TWI675813B - 可安定化具膨脹特性資材的資源化方法 - Google Patents

可安定化具膨脹特性資材的資源化方法 Download PDF

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Ta-Wui Cheng
蔡志達
Chih-Ta Tsai
李韋皞
Wei-Hao Lee
吳佳正
Chia-Cheng Wu
許伯良
Bo-Liang Hsu
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Abstract

本發明可安定化具膨脹特性資材的資源化方法，備具有備料步驟、先行混合步驟及混合固化步驟，該備料步驟具有每一立方米中包含有：100~2500kgw/m 3之膨脹特性資材，150~1500kgw/m 3粉體材料用量，以及為該粉體材料重量百分比10%~100%之鹼性溶液，而前述該膨脹特性資材為未安定化處理具有遇水膨脹之特性且過#4號篩以下之材料(如煉鋼爐碴)；是以；當後續運用於膠結材料系統中時，能提供足量游離矽，使該游離矽與膨脹特性資材表面的游離氧化鈣、游離氧化鎂反應，而形成穩定的化合物；另當受外力造成破裂而當水分進入該膨脹特性資材時，水分會將材料中的矽溶解並帶入膨脹特性資材料中，使得該膨脹特性資材釋出的游離氧化鈣或游離氧化鎂反應成穩定的矽酸鈣或矽酸鎂，如此可有效抑制膨脹特性資材的膨脹效果。

