TW202102457A - 水泥改質劑之製造方法及含有該水泥改質劑之機能性水泥材料 - Google Patents

Abstract

一種水泥改質劑之製造方法，其係適用於將電弧爐的還原碴資源化來製造水泥改質劑之方法，該製造方法包括：提供電弧爐的還原碴；將電弧爐的還原碴粉碎成平均粒徑小於20毫米的首次細化品；利用磁力產生裝置去除第一粉碎材中的鐵質成分而得到尾礦；將尾礦更進一步粉碎成平均粒徑小於5毫米的二次細化品；將低含水量製品粉磨成細度為500 m² /kg以上的水泥改質劑。又，將該水泥改質劑與卜特蘭水泥以特定比例混拌後即可得到具有不同特殊性能的機能性水泥材料。

Description

水泥改質劑之製造方法及含有該水泥改質劑之機能性水泥材料

本發明係有關於一種電弧爐還原碴的資源化方法，特別是關於一種以電弧爐還原碴來製造水泥改質劑的方法及含有該水泥改質劑的機能性水泥材料。

煉鋼主要可分成高爐煉鋼、轉爐煉鋼及電弧爐煉鋼，高爐煉鋼的原料是鐵礦砂，利用鼓風機將熱空氣通過煤炭後產生高溫，將鐵礦砂中的鐵成分提煉出鐵水，鐵水進入轉爐後投入廢鐵為原料，產出鋼液，冷卻後成為鋼材。轉爐煉鋼同樣是以鐵礦砂為原料，而電弧爐煉鋼的原料主要是廢鐵，使電流通過石墨及廢鐵後產生電弧來熔解廢鐵。

電弧爐煉鋼主要可分成五大階段：原料收集、冶煉的前置作業、熔化期、氧化期及還原期，電弧爐煉鋼的原料主要是廢鐵，廢鐵經過除銹及除去雜質及不適合冶煉的其他金屬才能成為用於冶煉的原料，然後根據希望得到的鋼材性質進行配料而完成冶煉的前置作業，原料在電弧爐中經過高壓通電產生電弧而被熔解，熔化期會產生少許的爐碴以覆蓋鋼液及穩定電弧，在氧化期主要是加入含有高價氧化鐵的礦石或直接通入純氧，在轉變成低價氧化鐵後氧化鋼液中的碳及磷，此時會產生氧化碴，除去氧化碴後進入還原期，在還原期加入氧化鈣(石灰)形成薄碴，然後加入碳粉，進行去氧脫硫後形成還原碴。

電弧爐煉鋼後產生的爐碴主要是在氧化期及還原期，分別是氧化碴及還原碴，氧化碴的形狀類似天然火成岩，粗糙呈黑褐色，富有稜角且多孔洞，而還原碴呈灰白色粉末狀。目前國內電弧爐煉鋼廠每生產1000萬公噸的鋼材就產生約120萬公噸的氧化碴及40萬公噸的還原碴。氧化碴及還原碴屬於事業廢棄物， 依據經濟部工業局公告爐碴之再利用用途，主要包括氧化碴(石)再利用用途：水泥生料原料、瀝青混凝土粒料原料、管溝回填用控制性低強度回填材料原料、鋪面工程(道路、人行道、貨櫃場或停車場)之基層或底層級配粒料原料、紐澤西護欄原料，或經高壓蒸氣處理後作為非構造物用預拌混凝土粒料原料、非構造物用預拌混凝土原料、水泥製品用粒料原料或混凝土(地)磚、空心磚、水泥瓦、水泥板、緣石、混凝土管、人孔、溝蓋之原料；還原碴(石)再利用用途包括水泥原料、瀝青混凝土粒料原料、鋪面工程(道路、人行道、貨櫃場或停車場)之基層或底層級配粒料原料、紐澤西護欄原料，或經高壓蒸氣處理後作為非構造物用預拌混凝土粒料原料、非構造物用預拌混凝土原料、水泥製品用粒料原料或混凝土(地)磚、空心磚、水泥瓦、水泥板、緣石、混凝土管、人孔、溝蓋之原料。

又，在上述用途之中，將氧化碴及還原碴應用於鋪面工程（道路、人行道、貨櫃場或停車場）之基層或底層級配粒料原料、管溝回填用控制性低強度回填材料原料等之處理方式主要有兩種，其一是以蒸氣養生方式來處理還原碴，藉以加速其安定化或穩定化，再將穩定化之還原碴利用來做為鋪面工程（道路、人行道、貨櫃場或停車場）之基層或底層級配粒料原料；其二是將安定化還原碴與氧化碴用於非構造物用預拌混凝土原料或管溝回填用控制性低強度回填材料原料。但是，目前還原碴尚待高壓養生設備運作處理。

另外，近年也興起了將氧化碴及還原碴做為混凝土骨材、製成環保水泥等、及燒結熔劑等用途之研究。例如，將在還原碴中添加石膏而研磨製成水泥，再與電弧爐氣冷氧化碴(當粗骨材)及電弧爐水淬氧化碴(當細骨材)混煉後，製成U型溝、平板、敷石、涵管、岸壁、水泥磚、景觀材、消波塊及人工魚礁等水泥建材製成品。

