TWI642644B - Sfc膠結砌塊及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種SFC膠結砌塊及其製造方法，可有效降低傳統燒磚所造成之二氧化碳，並讓F級飛灰、爐石粉以及CFBC灰等三種工業副產物再利用，改善大量囤積問題。本發明之SFC膠結砌塊主要含有下列成份：爐石粉、F級飛灰以及CFBC灰。
Description
本發明是有關於一種膠結砌塊及其製造方法，且特別是有關於一種以SFC無水泥膠結粉料製成SFC膠結砌塊之製造方法。
循環式流化床燃燒技術(Circulating Fluidized Bed Combustion Technology，CFBC)為一種燃燒石油焦及添加石灰石以降低因燃燒高含硫量石油焦而產生過量硫氧化物排放之脫硫製程發電技術，所產生之粉狀工業副產品即為CFBC灰，其顆粒細小及有高石膏含量。
CFBC副產石灰的年產量約有80萬公噸，因而造成大量囤積問題。過去研究顯示，CFBC副產石灰能激發卜作嵐(Pozzolanic)材料(例如爐石粉)並經由水化反應產生強度，但添加CFBC副產石灰往往面臨體積膨脹(鈣礬石過量)、凝結時間長(石膏緩凝)、耐久性不佳等問題。
有鑒於此，本發明首度添加F級飛灰於CFBC副產石灰及爐石粉之混合料中，設計不同配比之SFC無水泥膠結粉料，加水拌和製成新型SFC膠結砌塊，添加F級飛灰可有效降低SFC膠結砌塊吸水率、提升抗壓強度、提升抗化學侵蝕能力、提升耐久性、提升尺寸穩定性，相較於過去研究結果，新型SFC膠結砌塊有明顯較佳之工程性質，有效降低傳統燒磚所造成之二氧化碳，並讓F級飛灰、爐石粉以及CFBC灰等三種工業副產物再利用，改善大量囤積問題。本發明進而將不同配比之尚未凝結SFC膠結砌塊組成物加壓製成不同強度之SFC加壓膠結砌塊，且本發明所製成之SFC膠結砌塊依CNS 382除可歸類為一級磚，作為磚用材料使用外，也適合作為使用於其他用途之營建材料。
本發明之SFC膠結砌塊主要含有：無水泥SFC膠結粉料以及水。其中，無水泥SFC膠結粉料主要含有：爐石粉、F級飛灰、CFBC灰以及水。
在本發明的一實施例中，上述的無水泥SFC膠結粉料由爐石粉、F級飛灰以及CFBC灰組成。
在本發明的一實施例中，基於上述的無水泥SFC膠結粉料的總重量為100重量%，上述的爐石粉的含量為45重量%至70重量%；上述的F級飛灰的含量為10重量%至30重量%；上述的CFBC灰的含量為15重量%至25重量%。
在本發明的一實施例中，上述的SFC膠結砌塊的密度範圍為1.5 g/cm
3至1.9 g/cm
3。
在本發明的一實施例中，上述的SFC膠結砌塊的抗壓強度與密度之關係符合下述式(1)： Y=a(74.25X-103.21) 式(1) 式(1)中，X為SFC膠結砌塊的密度(g/cm
3)；Y為SFC膠結砌塊的抗壓強度(MPa)；a表示0.9至1.1之間之常數。
在本發明的一實施例中，上述的SFC膠結砌塊的吸水率與密度之間的關係符合下述式(2)： Z=a(-28.41X+61.01) 式(2) 式(2)中，X為SFC膠結砌塊的密度(g/cm
3)；Z為SFC膠結砌塊的吸水率(%)；a表示0.9至1.1之間之常數。
本發明另提供一種SFC膠結砌塊的製造方法，製造如上述的SFC膠結砌塊，包括下列步驟： 混合步驟，適當加水攪拌SFC無水泥膠結粉料，以形成尚未凝結之SFC膠結砌塊組成物；以及 加壓步驟，將尚未凝結之SFC膠結砌塊組成物置於模具中，並對尚未凝結之SFC膠結砌塊組成物施加壓力，以製成不同強度之SFC加壓膠結砌塊。
