TWI733968B

TWI733968B - 無機聚合水泥的製造方法

Info

Publication number: TWI733968B
Application number: TW106145398A
Authority: TW
Inventors: 王金鐘
Original assignee: 中禕機械工程興業有限公司
Priority date: 2017-12-22
Filing date: 2017-12-22
Publication date: 2021-07-21
Also published as: TW201927721A

Abstract

一種無機聚合水泥的製造方法包含以下步驟：步驟(A)取得一F級火力電廠飛灰及水淬爐石粉。步驟(B)是將該F級火力電廠飛灰及水淬爐石粉進行檢測。步驟(C)是將檢測合格的F級火力電廠飛灰與水淬爐石粉進行調配，其中，F級火力電廠飛灰的重量百分比為20%~80%，水淬爐石粉的重量百分比為20%~80%。步驟(D)是將步驟(C)的材料加入矽酸鈉與氫氧化鈉進行無機聚合水泥的混拌，其中，液膠比為0.4~0.6，含鹼當量為6%~10%及鹼模數比為1.0~2.0，製作成無機聚合物漿體。步驟(E)進行3~28天的養治作業，並進行各項檢測。

Description

無機聚合水泥的製造方法

本發明是有關於一種綠建材的製造方法，特別是指一種無機聚合水泥的製造方法。

隨著經濟的蓬勃發展，事業廢棄物日益增加，在這環保意識高漲的時代，如何處理日益增多的事業廢棄物，乃是當務之急，刻不容緩。

「電廠飛灰」為燃煤火力發電廠發電所產生之副產物，粉煤經鍋爐燃燒，約有80%的灰燼會隨著燃氣上升，當煙氣依照煙道流到靜電集塵器時，煙氣中全部的灰燼幾乎都被吸附下來，此部份的煤灰稱為「電廠飛灰」國內火力發電廠主要係以燃煤發電為主，每年產能約為200萬公噸，其成份中含大量SiO₂、Al₂O₃及Fe₂O₃等氧化物，環保署公告為可再生利用之材料。如何將電廠飛灰再利用率提高，解決高產量灰渣堆置問題，也是目前環境保護所必須面對的重要議題。

另外，水泥工業所產生的二氧化碳，影響地球暖化甚鉅，據統計生產1噸水泥約排放1噸二氧化碳到大氣中，加上製造水泥原料之「二磨一燒」過程，更促使空氣的污染使得地球變得更加灰暗，增加地球暖化效應。全球的水泥工業對於二氧化碳排放量的貢獻約為6%，也因此造成4%地球暖化效應。水泥所產生的溫室氣體排放量估計約有13.5億噸，約佔總溫室氣體排放量的7%。因此，有學者建議利用較少的自然資源開採，更少的能源損耗，以減少二氧化碳的排放。他指出，短期的努力可從「工業生態學」著手，長期的目標可以利用工業廢棄物產品代替水泥，才能實現降低水泥之使用率，以降低二氧化碳之排放。

由此可知，如何能有效地使用事業廢棄物，同時又能減少對空氣的污染，是相關研究人員亟需努力的目標。

因此，本發明之目的，即在提供一種可以利用事業廢棄物的無機聚合水泥的製造方法。

本發明無機聚合水泥的製造方法包含以下步驟：步驟(A)取得一F級火力電廠飛灰及水淬爐石粉。步驟(B)是將該F級火力電廠飛灰及水淬爐石粉進行檢測。步驟(C)是將檢測合格的F級火力電廠飛灰與水淬爐石粉進行調配，其中，F級火力電廠飛灰的重量百分比為20%~80%，水淬爐石粉的重量百分比為20%~80%。步驟(D)是將步驟(C)的材料加入矽酸鈉與氫氧化鈉進行無機聚合水泥的混拌，其中，液膠比為0.4~0.6，含鹼當量為6%~10%及鹼模數比為1.0~2.0，製作成無機聚合物漿體。步驟(E)進行3~28天的養治作業，並進行各項檢測。