其次，也有術研究發現：還原碴之卜作嵐活性指數良好，能改善水泥漿體之凝結時間，因而建議利用電弧爐爐碴做為卜作嵐材料，藉以改善其漿體的抗壓強度及收縮性，並減少水泥用量達到資源化再利用之目標。

又，還有學術報導指出：由於還原碴之成份主要為CaO，能夠在水泥中扮演鹼活化劑的角色，具有取代水泥原料中石灰石礦物的潛力。例如，研究發現可以10%電弧爐煉鋼爐碴的還原碴取代部分水泥來拌製混凝土，28 天抗壓強度符合設計強度要求，且能有助於提升其耐久性。亦有研究指出：可以15%電弧爐煉鋼爐碴的還原碴取代部分水泥而不會降低其抗壓強度。

另外，也有研究指出：可以在水泥原料中以適當比例添加電弧爐煉鋼爐碴與氣轉爐碴的混合物來對於水泥進行改質。例如，77%石灰石污泥、19.51%石材污泥、2.49%煤灰礦泥拌合料及1%還原碴，經燒結溫度為1,400 ℃，持溫2 小時後所燒製之全資源化環保水泥符合CNS 61 輸氣第IIIA 型水泥規範值，具有做為緊急修補工程材料之潛力。

此外， 在中華民國專利第I448556號中揭露了一種電弧爐爐碴資源化前處理方法，其包含提供一含還原碴之電弧爐爐碴，包含15wt%至30wt%之還原碴；進行一次篩分製程，將該含還原碴之電弧爐爐碴分為一粗料部分及一細料部分；進行一碎解洗選製程，將該粗料部分洗選分為一細粒料部分及一底泥部分；然後，研磨該底泥部分而形成一還原碴細粉、及進行一選粉製程而選出可取代水泥應用於混凝土的還原碴細粉。然而，該中華民國專利第I448556號充其量只不過是一種電弧爐爐碴資源化的前處理方法，僅能得到比表面積為300m² /kg至500m² /kg細度之還原碴細粉而已。

從而，可以明白：對於將還原碴利用來取代部分的水泥原料在學術上已有一些初步的研究成果，然而對於還原碴到目前為止仍然沒有適當的資源化處理方法能夠以還原碴來製造可以高含量添加並取代水泥原料的水泥改質劑，亦沒有製造出一種已添加有該水泥改質之高機能性水泥、以及彼等之製造方法。

有鑑於此，本發明人等乃潛心研究解決上述課題之優異手段及良好對策，進而研究開發出能夠對於還原碴加以資源化處理或回收再利用之方法。亦即，本發明之目的在於提供一種水泥改質劑之製造方法及以該方法所製造之水泥改質劑。此製造方法主要是將電弧爐的還原碴進行兩次的粉碎製程，形成粒徑小於5毫米的粉碎材，然後再以粉磨製程將粉碎材研磨成細度為大於500m² /kg的水泥改質劑。

再者，將水泥改質劑與卜特蘭水泥混合，不但可以取代部分的水泥，而且可以得到一種具有能夠改善水泥凝結時所需的時間及膠結活性之機能性水泥材料。本發明之機能性水泥材料屬於特殊功能性，少量添加於水泥，具有抗滲透性、耐磨、抗輻射、低水合熱、抗腐蝕脹縮性能、耐磨性、抗凍性、抗碳化性等性能，若大於1:1添加則是可用於一種控制性低強度材料(Controlled Low Strength Material, CLSM)水泥材料，不但具有高流動性、低抗壓強度特性以外，而且非常有利於需要進行重複開挖時的管溝工程回填材料，因而能夠適用於做為經常性施工區域之水泥材料使用。

又，在本發明的一實施例中，該水泥改質劑之製造方法較佳為包括以下步驟：原料粉碎製程，其至少具備將原料予以粉碎而得到首次細化品之首次粉碎步驟；該原料屬於鋼爐碴，至少包含來自電弧爐的還原碴；鐵質分離製程，其為至少具備利用磁力以尾礦之第一磁選步驟；該磁力為來自一磁力產生裝置；二次細化製程，其為至少具備將該尾礦更進一步細化粉碎而得到二次細化品之二次粉碎步驟，並且對於該二次細化品可達到含水率小於5%的低含水量製品(前處理過程可降低水分)；微細粉化製程，其為至少具備將該低含水量製品進一步精細研磨而得到水泥改質劑之微細粉化步驟。又，本發明中所稱之「尾礦」係指經由自該還原碴之首次細化品中去除含鐵成分後所留下的低鐵含量材料。

其次，根據本發明之技術思想，該首次細化品之平均粒徑係小於20毫米，該二次細化品之平均粒徑係小於5毫米。又，本發明之該水泥改質劑之以氣透儀法測定的細度(比表面積)為500 m² /kg 以上，較佳為該水泥改質劑之以氣透儀法測定的細度(比表面積)為1000 m² /kg 以上；更佳者為該水泥改質劑之以氣透儀法測定的細度(比表面積)為1500 m² /kg 以下，最佳者為該水泥改質劑的細度(比表面積)為1000 m² /kg ~1500m² /kg。