本發明另提供一種SFC膠結砌塊的製造方法，製造如上述的SFC膠結砌塊，包括下列步驟： 混合步驟，適當加水攪拌SFC無水泥膠結粉料，以形成尚未凝結之SFC膠結砌塊組成物；以及 硬固步驟，將尚未凝結之SFC膠結砌塊組成物置於模具中，使尚未凝結之SFC膠結砌塊組成物硬固，以製成不同強度之SFC硬固膠結砌塊。
在本發明的一實施例中，上述的SFC膠結砌塊的製造方法中，不須對SFC膠結砌塊組成物進行加熱燒結的步驟。
基於上述，本發明的SFC膠結砌塊具有優異的工程性質，有成為新型綠建材之能力。故將SFC無水泥膠結粉料製成SFC膠結砌塊時，相較於傳統燒磚、水泥製磚而言，可以大量減少二氧化碳產生，並增加CFBC副產石灰的應用範圍。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
＜ SFC 膠結砌塊的成份 ＞本發明的SFC膠結砌塊主要含有：無水泥SFC膠結粉料以及水。上述的無水泥SFC膠結粉料主要含有：爐石粉、F級飛灰以及CFBC灰。本發明的SFC膠結砌塊也可視情況加入其他添加劑成份，以對工業副產物的再利用的角度來看，較佳為無水泥SFC膠結粉料僅含有爐石粉、F級飛灰以及CFBC灰等三種工業副產粉料，並加水攪拌而形成SFC膠結砌塊組成物。以下對無水泥SFC膠結粉料的各成份做具體說明。
爐石粉
爐石粉(slag)為一貫作業煉鋼鐵時所生的副產物，其中含有氧化矽(SiO
2)、氧化鋁(Al
2O
3)以及氧化鐵(Fe
2O
3)等成份。爐渣由高爐排出冷卻所得之固體物，稱為高爐石，依其冷卻方式的不同，可分為水淬爐石與氣冷爐石兩種。水淬爐石是高爐熔渣以噴水方式急速冷卻，使爐渣碎裂成粒狀，由於冷卻時間過於短促，晶體不易形成且微結構凌亂開放，故其活性大且具膠結性，只要細加研磨製成爐石粉，即可取代部分水泥，亦稱為高爐熟料。氣冷爐石是採用徐冷方式，形成構造較堅固且緻密，故其活性不佳且無膠結性，可做為混凝土粒料或製造水泥之原料。
於本發明的SFC膠結砌塊中使用的爐石粉例如可列舉以上述水淬爐石研磨製成之爐石粉。
在本發明的SFC膠結砌塊中，基於無水泥SFC膠結粉料的總重量為100重量%，爐石粉的含量為45重量%至70重量%；較佳為60重量%至70重量%。藉由將爐石粉的含量設定為上述範圍，可得到SFC膠結砌塊的最適宜工程性質。
飛灰
飛灰(fly ash)為火力發電廠燃煤經燃燒過後經排煙道氣體中，以靜電集塵器收集而得，燃煤經燃燒熔融，而產生圓形細顆粒呈非結晶質(Amorphous)或玻璃質(Glassy)之飛灰。
更具體來說，飛灰是一種石英與鋁酸鹽的混合物，依氧化鈣(CaO)含量不同，分為低鈣(F級)飛灰及高鈣(C級)飛灰。F級飛灰本身不具膠結力，飛灰與水泥水化時產生之氫氧化鈣作用後，可產生具膠結力之矽酸鈣水化物。飛灰中含有氧化矽(SiO
2)、氧化鋁(Al
2O
3)、氧化鐵(Fe
2O
3)以及氧化鈣(CaO)，粒徑約在0.4 μm~100 μm之間，其比重為2.0~2.2。
飛灰為一種卜作嵐材料(Pozzolanic material)，藉由不斷消耗易溶於水之氫氧化鈣而發生卜作嵐反應，以生成水化矽酸鈣、水化鋁酸鈣或水化矽鋁酸鈣。
C級飛灰(Class C fly ash)通常透過燃燒褐煤或次煙煤而得，具有卜作嵐特性亦具有若干膠結性，其氧化鈣的含量通常大於15%，而氧化矽、氧化鋁以及氧化鐵的合計含量大於50%。另一方面，F級飛灰(Class F fly ash)通常透過燃燒無煙煤或煙煤而得，僅具有卜作嵐特性，其氧化鈣的含量較少，通常小於10%，而氧化矽、氧化鋁以及氧化鐵的合計含量大於70%。
於本發明的SFC膠結砌塊中使用的飛灰為F級飛灰。
在本發明的SFC膠結砌塊中，基於無水泥SFC膠結粉料的總重量為100重量%，F級飛灰的含量為10重量%至30重量%；較佳為15重量%至20重量%。藉由將F級飛灰的含量設定為上述範圍，可得到SFC膠結砌塊之最適宜工程性質。
