TWI268913B - Expansion agent composition based on waste material capable of dissociating out aluminum ions and applicable on cement or concrete and method for producing the same - Google Patents

Description

1268913 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種製程方法，特別是指一種製程 中可降低熱能耗費’進而節省費用成本之以可以解離出 紹離子的廢棄物為基礎且使用於水泥或混凝土之膨脹劑 組成物及其製造方法。 【先前技術】 為改善混凝土性能，於硬化初期獲得一定程度的膨 脹為一種重要手段，為此，世界各國競相發展各種類型 膨脹水泥和膨脹劑以供使用，而該膨脹劑即是用以加入 此凝土中產生膨脹，以補償混凝土本身之收縮，進而減 少收縮裂痕之生成。 1965年，日本發明膨脹劑以前，美、英兩國均借助〜 約蓉石在泥石中形成的過程產生的膨脹，進一步研製生一 產硫铭酸鈣型（Calcium Sulfoaluminate，CSA)和石灰型膨 脹劑’成為世界上最早的膨脹劑使用國，另一種是熟料 和部份石膏分別煅燒後在粉磨時按比例混合。 發展至今，目前已知之水泥或混凝土所添加之膨脹 劑有多種類型，如氧化鈣（CaO)類型、氧化鎂（MgO)類 型、C4A35 (4〇心.3^2〇3.5〇3)、高鋁水泥類型等；依其反應有 三種類型：氧化鈣（CaO)水化為Ca(OH)2，氧化鎂（MgO)、 水化為Mg (〇H)2，以及成水化硫鋁酸鈣（即鈣礬石）。由， 於氧化鈣（CaO)、氧化鎂（MgO)本身及膨脹過程化學反應 過程的不穩定性，目前已經很少應用氧化鈣（CaO)、氧化 1268913 鎂(Mg〇)做膨脹劑中的主要成份，一致認為水化硫銘酸 物鈣礬石）已經是目前和將來主要能利用的膨脹源。 因此’在不降低原材料的質量要求，以及大幅降低 成本為出發點，乃有業者研發出膨脹劑新的製程，亦即 將石膏料的煅燒與混配分成兩道工序完成，首先利用石 灰石、石膏和鋁礦石分碎均化，並在迴轉窯内以12〇〇至 1/00°C高溫煅燒製備硫酸鈣熟料，最後再將該熟料與石 膏混配粉磨加入適量石灰石生成CSA型膨脹劑。 惟，前述膨脹劑製作之製程方法雖可製作出膨服劑( 以供使用’然因混拌的成份均屬固相，故欲將該三種固 相成份予以合成，必須借助12〇(rc以上的高溫於迴轉窯 内進行焕燒，方才合成，故製程中的高耗能已造成製程 成本的增加。 【發明内容】 因此，本發明之目#，是在提供—種以可以解離出 鋁離子的廢棄物為基礎且使用於水泥或混凝土之膨脹劑 組成物及其製造方法，呈右制敍Φ古4

衣 ，、有衣転中有欵降低熱能耗費，I 進而節省費用成本花費等功效。 於是，本發明依序包含有混拌步％、反應步驟及锻 燒步驟·，其中，混拌步驟中先行備置有可解離出紹離子 之廢棄物，以及可溶性之氧化鈣與可溶性之硫酸鹽等化 合物，將前述三項要件於常溫下予以呈一定比例混合， 而後反應步驟中，再將前述混合之化合物另行加水，且 以該水為介質’藉以反應合成辦戴石，最後煅燒步驟中 1268913 利用6 0 C以上至9 Ο 0 °C以下溫度針對前述飼礬石加以锻 燒，藉以改變該鈣礬石形成非晶質相或其它晶相之相 變’適於添加於水泥或混凝土中充作膨脹劑使用，另製 耘中除原料來源從廢棄物中資源回收，除有效降低原料 成本外，且毋須高溫之製程，更可減少成本的耗費。 【實施方式】 ' 本發明之前述以及其他技術内容、特點與功效，在 以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中生 楚的明白。 ' > 參閱圖 拌步驟1、 驟5等。 1所示，本發明一較佳實施例依序包含有 反應步驟2、除氣步驟3、洪乾步驟及锻燒 混 步 (1)混拌步驟1 :先杆锯要士 π w 无仃備置有可解離出鋁離子 以及可溶性之4w 3 一可溶性之硫酸鹽等化合物，苴 那生石夜、熟石灰等，本實 係以生石灰為之 2·可溶性之硫酸鹽， 膏、硫酸納等，本·：水石貧、半水石膏、無水 3.可解離出鋁離子之 …化石β為之。 含有氮化鋁、氡氧’即如鋁渣，或廢棄物 然該廢棄物可金屬，粉等均可為之， 此次則以廢棄物中的：：種之化合物，而本實施 離出Al“+，即所钟、呂，一為對象，該鋁渣可加以, 叫的可溶性1呂，以下僅以可溶/ 1268913 鋁簡稱，進一步分析本次取樣之該鋁渣結構相的比 例分析可得：

