TWI596076B - 用於營建材料的人造輕質骨材及其製作方法 - Google Patents

用於營建材料的人造輕質骨材及其製作方法 Download PDF

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用於營建材料的人造輕質骨材及其製作方法
本發明是有關於一種營建材料添加用之人造輕質骨材及其製作方法，特別是指一種於常溫製備，用於營建材料之人造輕質骨材及其製作方法。
一般利用輕質骨材取代常重骨材與水泥混製而得的混凝土，稱為輕質骨材混凝土(Lightweight Aggregate Concrete，LWAC)。早在二十世紀初，歐美等先進國家即開始生產輕質骨材，輕質骨材因自重較輕、熱傳導性低，且具有高熱穩定性，因此，輕質骨材混凝土已普遍應用於結構性與非結構性用途的混凝土工程上。
輕質骨材可分為三大類：第一類為天然輕質骨材，如浮石、泡沫火山岩等；第二類為由工業副產品加工而得，如煤渣、爐渣、膨脹礦渣及燃煤飛灰等；第三類則為天然材料加工而得，如板岩、膨脹粘土及膨脹頁岩等。而目前輕質骨材的製備方法則大致可分為煅燒型以及非煅燒型兩種，其中，煅燒型輕質骨材因具有較高的顆粒強度，較可滿足工程的需求，因此，為目前常用之輕質骨材製 備方法，然而，由於煅燒型輕質骨材因須經過高溫處理，耗能甚鉅，並不符合目前節能減碳之趨勢；而非煅燒型輕質骨材，則是以飛灰或爐渣為原料，加入石膏或水泥等混拌後而得，雖然非煅燒型輕質骨材可不須經過高溫處理，但是，由此製得的輕質骨材由於抗壓強度不足，抗鋼筋鏽蝕能力差，且乾縮變形較大，故一般只能用在非配筋構件及非結構性用途等製品。
因此，本發明之目的，即在提供一種可於常溫製備，具有良好的單粒抗壓強度並可用於結構性與非結構性用途之輕質骨材混凝土的人造輕質骨材的製作方法。
於是本發明的人造輕質骨材的製作方法包含：一混料步驟，及一造粒步驟。
該混料步驟是將無機粉料與鹼活化液混合，得到一混拌物，其中，該鹼活化液包括鹼金屬氫氧化物、含矽化合物，及鹼金屬鋁酸鹽，該鹼活化液的二氧化矽與鹼金屬氧化物的莫耳比值介於1.0~3.0，且該無機粉料包括矽酸鹽、碳酸鹽類化合物。
該造粒步驟是將該混拌物造粒，得到複數呈粒狀的人造輕質骨材。
較佳地，前述該人造輕質骨材的製作方法，其中，該混料步驟是在未施加熱能的條件下進行。
因此，本發明之另一目的，即在提供一種可供營建材料用的人造輕質骨材。
於是，本發明的人造輕質骨材是由前述之製作方法所製得，其中，該人造輕質骨材呈粒狀，且於100℃水煮2小時後仍可保持單粒抗壓強度不小於0.5MPa。
本發明之功效在於：利用將鹼活化液、無機粉體經反應後形成的膠結材料造粒後做為人造輕質骨材，不僅製程簡單，且製得的人造輕質骨材可具有良好的單粒抗壓強度及筒壓強度。
21‧‧‧混料步驟
22‧‧‧造粒步驟
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的較佳實施例詳細說明中清楚地呈現，其中：圖1是一文字流程圖，說明本發明該人造輕質骨材的製作方法的實施例。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
本發明該人造輕質骨材是可用於取代常重骨材與水泥混拌，而得到一輕質骨材混凝土。
茲將本發明該人造輕質骨材的製作方法的一實施例說明如下。
本發明人造輕質骨材的製作方法的該實施例包含一混料步驟21，及一造粒步驟22。
該混料步驟21是將鹼活化液、無機粉料混合，得到一混拌物。
該鹼活化液包括鹼金屬氫氧化物、含矽化合物 ，及鹼金屬鋁酸鹽，且該鹼活化液的二氧化矽與鹼金屬氧化物的莫耳比值介於1.0~3.0。