CFBC 灰
CFBC灰(CFBC fly ash)為透過循環式流化床燃燒技術燃燒石油焦發電後之副產品。CFBC灰為表面粗糙的多角形顆粒，其主要成份為硫酸鈣(CaSO
4)以及氧化鈣(CaO)。一般來說，CFBC灰並非卜作嵐材料，但CFBC灰具有高鹼性，故可激發爐石粉等卜作嵐材料的潛在膠結性。若使用CFBC灰取代填充料有助於降低吸水率、增加抗壓強度及提升抗硫酸鹽能力。另一方面，若使用CFBC灰取代膠結料亦可提升抗硫酸鹽能力，降低吸水率及提升抗壓強度。但若取代量過大時，也可能影響SFC膠結砌塊的工程性質。
在本發明的SFC膠結砌塊中，基於無水泥SFC膠結粉料的總重量為100重量%，CFBC灰的含量為15重量%至25重量%；較佳為15重量%至20重量%。藉由將CFBC灰的含量設定為上述範圍，可得到SFC膠結砌塊之最適宜工程性質。
其他添加劑成份
在本發明的SFC膠結砌塊中，在不影響本發明的效果的前提下，也可添加其他添加劑成份。
添加劑成份例如可列舉：石粒、砂粒、鋼渣、再生粒料等。
在本發明之SFC膠結砌塊中，其他添加劑成份之含量可依不同需求而彈性調整用量。
＜ SFC 膠結砌塊的性質 ＞
本發明的SFC膠結砌塊不須經過加熱燒結。更具體來說，本發明的SFC膠結砌塊是由包含上述的SFC膠結砌塊的各成份的SFC無水泥膠結粉料加水拌和，並使其硬固而製成SFC硬固膠結砌塊；也可將尚未凝結之SFC膠結砌塊組成物經過加壓程序而製成不同強度之SFC加壓膠結砌塊。因此，相較於傳統粘土燒結紅磚、水泥製磚而言，可以大量減少二氧化碳的產生。
對尚未凝結之SFC膠結砌塊組成物進行加壓的方式並無特別限制，例如可將尚未凝結之SFC膠結砌塊組成物置於模具中，透過對模具加壓而使尚未凝結之SFC膠結砌塊組成物形成SFC加壓膠結砌塊。
本發明的SFC膠結砌塊的密度範圍為1.5 g/cm
3至1.9 g/cm
3，可依據不同的抗壓強度選擇其相對密度，但較高密度之SFC膠結砌塊可得到較高抗壓強度以及較低吸水率等性質。
更具體來說，藉由調整SFC膠結砌塊的密度，也可進一步使SFC膠結砌塊的抗壓強度以及吸水率等性質達到工程要求。
一般來說，加壓後的SFC加壓膠結砌塊的密度為主要影響強度的因素，因此，透過調整SFC加壓膠結砌塊的密度即可設計出不同抗壓強度等級的SFC膠結砌塊。
更具體來說，本發明的SFC膠結砌塊的密度與抗壓強度的相對關係符合下述式(1)： Y=a(74.25X-103.21) 式(1) 式(1)中，X為SFC膠結砌塊的密度(g/cm
3)；Y為SFC膠結砌塊的抗壓強度(MPa)；a表示0.9至1.1之間之常數。
另外，本發明的SFC膠結砌塊的密度與吸水率的相對關係符合下述式(2)： Z=a(-28.41X+61.01) 式(2) 式(2)中，X為SFC膠結砌塊的密度(g/cm
3)；Z為SFC膠結砌塊的吸水率(%)；a表示0.9至1.1之間之常數。
請參考圖2、圖3，當本發明的SFC膠結砌塊的密度與抗壓強度的相對關係符合上述式(1)、或者密度與吸水率的相對關係符合上述式(2)時，即落入本案圖2、圖3所繪示的趨勢線的正負10%的範圍。落入上述範圍的SFC膠結砌塊具有優異的工程性質，有成為新型綠建材之能力，其符合強度預測趨勢。
＜ SFC 膠結砌塊的製造方法 ＞
本發明的SFC膠結砌塊依據其製法不同，可分為SFC加壓膠結砌塊以及SFC硬固膠結砌塊兩種。
本發明的SFC加壓膠結砌塊的製造方法包括下列步驟： 混合步驟，適當加水攪拌SFC無水泥膠結粉料形成尚未凝結之SFC膠結磚砌塊組成物；以及 加壓步驟，將尚未凝結之SFC膠結砌塊組成物置於模具中，並對尚未凝結之SFC膠結砌塊組成物施加壓力，以製成SFC加壓膠結砌塊。
