TW201422323A - 輕質骨材的製造方法 - Google Patents

Abstract

一種輕質骨材的製造方法，包含：將一廢玻璃原料磨碎為玻璃粉粒，再將一廢石粉原料添加至該等玻璃粉粒中形成一預混物，接著，對該預混物進行攪拌使其混合均勻而形成一均混物，並在該均混物中加水調製以獲得一黏稠狀的骨材母料，將該骨材母料成型為多個顆粒狀的預成型塊體，經乾燥處理後，對乾燥完成的該等預成型塊體進行燒製，燒製溫度為600℃~850℃，就可獲得多個具有孔洞結構的輕質骨材製品。本發明利用廢石粉中的成分在高溫燒製時發揮發泡作用，而能在不使用化學藥劑下順利製出輕質骨材製品，因而符合環保減廢需求且兼具實用價值。

Description

輕質骨材的製造方法

本發明是有關於一種建材的製造方法，特別是指一種以廢棄物回收再利用的輕質骨材的製造方法。

隨著經濟的持續成長，許多新興的建築大樓與公共建設的土木工程陸續進行，使用了大量的天然建築材料，而產生資源短缺的問題，為了解決天然建材資源有限的問題，廢棄物的再生利用已廣泛受到重視。此外，建地有限則衍生為建築物高層化發展的趨勢，加上抗震的需求，而促成了輕質化建材的開發，為了因應大量的建築工程需求並順應環保訴求，以廢棄物再生製造且兼具輕量化特性的建材，已成為新建材的開發目標。

鑒於砂石材料在各種建築中的消耗量相對較大，已有相關業者提出可以取代砂石材料並利用玻璃、水庫淤泥等廢棄物再生製成建材製品。例如，中華民國第539581號之「玻璃砂製造方法及裝置」發明專利案，與第I220425號之「玻璃顆粒材料的製造方法」發明專利案，分別揭示以打碎搭配特定研磨材料的處理方式，將回收的廢玻璃製成沒有銳角，且容易應用於建材中的玻璃砂或玻璃顆粒材料的技術內容，但上述專利案只是以機械方式改變玻璃材料的大小與消除外觀的銳角部分，並無法進一步輕量化玻璃材料。

另外，在中華民國第552169號之「映像管資源化再生 為輕質骨材方法」發明專利案中，則揭露將回收的CRT映像管或LCD面板加工，並加入發泡劑及混合水庫淤泥或廢土後，經高溫燒結製成具有發泡結構的輕質骨材的方法，然而，在該製造方法中需要另外添加的發泡劑多為化學藥劑，導致該製造方法由於需要額外添購發泡劑而有原料成本較高的問題，且發泡劑的使用也導致製程相對較不環保。此外，在該製造方法並未揭露所用的發泡劑成分，相關業者實無法得知採用那種發泡劑才能順利製出輕質骨材產品。

因此，為了有效解決廢棄物問題，並確實地實踐資源再生利用的綠色環保工業循環，仍有開發更符合環保要求的輕質化建材製造技術的需求。

因此，本發明的目的，是在提供一種不需另外添加化學藥劑、完全以回收廢棄物為原料而更貼近環保需求的輕質骨材的製造方法。

於是，本發明輕質骨材的製造方法，包含下列步驟：一、將一廢玻璃原料磨碎為多個粒徑小於等於150 μm的玻璃粉粒；二、收集在處理石材過程中所產生的一廢石粉原料，將該廢石粉原料添加至該等玻璃粉粒中以形成一預混物，並使該預混物中的廢石粉原料的含量為1 wt%~30 wt%；三、對該預混物進行攪拌使該廢石粉原料與該等玻璃粉粒混合均勻而形成一均混物； 四、在該均混物中加水調製以獲得一黏稠狀的骨材母料，再將該骨材母料成型為多個顆粒狀的預成型塊體；五、對該等預成型塊體進行一乾燥處理；及六、對乾燥完成的該等預成型塊體進行一燒製處理，且燒製溫度為600℃~850℃，燒製完成後就能獲得多個具有孔洞結構的輕質骨材製品。

本發明的有益效果在於：運用天然石材中原本就含有具發泡功效的碳酸鈣、有助降低熔點溫度的氧化鈣等成分的特性，與廢玻璃的處理技術相結合，並將廢玻璃原料處理成容易與廢石粉均勻混合的粉粒型式，本發明充份利用廢棄材料的特性，並結合加水成型、乾燥與高溫燒製等處理步驟，使廢石粉原料中的成分在高溫燒製時發揮類似發泡劑的作用，進而能在不另外添加化學藥劑的情況下，順利製出具有孔洞結構的輕質骨材製品，故能符合環保減廢的要求。其中，利用加水成型還可依應用需求預先將骨材成型為所需要的尺寸與形狀，使其燒製完成後就能直接應用，使本發明兼具有實用特性。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖1，本發明輕質骨材的製造方法的一較佳實施例包含下列步驟：

