TW202323217A - 混凝土組合物及其混凝土塊材 - Google Patents
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Abstract
一種混凝土組合物，係由鹼激發劑以及反應材料所組成，其中鹼激發劑是選自於由氧化鈣、還原碴、玻璃粉、轉爐石所組成的一個族群，其中反應材料是選自於由高爐石、飛灰、或鋁渣所組成的一個族群。
Description
本揭露書是有關於一種水泥 (cement)，特別關於一種凝土組合物及其混凝土塊材。
混凝土(concrete)是各種建築工程，例如公共基礎建設、建築物...家居維護等，都會使用到的材料。混凝土之主要組成材料為水泥與水。傳統混凝土的碳排放為300kg CO
2e/m
3，其中90%的碳排放是來自傳統波特蘭水泥(OPC, Ordinary Portland Cement)。而水泥的碳排放又有接近86%是來自於化石燃料與旋窯煅燒。據統計，水泥生產佔全球二氧化碳排放量的7%，面對日益嚴格的排放標準和減碳壓力，開發低碳水泥技術顯然是解決混凝土高碳排放的最佳解決方案。
目前業界已提出採用不經水泥煅燒製程之鹼激發材料與無機地質聚合物(Geopolymer)，於強鹼環境下激發矽酸鋁材料(例如：偏高嶺土)聚合形成水泥固化體的技術，可大幅降低混凝土的碳排放。然而，傳統鹼激發與無機聚合技術需要額外添加價格較高的鹼激發材料(Alkaliactivated Material, AAM) (例如，氫氧化鈉)，會墊高混凝土的製造成本。
因此，有需要提供一種先進的混凝土組合物及混凝土塊材，來解決習知技術所面臨的問題。
本揭露的一實施例係提供一種混凝土組合物，係由鹼激發劑以及反應材料所組成，其中鹼激發劑是選自於由氧化鈣(CaO)、還原碴(reducing slag)、玻璃粉、轉爐石(slag)以及上述任意組合所組成的一個族群，其中反應材料是選自於由高爐石(basic-oxygen-furnace (BOF) slag)、飛灰(fly ash)、鋁渣(aluminum dross)以及上述任意組合所組成的一個族群。
本揭露的另一實施例係提供一種混凝土塊材，係前述混凝土組合物的固化物，其中混凝土塊材之X光繞射2θ=21.0°至21.8°、29.1°至30.1°、32.2°至33.5°和36.9°至37.0°。
本揭露的又一實施例係提供一種混凝土組合物，係使用含鈣、矽和鋁的工業製程循環材料為基底材料，且可通過混拌，在不添加氫氧化鈉的條件下形成。其中，含鈣、矽和鋁的工業製程循環材料係選自於由高爐石、飛灰、還原碴、轉爐石、鋁渣及上述任意組合所組成的一族群。由混凝土組合物所形成之混凝土塊材，其X光繞射圖譜在21.0°至21.8°、29.1°至30.1°、32.2°至33.5°和36.9°至37.0°的複數個散射角2θ範圍中，分別具有一個特性尖峰。
由於，本揭露的實施例所述的混凝土組合物所採用的工業製程循環材料不需要使用化石燃料與旋窯煅燒，不僅可以簡化製成步驟降低製程成本，且可大幅降低製程中的碳排放。另外，由於工業製程循環材料中所含的鹼性副產物，可以用來作為無機聚合作用所需的鹼激發劑，取代習知技術所額外添加的鹼性原料(例如，氫氧化鈉)，可以進一步降低原料成本及環境污染的問題。
本揭露是提供一種混凝土組合物及其混凝土塊材，可達到降低混凝土的碳排放及其製造成本。為了對本揭露之上述實施例及其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉複數個較佳實施例，並配合所附圖式作詳細說明。
但必須注意的是，這些特定的實施案例與方法，並非用以限定本發明。本發明仍可採用其他特徵、元件、方法及參數來加以實施。較佳實施例的提出，僅係用以例示本發明的技術特徵，並非用以限定本發明的申請專利範圍。該技術領域中具有通常知識者，將可根據以下說明書的描述，在不脫離本發明的精神範圍內，作均等的修飾與變化。在不同實施例與圖式之中，相同的元件，將以相同的元件符號加以表示。
