TWI477476B - 含水淤泥製造的建築材料 - Google Patents

Description

含水淤泥製造的建築材料

本發明係關於一種建築材料，特別關於一種含水淤泥製造的建築材料。

台灣地區因自然及人文導致水庫淤積快速，現階段水庫浚渫後之淤泥多以棄置處理，此法不但不符合經濟效益，且易造成二次污染，若能予以資源化利用，則能達到環境與經濟雙贏的效果。由於淤泥基於一定的化學組成分及物理性質，具有燒製建築材料的潛力，特別係輕質骨材，其具有質輕、強度及耐燃等優良性質，可替代傳統砂石，提供淤泥處理一項極佳的出路。

然而，已知製造建築材料的數種方法，均需要在處理前預先將原料烘乾及研磨破碎，過程相當繁雜，因而產生許多製程上的不便或延長製造工時。此外，由於水庫淤泥本身富含水分，若預先脫去水分方能製造建築材料，必然需要耗費大量的能源，進而造成生產成本的增加，也必然降低廠商參與或投資的意願。

因此，如何藉由提供一種建築材料，其可由水庫淤泥製造，且透過添加化學物質的方式，調整其組成比例，進而具有特殊的物化性質，因而在不需預先經過烘乾及研磨處理的情況下，亦可直接利用，以降低製造過程的能源消耗，進而同時達成廢棄物回收再利用及推廣綠色建築的目的，已成為一項重要的課題。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種建築材料，其可由水庫淤泥製造，且透過添加化學物質的方式，調整其組成比例，進而具有特殊的物化性質，因而在不需預先經過烘乾及研磨處理的情況下，亦可直接利用，以降低製造過程的能源消耗，進而同時達成廢棄物回收再利用及推廣綠色建築的目的。

為達上述目的，依據本發明之一種建築材料係由淤泥加入一添加劑並加工製造形成。此建築材料的成分至少包括一鹼金族元素氧化物以及一鹼土族元素氧化物，且鹼金族元素氧化物約佔不大於30%的建築材料總重量百分比的，鹼土族元素氧化物約佔不大於50%的建築材料總重量百分比。其中，鹼金族元素及鹼土族元素主要來自加入的添加劑。

在本發明之一實施例中，鹼金族元素為鋰(Li)、鈉(Na)或鉀(K)至少其中之一，而鹼土族元素為鎂(Mg)或鈣(Ca)至少其中之一。

在本發明之一實施例中，添加劑至少含有一鹼金族氫氧化物及/或一鹼土族氧化物，或至少含有一鹼金族氧化物及/或一鹼土族氫氧化物。鹼土族氧化物較佳為氧化鈣或氧化鎂，且鹼金族氧化物較佳為氧化鈉。其中，鹼金族氫氧化物的形式可以為溶液，且鹼土族氫氧化物的形式可以為粉末或溶液。

在本發明之一實施例中，溶液形式的鹼金族氫氧化物為氫氧化鈉溶液，且溶液形式的鹼土族氫氧化物溶液為氫氧化鈣溶液。

在本發明之一實施例中，建築材料更包括一矽元素氧化物及一鋁元素氧化物。其中，矽元素氧化物約佔建築材料總重量百分比的20至60%，且鋁元素氧化物約佔建築材料總重量百分比的5至25%。