又，本發明之水泥改質劑含有二氧化矽、氧化鋁、氧化鐵及氧化鈣等物質，可以用來做為卜作嵐反應的材料。例如，在本發明之一實施例中，該水泥改質劑中之氧化鈣含量為55%~57%，三氧化二鋁含量為10.7%~11.1%，二氧化矽含量為16%~18%，氧化鎂含量為8%~9%。

在本發明之另一實施例中，該水泥改質劑的氧化鈣含量為55%~57%，三氧化二鋁含量為10.7%~11.1%，二氧化矽含量為16%~18%，氧化鎂含量為8%~9%。

在本發明之又一實施例中，本發明之該水泥改質劑的鹼度之下限較佳為1.5以上，該水泥改質劑的鹼度之下限更佳者為1.6以上，該水泥改質劑的鹼度之下限最佳者為1.8以上。又，本發明之該水泥改質劑的鹼度之上限較佳為3.5以下，該水泥改質劑的鹼度之上限更佳者為3.4以下，該水泥改質劑的鹼度之上限最佳者為3.3以下。另外，該水泥改質劑的鹼度最理想者為在1.5~3.5之範圍。又，該鹼度係指在水泥改質劑中之氧化鈣含量(CaO%)相對於二氧化矽含量(SiO₂ %)與五氧化二磷含量(P₂ O₅ %)總和的比值： Alk = (CaO%) / ［(SiO₂ %) + (P₂ O₅ %)］。

在本發明之別個實施例中，該水泥改質劑的矽酸二鈣(C₂ S)的含量為30%~40%，矽酸三鈣(C₃ S) 的含量為11%~14%，鋁酸三鈣(C₃ A) 的含量為26%~27%。

在本發明之其他的實施例中，該粉磨製程係以輥式立磨磨粉裝置進行。

又，本發明的另一目的在於提供一種機能性水泥材料，其係以特定摻混比例將上述之水泥改質劑與卜特蘭水泥加以均勻混合而得到；其中該卜特蘭水泥中之爐石、飛灰及石灰的總含量為低於5%，且該水泥改質劑與該卜特蘭水泥的摻混比例為在1：10~10：1之範圍。另外，根據本發明的技術思想，該水泥改質劑與該卜特蘭水泥的摻混比例較佳為1：8~8：1之範圍；更佳為在1：5~5：1之範圍；最佳為在1：4~3：5之範圍。

此外，在本發明之另一實施例中，該機能性水泥材料之活性係數在第28天係高於75%。

以下，針對本發明的實施態樣列舉各種不同的具體實施例而更加詳盡地敘述與說明，以便使本發明的精神與內容更為完備而易於瞭解；然而，本項技藝中具有通常知識者應當明瞭本發明當然不受限於此等實例而已，亦可利用其他相同或均等的功能與步驟順序來達成本發明。

在本文中，此處所用的科學與技術詞彙之含義與本發明所屬技術領域中具有通常知識者所理解與慣用的意義相同。此外，在不和上下文衝突的情形下，本說明書所用的單數名詞涵蓋該名詞的複數型；而所用的複數名詞時亦涵蓋該名詞的單數型。

在本文中，對於用以界定本發明範圍的數值與參數，本質上不可避免地含有因個別測試方法所致的標準偏差，因而大多是以約略的數量值來表示，然而於具體實施例中則盡可能精確呈現的相關數值。在本文中，「約」通常視本發明所屬技術領域中具有通常知識者的考量而定，一般係指代表實際數值落在平均值的可接受標準誤差之內，例如，該實際數值為在一特定數值或範圍的±10%、±5%、±1%、或±0.5%以內。

請參閱圖1及圖2，其為表示本發明的水泥改質劑之製造方法的標準流程圖及製造系統架構示意圖。本發明的水泥改質劑之製造方法係將電弧爐的還原碴加以粉碎，通常在經過兩次粉碎製程，再以粉磨設備進一步磨成微粉而得到水泥改質劑。具體的製造步驟大致上包括：原料粉碎製程S1、鐵質分離製程S2、二次細化製程S3、以及微細粉化製程S4。

更具體而言，首先，說明原料粉碎製程S1。根據本發明的技術思想，在原料粉碎製程S1中，將來自電弧爐的還原碴Sb輸送至一第一粉碎單元10進行粉碎，粉碎後的顆粒經由以網孔小於20毫米的篩分機篩分，最後得到平均粒徑大於20毫米的粗粒料以及小於20毫米的細粒料，取平均粒徑小於20毫米的細粒料做為首次細化品Sc。在本發明之一實施例中，該第一粉碎單元10可以是進行粗碎的顎式破碎機、棒磨機或錐碎機。

接著，說明鐵質分離製程S2。根據本發明的技術思想，在鐵質分離製程S2中，使首次細化品Sc通過一磁選單元20，將首次細化品Sc中的含鐵質物質F分離出來，以去除首次細化品Sc中的含鐵質物質F，而得到尾礦Sd，接著進入二次細化製程S3。又，在本發明之一實施例中，該磁選單元20可以是一磁力產生裝置，例如筒式磁選機或平面輸送式磁選機。