本揭露所述的混凝土組合物是使用一種含鈣、矽和鋁的工業製程循環材料(例如，冶煉副產物)為基底材料，且不添加氫氧化鈉，依比例配置，並通過混拌而形成。其中，含鈣、矽和鋁的工業製程循環材料，可以包括各種鍛造製程、冶煉製程、燃燒製程或其他合適的熱製程中所產生的副產物或其他可循環利用之材料。
在本揭露的一些實施例中，含鈣、矽和鋁的工業製程循環材料，實質上係由高(鋼碴)爐石、飛灰、還原碴、轉爐石、鋁渣所組成。就其功能性而言，構成混凝土組合物之含鈣、矽和鋁的工業製程循環材料，大致上可以區分為反應材料和鹼激發劑。例如，在本揭露的一實施例中，構成混凝土組合物的反應材料是選自於由高爐石、飛灰、鋁渣以及上述任意組合所組成的一個族群。構成混凝土組合物的鹼激發劑是選自於由氧化鈣、還原碴、玻璃粉、轉爐石以及上述任意組合所組成的一個族群。在本揭露的一實施例中，混凝土組合物中，高爐石和還原碴二者的重量比實質上介於4/6至6/4 之間。在本揭露的另一實施例中，混凝土組合物中，飛灰和高爐石二者的重量比實質上介於5/5至0/100之間。
構成混凝土組合物之含鈣、矽和鋁的工業製程循環材料主要的材質，來自飛灰與高爐石等，前者主要成分為SiO
2與Al
2O
3，後者為SiO
2與CaO。飛灰與高爐石水化後會進行卜作嵐反應(pozzolanic reaction)，生成鋁酸鈣、矽酸鈣或矽鋁酸鈣等具有黏結性的膠結材料，上述反應需在鹼性條件下進行，因此飛灰/高爐石重量比介於5/5至0/100之間，維持漿料pH＞7，以利卜作嵐反應進行。
然而值得注意的是，本揭露的實施例所述含鈣、矽和鋁的工業製程循環材料的組成物並不以此為限。在本揭露的另一些實施例中，含鈣、矽和鋁的工業製程循環材料，還可以包括燃煤底灰、廢觸媒、廢耐火材、廢玻璃、廢建材、廢石膏、污泥等。
將上述混凝土組合物加水，通過無機聚合技術，以鹼激發劑激發矽酸鋁材料進行固化形成一種混凝土塊材。在本揭露的一些實施例中，混凝土塊材具有實質介於0.71至1.50之間的鈣/矽(Ca/Si)莫耳比。在本揭露的另一些實施例中，混凝土塊材具有實質介於0.1至0.5之間的鋁/矽(Al/Si)莫耳比。在本揭露的又一些實施例中，混凝土塊材具有實質介於1.0至10.0之間的二氧化矽/氧化鈉(SiO
2/Na
2O)莫耳比。
另外在本揭露的又一些實施例中，混凝土組合物中的玻璃粉佔混凝土組合物的重量百分比(wt%)實質介於20至40之間(以該混凝土組合物的重量為基準)，可以用來形成固化混凝土塊材所需的鹼激發劑。在另一實施例中，當構成混凝土組合物的基底材料SiO
2含量成分介於45-95%，也能用來做鹼激發劑的來源。在本實施例中，在形成混凝土塊材後，混凝土塊材中的氧化鈉(Na
2O)重量百分比含量 (%)實質介於0.1至1.0之間。與習知低碳水泥(需額外添加氫氧化鈉)所形成的混凝土塊材中的氧化鈉含量 (4-15(%))相比，本揭露所提供的混凝土塊材，具有較低的氧化鈉含量，可大幅降低混凝土碳排(氫氧化鈉碳排1.1噸 CO
2/噸)；此外，習知的低碳混凝土試體中，過量的氫氧化鈉析出與空氣中的二氧化碳反應，造成試體表面(混凝土塊材)與內部孔矽生成碳酸鈉白色顆粒，造成結構體缺陷，會導致強度下降。
由於製作混凝土組合物的基底材料並未添加氫氧化鈉，形成混凝土塊材的無機聚合技術所需要的鹼激發劑，並非來自額外添加的氫氧化納，而是(但不限定為)來自於構成基底材料之工業製程循環材料。換言之，構成基底材料之工業製程循環材料可以兼具提供反應材料和提供鹼激發劑的雙重功能。
例如，在本揭露的一些實施例中，構成混凝土組合物的工業製程循環材料中具有鹼土族金屬氧化物(例如，氧化鈣)，可與水反應生成氫氧化鈣(Ca(OH)
2)，可以提供羥基(OH
-)做為無機聚合技術所需要的鹼激發材料。
反應式例示如下:
CaO + H
2O → Ca(OH)
2Ca(OH)
2→ Ca
2++2OH
-
在本揭露的另一些實施例中，工業製程循環材料中具有鹼金族金屬氧化物(例如，氧化鈉)與水反應也可提供羥基，作為無機聚合技術所需要的鹼激發劑。另外，無熟料水泥中所添加的玻璃粉亦可作為無機聚合技術所需要的鹼激發劑。
