TWI682916B - 膠結材、砂漿固化物的製造方法及藉由其所形成的砂漿固化物 - Google Patents

膠結材、砂漿固化物的製造方法及藉由其所形成的砂漿固化物 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種膠結材、砂漿固化物的製造方法及藉由其所形成的砂漿固化物。本發明的膠結材的製造方法的步驟如下所述。提供煉鋼爐渣。將煉鋼爐渣浸泡在水中，以使水形成鹼性溶液。將鹼性溶液與煉鋼爐渣分離。在鹼性溶液中加入玻璃粉末，以形成膠結溶液。固化膠結溶液，以形成膠結材。

Description

膠結材、砂漿固化物的製造方法及藉由其所形成的砂漿固化物
本發明是有關於一種混凝土材料及其製造方法，且特別是有關於一種膠結材、砂漿固化物的製造方法及藉由其所形成的砂漿固化物。
煉鋼爐渣為煉製鋼鐵時所產生的副產物，其形成的方式為煉鋼原料在高爐裡經熔煉後，產生的雜質經過氧化與金屬分離或燃燒後所形成的渣滓等，然而，若不對煉鋼爐渣加以回收再利用，不僅會讓煉鋼業者需額外負擔處理煉鋼爐渣的費用，也會造成環境的負擔。
早期為藉由掩埋的方式來處理煉鋼爐渣，然而，其會使環境受到煉鋼爐渣中的重金屬的汙染。而隨著工業技術的發展，煉鋼爐渣可經安定化處理(stabilizing treatment)後再將其添加於各式建築物的土木材料中，然而，煉鋼爐渣在吸水或接觸空氣中的二氧 化碳之後，其會膨脹而因此使建築物的結構強度降低，使得煉鋼爐渣回收再利用的範圍受到限制。因此，目前急需提供一種煉鋼爐渣之處理方法，以徹底解決習知技術中處理煉鋼爐渣的缺陷，以提升其產業利用性。
本發明提供一種膠結材的製造方法，其包括下列步驟：提供煉鋼爐渣；將煉鋼爐渣浸泡在水中，以使水形成鹼性溶液；將鹼性溶液與煉鋼爐渣分離；在鹼性溶液中加入玻璃粉末，以形成膠結溶液；以及固化膠結溶液，以形成膠結材。
本發明提供一種砂漿固化物的製造方法，其包括下列步驟：提供煉鋼爐渣；將煉鋼爐渣浸泡在水中，以使水形成鹼性溶液；於含煉鋼爐渣的鹼性溶液中加入玻璃粉末並攪拌，以形成砂漿；以及固化砂漿，以形成砂漿固化物。
本發明提供另一種砂漿固化物的製造方法，其包括下列步驟：提供煉鋼爐渣；將煉鋼爐渣浸泡在水中，以使水形成鹼性溶液；將鹼性溶液與煉鋼爐渣分離；於鹼性溶液中加入玻璃粉末及細粒料並攪拌，以形成砂漿；以及固化砂漿，以形成砂漿固化物。
本發明提供一種砂漿固化物，其包括10~50wt%的煉鋼爐渣以及50~90wt%的上述的膠結材。
基於上述，本發明的膠結材及砂漿固化物的製造方法將煉鋼爐渣及廢棄玻璃作為形成膠結材的原料之一，除可將煉鋼爐 渣及廢棄玻璃回收再利用外，亦可使處理煉鋼爐渣及廢棄玻璃所需的成本與形成膠結材及砂漿固化物的原料成本降低。另外，本發明藉由將煉鋼爐渣浸泡在水中以形成鹼性溶液，藉由鹼性溶液中的氫氧根離子與玻璃粉末進行反應，因此，可不需額外購買鹼金屬或鹼土金屬之氫氧化物及矽酸鈉等來自備鹼性溶液，而使形成膠結材及砂漿固化物的原料成本降低。
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。
S100、S110、S120、S130、S140、S200、S210、S220、S230、S300、S310、S320、S330、S340‧‧‧步驟
圖1為本發明的一實施例的膠結材的製造方法的步驟流程圖。