步驟201是收集一廢玻璃原料，並將其磨碎為多個粒 徑小於等於150 μm的玻璃粉粒。該廢玻璃原料的來源不受限，主要以容器或建築玻璃廢棄為主。

步驟202是收集在處理石材的過程中產生的一廢石粉原料，將該廢石粉原料添加至該等玻璃粉粒中以形成一預混物，並使該預混物中的廢石粉原料的含量為1 wt%~30 wt%。其中，該廢石粉原料是收集自石材加工廠在各種石材的加工過程中所衍生的下腳料，故廢石粉原料中的石材種類不受限。

步驟203是對該預混物進行攪拌使該廢石粉原料與該等玻璃粉粒混合均勻而形成一均混物。

其中，混合攪拌的方式不受限，例如，可採用雙螺桿混料機進行攪拌。在本實施例中，則是將該預混物置於一滾筒中，並在滾筒內放置數顆陶瓷球，以利用陶瓷球搭配滾筒轉動的方式進行攪拌，且攪拌完成後是利用過篩方式使該均混物與該等陶瓷球分離。以上述方式進行攪拌混合時，除了能達到混合均勻的效果外，在攪拌過程中，陶瓷球也可以將該等玻璃粉粒繼續粉碎為粒徑更小的粉體，有助於使該等玻璃粉粒與廢石粉原料更快速地混合均勻。

步驟204是在該均混物中加水調製以獲得一黏稠狀的骨材母料，再將該骨材母料成型為多個顆粒狀的預成型塊體。藉由加水調製，除了可增加該均混物的黏結性而方便成型外，利用水與該等廢石粉原料及玻璃粉粒表面官能基之間形成氫鍵結合的特性，有助於該等預成型塊體穩定保持在預定的成型形狀，其中，該等預成型塊體的尺寸大小 也不受限，而依最終製品的應用需求在製作時進行調整。較佳地，在調配骨材母料時，為了使所製作的預成型塊體能穩定維持在特定的成型形狀，關於水的添加量，較佳為針對100重量份的均混物，水的添加量為3~5重量份。

步驟205是對該等預成型塊體進行一乾燥處理。藉由乾燥處理程序，主要是讓該等預成型塊體中的水分均勻擴散於塊體的無機物中，並藉此消耗部分水分，以免在後續的燒製步驟中產生過多水蒸氣而容易造成該等預成型塊體破裂，導致無法維持獲得完整的成型結構的不良情形。此外，由於該等預成型塊體中的水分過多，也會因為較多的熱量被水吸走，而影響該等塊體在後續的燒製程序中的吸熱能力，使燒製效率降低。

其中，如果設定較高的乾燥溫度雖然有助於加快乾燥速度，但若溫度過高乾燥速度過快，反而容易導致該等預成型塊體發生龜裂情形，在常溫風乾或自然陰乾雖然可避免前述不良情形，但相對較耗時，因此，為了兼顧成型品質與乾燥效率，較佳是使該等預成型塊體在溫度50℃~120℃的環境下中進行乾燥。為了確保該等預成型塊體中已幾乎無水分，通常乾燥所需時間約為12小時以上。在本實施例中，則是將該等預成型塊體放置在溫度60℃的烘箱中進行乾燥，且乾燥時間超過12小時。

步驟206是對乾燥完成的該等預成型塊體進行一燒製處理，且燒製溫度為600℃~850℃，燒製完成後就能獲得多個具有孔洞結構的輕質骨材製品3(參閱圖2)。如圖2所 示，為依實際製品繪製的該輕質骨材製品3的一剖面結構示意圖，顯示該輕質骨材製品中確實形成多個孔洞30。

由於廢石粉原料中含有大量的碳酸鈣成分，在燒製時，承受高熱的碳酸鈣會產生二氧化碳氣體，提供類似發泡劑的作用，並在該預成型塊體內部形成孔洞之發泡結構，故在廢玻璃原料中添加廢石粉原料可製出該輕質骨材製品3。此外，存在廢石粉原料中的多種金屬成分或金屬氧化物成分，例如，CaO，為常見的降溫劑，故在廢玻璃原料中混合廢石粉原料進行燒製，也有助於降低燒製熔點，而也可節省能量消耗量。

在本實施例中，是使該等乾燥的預成型塊體於溫度800℃下持續燒製至少持續20分鐘。且燒製完成後，是再經自然降溫而獲得該等輕質骨材製品。本發明所製得的該等輕質骨材製品的吸水率經測試約為7%~8%，即本發明的製法可製出吸水率低於8%的輕質骨材製品，與傳統輕質陶粒相比，具有吸水率更低的特性。