本發明的SFC硬固膠結砌塊的製造方法包括下列步驟： 混合步驟，適當加水攪拌SFC無水泥膠結粉料形成尚未凝結之SFC膠結磚砌塊組成物；以及 硬固步驟，將尚未凝結之SFC膠結砌塊組成物置於模具中，使尚未凝結之SFC膠結砌塊組成物硬固，以製成SFC硬固膠結砌塊。
在混合步驟中，首先秤取上述的SFC無水泥膠結粉料之各成份(即前述SFC膠結砌塊的各成份)的所需用量，並攪拌至整體達單一均勻顏色為止。
接著依據美國材料試驗學會(American Society for Testing and Materials，ASTM)C305所定立的標準程序，加入水進行4至5分鐘之均勻攪拌混合，以形成尚未凝結之SFC膠結砌塊組成物。
在加壓步驟中，如圖1所示，將尚未凝結之SFC膠結砌塊組成物1置於模具100中，模具100包括鋼模10、凸塊20、下板30、上板40以及多個支柱50。鋼模10具有可置放尚未凝結之SFC膠結砌塊組成物1之凹槽12，且凹槽12之形狀並無特別限制，只要凹槽12之形狀與凸塊20大致上相同即可，以使凸塊20能夠對置放於鋼模10的凹槽12的SFC膠結砌塊組成物1進行加壓。
鋼模10以固定器14固定於下板30上，凸塊20設置於上板40上。下板30與上板40之間以多個支柱50連結，使鋼模10與凸塊20對向設置。各個支柱50分別設置在油壓彈簧52的中間，使各個支柱50分別貫穿一個油壓彈簧52，藉由油壓彈簧52的設置，能夠更容易控制上板40的下壓量D，進而能夠更容易達成設定的SFC加壓膠結砌塊的密度。
加壓步驟可在任意溫度環境下進行，例如室溫環境，更具體的溫度範圍為23℃～27℃。
此外，進行加壓步驟時，由於置於模具100的尚未凝結之SFC膠結砌塊組成物1的重量為已知，故只要控制加壓後的SFC加壓膠結砌塊的體積，即能輕易得知加壓後之SFC加壓膠結砌塊的密度。因此，相對於控制加壓壓力而言，控制模具100中之上板40之下壓量D更為容易達成需要之密度。再者，較佳可透過伺服系統(servo system)控制模具100。如此，可更快速且輕易地進行加壓步驟。
在硬固步驟中，只要將尚未凝結之SFC膠結砌塊組成物置於模具中，使尚未凝結之SFC膠結砌塊組成物硬固即可。做為模具，例如可使用如圖1所示的模具100中的鋼模10。
值得注意的是，本發明之SFC膠結砌塊製造方法包含透過硬固步驟或者透過加壓步驟製成SFC膠結砌塊，因此，無須進行加熱燒結之步驟。故將SFC膠結砌塊組成物製成SFC膠結砌塊時，相較於傳統粘士燒結紅磚、水泥製磚而言，可以大量減少二氧化碳的產生。
為使本領域具通常知識者能夠進一步了解本發明的實施方式，本發明將就以下實施例來作進一步說明。但應瞭解的是，該等實施例僅為例示說明，而不應被解釋為本發明實施的限制。
＜ 實施例 ＞ SFC 膠結砌塊的實施例
[實施例] 以製成比重1.9 g/cm
3、長23 cm、寬11 cm、高6 cm之標準磚為例，首先，分別秤取爐石粉1562.0g(65.0重量%)、F級飛灰360.5g(15.0重量%)以及CFBC灰480.6g(20.0重量%)，於研缽中攪拌均勻至混合物達單一均勻顏色為止。接著，加入481.0g的純水，並依據ASTM C305所定立之標準拌和程序，加入水進行4至5分鐘之攪拌混合，以形成實施例之SFC膠結砌塊組成物。上述爐石粉、F級飛灰以及CFBC灰之成份組成如下表1所示。 接著，將實施例之SFC膠結砌塊組成物置於如圖1之模具100中，此處鋼模10之凹槽12為長方體型，其內尺寸為長23cm、寬11cm、高6cm，以使形成SFC膠結砌塊成為長23cm、寬11cm、高6cm的大小之方式對SFC膠結砌塊組成物進行加壓，以獲得實施例之SFC膠結砌塊。實施例之SFC膠結砌塊的抗壓強度為41.65MPa、吸水率為7.74%，砌塊成品分級為一級磚。
