电厂生产之飞灰与炼钢厂之炉石,其添加此两种掺料之目的为提高底渣混凝土之强度、部分取代水泥,亦可减轻其自重,改善工作性及经济性。试验分为两组,进行强度试验互相对照,经过水泥砂浆之各种不同的配比拌合、灌模并进行养护等步骤后,进行试体之抗压强度试验,g卩可取得底渣与天然砂试体之间的抗压强度等数据,计算并比较两者之间的强度差异,各组砂浆配比所用材料的重量比如表1所列。试验配比主要分为四大类组,以纯天然砂骨材的配比作为对照基准,其余则以底渣细粒料完全取代天然砂,并配合以飞灰及炉石粉取代部分水泥,以探讨各组配比强度的变化。水灰比的砂浆标准流度试验加以控制,各组配比的流度值大约在100%〜150%,且无水泥浆析离始可进行制作试体。

表1各组水泥砂浆材料用量的重量比[3]
组别 W C 飞灰 炉石 底渣 天然砂
对照组1 1.4 2 4
对照组2 1.36 2  - 4
A组 1.4 2  - 4
B组 1.36 2  - 4
C组 1.4 1.8 0.2  - 4
D组 1.4 1.6 0.4  - 4
E组 1.36 1.8 0.2  - 4
F组 1.36 1.6 0.4  - 4
G组 1.4 1.8  - 0.2 4
H组 1.4 1.6  - 0.4 4
I组 1.36 1.8  - 0.2 4
J组 1.36 1.6  - 0.4 4
 
4 试验结果与讨论
4.1    焚化炉底渣基本物性试验
  针对底渣粒料进行基本物性试验,试验结果见表2,底渣细粒料吸水率较一般细粒料高,其比重及一般干捣单位重较一般细粒料低,故因底渣吸水率快,在拌合时先加入粒料吸水率,以防止底渣高吸水率影响设计水灰比。
表2底渣细粒料与一般粒料基本物性试验
  SSD 吸水率 干捣单位重 30分钟吸水率
  比重 (%) (kg/m3 (%)
一般纟日粒料 2.68 1.8 1616 -
底渣细粒料 2.2 9.2 1125 4.2
4.2 试验结果分析
  试体各项强度试验材龄为7d、28d及56d,试验项目为砂浆试体之抗压、抗拉及抗弯试验,以初步了解底渣细粒料及矿物掺料对试体强度的影响。各试体抗压强度试验经7d、28d及56d材龄平均后结果见表3, 一般而言,材龄7d之抗压强度较低,因水泥水化热尚未完全,故7d之试验结果仅做为参考用途。各组试体之单位重见表4,当骨材以底渣代替时,在重量上有明显的差异,此证明了底渣确实具有轻质之效果。
表3 抗压、抗拉、抗弯强度试验结果
  抗压强度 (kg/cm2) 抗拉强度 (kg/cm2) 抗弯强度(kg/cm2)
龄期(d) 7 28 56 7 28 56 7 28 56
对照组1 232.59 256.69 384.97 31.53 31.53 40.53 58.614 67.02 77.249
对照组2 293.96 390.72 438.66 31.07 34.82 40.53 66.737 81.59 81.709
A 133.87 192.38 217.66 15.71 19.79 24.46 36.713 38.82 46.827
B 197.35 209.46 289.05 21.47 22.02 21.12 43.482 50.29 52.681
C 160.88 257.31 274.72 19.95 21.45 24.55 40.058 46.19 55.747
D 177.1 218.94 270.57 22.67 22.92 27.84 40.536 48.5 52.083
E 184.46 241.82 274.37 22.83 21.58 26.75 39.58 41.81 49.814
F 149.48 193.98 276.01 16.55 20.8 23 33.567 45.47 47.464
G 118.44 227.09 301.71 20.01 23.38 23 35.439 46.19 50.889
H 177.92 245.2 280.67 17.45 20.39 29.68 41.571 46.27 46.986
I 169.64 138.54 243.97 15.87 13.78 31.15 35.598 37.63 39.102
J 165.93 236.98 268.53 20.17 26.34 31.07 42.288 43.8 46.986
 表4试体单位重
组别 对照组
 