圖2為本發明的第一實施例的砂漿固化物的製造方法的步驟流程圖。
圖3為本發明的第二實施例的砂漿固化物的製造方法的步驟流程圖。
圖4為本發明的在膠結溶液經攪拌的溫度為80℃以及其攪拌時間為15min的情況下，膠結材中的轉爐石的含量以及膠結材的抗壓強度的關係曲線圖。
圖5為本發明的在砂漿經固化的溫度為60℃以及轉爐石與玻璃粉末(BOF/GL)的重量比例為1：1的情況下，第一實施例的砂漿固化物分別在放置於空氣中0天、7天、28天的抗壓強度與 固化時間的關係曲線圖。
圖1為本發明的一實施例的膠結材的製造方法的步驟流程圖。
請參照圖1，在步驟S100中，提供煉鋼爐渣。煉鋼爐渣的來源主要為在煉鋼時產生的副產品，舉例來說，煉鋼爐渣可包括轉爐石(basic-oxygen-furnace slag；BOF)或電弧爐渣(electric-arc-furnace slag；EAF)等。在本實施例中，煉鋼爐渣可為轉爐石或電弧爐渣。由於煉鋼爐渣可作為後續形成砂漿或混凝土中的細粒料之用途來使用，因此煉鋼爐渣的粒徑會接近一般土木領域裡常用的細粒料的粒徑。在本實施例中，煉鋼爐渣的粒徑小於4.75mm。
接著，在步驟S110中，將煉鋼爐渣浸泡在水中，以使水形成鹼性溶液。由於煉鋼爐渣含有大量來自於煉鋼時添加的石灰石中的游離氧化鈣(free-CaO)，因此，當將煉鋼爐渣浸泡在水中時，游離氧化鈣溶於水而形成氫氧化鈣，並於水中解離出氫氧根離子，使得水的pH值上升而形成鹼性溶液。煉鋼爐渣的浸泡溫度會影響氫氧化鈣於水中解離出的氫氧根離子的量，如表1所示，當煉鋼爐渣的浸泡溫度越低時，氫氧化鈣於水中解離出的氫氧根離子的量越多，而使鹼性溶液的pH值越高。在本實施例中，煉鋼爐渣於水中的浸泡溫度為0℃~90℃，較佳為0℃~25℃，更佳為接近0℃。在本實施例中，鹼性溶液的pH值範圍為11~13。本實施例 藉由將煉鋼爐渣浸泡在水中使水形成鹼性溶液，不需額外購買鹼金屬或鹼土金屬之氫氧化物及矽酸鈉等來自備鹼性溶液，因此可降低所需的原料成本。
Figure 105129807-A0305-02-0007-1
另外，鹼性溶液中的水與煉鋼爐渣的重量比例也會影響鹼性溶液的pH值，在本實施例中，煉鋼爐渣可為轉爐石或電弧爐渣，因此，於此處以水與轉爐石(W/BOF)的重量比例為例。如表2所示，當W/BOF越小，意即鹼性溶液中的轉爐石越多，而使鹼性溶液含有較多的氫氧化鈣，因此，鹼性溶液中的pH值越高；相對地，當W/BOF越大，意即鹼性溶液中的轉爐石越少，而使鹼性溶液含有較少的氫氧化鈣，因此，鹼性溶液中的pH值越低。在本實施例中，W/BOF的範圍為0.25~2.0。W/BOF在此範圍內時，可確保鹼性溶液中含有足夠的氫氧根離子。
Figure 105129807-A0305-02-0008-2
再來，在步驟S120中，將鹼性溶液與煉鋼爐渣分離。當煉鋼爐渣於水中浸泡一定時間後，氫氧化鈣於水中解離出的氫氧根離子的量已達飽和，意即，鹼性溶液的pH值已達平衡。在本實施例中，煉鋼爐渣於水中的浸泡時間為1~48小時，較佳為12~48小時，更佳為24小時。當鹼性溶液的pH值達平衡時，可將煉鋼爐渣自鹼性溶液中分離出。將煉鋼爐渣自鹼性溶液中分離出的方法可例如是藉由濾網過濾出鹼性溶液中的煉鋼爐渣，但於本實施例中其並沒有特別的限制。