Al2〇3 ......................50%

MgAl204.....................20% 氮化 I呂（A1N)........... 鋁（A1)......-...................5% 其它雜質....................10%等

當然，前述鋁渣的取得，隨著取樣鋁渣組成成份、 比例等不同，而有所差異，而前述僅為本實施例刺 得樣本之一，當然前述樣本除鋁渣 物或其它工業副產品中取得；再者，因本 取之鋁，查中含有氮化鋁(A1N)與鋁(ai)，故對於後續 製程中將會產生氨氣⑽3)與氣氣(H2)，若該銘渣樣 本中僅有Α1(ΟΗ3)，則亦可合 σ成但不會產生氣體， 特此陳明。 就以鋁渣使用α⑷為例

、J田該銘渣樣本即可解離 之可溶性铭的重量為：

AlN = 〇.15a(g) ，A 因此， Μ a⑷ AIN之簟耳齡=〇·15& γ + χ 、 —ίΓ (内έ Α1之莫耳數 Α1之莫耳數=〇·〇5巧 41 、 27 故總可溶性鋁之莫耳數 + = 〇.〇0551α 鑒於反應合成之鈣礬石化學式： 1268913 (CaO)3 · (AI2O3) · (CaS〇4)3 · 32H2〇(s) 故其中之CaO、A1203、CaS04之莫耳數比：