对照组
2
A B C D E F G H I J
单位重
(g/cm3)
2.171 2.192 1.757 1.797 1.85 1.811 1.864 1.869 1.877 1.856 1.785 1.818
4.3  一般砂浆与底渣强度之影响
  由图1可得知,对照组1、2为一般细粒料,水灰比0.7及0.68之抗压强度在材龄7d时皆能达到200kg/cm2以上,而对照组2与B组之强度,因水灰比较对照组1及A组的低,所以相对强度会较高。但添加底渣的A、B两组即使水灰比与对照组1、2相同,其强度无论在哪个龄期都无对照组的高,强度大约降至70%。虽然两者皆属高水灰比,当粒料替换为底渣时之强度也与一般理论相同,较低之水胶比则强度高,当添加其他矿物掺料来取代水泥时,其变化不大。但用底渣做为粒料时B组强度并无A组的强度高,故底渣无法以水灰比高、低来决定拌合试体强度,而以底渣做为粒料之单位重也较一般砂低,约减少了 20%,如图2所示。故为降低成本及减轻重量,则在后续配比中添加了飞灰及炉石两种掺料,探讨掺料对底渣强度的影响变化。
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图1 一般砂与底渣的关系图
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图2  —般砂与底渣之单位重 
4.4 矿物掺料取代水泥的强度影响
  将同水灰比添加不同矿物掺料之龄期强度绘制如图3及图4所示,结果显示对照组的强度符合一般理论。在相同配比时,以矿物掺料取代水泥的强度发展与对照组相同,水胶比较低则强度较 高故水胶比0.68的强度较0.7的高一些。
  水胶比0.7的组别,在56d的强度平均都达到了 250kg/cm2以上,除了未添加任何掺料的A组 (纯底渣)低于250kg/cm2,而以10 %的炉石取代水泥的G组在后期甚至已经高于300kg/cm2。以矿物掺料取代水泥的强度约比对照组少了将近100kg/cm2, A组减少之强度则是利用矿物掺料取代水泥组别的两倍。而将其他配比固定的情形下调整水灰比,虽然水胶比仅差0.02,但在强度上的落差却相当 明显,对照组2的强度在28d的时候以较图3之对照组1的56d差不多。当龄期达56d的对照组2强度已经大于400kg/cm2,利用矿物掺料取代的在56d也都在250kg/cm2以上,但以水胶比0. 68的强度所显示的较水胶比0. 7的差些,甚至I组以10%之炉石取代水泥在28天却有下降的趋势。
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 图3 w/c=0.7掺料取代水泥的关系图
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图4 w/c=0.68掺料取代水泥的关系图
4.5 飞灰及炉石掺料比例对强度试验之影响
  如图5及图6所示,在7d、28d及56d龄期中。飞灰添加比例无论是0%、1 0%、20%,其强度皆会随着龄期增加而上升。水灰比0.68无添加掺料的试体,其强度比水灰比0.7之任一龄期的还高,其他有添加掺料的试体,因7d强度仅达到45%,因此除了 7d龄期的强度上较有所差异外,28d及56d水灰比0.68的强度都较水灰比0.7的低。而添加炉石的试体,在强度发展上与添加飞灰雷同,在28d及56d时,水灰比0.68的强度依旧无法超越水灰比0.7的,但无添加掺料的组别,
因为没有两种掺料的影响,其强度则符合水灰比越低强度越高的理论。
 
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图5 飞灰及炉石取代比例与28d抗压强度的关系
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图6 飞灰及炉石取代比例与56d抗压强度的关系
4. 6 抗拉强度试验结果
  抗拉试验后的结果,各组配比的强度虽无法与对照组比较,但在强度发展上均为上升的趋势,除了有些组别在后期强度下降外。在A组及B组纯底渣强度发展上,结果较抗压试验结果雷同,在降低水灰比的情况下,强度没有提升反而下降,约下降1 %〜2%。底渣砂浆与一般水泥砂浆比较之下,强度约少了对照组的30%〜40%,如图7所示。而其掺料取代水泥的结果与抗压试验的结果相似,水灰比0.7的组别在强度变化上较小,如图8所示,每组强度相差不超过2%,不论是添加炉石还是飞灰,强度都较为相近。而水灰比0.68的组别在强度上落差较大,I组在28d有下降的趋势至龄期56d才又上升,如图9所示,每组强度相差约3%〜5%。
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图7 对照组与底渣的抗拉关系
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图8 w/c0.7掺料取代水泥的抗拉关系
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图9 w/c0. 68掺料取代水泥的抗拉关系
4.7 抗弯强度试验结果
  一般水泥砂浆的抗弯强度与底渣砂浆的抗弯强度上的差异如图10所示,一般砂浆之强度最高可达80kg/cm2,而底渣砂浆的强度最高仅达50kg/cm2,其两者依龄期变化强度所上升的趋势是较为相近的,底渣本身为多孔隙骨材,强度则无法与一般砂强度比较,故两者强度相差30kg/cm2,是可容许的。
  抗弯强度结果与抗压及抗拉不同,由图11及图12显示,水灰比0.7及0.68的两者强度发展颇为相似,虽然在强度上相差了约10%,可是两张结果图的发展趋势都皆为平缓,且在抗压、抗拉及抗弯
三种试验结果显示,当粒料剔换为底渣材料时,其水灰比的低强度高的这个理论确实不适用于底渣混凝土实验中,虽然两张结果图的发展趋势相近,但各别与对照组比较时,图12水灰比0.68的组别强度相对较低,与对照组2相差了约40%,而图11水灰比0. 7的组别与对照组1相差仅达20%。
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图11 w/c0. 7矿物掺料取代水泥的抗弯关系
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图12 
w/c0.68矿物掺料取代水泥的抗弯关系
 