之後，在步驟S130中，在鹼性溶液中加入玻璃粉末並攪拌，以形成膠結溶液。玻璃粉末的來源可來自廢棄玻璃，舉例來說，玻璃粉末可從各種種類的廢棄玻璃容器、廢棄玻璃基板等中取得，但本實施例不以此為限，意即，其他非廢棄玻璃也可作為本實施例中玻璃粉末的來源。在本實施例中，玻璃粉末可由將廢棄玻璃粉碎 後取得。當於鹼性溶液中加入玻璃粉末時，鹼性溶液中的氫氧根離子會與玻璃粉末進行“鹼激發反應”，以產生類似水泥漿體的膠結溶液。上述的“鹼激發反應”為藉由氫氧根離子解離玻璃粉末的矽酸鹽結構體，且玻璃粉末經解離後的物質會再重新鍵結組構。在本實施例中，玻璃粉末的比表面積為3000~20000cm2/g，較佳為3500~15000cm2/g，更佳為4000~10000cm2/g。玻璃粉末的比表面積在此範圍內時，由於玻璃粉末的細度足夠小，因此可提升進行“鹼激發反應”之反應速率。在本實施例中，於鹼性溶液中加入玻璃粉末的攪拌時間為10~180分，較佳為30~60分，更佳為30分。在本實施例中，於鹼性溶液中加入玻璃粉末的攪拌溫度為30℃~80℃，較佳為30℃~50℃，更佳為30℃。
最後，在步驟S140中，固化膠結溶液，以形成膠結材。在膠結溶液經固化的過程中，膠結溶液逐漸失去可塑性而變成不具有流動性的狀態，之後膠結溶液的強度將雖著時間的推移而逐漸地增加，最後變成具有高抗壓強度的膠結材。在本實施例中，膠結溶液經固化的時間為1~14天，較佳為2~10天，更佳為5天。在本實施例中，膠結溶液經固化的溫度為40℃~95℃，較佳為60℃~90℃，更佳為80℃。膠結溶液經固化的溫度為上述溫度時可使經固化後之膠結材具有高的抗壓強度。當膠結溶液經固化的溫度小於40C時，膠結溶液經固化成膠結材的時間將會較長，甚至膠結溶液將無法固化成膠結材；當膠結溶液經固化的溫度大於95℃時，膠結溶液經固化成膠結材的時間雖然可縮短，但膠結材 的抗壓強度將由於不充足的固化時間而使得其抗壓強度較低。
另外，膠結溶液中的煉鋼爐渣與玻璃粉末的重量比例會影響膠結溶液經固化後形成膠結材的抗壓強度，在本實施例中，煉鋼爐渣可為轉爐石或電弧爐渣，因此，於此處以膠結材中的轉爐石的含量為例。如圖4及表3所示，在膠結溶液經固化的溫度為80℃以及其固化時間為15min的情況下，當膠結材中的轉爐石的含量的範圍為10%~70%時，膠結材可具有高的抗壓強度。由於本發明的目的為消耗大量的煉鋼爐渣，因此，膠結材中的轉爐石的含量的範圍較佳為20%~50%，更佳為接近50%。
Figure 105129807-A0305-02-0010-3
本實施例中的膠結材的製造方法將煉鋼爐渣及廢棄玻璃作為形成膠結材的原料之一，除可將煉鋼爐渣及廢棄玻璃回收再利用外，亦可使處理煉鋼爐渣及廢棄玻璃所需的成本與形成膠結材的原料成本降低。另外，本實施例藉由將煉鋼爐渣浸泡在水中產生氫氧根離子，以使氫氧根離子與玻璃粉末進行“鹼激發反應”，由於玻璃粉末在pH值>11的鹼性溶液下即可進行“鹼激發反應”，本實施例藉由控制煉鋼爐渣於鹼性溶液中的浸泡溫度，可確保鹼性溶液的pH值>11，因此，可不需額外購買鹼金屬或鹼土金屬之氫氧化物及矽酸鈉等來自備鹼性溶液，而使形成膠結材的原料成本降低。
圖2為本發明的第一實施例的砂漿固化物的製造方法的步驟流程圖。
請參照圖2，步驟S200、S210分別與圖1所示的步驟S100、S110相同，因此以下不再贅述。