在本發明之一實施例中，淤泥加工製造係包括去除淤泥部分水份、均勻混合淤泥與添加劑以及熱處理加入添加劑的淤泥之步驟。

在本發明之一實施例中，建築材料為輕質骨材、輕質磚及/或發泡板。

在本發明之一實施例中，淤泥為水庫淤泥。

承上所述，依據本發明之建築材料係為一種低吸水率的建築材料，且其可由高含水量的水庫淤泥在僅經過初步脫水，甚至不脫水，的情況下直接製造形成，主要係因為加入特定添加劑調整淤泥性質，增加鹼金族元素及鹼土族元素氧化物的組成比例，進而提高淤泥黏度而使其呈膠狀態樣，故在製程中不需要執行烘乾研磨等完全乾燥程序。與習知技術相較，本發明之建築材料在製造過程中，可免除烘乾研磨過程所耗費的巨大能源，以及曠日廢時的繁瑣程序，是為一種更符合經濟效益的建築材料。再者，由於本發明建築材料的鹼金族及鹼土族元素比例較高，使熱處理的溫度條件降低，可避免過高的設備門檻及能源支出，降低建築材料的單位成本，故實際應用時，能同時兼顧經濟發展及環境保護兩大課題，解決水庫淤泥長久以來的問題。

以下將參照相關圖式，說明依據本發明較佳實施例之一種以淤泥加入添加劑加工製造形成的建築材料，其中相同的元件將以相同的元件符號加以說明。

先說明的是，依據本發明之建築材料係為任何可以用於建構或組成人造建物或其部份的材料。舉例而言，在本發明較佳實施例中，建築材料係為輕質骨材、輕質磚或發泡板。至於，此處所稱之「輕質骨材」係指人造的礦物及岩石建築材料，密度在1.0至1.8 g/cm³ 之間，可用於製備混凝土建築、輕質結構混凝土、預鑄混凝土的主體材料。輕質骨材因為密度較傳統礫石骨材低，由其製備之混凝土具有質輕的特點，可大幅降低基礎結構設施的重量及震動慣性力。至於，輕質磚則可表現與輕質骨材相似的性質，惟其形狀上係呈磚塊或磚頭狀，以適用於特定的建築需求及設計。

可用於本發明之建築材料的淤泥原料係為任何高含水量的泥沙，其可以為任何水體下自然存在或沉積的土壤、泥土、泥沙、沙石、粉土、黏土或岩屑，且含水量不超過本身重量百分比150%者(依據粉體粒度計算)。又或者，淤泥為本身組成粉體之平均粒徑範圍為50um至0.5um者。舉例而言，本發明所稱之淤泥為下水道污泥、沼澤地或濕地的溼泥或河川、湖泊、海口的泥沙，本發明在此不限。然而，在本實施例中，淤泥較佳係為水庫淤泥。

由於依據本發明之建築材料係以淤泥為原料，藉由加入添加劑使其鹼金族元素及鹼土族元素比例發生變化而成為合適的建築材料。因此，以下將對本發明所使用的添加劑進一步說明。

本發明添加劑至少含有一鹼金族氫氧化物及/或一鹼土族氧化物，或至少含有一鹼金族氧化物及/或一鹼土族氫氧化物。換言之，本發明添加劑可適用的種類共計有六種，可依據欲製造的建築材料不同而選擇使用，其包括含有鹼金族氫氧化物、含有鹼土族氧化物、同時含有鹼金族氫氧化物及鹼土族氧化物、含有鹼金族氧化物、含有鹼土族氫氧化物、同時含有鹼金族氧化物及鹼土族氫氧化物。鹼土族氧化物較佳為氧化鈣或氧化鎂，且鹼金族氧化物較佳為氧化鈉。舉例而言，若欲製造輕質骨材，添加劑較佳是包含鹼土族氧化物及鹼金族氫氧化物，或僅包含鹼金族氫氧化物；製造輕質磚，較佳的組合物是包含鹼土族氧化物及鹼金族氫氧化物，且鹼土族氧化物比例略高；至於製造輕質發泡材，較佳的組合物是包含鹼土族氧化物及鹼金族氫氧化物，但鹼金族氫氧化物比例略高。

圖1為依據本發明較佳實施例之添加劑的示意圖。請參考圖1所示，依據上述說明，在本實施例中，以製造輕質骨材為例，加入淤泥的添加劑1至少含有一鹼金族氫氧化物11及一鹼土族氧化物12，但鹼土族氧化物12含量比例較低。其中，鹼金族氫氧化物11可以為氫氧化鋰(LiOH)、氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化鉀(KOH)或其組合，而鹼土族氧化物12可以為氧化鎂(MgO)、氧化鈣(CaO)或其組合。