Description

可安定化具膨脹特性資材的資源化方法
本發明是有關於一種可安定化具膨脹特性資材的資源化方法。
膨脹特性資材粒料大多含有游離氧化鈣、游離氧化鎂成分，遇水反應後會產生大量體積膨脹，使得資源化途徑受阻，其中最大宗來源為煉鋼廠之煉鋼爐碴。
煉鋼一般分為一貫作業煉鋼及電爐煉鋼二大部份，一貫作業煉鋼廠在轉爐煉鋼過程中，透過通入純氧去除鋼水之含碳、矽，並加入其他調整成分，在出鋼之前添加過量之生石灰去除雜質，過程中生石灰因其多孔特性會吸附雜質結合形成轉爐石，會懸浮於鋼水上，最後分離轉爐石及鋼水，藉此達到去除雜質，純化鋼水之效果；而電爐煉鋼均為批次作業，冶煉過程依其化學反應分成三個階段，分別為熔解期、氧化期及還原期；將廢鐵、廢鋼在初步分類、稱重後加料，使廢鐵原料熔解成液態鋼水，為加速熔解，另通入高壓氧氣以加速氧化作用，此時生成氧化碴，因鋼液中含氧量過高，因此加入大量石灰石、碳粉等副料，使其與氧化物反應產生還原碴。
一貫煉鋼作業煉鋼廠平均每生產一噸鋼鐵，約產出105公斤之轉爐石，而一般電弧爐煉鋼，平均生產1噸粗鋼約產生100~200公斤之電爐碴，而電弧爐爐碴中，其氧化碴及還原碴之比例約為10：1.2，因此轉爐石每年的產量約為一百多萬公噸；而電弧爐爐碴中每年約產出一百多萬噸的氧化碴及約十多萬噸之碳鋼還原碴，如此龐大的爐碴產量僅少部分再利用外，其他均未能有效利用，再利用上最大的問題在於其產出時添加之過量游離氧化鈣，遇水氣則會導致上述三種煉鋼爐碴緩慢反應形成氫氧化鈣或碳酸鈣，導致體積膨脹，造成工程應用上困難，阻礙其資源化途徑。
為使煉鋼爐碴達到工程所需之粒料要求，近年來煉鋼爐碴安定化之方法，及提高其穩定性之處理技術計有水淬法、氣碎法、餘熱自解法、熱潑法、淺盤潑法、快速處理法、改質法等，但各方法均普遍存在高成本、高耗時、低效率等問題，且無法有效完全抑制煉鋼爐碴的膨脹行為，而殘存之膨脹特性造成工程應用上困難，阻礙其資源化途徑。
因此，本發明之目的，是在提供一種可安定化具膨脹特性資材的資源化方法，其能有效防止因膨脹特性資材釋放出游離氧化鈣或游離氧化鎂所造成的體積膨脹之情事。
於是，本發明可安定化具膨脹特性資材的資源化方法，其備具有備料步驟、先行混合步驟及混合固化步驟；其中，該備料步驟具有於每一立方米中包含有：100~2500kgw/m 3之膨脹特性資材，150~1500kgw/m 3粉體材料用量，以及為該粉體材料重量百分比10%~100%之鹼性溶液，而前述該膨脹特性資材為未安定化處理且過#4號篩（粒徑為4.75mm以下），並含有游離氧化鈣或游離氧化鎂而有遇水膨脹特性的材料（如煉鋼爐碴），而該粉體材料為富含可溶性矽及鋁鹽類之礦物或廢棄物粉末；另，該先行混合步驟係將該鹼性溶液將粉體材料混合，使該鹼性溶液將該粉體材料表面之矽、鋁離子溶出，形成鋁矽酸鹽聚合膠體；最後，該混合固化步驟係將該鋁矽酸鹽聚合膠體，再與該膨脹特性資材相互混合後，藉以產生縮聚作用達到固化效果，因此前述膠結材料系統中的游離矽先與該膨脹特性資材表面的游離CaO 或MgO反應，而形成穩定的化合物；另外，當外力造成該膨脹特性資材破裂，或當水分進入該膨脹特性資材中時，會將材料中的矽溶解並帶入該膨脹特性資材中，再與該膨脹特性資材內部或破裂而釋出的游離CaO 或MgO 反應成穩定的矽酸鈣或矽酸鎂(此反應有點類似滲透結晶防水材料的機制)，如此可有效抑制該膨脹特性資材的膨脹行為，進而達到穩定化。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的明白。
參閱圖1，本發明第一較佳實施例，本發明可安定化具膨脹特性資材的資源化方法，其備具有備料步驟、先行混合步驟及混合固化步驟；其中，該備料步驟備具有於每一立方米中包含有：100~2500kgw/m3之膨脹特性資材，150~1500kgw/m3粉體材料用量，以及為該粉體材料重量百分比10%~100%之鹼性溶液；其中，該膨脹特性資材為未安定化處理且過#4號篩(粒徑為4.75mm)，並含有游離氧化鈣、游離氧化鎂等，而有遇水膨脹特性的材料，而該膨脹特性資材可為煉鋼爐碴(如轉爐石細粒料及脫硫碴等)，而本實施例以下該膨脹特性資材將以煉鋼爐碴進行說明；另，該粉體材料為富含可溶性矽及鋁鹽類之礦物或廢棄物粉末，例如變高嶺石、燃煤飛灰、水淬高爐爐碴、廢玻璃、石英、高嶺石；至於，該鹼性溶液可為鹼金屬氫氧化物水溶液或鹼金屬矽酸鹽水溶液，該鹼金屬氫氧化物水溶液或鹼金屬矽酸鹽水溶液濃度為1M~16M，而該鹼金屬氧化物水溶液可為NaOH之水溶液，而調配其成分為SiO2/Al2O3為5~100莫耳比；SiO2/Na2O為0.5~2.0莫耳比。
仍續前述，該先行混合步驟係先將該鹼性溶液將粉體材料混合，使該鹼性溶液將該粉體材料表面之矽、鋁離子溶出，形成鋁矽酸鹽聚合膠體，最後該混合固化步驟係將該鋁矽酸鹽聚合膠體再與該膨脹特性資材相互混合後，藉以產生縮聚作用達到固化效 果；因此，能在常溫膠結材料的系統中提供足量的游離矽，此游離矽首先將與煉鋼爐碴細粒料表面的游離CaO或MgO反應，而形成穩定的化合物。
再者，當材料因外力造成煉鋼爐碴細粒料破裂，或當水分進入煉鋼爐碴細粒料中時，會將材料中的矽溶解並帶入煉鋼爐碴細粒料中，再使內部或破裂而釋出的游離CaO或MgO反應成穩定的矽酸鈣或矽酸鎂，如此可有效防止因煉鋼爐碴細粒料釋放出游離氧化鈣或游離氧化鎂所造成的體積膨脹之情事；最終將煉鋼爐碴細粒料資源化作為砂漿、高壓地磚、植草磚等建材外，甚至可以做成固化相關文創商品，皆能有效避免使用後續產生膨脹破碎之事。