5 结论
  (1)以底渣细粒料依水泥/粒料重量比为1: 2,底渣砂浆试体较水泥砂浆试体的重量约减少20%,以5X5X5cm3试体而言,天然砂试体约0.271kg则底渣试体约0.230〜0.234kg左右,重量上有明显的减轻。若能在配比或拌合技术进行强度改善,则日后就可提升利用底渣来取代天然砂于混凝土制品的实用性。
  (2)以底渣细粒料取代天然砂拌合成砂浆试体,其7d强度约仅能达至天然砂试体抗压强度的60%〜70%,以抗压强度对试体单位重而言,目前底渣粒料对混凝土构造或水泥相关制品轻量化的效益,尚无法弥补相对应强度的损失。
  (3)抗拉及抗弯试验所得的直接及间接抗拉强度,分别约为抗压强度的15%及30%,与一般天然砂的砂浆试体或混凝土强度试验所得的抗张、抗压强度比值并无明显差别。
  (4)因砂浆试体7d之抗压强度仅能作为参考值,无法明确判断矿物掺料取代部分水泥对试体强度的影响,而依参考文献指出,一般飞灰将于28d而炉石约于7〜10d后,对硬化水泥强度会有较明显的助益,因此采用28d及56d材龄来分析各项强度试验后方能对矿物掺料的影响,结果较有说服力。
  (5)底渣细粒料可显著降低水泥砂浆单位重,唯制品的抗压强度有待进一步探讨。若能有效提升底渣细粒料相关水泥制品的强度,如藉由合乎经济及环保的添加剂或寻求较佳配比及拌合程序, 将可有效提升水泥制品实用性。
参考文献
[1]黄兆龙,卜作岚混凝土使用手册,财团法人中兴工程顾问社,台北,2007.
[2]台湾营建研究院,飞灰钢铁炉石适用评估计画成果报表,中联资源股份有限公司委托计画,计画编号: TRC-93003, 2007.
[3] 吴桂英,“底渣混凝土积木砖墙强度探讨”,国立屏东科技大学土木工程系硕士论文,2012.
[4] 谢耀东,“透水混凝土受冻融、火害或落尘量之初步研究”,朝阳科技大学营建工程系硕士论文,2008.
[5] 洪延良,“电弧炉炉碴混凝土应用于透水铺面之研究”,国立台湾海洋大学河海工程学系硕士论文,2009.
[6]雷扬中,“焚化炉底碴应用于道路工程之研究”,国立中央大学土木工程研究所硕士论文,2004.
[7] 廖誉胜,“以废弃红砖取代细骨材对再生混凝土性质影响之研究”,中原大学土木工程系硕士论文,2008.
[8]白志清, “工业矿渣取代无筋水泥制品之细粒料应用”,国立中央大学土木工程学系硕士论文,2001.
[9]杨志祥,“电弧爐爐碴资源化于透水性混凝土地砖之可行性研究”,朝阳科技大学环境工程与管理学系硕士论 文, 2006.
[10]Bertolini L,Carsana M, Cassago D,Curzio AQ, Colleparid M.MSWI ashes as   mineral   additions in concrete.Cement Concrete Research, Vol. 34(10), pp. 899-906, 2004.
作者:林起健 李丽芬 吕福瑞 林国斌 赖自强 梁州辅
信息来源:混凝土视频网     
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