其次，說明二次細化製程S3。根據本發明的技術思想，在二次細化製程S3中，將尾礦Sd輸送至第二粉碎單元30進行二次細化製程，即進行再次粉碎的製程，粉碎後的顆粒經由以網孔小於5毫米的篩分機篩分，最後得到平均粒徑大於5毫米的粗粒料以及小於5毫米的細粒料，取平均粒徑小於5毫米的細粒料做為二次細化品Sf，接著進入微細粉化製程S4。在本發明之一實施例中，第二粉碎單元30可以是進行中碎的圓錐破碎機、錘式破碎機或反擊式破碎機。又，尾礦Sd經前述原料粉碎製程S1、鐵質分離製程S2及二次細化製程S3形成二次細化品Sf後，其含水量已降低至5%以下。

然後，說明微細粉化製程S4。在微細粉化製程S4中，將二次細化品Sf輸送至一粉磨單元50進行粉磨，使其成為成細度為1000m² /kg ~1500m² /kg的水泥改質劑Sg。在本實施例中，粉磨單元50可以是輥式立磨裝置，它集破碎、粉磨、選粉為一體，具有電耗低、密封性能好、噪音比球磨機低30～50db、可露天佈置、占地面積小、流程簡單等特點。通過調節選粉機轉速、磨機氣流量和碾磨壓力，並與合適的擋料圈高度相結合，可獲得要求的細度和粒徑分佈。在滿足入磨細微性要求以及降低鋼碴中鐵含量後，輥式立磨裝置的優勢立刻彰顯： 其產量高、電耗低，而且允許入磨水分可高達20%，成品的比表面積很容易達到 450～500m² /kg以上，有利於鋼碴粉的大規模化生產。如圖3所示，該輥式立磨裝置在底部包括一磨盤51，在磨盤51上設置複數個輥子52，磨盤51及輥子52可相對轉動，低含水量製品Sf從進料口53進入粉磨單元50，並經由磨盤51與輥子52的研磨而得到水泥改質劑Sg，從底部吹入的氣體將水泥改質劑Sg揚起而自出料口54排出收集。又，根據本發明的技術思想，輥子52的數量較佳為在28個以下，以及磨盤51轉動的轉速為大於180rpm。

又，在本發明的另一實施例中，在二次細化製程S3及微細粉化製程S4之間可以進一步含有二次鐵質分離製程，是再次將二次細化品Sf中含鐵質物質F分離出來，用以確保進入微細粉化製程S4前的二次細化品Sf不含有鐵質物質F。又，在本發明之一實施例中，該二次磁選單元可以是一磁力產生裝置，例如筒式磁選機或平面輸送式磁選機。

在本發明之一實施例中，經由本發明所得之水泥改質劑進一步與卜特蘭水泥P均勻混拌後能夠形成機能性水泥材料。根據本發明的技術思想，該水泥改質劑與該卜特蘭水泥的摻混比例一般為在1：10~10：1之範圍；較佳為1：8~8：1之範圍；更佳為在為在1：5~5：1之範圍；最佳為在1：4~3：5之範圍。

粉磨後的水泥改質劑Sg可以做為卜作嵐反應的材料。所謂的卜作嵐反應是指二氧化矽與三氧化二鋁與水泥水化而產生的膠結作用，可以填補混凝土的微小空隙，如此使空氣中的水氣不易滲入混凝土材料而腐蝕鋼筋。水泥改質劑Sg與卜特蘭水泥混合，可以部分取代卜特蘭水泥中用來產生卜作嵐反應的水泥材料。在本實施例中，卜特蘭水泥P所包含之高爐石粉、飛灰及石灰的含量可低於5%。

另外，根據經濟部工業局所出版的「電弧爐還原碴安定化技術手冊」之記載，研磨至非常細的水泥改質劑Sg也可以同時產生安定化的效果，即電弧爐還原碴中游離的氧化鎂及氧化鈣會穩定而不會膨脹。 《實施例》(實施例1至4) 水泥改質劑之製備

在實施例1至4中，利用上述本發明的水泥改質劑之製造方法經由原料粉粹製程、鐵質分離製程、二次細化製程、及微細粉化製程而予以研磨製成水泥改質劑。

具體而言，在實施例1至4中，首先，在原料粉粹製程中，使用棒磨機或錐碎機將取自電弧爐煉鋼還原碴加以粉碎並以篩分機分離而篩選得到平均粒徑係小於20毫米的粗碎物(即，首次細化品)。接著，在鐵質分離製程中，利用磁選設備(例如，磁力發生裝置)去除該首次細化品中之含鐵成分而得到尾礦；然後，在二次細化製程中將該尾礦更進一步細化粉碎並以篩分機分離而篩選得到平均粒徑小於5毫米的細碎物(即，二次細化品)。最後，在微細粉化製程中，將上述所得到的該低含水量製品進一步精細研磨而得到細度為1000m² /kg ~1500m² /kg的水泥改質劑Sg1、水泥改質劑Sg2、水泥改質劑Sg3、及水泥改質劑Sg4。

接著，對於實施例1至4所得到的該水泥改質劑Sg1、水泥改質劑Sg2、水泥改質劑Sg3、及水泥改質劑Sg4，分別依據氣透儀法測定各細度(即，比表面積，m² /kg)，水泥改質劑Sg1的細度為1079m² /kg，水泥改質劑Sg2的細度為最小值1356 m² /kg、最大值1420 m² /kg，水泥改質劑Sg3的細度為500m² /kg水泥改質劑、以及Sg4的細度為800m² /kg，並將所得到的分析結果記載於表1。