實驗例1
本實施例中，該膨脹特性資材係以採用未安定化處理之轉爐石細粒料(小於4號篩)為實驗說明，且該轉爐石細粒料用量為800~1600kgw/m3，分別於水泥漿體及本發明膠結材料系統中進行混拌，其中水泥系統之配比為灰/砂比=1/2.75、水/灰比=0.4，而本發明膠結材系統配比則為灰(粉體材料)/砂(轉爐石細粒料)比=1/1~2.75、鹼液濃度6M、SiO2/Na2O=1.28、SiO2/Al2O3=50，其實驗相關配比如表1：
仍續前述，混拌均勻後灌入Φ5x10 cm 的圓柱模具中，1 天後脫模，在適當的養護齡期後進行高壓蒸煮試驗，並觀察膨脹的情形。試體熱壓膨脹試驗係參考CNS1258 規範，放入壓力蒸鍋中（試樣避免浸入水中），加熱至約215±1.7℃，此時鍋內壓力應為2000±50KPa，維持此狀態3 小時後，開始降溫解壓。
參閱圖2所示為新鮮未安定化處理之轉爐石細粒料在水泥系統中經高壓蒸煮前後之試體情形，很明顯的試體完全崩解，顯示轉爐石細粒料膨脹的嚴重性；惟當新鮮未安定化處理之轉爐石細粒料在本發明膠結材料系統中時，經高壓蒸煮後除試體完整外 (圖3)，長度膨脹量亦低於0.1%，符合各種相關規範；此結果亦顯示本發明可有效抑制煉鋼爐碴細粒料的膨脹行為。
在強度發展方面，傳統水泥系統試體在養護28天後抗壓強度僅有250kgf/cm 2，本發明膠結材系統試體抗壓強度則可高達350kgf/cm 2以上，足見本發明之高性能，以及產品具有市場競爭力；此外，將不同試體經研磨後進行X光繞射分析儀(XRD)分析，圖4之結果顯示，未經過本技術處理之樣品(WG0%)中顯著含有具膨脹性之游離氧化鈣(C)，經本技術處理後之樣品 (WG10%與WG20%)則無，且轉換成安定之矽酸鈣(S)，確實能證明本發明能消除游離氧化鈣之功效。
實驗例2：
本發明可安定化具膨脹特性資材的資源化方法，其可搭配冷壓資源化技術，亦可安定化煉鋼爐碴細粒料，將其資源化作為高壓地磚，避免使用後續產生膨脹之事，而本實施例中，該膨脹特性資材係以轉爐石細粒料為說明，其配比為灰(粉體材料)/砂(轉爐石細粒料)比=1/3~1/5，鹼液濃度為4~12M、SiO 2/Na 2O=1.28、SiO 2/Al 2O 3=50，該膨脹特性資材用量為1700~2100kg/m 3，其如表2： 表2 煉鋼爐碴細粒料冷壓型高壓地磚配比
鹼液濃度 鹼性溶液/粉體材料 灰砂比
4 M 0.50 1：3.447
6 M 0.50 1：3.394
8 M 0.50 1：3.356
12 M 0.50 1：4.094
12 M 0.55 1：4.628
12 M 0.65 1：5.042
而所製作之高壓地磚成品如圖5所示，其中鹼性溶液濃度6、8 M的煉鋼爐碴細粒料冷壓型高壓地磚，齡期3天時，即可符合CNS國家標準A級抗壓強度（抗壓強度平均值應在65 MPa以上，且不得有任一試樣測試值低於59 MPa）之要求；鹼性溶液濃度4 M的煉鋼爐碴細粒料冷壓型高壓地磚，製作完成靜置24小時後（齡期1天）的抗壓強度，即可符合CNS國家標準C級抗壓強度（抗壓強度平均值應在45 MPa以上，且不得有任一試樣測試值低於40 MPa）之要求，齡期3天時，即可符合CNS國家標準B級抗壓強度（抗壓強度平均值應在50 MPa以上，且不得有任一試樣測試值低於45 MPa）之要求，齡期7天時，亦可符合CNS國家標準A級抗壓強度之要求；耐磨性能：厚度磨耗平均值可小於3.00mm，磨耗體積損失可小於15.00 cm 3/50cm 2；熱壓膨脹試驗結果，長度變化率小於0.8%；煉鋼爐碴細粒料冷壓型高壓地磚，烘乾狀態（OD）比重介於2.44~2.57之間；面乾內飽和狀態（SSD）比重介於2.51~2.61之間；吸水率均低於4.10 %；再者，本實施例中亦可資源化將外型變化做成植草磚等有特定功效使用，或者相關文創商品(如裝飾、藝術品)等外觀變化等；是以，該煉鋼爐碴再不需經過事先安定化之處理，即可進行使用，且能有效將該煉鋼爐碴資源化，並能避免使用後續產生膨脹而造成碎裂或損壞之情事，確保成品之穩定度。
歸納前述，本發明可安定化具膨脹特性資材的資源化方法，其將未經處理安定化之膨脹特性資材，經過#4號篩（4.75mm）以下過篩後，即可直接用於本發明之膠結材料系統中，該粉體材料與鹼性溶液，能提供足量游離矽，使該游離矽與膨脹特性資材表面的游離CaO 或MgO反應，而形成穩定的化合物，並且凝結成一固化物後；當後續使用過程中，當該固化物受外力造成破裂時，當水分進入膨脹特性資材中時，會將材料中的矽溶解並帶入膨脹特性資材中，再與膨脹特性資材內部或破裂而釋出的游離CaO 或MgO 反應成穩定的矽酸鈣或矽酸鎂(此反應有點類似滲透結晶防水材料的機制)，藉以有效防止及抑制該膨脹特性資材的膨脹行為之功效。
惟以上所述者，僅為說明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，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
[本發明] 無
圖1 本發明一較佳實施例之流程方塊圖。 圖2於習知水泥系統中使用未安定化處理之轉爐石時，經高壓蒸煮前後試體膨脹情形。 圖3於本發明膠結材料系統中使用未安定化處理之轉爐石時，經高壓蒸煮前後試體膨脹情形。 圖4未經本技術處理(WG0%)與經本技術處理(WG10%與WG20%)之試體樣品X光繞射分析結果 圖5本發明第二較佳實施例用於冷壓型高壓地磚之使用狀態。