此外，在本實施例中，添加劑1及其鹼金族氫氧化物11與鹼土族氧化物12可以以任何適於生產販售的形式保存或包裝而成為一套組(kit)、一工具組或一組合包，又或者是分別獨立保存或包裝再組合使用，本發明在此不限。就適於生產販售的形式而言，鹼金族氫氧化物11的形式為溶液，且鹼土族氧化物12的形式為粉末、粒狀或顆粒。又，溶液形式的鹼金族氫氧化物11以氫氧化鈉溶液更佳，粉末形式的鹼土族氧化物12則以氧化鈣更佳，且其粉末粒徑小於5毫米。

當然，適於本實施例使用的添加劑1除含有一種鹼金族氫氧化物11及一種鹼土族氧化物12的態樣外，亦可以含有一種以上的鹼金族氫氧化物11及/或一種以上的鹼土族氧化物12。舉一實例而言，添加劑1可以同時包括氧化鈣及氧化鎂粉末。

又，上述的溶液形式較佳係為水溶液形式。當然，此處所稱之溶液包括純溶液或混合溶液、飽和溶液或不飽和溶液，本發明在此不限。雖然，溶液形式的鹼金族氫氧化物11主要係指以鹼金族氫氧化物11固體粉末或顆粒溶解於液體中所調製而成者，但亦涵蓋其他利用一種或多種化合物溶解於溶液中而能提供相同鹼金族金屬離子及氫氧根離子者。舉一實例而言，氫氧化鈉溶液可以由氫氧化鈉固體粉末直接溶解於水中調製而成，亦可以為由二種以上的化合物分別溶解於水中，以各自提供鈉離子及氫氧根離子者。

需特別強調的是，此處所稱之純物質或純溶液係包含於產生或製造過程中因不可控制的條件或瑕疵而導致含有微量雜質者。至於，鹼金族氫氧化物11及鹼土族氧化物12的原料來源可為經由量產方式製造或天然產生。其中，由於煉鋼產生的廢料轉爐渣中含有豐富的氧化鈣，故亦可用作為添加劑1之鹼土族氧化物12的原料來源。

如同前述所言，在本實施例之另一態樣中，添加劑的成分組成亦可有所變化，而至少含有一鹼金族氧化物及一鹼土族氫氧化物，但適用的鹼金族及鹼土族元素種類均與上述相同，惟化合方式(氧化態或氫氧化態)彼此互換。在此種添加劑態樣中，鹼金族氧化物及鹼土族氫氧化物的形式及相關性質亦可參考上述鹼金族氫氧化物11與鹼土族氧化物12。惟需注意的是，氧化的鹼金族化性較活潑，因而此添加劑態樣的化學性質較不穩定。

請參考圖1所示，在本實施例中，添加劑1可更包括一淤泥改質反應上可接受的添加劑或輔助劑，其用以創造反應有利環境或加速反應進行。舉例而言，添加劑1可含有過渡元素之氧化物，例如，氧化錳(MnO₂ )，其可作為一種強度增強劑。

本實施例之添加劑1加入淤泥均勻混合並反應後，鹼金族氫氧化物11或鹼土族氧化物12分別釋出金屬離子，可降低後續建築材料熱處理所需溫度。另外，由於淤泥中含有一定水份，當加入鹼土族氧化物12後，會反應產生氫氧根，其再與淤泥其他成份作用後，例如鋁及矽元素，有助於提高淤泥黏度。另外，由於鹼金族氫氧化物11本身解離後同樣可釋放氫氧根，故可達成相同功效。