具體的說，該鹼活化液是由鹼活化劑與水混合後而得，其中，該鹼活化劑包括鹼金屬氫氧化物、矽化合物，及鹼金屬鋁酸鹽；該矽化合物選自鹼金屬矽酸鹽、矽酸膠，或其中一組合。該無機粉體是選自矽酸鹽化合物或碳酸鹽化合物，較佳地，該無機粉體選自非晶質矽酸鹽化合物，適用於本發明該實施例的無機粉體包括玻璃(例如：玻璃粉、廢玻璃、玻璃纖維)、各類爐渣(如：水淬爐石粉、高爐石)、飛灰(例如：燃煤飛灰、燃煤底灰、焚化飛灰、焚化底灰、火山灰)等矽酸鹽化合物，且可以單一或複合方式混合使用。
藉由鹼對該矽酸鹽物質結構的破壞，使無機粉體顆粒表面的網狀聚集體瓦解，而形成矽氧(SiO4)四面體、鋁氧(AlO4)四面體之單體或雙聚體等活性物，而此等SiO4、AlO4四面體活性物會再經過脫水、縮合、硬化等過程，重新聚合鍵結而形成膠結材料。然而，當自矽酸鹽物質溶解出之SiO4或AlO4單體數量太少，則膠結材料會因結構不完整而強度不足，因此，本發明藉由額外添加的鹼金屬鋁酸鹽或鋁粉，提供足夠量的鋁離子，除了可令經膠合反應後得到的膠結材料可具有足夠的強度外，還可避免一般無機粉體使用不含鋁，或含鋁量少的原料，例如玻璃粉時，強度不足的問題，而可不受無機粉體原料來源的限制。
較佳地，該鹼活化液中，二氧化矽與鹼金屬氧化物的莫耳比值(SiO2/M2O，M為鹼金屬元素)介於1.0~3.0，且二氧化矽與三氧化二鋁的莫耳比值(SiO2/Al2O3)介於50~100。更佳地，二氧化矽與三氧化二鋁的莫耳比值(SiO2/Al2O3)介於50~80之間。適用於本發明該較佳實施例的鹼金屬鋁酸鹽是選自鋁酸鈉或鋁酸鉀，該鹼金屬氫氧化物及鹼金屬矽酸鹽是選自氫氧化鈉、氫氧化鉀，及矽酸鈉、矽酸鉀。
此外，為了令該混拌物可在後續該造粒步驟22中順利造粒，較佳地，依無機粉體的粒度大小，該混拌物中液體與固體的比值介於0.2~1.0。
要說明的是，為了讓形成的該混拌物可易於造粒成型，還可添加黏土，如高嶺石、蛭石、蒙脫石、澱粉等，以提升該混拌物的黏性。
要再說明的是，為了可提升廢棄資源再利用，本發明該混料步驟21中，該無機粉體還可包含脫硫渣、營建廢料、造紙淤泥、石材淤泥、磨石汙泥，及下水道淤泥、水庫淤泥等各式廢棄廢料。
詳細的說，為了控制讓添加廢棄廢料後最終製得的該人造輕質骨材可具有較佳的單粒抗壓強度，而適用於結構性或非結構性用途的建築材料，因此，較佳地，該廢棄廢料的重量不大於該無機粉料總重量的70%。
該造粒步驟22是將該混拌物造粒，得到複數呈粒狀的人造輕質骨材。
詳細的說，該造粒步驟22是利用輥壓機、擠製機或盤式造粒機將該混拌物製成具有預定粒徑的粒狀骨材，再經乾燥後即可得到該人造輕質骨材。
值得一提的是，由於本發明該人造輕質骨材的製作過程全程是在不施加熱源的工作溫度條件下進行，且不須特殊的製程條件控制，不僅製作簡便，且可減少熱能損耗。
接著配合下列具體例的說明，當可對本發明該人造輕質骨材更清楚明白。
原料說明：
高爐石：煉鐵後的爐渣。
燃煤飛灰：發電廠燒煤發電，經煙道搜集極細粒的物質。
高嶺土：以高嶺石為主要成分的天然層狀黏土礦物。
營建廢料：建築拆除廢棄物與施工建造廢棄物兩類，
就組成而言包括：磚瓦、混凝土塊、水泥塊等。
廢灰渣：經高溫燃燒後的殘留物。
下水道汙泥：殘留在下水道中的污泥。
脫硫渣：煉鋼廠脫硫後的產物。
廢棄大理石：大理石石材切鋸廢料。
具體例1
本發明該人造輕質骨材的具體例1是先秤取高爐石粉(30wt%)及燃煤飛灰(70wt%)為無機粉體原料，以及額外添加重量為該無機粉體總重的8wt%的高嶺土，並將該無 機粉體原料與該高嶺土混合。接著，將氫氧化鈉、矽酸鈉與鋁酸鈉加入水中攪拌混合均勻後得到一鹼活化液，該鹼活化液的SiO2/Na2O的莫耳比值為1.28，SiO2/Al2O3的莫耳比值為50。
然後，將該鹼活化液加入前述已預先混合的無機粉體與高嶺土中進行攪拌，讓鹼活化液和無機粉體及高嶺土形成均勻之混拌物，並控制該混拌物中無機粉體與鹼活化液的液/固比為0.39。
最後，於常溫下將該混拌物以滾壓造粒機進行造粒，得到平均粒徑介於6mm的人造輕質骨材。
具體例2