要補充說明的是，在步驟202的預混物中的廢石粉原料的含量將影響到所製出的輕質骨材製品3的物理機械強度與輕量化效果，當廢石粉原料的添加量過多且超過30 wt%，則在燒製時產生的氣體就越多，所製出的輕質骨材製品3內部的孔洞就越多也越大，雖然輕量化效果明顯，但會導致該等骨材製品3的物理機械強度過低而不符合實用的規格，當廢石枌原料的添加量過少且低於1wt%時，則不易產生發泡的效果，雖然可使最終製品具有較佳的物理機 械強度，但無法滿足輕量化的需求。因此，為了兼顧結構強度與輕量化要求，較佳是將廢石粉原料的含量限定在1~30 wt%。

值得說明的是，利用本發明之製造方法所製出的輕質骨材製品較不吸水的特性，當添加在混凝土中作為粒料時，除了能達到輕質化建築結構體的使用效果外，還可避免養護過程中，混凝土中的水泥的水分被骨材製品吸走，而影響到水泥本身的反應速度，進而可避免水泥反應太快而在硬化後發生龜裂的情形。因此，在混凝土中添加該等輕質骨材製品，可使水泥強度不受影響，使本發明之製造方法所製出的輕質骨材製品確實具有適合搭配水泥或混凝土使用的實用性。

<實施例>

將廢玻璃研磨為玻璃粉粒後，以#100(廠牌：tall young，孔徑為150μm)的篩網過篩，收集通過篩網的玻璃粉粒並取約95公克，與收集自石材加工廠大理石加工產生的廢石粉約5公克相混合為一預混物，即該廢石粉的添加量為該預混物總重的5 wt%，該預混物攪拌均勻後，再加入約3公克的水，調製成黏稠團塊狀，再將其做成多個大小約0.5~1.5公分的預成型塊體，將該等預成型塊體放置在溫度60℃的烘箱中12小時烘乾以移除其中的水分，接著將乾燥完成的該等預成型塊體放置燒烤窯內進行燒製成型，燒製時的加熱溫度設定為800℃，加熱時間20分鐘。燒製完成後，等待其自然降溫，就能獲得多個特定形狀與尺寸的輕 質骨材樣品。並對該等輕質骨材樣品進行密度與吸水率量測，並觀察其外觀結構。

其中，對所用的廢石粉原料進行X光螢光光譜分析(X-ray Fluorescence Spectrometer，簡稱為XRF)，所用之光譜分析儀廠牌為SHIMATZU，型號為CRF-1500，主要是分析所回收的廢石粉原料中的化學成分內容，結果如下表所示： 原子序8以下元素點的成份比例。2.燒失量以達到1000℃燒失一個小時，作為進行評估CO₂及結晶水的比例。

要補充說明的是，XRF分析主要是用於確認所收集中的廢石粉原料中的金屬或金屬化合物成分(主要為金屬氧化物)的分布情形，由於所用之XRF分析儀無法測定原子序8以下的元素，所以無法測到碳原子，故通常在石材或廢石粉原料中大量存在的CaCO₃會以CaO出現在分析結果中，即分析結果中的CaO表示該原料中應該有CaCO₃和CaO兩種成分存在，且燒失量中有一部分是來自CaCO₃中的CO₂。

所製得的輕質骨材樣品，取一定份量並秤量其重量後，再以Archimedes排水法量測該份量之樣品的體積，經計算後獲得其平均視密度值約為0.53 g/cm³。並以CNS-487所載的方法量測該樣品的吸水率，量測結果顯示其吸水率為7.87%。另外，如附件一所示，為所製出的輕質骨材樣品的外觀情形，刮除部分表層後可觀察到其內部形成多個肉眼可見且平均分布的孔洞結構，該等孔洞結構的孔徑大小約為1~3mm°

上述結果顯示本發明的方法所製出的骨材樣品的密度低於一般玻璃的密度2.5g/cm³，而一般輕質骨材通常是指密度低於1.7 g/cm³~2.0 g/cm³的骨材，故該骨材樣品相較於玻璃材料，確實有明顯輕量化的效果，且其密度值也符合輕質骨材的判定標準。而該骨材樣品的吸水率僅有7~8%，而一般混凝土建材為了避免水泥的反應速度受到影響而不利 於結構的穩固性，通常會限制所用的人造輕質骨材材料的吸水率不得超出2~20%的範圍，故上述量測結果也顯示本發明所製出的骨材樣品的吸水率符合2~20%的範圍要求，也就是說，以本發明所製出的輕質骨材製品應用於建材中時，例如，做為混凝土的粒料時，對水泥養護與硬化後的結構強度的影響不大，確實有適合作為建材使用的實用價值。