請繼續參照圖2，在步驟S220中，於鹼性溶液中加入玻璃粉末並攪拌，以形成砂漿。當於鹼性溶液中加入玻璃粉末時，鹼性溶液中的氫氧根離子會與玻璃粉末進行“鹼激發反應”，以於鹼性溶液中產生膠結體，而膠結體之後會與鹼性溶液中的煉鋼爐渣混合以形成砂漿。玻璃粉末的來源、種類及其比表面積的範圍已記述於上述膠結材的製造方法的實例中，因此不再贅述。在本實施例中，於鹼性溶液中加入玻璃粉末的攪拌時間為5分以上，較佳為20分以上，更佳為30分以上。
最後，在步驟S230中，固化砂漿，以形成砂漿固化物。在砂漿經固化的過程中，砂漿逐漸失去可塑性而變成不具有流動性的狀態，之後砂漿的強度將隨著時間的推移而逐漸地增加，最後變成具有高抗壓強度的砂漿固化物。在本實施例中，砂漿經固化的時間為2~8天，較佳為4~7天，更佳為6天。在本實施例中，砂漿經固化的溫度為30℃~80℃，較佳為60℃~70℃，更佳為60℃。砂漿經固化的溫度為上述溫度時可使經固化後之砂漿固化物具有高的抗壓強度。當砂漿經固化的溫度小於30℃時，砂漿經固化成砂漿固化物的時間將會較長，甚至砂漿將無法固化成砂漿固化物；當砂漿經固化的溫度大於80℃時，砂漿經固化成砂漿固化物的時間雖然可縮短，但砂漿固化物的抗壓強度將由於不充足的固化時間而使得其抗壓強度較低。
本實施例中的砂漿固化物的製造方法由於與上述的膠結材的製造方法的實施例皆將煉鋼爐渣及廢棄玻璃作為原料，因此，可使處理煉鋼爐渣及廢棄玻璃所需的成本以及形成砂漿固化物的原料成本降低。另外，本實施例也使煉鋼爐渣浸泡在水中以產生氫氧根離子，並藉由控制煉鋼爐渣於鹼性溶液中的浸泡溫度，確保鹼性溶液的pH值>11，因此，可不需額外購買鹼金屬或鹼土金屬之氫氧化物及矽酸鈉等來自備鹼性溶液，而使形成砂漿固化物的原料成本降低。
圖3為本發明的第二實施例的砂漿固化物的製造方法的步驟流程圖。
請參照圖3，步驟S300、S310、S320分別與圖1所示的步驟S100、S110、S120相同，因此以下不再贅述。
請繼續參照圖3，在步驟S330中，於鹼性溶液中加入玻璃粉末及細粒料並攪拌，以形成砂漿。當於鹼性溶液中加入玻璃粉末時，鹼性溶液中的氫氧根離子會與玻璃粉末進行“鹼激發反應”，以於鹼性溶液中產生膠結體，而膠結體之後會與鹼性溶液中的細粒料混合以形成砂漿。細粒料可例如是細砂、粒徑較小的石頭等，但在本實施例中不以此為限。在本實施例中，細粒料的粒徑小於4.75mm。而玻璃粉末的來源、種類及其比表面積的範圍已記述於上述膠結材的製造方法的實例中，因此不再贅述。在本實施例中，於鹼性溶液中加入玻璃粉末及細粒料的攪拌時間為5分以上，較佳為20分以上，更佳為30分以上。
最後，在步驟S340中，固化砂漿，以形成砂漿固化物。在本實施例中，砂漿經固化的時間為2~8天，較佳為4~7天，更佳為6天。在本實施例中，砂漿經固化的溫度為30℃~80℃，較佳為60℃~70℃，更佳為60℃。砂漿經固化的溫度為上述溫度時可使經固化後之砂漿固化物具有高的抗壓強度。當砂漿經固化的溫度小於30℃時，砂漿經固化成砂漿固化物的時間將會較長，甚至砂漿將無法固化成砂漿固化物；當砂漿經固化的溫度大於80℃時，砂漿經固化成砂漿固化物的時間雖然可縮短，但砂漿固化物的抗壓強度將由於不充足的固化時間而使得其抗壓強度較低。