圖2為本發明較佳實施例並使用圖1所示之添加劑以形成建築材料之加工製造的步驟流程圖。請同時參考圖1及圖2所示，在本實施例中，加工製造包括以下步驟：去除淤泥至少部分水份(S21)；加入含有鹼金族氫氧化物11及鹼土族氧化物12之添加劑1至去除水份的淤泥並均勻混合(S23)；利用真空練泥方式處理加入添加劑1的淤泥(S25)；將練泥完成的淤泥成型為生坯粒料(S27)以及熱處理生坯粒料為建築材料(S29)。以下將針對各步驟進一步說明之。

在去除淤泥至少部分水份的步驟S21中，使用方法並無特別限制，而可以為例如真空過濾，其係利用真空使過濾介質一側減壓，造成介質兩側產生壓力差，將淤泥中所含水分強制濾過介質的一種淤泥脫水方法，一般可以透過操作真空過濾機來完成。然而，須特別強調的是，去除淤泥水份時，因為加入添加劑1之故，並不需要如習知方法一樣，完全去除淤泥中所含的水份，尤其係不需要實施烘乾處理及其後配合的研磨、粉碎程序，因而能節省大量能源及加工時間。

但在其他實施例之加工製造的過程中，淤泥亦可以在未經任何去除水份的狀況下直接使用，惟其可能製成的建築材種類選擇範圍較小。

在加入含有鹼金族氫氧化物11及鹼土族氧化物12之添加劑1至去除水份的淤泥並均勻混合的步驟S23中，添加劑1、鹼金族氫氧化物11以及鹼土族氧化物12的種類及性質皆已詳述於上，於此不再贅述。至於鹼金族氫氧化物11及鹼土族氧化物12可以直接混合攪拌的方式分別或同時加入淤泥。

請參考圖2所示，在本實施例中，當鹼金族氫氧化物11及鹼土族氧化物12與淤泥混合均勻並反應完成後，係接續進行真空練泥的步驟S25。練泥係使淤泥中的空氣能盡量排出，尤其係在與化學物質均勻攪拌時混入的部份空氣，以避免製成建築材料後妨礙其性質。其中，練泥可以由機械化動力設備或人工的方式進行，本發明在此不限。在本實施例中，係藉由將淤泥置入真空攪拌機中，進行抽氣練泥完成。

同樣請參考圖2所示，真空練泥後，再將淤泥進行成型的步驟S27。成型的方式可例如為將淤泥置入成型機，再依照建築材料的外型需求，依序通過擠出及切割而製成。至於成型後的生坯粒料外型可例如但不限於球狀、板狀、長管狀、短管狀、方塊狀或立方狀。

在熱處理的步驟S29中，主要係進行燒結或燒製的作為，其係提供一定的熱條件予加入化學物質的淤泥，以達到減低建築材料之燒製溫度，並依據添加組合物成分比例，可幫助其發泡行為。在本實施例中，熱處理的溫度為700至1,500℃，較佳為800至1,300℃，且溫度區間15℃，升溫速率15℃/m，持溫30分鐘。然而，實際應用時，熱處理的溫度會受到加入的添加劑1之內容物質的影響，舉例而言，當加入淤泥中的鹼土族氧化物12較多時，熱處理的溫度會升高；而加入淤泥中的鹼金族氫氧化物11較多時，熱處理的溫度則會降低。另外，升溫速率則可倚賴使用生產之窯爐決定，以較快之升溫速率為最佳選擇。

當加入添加劑1並依序完成步驟S21至S29後，可使淤泥改變化學性質而形成本發明較佳實施例之建築材料(如圖3所示，其為加入濃度23M(莫耳濃度)的氫氧化鈉溶液及淤泥重量百分比之0%至3%的氧化鈣粉末，並以1085℃及1100℃熱處理所形成的建築材料的剖面圖)。

因此，請參考圖4所示，建築材料係使用淤泥為材料並加入添加劑製造形成，故具有特殊的成分比例。其中，鹼金族元素氧化物約佔不大於30%的建築材料整體總重量百分比，而鹼土族元素氧化物約佔不大於50%的建築材料整體總重量百分比，而鹼金族元素為鋰、鈉或鉀至少其中之一，鹼土族元素為鎂或鈣至少其中之一。與於泥原樣的成分比較可知，本發明之建築材料中增加的鹼金族元素及鹼土族元素主要來自加入的添加劑，且增加的比例至少約大於5%。當然，由於淤泥中至於，其他淤泥中的主要成分，如矽元素氧化物及鋁元素氧化物，約分別佔建築材料整體總重量百分比的20至60%以及5至25%。