此外，對於比較例1之市售卜特蘭水泥也同樣依據氣透儀法測定各細度(即，比表面積，m² /kg)而得到其細度為390 m² /kg，並將所得到的分析結果記載於表1。

從而，可以確認本發明之實施例至4分別得到的水泥改質劑Sg1、水泥改質劑Sg2、水泥改質劑Sg3、及水泥改質劑Sg4之細度明顯優於比較例1之市售卜特蘭水泥。因此，當使用本發明的實施例1至4所得到之水泥改質劑Sg1、水泥改質劑Sg2、水泥改質劑Sg3、及水泥改質劑Sg4添加於市售水泥中時，就能夠有效提升進行卜作嵐反應的活性。

然後，參照CNS規範，對於實施例1至4所得到的該水泥改質劑Sg1、水泥改質劑Sg2、水泥改質劑Sg3、及水泥改質劑Sg4來進行二氧化矽SiO₂ (%)、三氧化二鋁Al₂ O₃ (%)、氧化鐵Fe₂ O₃ (%)、氧化鈣CaO(%)、氧化鎂MgO(%)、三氧化硫SO₃ (%)、燒失量L.O.I(%)、不溶殘碴I.R(%)、硫化物S(%)、二氧化鈦TiO₂ (%)、五氧化二磷P₂ O₅ (%)、氧化鈉Na₂ O(%)、氧化鉀K₂ O(%)、游離氧化鈣f-CaO(%)、氯Cl(%)、鹼度、矽酸二鈣C₂ S(%)、鋁酸二鈣C₃ A(%)、矽酸三鈣C₃ S(%)、鋁鐵酸四鈣C₄ AF(%)、C₄ AF+2C₃ A、C₃ S+4.75C₃ A等成分分析，並將所得到分析結果記載於表1。其中，鹼度係定義為氧化鈣的成分百分率與二氧化矽的成分百分率及五氧化二磷的成分百分率之和的比值，即鹼度= CaO%/(SiO₂ %+P₂ O₅ %)。

另外地參照CNS規範進行二氧化矽SiO₂ (%)、三氧化二鋁Al₂ O₃ (%)、氧化鐵Fe₂ O₃ (%)、氧化鈣CaO(%)、氧化鎂MgO(%)、三氧化硫SO₃ (%)、燒失量L.O.I(%)、不溶殘碴I.R(%)、二氧化鈦TiO₂ (%)、五氧化二磷P₂ O₅ (%)、鹼度、矽酸二鈣C₂ S(%)、鋁酸二鈣C₃ A(%)、矽酸三鈣C₃ S(%)、鋁鐵酸四鈣C₄ AF(%)等成分分析，並將所得到的分析結果記載於表1。 【表1】

	比較例1	實施例1	實施例2	實施例3	實施例4
項目	卜特蘭水泥	水泥改質劑Sg1	水泥改質劑Sg2	水泥改質劑Sg3	水泥改質劑Sg4
細度(比表面積) (氣透儀法)(m2 /kg)	390	1079	最小值1356 最大值1420	500	800
二氧化矽SiO2 (%)	20.5	17.4	16.5	17.0	17.2
三氧化二鋁Al2 O3 (%)	4.6	11.1	10.7	10.8	11.0
氧化鐵Fe2 O3 (%)	3.59	1.4	3.7	1.5	2.0
氧化鈣CaO(%)	63.1	56.5	55.8	56.0	56.2
氧化鎂MgO(%)	2.1	8.9	8.3	8.5	8.6
三氧化硫SO3 (%)	2.49	0.94	1.27	1.02	1.10
燒失量L.O.I(%)	2.0	8.3	6.9	7.2	7.4
不溶殘碴I.R(%)	0.19	2.45	2.54	2,48	2.50
硫化物S(%)	-	0.47	0.33	0.40	0.38
二氧化鈦TiO2 (%)	0.30	0.25	0.29	0.26	0.28
五氧化二磷P2 O5 (%)	0.09	0.03	0.05	0.03	0.04
氧化鈉Na2 O(%)	-	0.16	0.17	0.15	0.16
氧化鉀K2 O(%)	-	0.08	0.09	0.08	0.08
游離氧化鈣 f-CaO(%)	-	0.81	0.82	0.80	0.81
氯Cl(%)	-	0.007	0.066	0.008	0.007
鹼度	3.06	3.24	3.37	3.26	3.28
矽酸二鈣C2 S(%)	15	39.1	31.4	38.0	36.4
鋁酸三鈣C3 A(%)	6.1	26.9	22.0	25.0	24.2
矽酸三鈣C3 S(%)	58	14.2	11.4	12.6	13.2
鋁鐵酸四鈣C4 AF(%)	10.9	4.4	21.0	8.4	10.2
C4 AF+2C3 A	-	58.2	55.3	56.2	57.2
C3 S+4.75C3 A	-	142.1	125.4	136.2	130.0