本實施例中的砂漿固化物的製造方法由於與上述的膠結 材的製造方法的實施例皆將煉鋼爐渣及廢棄玻璃作為原料，因此，可使處理煉鋼爐渣及廢棄玻璃所需的成本以及形成砂漿固化物的原料成本降低。另外，本實施例也使煉鋼爐渣浸泡在水中以產生氫氧根離子，並藉由控制煉鋼爐渣於鹼性溶液中的浸泡溫度，確保鹼性溶液的pH值>11，因此，可不需額外購買鹼金屬或鹼土金屬之氫氧化物及矽酸鈉等來自備鹼性溶液，而使形成砂漿固化物的原料成本降低。
圖5為本發明的在砂漿經固化的溫度為60℃以及轉爐石與玻璃粉末(BOF/GL)的重量比例為1：1的情況下，第一實施例的砂漿固化物分別在放置於空氣中0天、7天、28天的抗壓強度與固化時間的關係曲線圖。
請參照圖5，在第一實施例的砂漿固化物的固化時間經過2天後，砂漿固化物的抗壓強度開始隨著固化時間而顯著地上升，且在砂漿固化物的固化時間經過5天後，砂漿固化物的抗壓強度無論是在放置於空氣中0天、7天或28天的情況下皆超過30MPa。意即，僅管第一實施例的砂漿固化物中包括煉鋼爐渣，與一般土木業常用的砂漿固化物相比，其仍具有相當的抗壓強度。
綜上所述，本發明的膠結材及砂漿固化物的製造方法將煉鋼爐渣及廢棄玻璃作為形成膠結材的原料之一，除可將煉鋼爐渣及廢棄玻璃回收再利用外，亦可使處理煉鋼爐渣及廢棄玻璃所需的成本與形成膠結材及砂漿固化物的原料成本降低。另外，本發明藉由將煉鋼爐渣浸泡在水中以形成鹼性溶液，藉由鹼性溶液中 的氫氧根離子與玻璃粉末進行反應，並藉由控制煉鋼爐渣於鹼性溶液中的浸泡溫度，確保鹼性溶液的pH值>11，因此，可不需額外購買鹼金屬或鹼土金屬之氫氧化物及矽酸鈉等來自備鹼性溶液，而使形成膠結材及砂漿固化物的原料成本降低。
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。
S100、S110、S120、S130、S140、S200、S210、S220、S230、S300、S310、S320、S330、S340‧‧‧步驟

Claims (20)

  1. 一種膠結材的製造方法，其包括下列步驟：提供煉鋼爐渣；將所述煉鋼爐渣浸泡在水中，以使水形成鹼性溶液，其中所述煉鋼爐渣於水中的浸泡溫度為0℃~90℃，浸泡時間為1~48小時；將所述鹼性溶液與所述煉鋼爐渣分離；在所述鹼性溶液中加入玻璃粉末並攪拌，以形成膠結溶液；以及固化所述膠結溶液，以形成膠結材。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的膠結材的製造方法，其中所述煉鋼爐渣包括轉爐石或電弧爐渣。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的膠結材的製造方法，其中在將所述煉鋼爐渣浸泡在水的步驟中，水(W)與所述轉爐石(BOF)的重量比例(W/BOF)為0.25~2.0。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的膠結材的製造方法，其中所述玻璃粉末的比表面積為3000~20000cm2/g。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的膠結材的製造方法，其中在將所述煉鋼爐渣浸泡在水的步驟中，將所述鹼性溶液的溫度調整至0℃~90℃，且在固化所述膠結溶液的步驟中，將所述膠結溶液的溫度調整至40℃~95℃。