CaO ： Al2〇3 : CaS04 = 3 ： 1 ： 3 亦可換算為 Ca2+ : Al3+ : S042- = 3 : 2 : 3 由前鈣礬石化學式與莫耳數比分析中可知，每2 莫耳鋁離子需要至少3莫耳CaO及至少3莫耳CaS0< 始能被完全反應，若將2莫耳鋁離子換算成Al2〇: 即為1莫耳；是以，以下利用Al2〇3為計算基礎所 得，該總可溶性鋁之莫耳數為0.00551 α，因而換 算成αι2ο3為莫耳，而各別需要： CaO ^ 3x(^^)莫耳 3x( 0·00广)莫耳 故前述： (1) 生石灰（CaO):至少3x( 0:0早七)莫耳 (2) 石膏（CaS04):至少3x(^^)莫耳 (3) 鋁渣：可得（α(Χ^51α)莫耳的可溶性|呂 是以，進一步將前述三項以固相存在之化合物，於 常溫下予以均勻混合，且該混合物之重量比為： 生石灰（CaO):鋁渣：石膏（CaS04) / 0 0.00551α 0 ρ (3χ-X 1 3 6 2 (3 X 0·00-5·化 X 5 6 ) ： a ： 2 0.4629 ： 1 ： 1.1241 (2)反應步驟2 :係將前述均勻混合之化合物另行添加 1268913 水，且以該水為介質，藉以反應合成鈣礬石，且此反 應式可以如下兩反應式表示： 2A/⑺ +3Ca(0丑）⑽ +3Cfl^(^32/f20(/) — (Ca ⑺ 3.(A/203KCaS04)e ········.(1) 2AlNiS)^Ca{0H)1{S)^CaS0,{s)+32H20{l) ^{Ca0)3iAl203)iCaS0A)^ t ·····.(2) 再者’鑒於該取得鋁渣樣本中含有氮化鋁（A1N)與鋁 (A1)’故反應步驟2反應過程中會產生氨氣與氫氣等多 餘氣體與多餘的游離水。 (3)除氟步驟3:鑒於前述反應步驟2反應過程過中會產 生如氨氣與氫氣等多餘氣體，一般而言，該產生之多儀· 餘氣體會隨著攪拌、擾動等動作而逸散至大氣中，故 並不影響日後製成之膨脹劑品質，遍查目前相關法 規’僅有國内工業安全法規中指出作業環境之氨氣濃 度濃度必須小於50PPM以下限制而已，當然，本實 施例中為更加符合工業安全法規規定，故可依多餘氣 體產生與否，另再進行除氣步骤3，以將多餘氣體去 除’提高膨脹劑品質及增進作業環境之安全性。 (4)供乾步驟4 ··藉以將反應步驟2中所產生多餘之游離赠 水去除，使易於後續處理。 (5)锻燒步驟5係針對前述鈣礬石予以煅燒，且該煅燒溫 度範圍介於60°C以上至900°C以下，藉以改變該甸蓉 石形成非晶質相（amorphous)或其它主要鋁酸甸及硫 症呂酸舞等晶相之相變，以形成具潛在膨脹性特性，適 於添加於水泥或混凝土中充作膨脹劑使用。 茶閱圖1與圖2，若該取樣之其它廢棄物未有氣 1268913 體產生，且認為不需經過乾 私知步骤4處理，即可於反 應步骤2後，直接進行烺烤 J扠乂步驟5處理即可，不過， 因本次取樣之銘渣中含有_鍊 有亂體產生，所以本實施例中 該锻燒步驟5係針對除氣步驟 孔卞驟3、烘乾步驟4後所得 之鈣礬石予以緞燒，而當兮钿播 叩田这舞戴石由低溫往高溫進行 燒時’經由測試發現，者兮 兄 田該鈣礬石於300〇c以下的 锻燒溫度锻燒時’其辑蓉石所形成之晶相為脫結晶水 而形成非晶相狀態（amGrphc)us)，若锻燒溫度再持續加 溫達60(TC時，可清楚看出鈣礬石已分解為c^+d + d|j| (其中C表CflO、A表az2o3、5表s〇3)，而當锻燒溫度 達到900 °C時，則鈣礬石已分解形成+ Γ (其中C表Α表ΑΖΑ、〒表岣），亦即具有鋁酸 鈣及硫鋁酸鈣等晶相之相變，故隨著煅燒溫度的變 化，可改變該鈣礬石形成非晶質相（am〇rph〇us)或其它_ 主要鋁酸鈣及硫鋁酸鈣等晶相之相變。 苓閱圖3 ’今再輔以ASTM C806測試方法測試該 特定化合物以特定比例’以及製程步驟所得之膨脹齊 的膨脹功能’亦即利用膨脹劑的添加，且以20%為膨 脹率測試基礎，於煅燒溫度範圍由常溫加熱至9〇(rc 發現，其膨脹效果由膨脹率數據比較可得，分別為緞 燒溫度於300°C、120°C、60(TC，最後為90CTC時， 除表示燃燒溫度並非愈南則可得愈好之膨服效果· 外，另由圖中可證，該锻燒溫度範圍介於6 0 °C以上至 900°C以下所得之膨脹劑組成物，均適於添加於水泥 10 1268913 或混凝土中充作膨脹劑 已。 使用’僅效果優劣之差異而 歸納上述，本發明利用可 t ϊ 出在呂離子之查ifn \ 可溶性之氧化與及可溶性之 料之廢棄物、 炎G A八所 |等予以混合’並以水 為反應；丨貝，再適時輔以除 _ ^ ^ ^ Η ^ 虱V驟、烘乾步驟及煅燒步 驟’而成為具潛在膨脹性之艇 从、态田、夭t ^ ’蓉石，以作為膨脹劑使用， 故適用添加於水泥或混凝土 _ ^ ^ , 肀使用，鑒於製程中原料來 源伙廢棄物中資源回收，可右 .、 有效降低原料成本外，並且 處理過程之溫度範圍毋需習 ^ 白知所述咼達12〇〇t：以上，卽 此具有降低過多熱能浪費， ，丨、 買 進而即省費用成本的耗費， 確實能達到本發明之目的。 惟以上所述者，僅為★欢nn > 士 馮本發明之較佳實施例而已，當 不能以此限定本發明實施之鉻 ，丄々 a冗 < 乾圍，即大凡依本發明申請 專利範圍及發明說明書内衮所你少薛抑^ & a 奋所作之間早的等效變化與修 飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡單說明】 圖1是本發明之一較佳實施例的製程方法流程圖； 圖2是該貫施例之測試圖表，說明該溫度與膨脹 率比例關係；及 圖3是該實施例之測試圖表，說明該膨脹性。 【圖式之主要元件代表符號簡單說明】 1 混拌步驟 2 反應步驟 3 除氣步驟 11 1268913 4 烘乾步驟 5 煅燒步驟