由鹼激發劑所提供的羥基，可以弱化工業製程循環材料中鋁矽酸鹽的鋁矽酸鍵結(Al-O-Si)，形成帶負電之凝膠系統，後續以鈣離子(Ca
2+)進行凝膠系統電荷穩定，形成主要產物包括鋁酸鈣(Calcium aluminate，CA)、矽酸鈣(Calcium silicate，CS)和鋁矽酸鈣(calcium aluminosilicate，CAS) 的混凝土塊材。其成分趨近以傳統水泥所形成的混凝土。主要反應式概述如下:
在本揭露的一些實施例中，由前述實施例之混凝土組合物所形成的混凝土塊材，主要組成包括矽酸鈣、鋁酸鈣與矽鋁酸鈣。若採用掃描電子顯微鏡對混凝土組合物所形成的混凝土塊材進行結構分析，可以發現 混凝土塊材100具有一個針狀交結結構。
例如請參照第1圖，第1圖係根據本揭露的一實施例，以掃描電子顯微鏡對無熟料水泥所形成的混凝土塊材100進行掃描分析後所獲得的電子顯微影像。其中，混凝土塊材100包含多個針狀結晶101所構成的網狀結構。通過抗壓強度測試，混凝土塊材100具有實質介於90公斤重/平方公分 (kg
f/cm
2)至110公斤重/平方公分的抗壓強度。
表一特別舉出複數個具體實施例和比較例說明如下:
表一
| 比較例一 | 比較例二 | 比較例三 | 實施例一 | 實施例二 | 實施例三 | ||
| 工業製程循環材料 | 高爐石/飛灰=7/3 | 高爐石/飛灰=7/3 | 高爐石/還原碴=11/10 | 高爐石/飛灰=5/5 高爐石/還原碴=4/6 | 高爐石/飛灰=7/3 高爐石/還原碴=4/6 | 高爐石/飛灰=10/0，高爐石/還原碴=4/6 | |
| 鹼激發劑配方 | Na 2O=18.4 wt.% 玻璃粉=33 wt.% | Na 2O=6.4 wt.%, CaO=26.8 wt.% 玻璃粉=27% | Na 2O=4.8 wt.%, CaO=19 wt.% 玻璃粉=0 | 玻璃粉=33 wt.% | 玻璃粉=28.5 wt.% | 玻璃粉=28.6 wt.% | |
| 密度 (g/cm 3) | 1.65 | 1.72 | 1.66 | 1.81 | 1.85 | 1.83 | |
| 成分(wt.%) | Fe 2O 3 | 2.3 | 2.1 | 0.5 | 4.9 | 2.0 | 0.5 |
| Al 2O 3 | 14.0 | 13.0 | 8.9 | 19.6 | 12.1 | 8.5 | |
| SiO 2 | 36.0 | 33.4 | 16.7 | 41.2 | 33.0 | 29.0 | |
| K 2O | 1.3 | 1.2 | 0 | 2.2 | 1.3 | 0.9 | |
| Na 2O | 19.9 | 4.2 | 3.5 | 1.0 | 0.6 | 0.3 | |
| CaO | 22.5 | 42.4 | 63.8 | 26.8 | 45.1 | 45.2 | |
| MgO | 3.9 | 3.6 | 6.55 | 4.2 | 6.9 | 6.4 | |
| 莫耳比 | Ca/Si | 0.67 | 1.36 | 4.10 | 0.71 | 1.50 | 1.67 |
如表一所示，實施例一是採用高爐石和飛灰的重量比實質為5/5，高爐石/還原碴的重量比實質為4/6的工業製程循環材料作為混凝土組合物的基底材料。實施例二的是採用高爐石和飛灰的重量比實質為7/3，高爐石/還原碴的重量比實質為4/6的工業製程循環材料作為混凝土組合物的基底材料。實施例三的是採用高爐石和飛灰的重量比實質為10/0，高爐石/還原碴的重量比實質為4/6的工業製程循環材料作為混凝土組合物的基底材料。其中，實施例一、實施二和實施例三皆以玻璃粉作為鹼激發劑，來形成混凝土塊材。實施例一的混凝土組合物中，玻璃粉的含量實質為重量百分比(wt.%) 33；實施例二的無熟料水泥中，玻璃粉的含量實質為重量百分比28.5；實施例三的無熟料水泥中，玻璃粉的含量實質為重量百分比28.6。