[比較例] 比較例的SFC膠結砌塊的製造方法與實施例相同，其不同處在於：改變各成份的用量為爐石粉384.5g(16.0重量%)、F級飛灰1538.0g(64.0重量%)以及CFBC灰480.6g(20.0重量%)。比較例之SFC膠結砌塊的抗壓強度為21.96MPa、吸水率為16.37%，劣於三級磚的砌塊成品分級標準。
[表1]
<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> </td><td> 爐石粉 </td><td> F級飛灰 </td><td> CFBC灰 </td></tr><tr><td> 比重 (g/cm<sup>3</sup>) </td><td> 2.90 </td><td> 2.17 </td><td> 2.70 </td></tr><tr><td> 布蘭氏細度 (Blaine fineness, cm<sup>2</sup>/g) </td><td> 6000.0 </td><td> - </td><td> 3000.0 </td></tr><tr><td> SiO<sub>2</sub> (重量%) </td><td> 34.90 </td><td> 58.33 </td><td> 5.22 </td></tr><tr><td> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>(重量%) </td><td> 13.53 </td><td> 26.23 </td><td> 2.21 </td></tr><tr><td> Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>(重量%) </td><td> 0.52 </td><td> 3.49 </td><td> 0.58 </td></tr><tr><td> CaO (重量%) </td><td> 41.47 </td><td> 5.72 </td><td> 56.80 </td></tr><tr><td> MgO (重量%) </td><td> 7.18 </td><td> 1.26 </td><td> 2.06 </td></tr><tr><td> SO<sub>3</sub>(重量%) </td><td> 1.74 </td><td> - </td><td> 32.40 </td></tr><tr><td> Na<sub>2</sub>O (重量%) </td><td> - </td><td> 0.27 </td><td> - </td></tr><tr><td> K<sub>2</sub>O (重量%) </td><td> - </td><td> 0.48 </td><td> - </td></tr><tr><td> TiO<sub>2</sub>(重量%) </td><td> - </td><td> 1.46 </td><td> - </td></tr><tr><td> 燒失量(重量%) </td><td> - </td><td> 2.76 </td><td> - </td></tr></TBODY></TABLE>評價方式
1. 吸水率 依ASTM-C642、ASTM-C1585進行試驗
2. 抗壓強度 依ASTM-C109、CNS 382進行試驗
3. 砌塊成品分級 依CNS 382進行分級，分級結果如下表2所示： [表2]
<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> </td><td> 一級磚 </td><td> 二級磚 </td><td> 三級磚 </td></tr><tr><td> 吸水率(%) </td><td> 10以下 </td><td> 13以下 </td><td> 15以下 </td></tr><tr><td> 抗壓強度(MPa) </td><td> 30以上 </td><td> 20以上 </td><td> 15以上 </td></tr></TBODY></TABLE>