12 f fit

Claims (1)

1. 126891 拾 種以可以解離出銘離子的廢棄物為基礎且使用於水 泥或此凝土之膨脹劑組成物，其係備置有廢棄物，以及 可命性之氧化鈣與可溶性之硫酸鹽等化合物，其中，該 廢棄物中具有可解離出鋁離子之化合物，將前述三項要 件於《酿下予以均勻混合，且該混合比例為若該廢棄物 中可解離出的鋁離子以2莫耳計，則至少需3莫耳之可 /奋丨生的氧化舞（Ca〇)與至少3莫耳的可溶性之硫酸鹽 (CaS〇4) ’即可得一膨脹劑組成物。 2·種以可以解離出鋁離子的廢棄物為基礎且使用於水 /尼或此凝土之膨脹劑製造方法，該製程方法依序包括： 此掉步驟·備置有可解離出鋁離子之廢棄物，以及可溶 性之氧化鈣與可溶性之硫酸鹽等化合物，將 前述三項要件於常溫下予以混合； 反應步驟：將前述所有化合物共同混拌均勻後，予以加

   水，且以該水為介質，藉以反應合成鈣礬 石；及 锻燒步驟：針對前述鈣礬石予以煅燒，且該煅燒溫度範 圍介於60°C以上至900°C以下，藉以改變該 鈣礬石形成之相變，而形成膨脹劑，以運用 於水泥或混凝土中使用。 3 ·根據申請專利範園第2項之以可以解離出鋁離子的廢棄 物為基礎且使用於水泥或混凝土之膨脹劑製造方法，該 反應步驟與煅燒步驟間，更進一步包括有一除氣步驟， 令ft今 13 1268913 藉以將反應步驟產生過程產生之 4.根據中請專利範圍第3項之以可離，予以去除。 物為基礎且使用於水泥或混凝土之雇離出銘離子的廢棄 除氣步驟與煅燒步驟間，更進一步~ 製造方法，該 葬以將及廡牛括有一煤乾步驟’ 糟以將反應步驟中產生之多餘游離 5 ·根據申请專利範圍第2 # t 示 物為基礎且使用4Γ: 離出紹離子的廢棄 使用於水泥或混凝土之膨脹劑製 中，該廢棄物中含有氮化銘、氫氧化 屬奸。” 物…曰」 可以解離出1呂離子的廢棄 :為基礎且使用於水泥或混凝土之膨脹劑製造方法，其 中，該可溶性之氧化㉝可為生石灰、熟石灰。 7.根據中請專利範圍第2項之以可以解離出㈣子的廢棄 物為基礎且使用於水泥或混凝土之膨脹劑製造方法，其 中，可溶性之硫酸鹽可為二水石膏、半水石膏、無水石 膏及硫酸鈉。 … 8·根據申請專利範圍第2項之以可以解離出鋁離子的廢棄 物為基礎且使用於水泥或混凝土之膨脹劑製造方法，其丨 中’該锻燒步驟中鈣礬石形成之相變可為非晶質相。 9·根據申請專利範圍第2項之以可以解離出鋁離子的廢棄 物為基礎且使用於水泥或混凝土之膨脹劑製造方法，其 中’該锻燒步驟中鈣礬石形成之相變主要可為鋁酸舞及 硫銘酸_。 14