  6. 一種砂漿固化物的製造方法，其包括下列步驟： 提供煉鋼爐渣；將所述煉鋼爐渣浸泡在水中，以使水形成鹼性溶液，其中所述煉鋼爐渣於水中的浸泡溫度為0℃~90℃，浸泡時間為1~48小時；於含所述煉鋼爐渣的所述鹼性溶液中加入玻璃粉末並攪拌，以形成砂漿；以及固化所述砂漿，以形成砂漿固化物。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的砂漿固化物的製造方法，其中所述煉鋼爐渣包括轉爐石或電弧爐渣。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的砂漿固化物的製造方法，其中在將所述煉鋼爐渣浸泡在水的步驟中，水(W)與所述轉爐石(BOF)的重量比例(W/BOF)為0.25~2.0。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的砂漿固化物的製造方法，其中在於所述鹼性溶液中加入所述玻璃粉末並攪拌的步驟中，所述轉爐石(BOF)與所述玻璃粉末(GL)的重量比例(BOF/GL)為0.1~1.0。
  10. 如申請專利範圍第6項所述的砂漿固化物的製造方法，其中所述玻璃粉末的比表面積為3000~20000cm2/g。
  11. 如申請專利範圍第6項所述的砂漿固化物的製造方法，其中在將所述煉鋼爐渣浸泡在水的步驟中，將所述鹼性溶液的溫度調整至0℃~90℃，且在固化所述砂漿的步驟中，將所述砂漿的溫度調整至30℃~80℃。
  12. 一種砂漿固化物的製造方法，其包括下列步驟：提供煉鋼爐渣；將所述煉鋼爐渣浸泡在水中，以使水形成鹼性溶液，其中所述煉鋼爐渣於水中的浸泡溫度為0℃~90℃，浸泡時間為1~48小時；將所述鹼性溶液與所述煉鋼爐渣分離；於所述鹼性溶液中加入玻璃粉末及細粒料並攪拌，以形成砂漿；以及固化所述砂漿，以形成砂漿固化物。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的砂漿固化物的製造方法，其中所述煉鋼爐渣包括轉爐石或電弧爐渣。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的砂漿固化物的製造方法，其中在將所述煉鋼爐渣浸泡在水的步驟中，水(W)與所述轉爐石(BOF)的重量比例(W/BOF)為0.25~2.0。
  15. 如申請專利範圍第12項所述的砂漿固化物的製造方法，其中所述玻璃粉末的比表面積為3000~20000cm2/g。
  16. 如申請專利範圍第12項所述的砂漿固化物的製造方法，其中在將所述煉鋼爐渣浸泡在水的步驟中，將所述鹼性溶液的溫度調整至0℃~90℃，且在固化所述砂漿的步驟中，將所述砂漿的溫度調整至30℃~80℃。
  17. 一種砂漿固化物，其包括：10~50wt%的煉鋼爐渣；以及 50~90wt%的如申請專利範圍第1項所述的膠結材的製造方法形成的膠結材。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的砂漿固化物，其中所述煉鋼爐渣包括轉爐石或電弧爐渣。
  19. 如申請專利範圍第17項所述的砂漿固化物，其中所述煉鋼爐渣的粒徑小於4.75mm。
  20. 如申請專利範圍第17項所述的砂漿固化物，其中所述玻璃粉末的比表面積為3000~20000cm2/g。
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