由上述表1可知，本發明的實施例1至4所得到之水泥改質劑Sg1、Sg2、Sg3、及Sg4顯示出在二氧化矽、氧化鐵、及氧化鈣、及鹼度方面皆具有與比較例1的市售卜特蘭水泥相近的含量、構成分及特性。

另外，在本發明的實施例1至4所得到之水泥改質劑Sg1、Sg2、Sg3、及Sg4中，三氧化二鋁的含量分別為11.1%、10.7%、10.8%、及11.0%，明顯高於比較例1之市售卜特蘭水泥，因而可以確認本發明的水泥改質劑Sg1、Sg2、Sg3、及Sg4非常適合用來做為卜作嵐反應的材料。 《流動性分析》

再者，如上述表1所示，在本發明的實施例1至4所得到之水泥改質劑Sg1、Sg2、Sg3、及Sg4中之矽酸二鈣的含量分別為39.1%、31.4%、38.0%、及36.4%，在比較例1的市售卜特蘭水泥中之矽酸二鈣的含量則為15%。因而，可以確認：就矽酸二鈣而論，本發明的水泥改質劑Sg1、Sg2、Sg3、及Sg4的矽酸二鈣含量明顯高於比較例1的市售卜特蘭水泥的矽酸二鈣含量。

其次，如上述表1所示，在本發明的實施例1至4所得到的水泥改質劑Sg1、Sg2、Sg3、及Sg4中之矽酸三鈣分別為14.2%、11.4%、12.6%、及13.2%，而比較例1中之市售卜特蘭水泥的矽酸二鈣含量為58%。因而，可以確認：就矽酸三鈣而論，本發明的水泥改質劑Sg1、Sg2、Sg3、及Sg4的矽酸三鈣含量明顯低於比較例1的市售卜特蘭水泥的矽酸三鈣含量。

由於矽酸二鈣的水化作用速度比矽酸三鈣慢許多，因此，當水泥中之矽酸二鈣含量較高時，則水泥在施工作業初期可以維持較佳的流動性；當水泥中之矽酸三鈣含量較低時，則水泥的強度就會降低。 《材料活性係數分析》

將卜特蘭水泥、水泥改質劑Sg1、水泥改質劑Sg2、砂及水以表2所示之比例進行混拌而分別獲得混凝土樣品AS1、及AS2，並採用CNS10896卜特蘭水泥混凝土用飛灰或天然卜作嵐礦物攙料之取樣及檢驗法得到28天的活性係數，活性係數為樣品對控制組(純卜特蘭水泥砂漿試體)的抗壓強度比值百分比，當活性係數越高時，表示越能加速卜作嵐反應進行，加速水泥水化作用，縮短硬化時間。最後，將所得結果紀錄於表2中。 【表2】

組成分	控制組 (純卜特蘭水泥砂漿試體)	試驗組 AS1	試驗組 AS2
卜特蘭水泥(g)	500	400	400
水泥改質劑Sg1(g)	0	100	0
水泥改質劑Sg2(g)	0	0	100
砂(g)	1375	1375	1375
水(g)	242	242	242
28天活性係數(%)	-	96.1	113.8

由表2之結果可知，將本發明之水泥改質劑Sg1、水泥改質劑Sg2添加於市售的卜特蘭水泥時，活性指數分別為96.1%及113.8%，皆遠高於規範值75%，顯示利用於市售水泥中添加本發明之水泥改質劑，就可以得到一種能夠明顯提高活性係數、加速卜作嵐反應進行，加速水泥水化作用的材料 (實施例5~實施例7) 機能性水泥之製備(性能測試)

接著，在實施例5至實施例7中，按照如表3所示之配比，將水泥改質劑Sg2與卜特蘭水泥混拌而得到機能性水泥材料AS3、AS4、AS5。其中，機能性水泥材料AS3中之水泥改質劑的含量為20%，機能性水泥材料AS4中之水泥改質劑的含量為40%，機能性水泥材料AS5中之水泥改質劑的含量為60%。

然後，對於機能性水泥材料AS3、AS4、AS5，分別測定CNS15286所規範之各種物理性質，例如，至少測定篩餘量(%) (CNS11273)、細度(氣透法，m² /kg)(CNS2924)、空氣含量% CNS787)、熱壓膨脹%(CNS1258)、密度(g/cm³ ) (CNS11272) 、初凝及終凝(min) (CNS786)、3天、7天、28天的抗壓強度(MPa)( CNS1010)、7天與28天的水合熱(kJ/kg)(CNS2248)、14天、56天、91天的水泥砂漿膨脹量(%)(CNS13619)等。然後，將結果記載於表3中。 【表3】

試驗項目	試驗方法	實施例 5 ( AS3)	實施例 6 ( AS4)	實施例 7 (AS5)
水泥改質劑		20%	40%	60%
卜特蘭水泥		80%	60%	40%
篩餘量*%	CNS11273	3.6	2.9	2.0
細度(氣透法) (m2 /kg)	CNS2924	471	560	863
空氣含量%	CNS787	5.98	3.88	4.49
熱壓膨脹%	CNS1258	+0.07	+0.05	+0.05
密度(g/cm3 )	CNS11272	3.06	2.98	2.82
凝結時間檢驗 ( 費開氏針法 )
初凝(min)	CNS786	110	80	5
終凝(min)	225	180	60
抗壓強度 (MPa)
3天	CNS1010	23.4	1.62	1.23
7天	33.2	16.48	10.01
28天	40.6	26.47	19.27
水合熱 (kJ/kg)
7天	CNS2248	227.7	228.5	196.8
28天	316.6	260.2	230.6
水泥砂漿膨脹量 (%)
14天	CNS13619	0.001	0.013	0.007
56天	0.005	0.014	0.011
91天	0.008	0.015	0.012