本發明該具體例2中，該鹼活化液的SiO2/Na2O及SiO2/Al2O3的莫耳比值，與該具體例1相同，不同處在於該具體例2中，無機粉體與鹼活化液的液/固比為0.41。
具體例3
本發明該具體例3中，其製程步驟及該鹼活化液的SiO2/Na2O及SiO2/Al2O3的莫耳比值，與該具體例1相同，不同處在於該具體例3的無機粉體還包含一營建廢料(水泥廢棄廢料)，該高爐石粉、燃煤飛灰，及營建廢料的重量百分比為20wt%、10wt%、70wt%，且無機粉體與鹼活化液的液/固比為0.4。
具體例4
本發明該具體例4中，其製程步驟及該鹼活化液的SiO2/Na2O及SiO2/Al2O3的莫耳比值與該具體例3大致相 同，不同處在於該具體例4的高爐石粉、燃煤飛灰，及營建廢料的重量百分比分別為30wt%、10wt%、60wt%。
具體例5
本發明該具體例5中，其製程步驟與該具體例1相同，不同處在於該具體例5之鹼活化液的SiO2/Na2O莫耳比值為1.28，無機粉體為包含高爐石粉、燃煤飛灰及廢灰渣(廢棄廢料)，高爐石粉、燃煤飛灰及廢灰渣的重量百分比分別為20wt%、10wt%、70wt%，高嶺土的重量為該無機粉體總重的15wt%，且無機粉體與鹼活化液的液/固比為1.0。
具體例6
本發明該具體例6中，該鹼活化液的SiO2/Na2O及SiO2/Al2O3的莫耳比值，與該具體例5相同，不同處在於該具體例6的無機粉體僅包含高爐石粉及廢灰渣，且未添加高嶺土。
具體例7
本發明該具體例7中，其製程步驟及該鹼活化液的SiO2/Na2O及SiO2/Al2O3的莫耳比值，與該具體例5相同，不同處在於該具體例7無機粉體的廢棄廢料為脫硫渣，高爐石粉、燃煤飛灰，及脫硫渣的重量百分比為35wt%、15wt%、50wt%，且無機粉體與鹼活化液的液/固比為0.4。
具體例8
本發明該具體例9中，其製程步驟及該鹼活化液的 SiO2/Na2O及SiO2/Al2O3的莫耳比值，與該具體例5相同，不同處在於該具體例9無機粉體的廢棄廢料為脫硫渣，高爐石粉、及脫硫渣的重量百分比為50wt%、50wt%，且無機粉體與鹼活化液的液/固比為0.3。
具體例9
本發明該具體例9中，其製程步驟及該鹼活化液的SiO2/Na2O及SiO2/Al2O3的莫耳比值為1.0及50，無機粉體的廢棄廢料為廢棄大理石粉，高爐石粉，燃煤飛灰及廢棄大理石粉的重量百分比為20wt%、10wt%、70wt%，且無機粉體與鹼活化液的液/固比為0.3。
具體例10
本發明該具體例10中，其製程步驟及該鹼活化液的SiO2/Na2O及SiO2/Al2O3的莫耳比值為1.0及50，無機粉體的廢棄廢料為廢棄大理石粉，高爐石粉。該廢棄大理石粉、高爐石粉的重量百分比分別為30wt%、70wt%，高嶺土的重量為該無機粉體總重的5wt%，且無機粉體與鹼活化液的液/固比為0.2。
接著，再將該具體例1~10製得的人造輕質骨材及市售陶粒骨材進行單粒抗壓強度、筒壓強度、體密度、孔隙率及吸水率測量，並將前述該具體例1~10製得的人造輕質骨材置於100℃水中煮2小時後，分別量測其單粒抗壓強度。
<單粒抗壓強度量測方法>
利用抗壓試驗機，對造粒試體進行抗壓測試，每次至 少測試十個顆粒以上，並取平均值。
單粒抗壓強度=抗壓強度值/顆粒的截面積(π d2/4)
<筒壓強度量測方法>
依據CNS14779進行試驗。
先將製得之輕質骨材填滿於承壓筒中，並於承壓筒裝上導向筒及沖壓模。接著利用抗壓機以30~50kgf/sec.均勻加載壓力，當沖壓模壓入深度為20mm時，記錄抗壓值，即可由下式(1)計算得筒壓強度。
筒壓強度(MPa)=P/F
P：壓入深度為20mm時的壓力值(N)
F：承壓面積(即沖壓模面積)
<體密度、孔隙率、吸水率量測方法>
參考CNS488進行量測。
以飽和水法測定試體之體密度、視比重、孔隙率及吸水率。取同一條件下至少十個試體，置入燒杯中加入蒸餾水煮沸2小時，在水中冷卻至室溫後即為飽和試體，測定懸浮於水中之試體重量可得懸浮重(W1)。將水中飽和試體取出並拭乾表面水珠，秤重後可得試體飽和重量(W2)。將試體置於105±5℃烘箱乾燥至恆重，冷卻後秤重即為試體乾燥重(W3)。