比較例一和比較例二是採用高爐石和飛灰的重量比實質為7/3的工業製程循環材料作為基底材料，並以氧化鈉、氧化鈣和玻璃粉為鹼激發劑。比較例三則是採用高爐石和還原碴的重量比實質為11/10的工業製程循環材料作為基底材料，並以氧化鈉和氧化鈣為鹼激發劑。
後續，分別將實施例一和實施例二的無熟料水泥以及比較例一、比較例二和比較例三的反應材料與鹼激發劑混合、攪拌，灌模後，經過一天硬化脫模形成5公分立方的混凝土塊材試驗樣本。分別養護7天和 28天之後，對混凝土塊材試驗樣本進行抗壓強度測試和X光繞射分析。
混凝土塊材試驗樣本抗壓強度測試的結果詳述如表二:
表二
| No. | 反應材料 | 反應材料/鹼激發劑 | 鹼激發劑配方, w% | 抗壓強度, kg f/cm 2 | |||||
| 高爐石 | 飛灰 | 還原碴 | NaOH | CaO | 玻璃粉 | 7天 | 28天 | ||
| 比較例 | 一 | 高爐石/飛灰=7/3 | 18.4 | 0 | 33.0 | 157.0 | 185.0 | ||
| 二 | 高爐石/飛灰=7/3 | 6.4 | 26.8 | 27.0 | 114.1 | 155.3 | |||
| 三 | 高爐石/還原碴=11/10 | 4.8 | 19.0 | 0 | 109.8 | 169.3 | |||
| 實施例 | 一 | 高爐石/飛灰=5/5，高爐石/還原碴=4/6 | 0 | 0 | 33.0 | 106.1 | 130.0 | ||
| 二 | 高爐石/飛灰=7/3，高爐石/還原碴=4/6 | 0 | 0 | 25.4 | 93.1 | 122.2 | |||
| 三 | 高爐石/飛灰=10/0，高爐石/還原碴=4/6 | 0 | 0 | 28.6 | 88.1 | 129.0 | |||
根據表二可知:由實施例一、實施例二和實施例三的混凝土組合物所形成的混凝土塊材，在養護7天分別具有實質為106.1公斤重/平方公分、93.1公斤重/平方公分和88.1公斤重/平方公分的抗壓強度。其與比較例一、比較例二和比較例三的反應材料所形成的混凝土塊材的抗壓強度差別不大，也與傳統水泥(例如，布蘭特水泥)所形成的(無砂石)混凝土相差無幾。值得注意的是，具有氧化鈣的反應材料也能用來作為鹼激發劑的成分或材料來源。由此可知，由本揭露的實施例所提供的混凝土組合物，在不添加氫氧化鈉的條件下，其所形成的混凝土塊材，與傳統水泥所形成的混凝土塊材相比，不僅強度不會太差，還具有兼顧環境保護好處。
請參照第2A圖和第2B圖，第2A圖係採用 X光繞射儀 (X-ray Diffraction，XRD)，分別對高爐石、飛灰、還原碴和玻璃粉進行X光繞射分析所獲得的X光繞射圖譜。第2B圖係採用 X光繞射儀對實施例一、比較例一和比較例二所形成的混凝土塊材進行X光繞射分析所獲得的X光繞射圖譜205、206和207。
其中，還原碴的X光繞射圖譜201在散射角2θ等於15.8
o、17.4
o和32.2
o以及介於29.3
o至30.0
o之間的範圍中分別具有一個特性尖峰(Peak)。玻璃粉的X光繞射圖譜202並無顯著的特性尖峰。飛灰的X光繞射圖譜203在散射角2θ等於26.8
o具有一個特性尖峰。高爐石的X光繞射圖譜204在散射角2θ等於29.8
o以及介於29.3
o至31.3
o之間的範圍中分別具有一個特性尖峰。
實施例一中未添加氫氧化鈉的混凝土組合物所形成的混凝土塊材，在散射角2θ實質上介於21.0°至21.8°之間、介於29.1°至30.1°之間、介於32.2°至33.5°之間和介於36.9°至37.0°之間的複數個散射角2θ範圍中，分別具有一個特性尖峰(參見實施例一X光繞射圖譜205)，明顯可以和添加氫氧化鈉的比較例一和比較例二之X光繞射圖譜206和207有所區隔。
根據上述實施例，本揭露是在提供一種無混凝土組合物，其係採用工業界製程中所產生的循環材料(以下簡稱工業製程循環材料)(例如，包括高爐石、飛灰、還原碴、轉爐石、鋁渣或上述之任意組合)為基底材料，通過乾式混拌所製作而成。其中，混凝土組合物加水後通過無機聚合作用，激發循環材料中的矽酸鋁材料所形成的混凝土塊材，具有特定的膠聯結構(例如針狀交結結構)，使其X光繞射圖譜在特定的多個散射角2θ範圍中，例如21.0°至21.8°、29.1°至30.1°、32.2°至33.5°和36.9°至37.0°，分別具有一個特性尖峰。