Claims (3)

  1. 一種可安定化具膨脹特性資材的資源化方法，其備具有備料步驟、先行混合步驟及混合固化步驟；其中，該備料步驟具有於每一立方米中包含有：100~2500kgw/m3之膨脹特性資材，150~1500kgw/m3之粉體材料，以及為該粉體材料重量百分比10%~100%之鹼性溶液，而前述該膨脹特性資材為未安定化處理為含有游離氧化鈣或游離氧化鎂，而有遇水膨脹特性且過#4號篩以下之材料，而該鹼性溶液為鹼金屬氫氧化物水溶液，而該鹼金屬氧化物水溶液為濃度為1M~16M之NaOH之水溶液，並將該鹼劑藥劑中成份調配成莫耳比SiO2/Al2O3為5~100，而該SiO2/Na2O莫耳比為0.5~2.0；另，該先行混合步驟係將該粉體材料為富含可溶性矽及鋁鹽類之礦物或廢棄物粉末，先將該鹼性溶液將粉體材料混合，使該鹼性溶液將該粉體材料表面之矽、鋁離子溶出，形成鋁矽酸鹽聚合膠體，並產生游離矽；最後，該混合固化步驟係將該鋁矽酸鹽聚合膠體再與該膨脹特性資材相互混合後，藉以產生縮聚作用達到固化效果，同時該游離矽將與該膨脹特性資材表面的游離CaO或MgO反應，形成穩定的化合物。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述可安定化具膨脹特性資材的資源化方法，其中，該膨脹特性資材為煉鋼爐碴。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述可安定化具膨脹特性資材的資源化方法；其中，該粉體材料為變高嶺石、燃煤飛灰、水淬高爐爐碴、廢玻璃、石英、高嶺石。
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