歸納上述，本發明輕質骨材的製造方法，可獲致下述的功效及優點，故能達到本發明的目的：

一、本發明運用天然石材中原本就含有的具發泡功效的碳酸鈣、有助降低熔點溫度的氧化鈣等成分的特性，搭配處理成粉粒型式的廢玻璃原料，再經由加水成型、乾燥與高溫燒製等處理步驟，就能在不另外添加化學藥劑的情況下，製出具有孔洞結構的輕質骨材製品，由於所用的廢石粉原料石材加工過程中產生的下腳料，廢玻璃原料也是資料回收的材料，本發明的製法充份運用廢棄材料的特性，使其變為實用的產品並重新再利用，使本發明能有效解決廢棄物的問題，並符合環保的需求。

二、本發明藉由在廢玻璃原料中添加廢石粉原料，並提供相應的處理步驟，使所製出的輕質骨材製品3確實具有輕量化與不易吸水的特性，當搭配混凝土等建材使用時，不易產生影響建築結構體的強度的問題，因而具有實用的價值。

三、本發明藉由在廢玻璃原料中添加廢石粉原料的設 計，可利用廢石粉原料中的碳酸鈣產生類似發泡劑的作用，而確實可製出輕質骨材製品外，如表1所示，廢石粉中含有多種金屬化合物成分，例如，已有文獻揭露Fe₂O₃可作為助熔劑使用，且在高溫時Fe₂O₃會釋出氧氣，也有輔助發泡的作用，而CaO則常被用在陶瓷工業中當作降溫劑，且在高溫時還能促使粒子表面形成液相，增加表面擴散之燒結機制，因此，本發明藉由添加石粉原料的設計，可利用石粉中的金氧化合物增進繞製物的膨脹效果，而能確保輕量化效果，且能節省能量消耗，故能提供較佳的經劑效益。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

201~206‧‧‧步驟

3‧‧‧輕質骨材製品

30‧‧‧孔洞

圖1為本發明輕質骨材的製造方法的一較佳實施例的一流程圖；及圖2為該較佳實施例所製出的輕質骨材製品的一剖面示意圖，說明該輕質骨材製品內部形成多個孔洞結構的情形。

附件一：為上述實施例所製出的輕質骨材樣品之外觀的照片。

201~206‧‧‧步驟

Claims (9)

1. 一種輕質骨材的製造方法，包含下列步驟：一、將一廢玻璃原料磨碎為多個粒徑小於等於150μm的玻璃粉粒；二、收集在處理石材過程中所產生的一廢石粉原料，將該廢石粉原料添加至該等玻璃粉粒中以形成一預混物，並使該預混物中的廢石粉原料的含量為1 wt%~30 wt%；三、對該預混物進行攪拌使該廢石粉原料與該等玻璃粉粒混合均勻而形成一均混物；四、在該均混物中加水調製以獲得一黏稠狀的骨材母料，再將該骨材母料成型為多個顆粒狀的預成型塊體；五、對該等預成型塊體進行一乾燥處理；及六、對乾燥完成的該等預成型塊體進行一燒製處理，且燒製溫度為600℃~850℃，燒製完成後就能獲得多個具有孔洞結構的輕質骨材製品。
2. 依據請求項1所述的輕質骨材的製造方法，其中，在步驟三中，是將該預混物置於一滾筒中，並在滾筒內放置數顆陶瓷球，以利用陶瓷球搭配滾筒轉動的方式進行攪拌。
3. 依據請求項2所述的輕質骨材的製造方法，其中，在步驟三中，在步驟三中，攪拌完成後是利用過篩方式使該均混物與該等陶瓷球分離。
4. 依據請求項1所述的輕質骨材的製造方法，其中，在步驟四中，針對100重量份的均混物，水的添加量為3~5重量份。
5. 依據請求項1所述的輕質骨材的製造方法，其中，在步驟五中，是使該等預成型塊體在溫度50℃~120℃的環境下中進行乾燥。
6. 依據請求項5所述的輕質骨材的製造方法，其中，在步驟五中，是使該等預成型塊體在溫度60℃的環境下中進行乾燥，且乾燥時間超過12小時。
7. 依據請求項1所述的輕質骨材的製造方法，其中，在步驟六中，是使該等乾燥的預成型塊體於溫度800℃下持續燒製至少持續20分鐘。
8. 依據請求項1所述的輕質骨材的製造方法，其中，在步驟六中，燒製完成後，再經自然降溫而獲得該等輕質骨材製品。
9. 依據請求項1所述的輕質骨材的製造方法，其中，在步驟六所製得的該等輕質骨材製品的吸水率低於8%。