*篩餘量是以試驗篩0.045mm，CNS386規範的濕篩試驗所求得。

又， CNS 15286所規範之IS(＜70)型、IS(70)型、及IP型混合水泥的標準為如表4所示。 【表4】

試驗項目	試驗方法	CNS15286規範 (IS型/IP型)
篩餘量*%	CNS11273	20.0
細度(氣透法)(m2 /kg)	CNS2924	-
空氣含量%	CNS787	12
熱壓膨脹%	CNS1258	0.8
密度(g/cm3 )	CNS11272	-
凝結時間檢驗 ( 費開氏針法 )
初凝(min)	CNS786	≥45
終凝(min)	≤420
抗壓強度 (MPa)
3天	CNS1010	≥13.0
7天	≥20.0
28天	≥25.0
水合熱 (kJ/kg)
7天	CNS2248	≤290
28天	≤330
水泥砂漿膨脹量 (%)
14天	CNS13619	≤0.020
56天	≤0.060
91天	≤0.050

由上述表3、表4 所記載之數據，可以明確知道：實施例5的機能性水泥材料AS3之抗壓強度在第3天、第7天、及第28天時分別為23.4Mpa、33.2 Mpa、及40.6 Mpa，皆符合CNS15286之一般水泥規範標準，適合用來做為特殊功能的水泥如水硬性混合水泥；實施例6的機能性水泥材料AS4之抗壓強度在第3天、第7天時分別為1.62Mpa、及16.48Mpa，明顯低於CNS15286之一般水泥規範標準，但第28天時的抗壓強度為26.4Mpa，可以符合水硬性混合水泥標準，因而適合做為水硬性混合水泥使用；實施例7的機能性水泥材料AS5之抗壓強度在第3天、第7天、及第28天時分別為1.23Mpa、10.01Mpa、及19.27Mpa，皆稍微低於CNS15286之水硬性混合水泥標準，但第28天強度高於國內控制性低強度回填材料所需0.9 Mpa以上，因而適合做為控制性低強度回填材料使用之水泥材料使用。

從而，本發明之水泥改質劑係非常適合於做為機能性水泥材料使用。添加少量時可以發揮抗滲透性、耐磨、抗輻射、低水合熱、抗腐蝕脹縮性能、耐磨性、抗凍性、抗碳化性等性能。特別是，就凝結時間及抗壓強度而論，機能性水泥材料的水泥改質劑添加量愈高者，其凝結時間愈低，抗壓強度也較低，但可以符合此用標準，顯示添加高含量有 本發明之水泥改質劑的機能性水泥材料係適合做為控制性低強度材料水泥材料使用。

接著，對於實施例5至實施例7之機能性水泥材料AS30、AS4、AS5分別測定其各種構成成分，例如，測定MgO%最大值、SO₃ %最大值、S%最大值、不溶殘碴%最大值、燒失量%最大值、SiO₂ %、Al₂ O₃ %、CaO%、Na₂ O%、K₂ O%、鹼類、(Na₂ O%+0.658 K₂ O%)等，並將結果記載於表5中。另外，有關CNS 15286所規範的IS(＜70)型、IS(70)型、及IP型的參考標準值也分別記載於表5中。 【表5】

	CNS 15286	實施例5 (AS3)	實施例6 (AS4)	實施例7 (AS5)
項目	IS(＜70)	IS(≥70)	IP
MgO%最大值	-	-	≤6.0	4.8	5.5	6.0
SO3 %最大值	≤3.0	≤4.0	≤4.0	2.4	1.9	1.8
S%最大值	≤2.0	≤2.0	-	0.1	0.1	0.2
不溶殘渣%最大值	≤1.0	≤1.0	≤1.0	0.6	0.9	2.0
燒失量%最大值	≤3.0	≤4.0	≤5.0	3.1	4.7	8.9
SiO2 %	-	-	-	22.4	22.7	19.7
Al2 O3 %	-	-	-	5.6	6.5	8.1
CaO%	-	-	-	59.4	57.5	58.4
Na2 O%	-	-	-	0.25	0.21	0.21
K2 O%	-	-	-	0.44	0.34	0.26
鹼類 (Na2 O%+0.658 K2 O%)	-	-	-	0.53	0.44	0.38

由上述表5所記載的數據，可以明確知道實施例5至實施例7的機能性水泥材料AS3、AS4、AS5的各種構成成分皆分別符合或接近CNS 15286所規範的IS(＜70)型、IS(70)型、及IP型的參考標準值。從而，可以認為：添加有本發明之水泥改質劑的機能性水泥材料係適合做為水硬性混合水泥之材料使用。