由上述實施例可知，符合本發明的SFC膠結砌塊的實施例，相較於比較例而言，其吸水率低且抗壓強度高，故依CNS 382歸類為一級磚，可作為營建材料使用。
綜上所述，本發明的SFC膠結砌塊具有優異的工程性質，有成為新型綠建材之能力。故將SFC無水泥膠結粉料製成SFC膠結砌塊時，相較於傳統燒磚、水泥製磚而言，可以大量減少二氧化碳產生，並增加CFBC副產石灰的應用範圍。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
1‧‧‧SFC膠結砌塊組成物
10‧‧‧鋼模
12‧‧‧凹槽
14‧‧‧固定器
20‧‧‧凸塊
30‧‧‧下板
40‧‧‧上板
50‧‧‧支柱
52‧‧‧油壓彈簧
100‧‧‧模具
D‧‧‧下壓量
圖1是本案的SFC膠結砌塊的製造方法中所使用的模具的側視圖。 圖2是本案的SFC膠結砌塊的抗壓強度與密度的關係圖。 圖3是本案的SFC膠結砌塊的密度與吸水率的關係圖。
Claims (9)
- 一種SFC膠結砌塊，由下列成份組成：無水泥SFC膠結粉料；以及水，其中，所述無水泥SFC膠結粉料由下列成份組成：爐石粉；F級飛灰；以及CFBC灰。
- 如申請專利範圍第1項所述的SFC膠結砌塊，其中基於所述無水泥SFC膠結粉料的總重量為100重量%，所述爐石粉的含量為45重量%至70重量%；所述F級飛灰的含量為10重量%至30重量%；所述CFBC灰的含量為15重量%至25重量%。
- 如申請專利範圍第1項所述的SFC膠結砌塊，其中所述SFC膠結砌塊未經過加熱燒結。
- 如申請專利範圍第1項所述的SFC膠結砌塊，其中所述SFC膠結砌塊的密度範圍為1.5g/cm3至1.9g/cm3。
- 如申請專利範圍第1項所述的SFC膠結砌塊，其中所述SFC膠結砌塊的抗壓強度與密度之間的關係符合下述式(1)：Y=a(74.25X-103.21) 式(1)式(1)中，X為所述SFC膠結砌塊的密度；Y為所述SFC膠結砌塊的抗壓強度；a表示0.9至1.1之間的常數。
- 如申請專利範圍第1項所述的SFC膠結砌塊，其中所述SFC膠結砌塊的吸水率與密度之間的關係符合下述式(2)：Z=a(-28.41X+61.01) 式(2)式(2)中，X為所述SFC膠結砌塊的密度；Z為所述SFC膠結砌塊的吸水率；a表示0.9至1.1之間的常數。
- 一種SFC膠結砌塊的製造方法，製造如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述的SFC膠結砌塊，包括下列步驟：混合步驟，加水攪拌無水泥SFC膠結粉料，以形成SFC膠結砌塊組成物；以及加壓步驟，將所述SFC膠結砌塊組成物置於模具中，並對所述SFC膠結砌塊組成物施加壓力，以製成SFC膠結砌塊。
- 一種SFC膠結砌塊的製造方法，製造如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述的SFC膠結砌塊，包括下列步驟：混合步驟，加水攪拌無水泥SFC膠結粉料，以形成SFC膠結砌塊組成物；以及硬固步驟，將所述SFC膠結砌塊組成物置於模具中，使所述SFC膠結砌塊組成物硬固，以製成SFC膠結砌塊。
- 如申請專利範圍第7項或第8項所述的SFC膠結砌塊的製造方法，其中不包括對所述SFC膠結砌塊組成物進行加熱燒結的步驟。
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