將所測得結果帶入下列公式計算，即可得試體之體密度、孔隙率及吸水率。
試體體積V(cm3)=W2-W1
體密度(B)(g/cm3)=W3/V
孔隙率(P)(%)=〔(W3-W2)/V〕×100%
吸水率(A)(%)=〔(W2-W3)/W3〕×100%
茲將前述該具體例1~10的材料配比，及相關量測結果分別整理於表1、表2。
ND：未量測
市售骨材*：陶粒，平均粒徑3~8mm
由前述表1及表2的結果可知，利用無機粉體及鹼活化液進行膠合反應，而得到的人造輕質骨材(具體例1、2)，其具有高孔隙率，吸水性與市售骨材相當，且強度(單粒抗壓強度及筒壓強度)表現也優於市售骨材。而當添加廢棄廢料(具體例3~10)取代無機粉體時，雖然會降低製得之人造輕質骨材的強度，但仍與市售骨材相當，顯示利用本發明製得之人造輕質骨材可讓廢棄廢料有效的再資源利用。
綜上所述，本發明利用將鹼活化液、無機粉體經反應後形成的膠結材料造粒後做為人造輕質骨材，不僅製程簡單，且製得的人造輕質骨材可具有良好的單粒抗壓強度；此外，本發明該人造輕質骨材的材料，也可利用廢棄廢料取代部分的無機粉體而製得，該含有廢棄廢料的人造輕質骨材，同樣也可具有與市售輕質骨材相當之強度性能，因此還可讓廢棄廢料做有效的資源利用，故可達成本發明之目的。
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，即凡依本發明申請專利範圍及專利說明書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。
21‧‧‧混料步驟
22‧‧‧造粒步驟

Claims (10)

  1. 一種用於營建材料的人造輕質骨材的製作方法，包含：一混料步驟，將無機粉料與鹼活化液混合，得到一混拌物，其中，該鹼活化液包括鹼金屬氫氧化物、矽化合物，及鹼金屬鋁酸鹽，該鹼活化液的二氧化矽與鹼金屬氧化物的莫耳比值介於1.0~3.0，二氧化矽與三氧化二鋁的莫耳比值介於50~100之間，該無機粉料包括矽酸鹽類化合物或碳酸鹽類化合物，且該混拌物的液體與固體的比值介於0.2~1.0；及一造粒步驟，將該混拌物造粒，得到複數呈粒狀的人造輕質骨材。
  2. 如請求項1所述的製作方法，其中，該混料步驟是在未施加熱能的條件下進行。
  3. 如請求項1所述的製作方法，其中，該矽酸鹽類化合物選自爐碴、飛灰、玻璃，或前述其中一組合。
  4. 如請求項1所述的製作方法，其中，該矽化合物選自鹼金屬矽酸鹽、矽酸膠，或前述其中一組合，該鹼金屬鋁酸鹽選自鋁酸鈉、鋁酸鉀，或前述其中一組合。
  5. 如請求項1所述的製作方法，其中，該混拌物還包含黏土，且該黏土的重量不大於該無機粉料的15wt%。
  6. 如請求項1所述的製作方法，其中，該混拌物還包括一廢棄廢料，該廢棄廢料選自營建廢料、水庫淤泥、脫硫渣、造紙淤泥、石材淤泥、磨石污泥、廢棄大理石，且該廢棄廢料的重量不大於該無機粉料總重量的70%。
  7. 如請求項1所述的製作方法，其中，該造粒步驟是藉由盤式、滾壓或擠壓式造粒機將該混拌物造粒，且該等人造輕質骨材的平均粒徑介於5~50mm。
  8. 一種由請求項1所述之製作方法製得的人造輕質骨材，其中，該人造輕質骨材呈粒狀，且單粒抗壓強度不小於2.0MPa。
  9. 一種由請求項1所述之製作方法製得的人造輕質骨材，其中，該人造輕質骨材呈粒狀，且在100℃水煮2小時後，可保持單粒抗壓不小於0.5MPa。
  10. 如請求項9所述的所述的人造輕質骨材，其中，該人造輕質骨材的平均粒徑介於5~50mm，且體密度不大於1.8g/cm3。
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