另外，同樣參考圖4所示，比較各種不同的建築材料，如輕質磚與發泡材，兩者的組成比例亦有顯著不同，顯示建築材料最終產物主要會受到加入添加劑的不同而有所影響。

以下將舉數個實驗例，並以製造輕質骨材為目標，以證明藉由上述加工製造步驟並加入添加劑所形成之本發明建築材料可以在省去烘乾研磨程序的情況下，仍能具有相當的物理及機械性質，可作為建築使用而無疑慮。至於，製造其他建築材料的實施細節可參照前述說明書的內容進行調整，以下則不再一一列舉。

實驗例1　加入添加劑並加工製造形成建築材料

採取石門水庫之淤泥，取樣淤泥先經過泥漿過濾機過濾，再置入真空過濾機，去除部分水份後維持含水量約佔重量百分比的30%。分別加入組成比例不同的添加劑，其分別包含濃度為26M、23M、20M之氫氧化鈉(NaOH)溶液及氧化鈣，且加入的氫氧化鈉溶液之量分別佔淤泥重量百分比的7.6%、6.8%及6%，氧化鈣則佔淤泥重量百分比之0%至3%。待均勻攪拌與混合後，進行成型造粒造粒而呈球狀。熱處理成型後的淤泥，其條件為溫度1085℃至1145℃，溫度區間15℃，升溫速率15℃/分鐘，持溫30分鐘。請參考圖5所示，熱處理完成後所形成輕質骨材外觀呈現褐黃色，且表面皆披覆著一層似釉的物質，該物質即為玻璃相，因為玻璃相的包覆讓本發明的輕質骨材擁有較少開放性孔隙，可防止水分滲入，係為一種低吸水率的建築材料。

實驗例2　實驗例1形成之建築材料的體密度分析

利用ASTM C373之步驟，或稱阿基米得法(Archimedes’ Principle)，計算實驗例1中加入添加劑並透過加工製造步驟所形成之輕質骨材的體密度如圖6所示。分析可知，輕質骨材的體密度皆隨加入的氫氧化鈉溶液濃度提高而降低，此現象是由於高濃度之氫氧化鈉溶液能提供較充足之玻璃相，讓輕質骨材包覆更多氣體，形成較多的孔洞，降低體密度。溫度方面，輕質骨材的體密度大都隨溫度提高而降低，原因是高溫有助於玻璃相形成，發泡效果較好，形成較多孔洞降低體密度。

根據本領域習知標準，輕質骨材的體密度需介於1.0至1.8 g/cm³ 。對照圖6所示的結果，依據上述步驟，在未經烘乾研磨的情況下，本發明的輕質骨材體密度大都介於1.1至1.6 g/cm³ ，符合輕質骨材之標準。證明本發明的建築材料可達到一般輕質骨材的標準要求。

實驗例3　實驗例1形成之建築材料的抗壓強度分析

利用萬用試驗機(Material Testing Systems,MTS)對實驗例1中加入添加劑並透過加工製造步驟所形成之輕質骨材進行抗壓強度測試，其結果如圖7所示。本發明輕質骨材的抗壓強度大致上係與加入的氫氧化鈉溶液及熱處理的溫度呈負相關，換言之，加入的氫氧化鈉溶液濃度愈高或熱處理的溫度愈高，均會降低輕質骨材的抗壓強度。上述現象主要原因為高濃度的氫氧化鈉溶液及高溫度條件能提供輕質骨材較足夠的熔融玻璃相，有效包覆氣體，達到較佳發泡效果，因此擁有較多孔隙，故抗壓強度較低。然而，就作為建築材料而言，實驗例1所形成的輕質骨材足以滿足標準要求，證明依據本發明之建築材料的可行性。