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。

S1:原料粉碎製程 S2:鐵質分離製程 S3:二次細化製程 S4:微細粉化製程 10:第一粉碎單元 20:磁選單元 30:第二粉碎單元 50:粉磨單元 51:磨盤 52:輥子 53:進料口 54:出料口 F:鐵質物質 Sb:還原碴 Sc:首次細化品 Sd:尾礦 Sf:二次細化品 Sg:水泥改質劑

圖1為顯示本發明之水泥改質劑之製造方法的標準流程圖。 圖2為顯示本發明之水泥改質劑之製造系統的架構示意圖。 圖3為本發明之水泥改質劑之製造系統中的粉磨單元結構示意圖。

S1:原料粉碎製程

S2:鐵質分離製程

S3:二次細化製程

S4:微細粉化製程

Claims (10)

1. 一種水泥改質劑之製造方法，其係適用於將電弧爐的還原碴資源化來製造水泥改質劑之方法，該製造方法包括： 原料粉碎製程，其至少具備將原料予以粉碎而得到首次細化品之首次粉碎步驟；該原料屬於鋼爐碴，至少包含來自電弧爐的還原碴，該首次細化品之平均粒徑係小於20毫米； 鐵質分離製程，其為至少具備利用磁力以去除該首次細化品中之含鐵成分而得到尾礦之第一磁選步驟，該磁力為來自一磁力產生裝置； 二次細化製程，其為至少具備將該尾礦更進一步細化粉碎而得到二次細化品之二次粉碎步驟，該二次細化品之平均粒徑係小於5毫米；以及 微細粉化製程，其為至少具備將該低含水量品進一步精細研磨成還原碴微粉末而得到水泥改質劑之微細粉化步驟；其中 該水泥改質劑中之氧化鈣含量為55%~57%，三氧化二鋁含量為10.7%~11.1%，二氧化矽含量為16%~18%，氧化鎂含量為8%~9%。
2. 如請求項1所述之水泥改質劑之製造方法，其中該水泥改質劑的鹼度為在1.5~3.5之範圍； 該鹼度(Alk)係指在水泥改質劑中之氧化鈣含量(CaO%)相對於二氧化矽含量(SiO₂ %)與五氧化二磷含量(P₂ O₅ %)總和的比值： Alk = (CaO%) / ［(SiO₂ %) + (P₂ O₅ %)］。
3. 如請求項1所述之水泥改質劑之製造方法，其中該水泥改質劑的矽酸二鈣(C₂ S)的含量為30%~40%，矽酸三鈣(C₃ S) 的含量為11%~14%，鋁酸三鈣(C₃ A) 的含量為26%~27%。
4. 如請求項1所述之機能性水泥之製造方法，其中該水泥改質劑之以氣透儀法測定的細度(比表面積)為500 m² /kg 以上。
5. 一種機能性水泥材料之製造方法，其係包括以特定摻混比例將如請求項1至3中任一項所述之水泥改質劑與卜特蘭水泥加以均勻混合而得到機能性水泥；其中 該水泥改質劑與該卜特蘭水泥的摻混比例為在1：10~10：1之範圍； 該卜特蘭水泥中之爐石、飛灰及石灰的總含量為低於5%； 該水泥改質劑中之氧化鈣含量為55%~57%，三氧化二鋁含量為10.7%~11.1%，二氧化矽含量為16%~18%，氧化鎂含量為8%~9%；鹼度為3.2~3.4； 該水泥改質劑的矽酸二鈣(C₂ S)的含量為30%~40%，矽酸三鈣(C₃ S) 的含量為11%~14%，鋁酸三鈣(C₃ A) 的含量為26%~27%；以及 該機能性水泥之活性係數在第28天係高於75%。
6. 如請求項5所述之機能性水泥之製造方法，其中該水泥改質劑與該卜特蘭水泥的摻混比例為在1：10~10：1之範圍。
7. 如請求項5所述之機能性水泥之製造方法，其中該水泥改質劑之以氣透儀法測定的細度(比表面積)為500 m² /kg 以上。
8. 一種機能性水泥材料，其係利用如請求項5至7中任一項之製造方法而得到者，或者以特定摻混比例將如請求項1至3中任一項所述之水泥改質劑與卜特蘭水泥予以摻混而到者；其中 該水泥改質劑之以氣透儀法測定的細度(比表面積)為在500 m² /kg 以上； 該水泥改質劑中之矽酸二鈣(C₂ S)的含量為30%~40%，矽酸三鈣(C₃ S) 的含量為11%~15%，鋁酸三鈣(C₃ A) 的含量為22%~27%；以及 該水泥改質劑的鹼度為在1.5~3.5之範圍；該鹼度(Alk)係指在水泥改質劑中之氧化鈣含量(CaO%)相對於二氧化矽含量(SiO₂ %)與五氧化二磷含量(P₂ O₅ %)總和的比值： Alk = (CaO%) / ［(SiO₂ %) + (P₂ O₅ %)］。
9. 如請求項8所述之機能性水泥材料，其中該水泥改質劑中之氧化鈣含量為55%~57%，三氧化二鋁含量為10.5%~11.5%，二氧化矽含量為16%~18%，氧化鎂含量為8%~9%。
10. 如請求項8所述之機能性水泥材料，其中該水泥改質劑之以氣透儀法測定的細度(比表面積)為500m² /kg 以上。

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