由於，混凝土組合物不需要使用化石燃料與旋窯煅燒，不僅可以簡化製成步驟降低製程成本，且可大幅降低製程中的碳排放。另外，由於工業製程循環材料中所含的鹼性副產物，可以用來作為無機聚合作用所需的鹼激發劑，取代習知技術所額外添加的鹼性原料(例如，氫氧化鈉)，可以進一步降低原料成本。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何該技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100:混凝土塊材
101:針狀結晶
201:還原碴的X光繞射圖譜
203:飛灰的X光繞射圖譜
204:高爐石的X光繞射圖譜
205:實施例一的X光繞射圖譜
206:比較例一的X光繞射圖譜
207:比較例二的X光繞射圖譜
為了對本揭露之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：
第1圖係根據本揭露的一實施例，以掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)對混凝土塊材進行掃描分析後所獲得的電子顯微影像；
第2A圖係採用X光繞射儀 (X-ray Diffraction，XRD)，分別對高爐石、飛灰、還原碴和玻璃粉進行X光繞射分析所獲得的X光繞射圖譜；以及
第2B圖係採用X光繞射儀對實施例一、比較例一和比較例二所形成的混凝土塊材進行X光繞射分析所獲得的X光繞射圖譜。
無。
100:混凝土塊材
101:針狀結晶
Claims (11)
- 一種混凝土組合物，係由一鹼激發劑以及一反應材料所組成，其中該鹼激發劑擇自由氧化鈣(CaO)、還原碴(reducing slag)、玻璃粉、轉爐石(slag)以及上述任意組合所組成之一族群，其中該反應材料擇自由高爐石(basic-oxygen-furnace (BOF) slag)、飛灰(fly ash)、鋁渣(aluminum dross)以及上述任意組合所組成之一族群。
- 一種混凝土塊材，係請求項1所述混凝土組合物的一固化物，其中該混凝土塊材之X光繞射2θ=21.0°至21.8°、29.1°至30.1°、32.2°至33.5°和36.9°至37.0°。
- 如請求項2所述之混凝土塊材，其中該混凝土塊材具有介於0.71至1.50之間的一鈣/矽(Ca/Si)莫耳比。
- 如請求項1所述之混凝土塊材，其中該混凝土塊材具有一針狀交結結構。
- 如請求項1所述之混凝土塊材，其中該混凝土塊材係由矽酸鈣、鋁酸鈣與矽鋁酸鈣組成。
- 如請求項1所述之混凝土塊材，其中該混凝土塊材具有重量百分比(%)介於0.1至1.0的一氧化鈉(Na 2O)含量。
- 如請求項1所述之混凝土塊材，其中該飛灰和該高爐石二者重量比介於5/5至0/100之間。
- 如請求項1所述之混凝土塊材，其中該高爐石和該還原碴二者重量比介於4/6至6/4之間。
- 如請求項1所述之混凝土塊材，玻璃粉佔該混凝土塊材的重量百分比(wt%)介於20至40之間，以該混凝土塊材的重量為基準。
- 如請求項1所述之混凝土塊材，其中該混凝土塊材的抗壓強度介於90公斤重/平方公分 (kg f/cm 2)至110公斤重/平方公分。
- 一種混凝土組合物，係使用一含鈣、矽和鋁的工業製程循環材料為一基底材料，且可通過混拌，不添加氫氧化鈉而形成；其中該含鈣、矽和鋁的工業製程循環材料係選自於由一高爐石、一飛灰、一還原碴、一轉爐石、一鋁渣及上述任意組合所組成的一族群，該混凝土組合物所形成的一混凝土塊材，其一X光繞射圖譜在21.0°至21.8°、29.1°至30.1°、32.2°至33.5°和36.9°至37.0°的複數個散射角2θ範圍中，分別具有一特性尖峰(Peak)。
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