綜上所述，依據本發明之建築材料係為一種低吸水率的建築材料，且其可由高含水量的水庫淤泥在僅經過初步脫水，甚至不脫水，的情況下直接製造形成，主要係因為加入特定添加劑調整淤泥性質，增加鹼金族元素及鹼土族元素氧化物的組成比例，進而提高淤泥黏度而使其呈膠狀態樣，故在製程中不需要執行烘乾研磨等完全乾燥程序。與習知技術相較，本發明之建築材料在製造過程中，可免除烘乾研磨過程所耗費的鉅大能源，以及曠日廢時的繁瑣程序，是為一種更符合經濟效益的建築材料。再者，由於本發明建築材料的鹼金族及鹼土族元素比例較高，使熱處理的溫度條件降低，可避免過高的設備門檻及能源支出，降低建築材料的單位成本，故實際應用時，能同時兼顧經濟發展及環境保護兩大課題，解決水庫淤泥長久以來的問題。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包括於後附之申請專利範圍中。

1‧‧‧組合物

11‧‧‧金屬氧化物

12‧‧‧金屬氫氧化物

S21~S29‧‧‧步驟

圖1為依據本發明較佳實施例之添加劑的示意圖；圖2為本發明較佳實施例並使用圖1所示之添加劑以形成建築材料之加工製造的步驟流程圖；圖3為本發明較佳實施例之建築材料的剖面圖；圖4為本發明較佳實施例之建築材料與淤泥原樣之成分比例的表格圖；圖5為實驗例1中加入不同添加劑所形成之建築材料的外觀圖；圖6為實驗例1製造之建築材料的體密度數據分析圖；以及圖7為實驗例1製造之建築材料的抗壓強度數據分析圖。

Claims (10)

1. 一種建築材料，係由含水淤泥加入一添加劑並加工製造形成，該建築材料的成分至少包括：一鹼金族元素氧化物，約佔該建築材料不大於30%的總重量百分比；一鹼土族元素氧化物，約佔該建築材料不大於50%的總重量百分比；一矽元素氧化物，約佔該建築材料總重量百分比的20至60%；以及一鋁元素氧化物，約佔該建築材料總重量百分比的5至25%，其中該鹼金族元素及該鹼土族元素主要來自該加入的添加劑。
2. 如申請專利範圍第1項所述之建築材料，其中該鹼金族元素包含鋰、鈉或鉀至少其中之一。
3. 如申請專利範圍第1項所述之建築材料，其中該鹼土族元素為鎂或鈣至少其中之一。
4. 如申請專利範圍第1項所述之建築材料，其中該添加劑至少含有一鹼金族氫氧化物及/或一鹼土族氧化物，或至少含有一鹼金族氧化物及/或一鹼土族氫氧化物。
5. 如申請專利範圍第4項所述之建築材料，其中該鹼土族氧化物為氧化鈣或氧化鎂，且該鹼金族氧化物為氧化鈉。
6. 如申請專利範圍第4項所述之建築材料，其中該鹼金 族氫氧化物的形式為溶液，且該鹼土族氫氧化物的形式為粉末或溶液。
7. 如申請專利範圍第6項所述之建築材料，其中該溶液形式的鹼金族氫氧化物為氫氧化鈉溶液，且該溶液形式的鹼土族氫氧化物溶液為氫氧化鈣溶液。
8. 如申請專利範圍第1項所述之建築材料，其中該含水淤泥加工製造係包括去除該含水淤泥部分水份、均勻混合該含水淤泥與該添加劑以及熱處理該加入添加劑的含水淤泥之步驟。
9. 如申請專利範圍第1項所述之建築材料，其中該建築材料為輕質骨材、輕質磚及/或發泡板。
10. 如申請專利範圍第1項所述之建築材料，其中該含水淤泥為水庫淤泥。