本發明的另一技術手段，是在於步驟(D)中，矽酸鈉與氫氧化鈉是用以進行含鹼當量與鹼模數比的調整，且該矽酸鈉是選用矽酸鈉溶液。

本發明的又一技術手段，是在於步驟(B)中，是將該F級火力電廠飛灰進行物理性質試驗，並進行XRD及XRF分析。

本發明的再一技術手段，是在於步驟(D)中，是配製含鹼當量為6%、8%或10%之無機聚合物漿體。

本發明的另一技術手段，是在於步驟(D)中，是配製鹼模數比為1.0、1.5或2.0之無機聚合物漿體。

本發明的又一技術手段，是在於步驟(D) 中，是液膠比為0.4、0.5或0.6之無機聚合物漿體。

本發明的再一技術手段，是在於步驟(E)中，是進行3天、7天或28天的養治作業。

本發明的另一技術手段，是在於步驟(C)中，水淬爐石粉/F級火力電廠飛灰之重量比例分別為20/80、40/60、60/40或80/20。

本發明的又一技術手段，是在於步驟(E)中，是進行抗壓試驗、凝結時間檢測，及乾縮試驗。

本發明的再一技術手段，是在於步驟(C)中，該F級火力電廠飛灰與水淬爐石粉皆需研磨至細度要求至少4000(cm²/g)以上。

本發明之有益功效在於，藉由鹼活化處理技術提升電廠飛灰的活性，激發電廠飛灰膠結的能力，製作成無機聚合物綠色水泥，以作為日後工程界設計參考。

圖1至圖3皆是柱狀統計圖，說明本發明無機聚合水泥的製造方法的一較佳實施例中，鹼當量對電廠飛灰無機聚合物之凝結時間之影響；圖4至圖6皆是柱狀統計圖，說明該較佳實施例中，鹼當量對電廠飛灰無機聚合物抗壓強度之影響；圖7至圖9皆是柱狀統計圖，說明該較佳實施例中，鹼當量對電廠飛灰無機聚合物吸水率之影響；圖10至圖12皆是柱狀統計圖，說明該較佳實施例中，鹼當量對電廠飛灰無機聚合物乾縮量之影響；圖13是一晶相圖，說明該較佳實施例中，AE=6%，Ms=2.0，W/B=0.4，配比S20F80的晶相結構；圖14是一晶相圖，說明該較佳實施例中，AE=6%，Ms=2.0，W/B=0.4，配比S40F60的晶相結構；圖15是一晶相圖，說明該較佳實施例中，AE=6%，Ms=2.0，W/B=0.4，配比S60F40的晶相結構；圖16是一晶相圖，說明該較佳實施例中，AE=6%， Ms=2.0，W/B=0.4，配比S80F20的晶相結構；圖17是一晶相圖，說明該較佳實施例中，AE=8%，Ms=2.0，W/B=0.4，配比S20F80的晶相結構；圖18是一晶相圖，說明該較佳實施例中，AE=8%，Ms=2.0，W/B=0.4，配比S40F60的晶相結構；圖19是一晶相圖，說明該較佳實施例中，AE=8%，Ms=2.0，W/B=0.4，配比S60F40的晶相結構；圖20是一晶相圖，說明該較佳實施例中，AE=8%，Ms=2.0，W/B=0.4，配比S80F20的晶相結構；圖21是一晶相圖，說明該較佳實施例中，AE=10%，Ms=2.0，W/B=0.4，配比S20F80的晶相結構；圖22是一晶相圖，說明該較佳實施例中，AE=10%，Ms=2.0，W/B=0.4，配比S40F60的晶相結構；圖23是一晶相圖，說明該較佳實施例中，AE=10%，Ms=2.0，W/B=0.4，配比S60F40的晶相結構；及圖24是一晶相圖，說明該較佳實施例中，AE=10%，Ms=2.0，W/B=0.4，配比S80F20的晶相結構。

本發明無機聚合水泥的製造方法的較佳實施例，其包含下列步驟。

步驟(A)取得一F級火力電廠飛灰。「飛灰」為燃煤火力發電廠發電所產生之副產物，粉煤經鍋爐燃燒，約有80%的灰燼會隨著燃氣上升，當煙氣依照煙道流到靜電集塵器時，煙氣中全部的灰燼幾乎都被吸附下來，此部份的煤灰稱為「飛灰」(fly ash)，而另外一部份的煤灰粒徑較粗，重量較大，直接掉到鍋爐底部則稱為「底灰」(bottom ash)。由集塵設備收集而得之飛灰，其品質須符合CNS 3036[卜特蘭水泥混凝土用飛灰及天然或煆燒卜作嵐攙和物]或CNS 11271[卜特蘭飛灰水泥用飛灰]之規定，飛灰之成分與品質受燃煤料源或電廠燃燒程序之影響甚鉅。飛灰分為C類及F類兩種，凡使用褐煤或次煙煤燃燒收集者所得為C類，除具有卜作嵐活性之外，也具有若干膠結性，CaO含量可能高於10%；而使用無煙煤或煙煤燃燒取得為F類，其僅具卜作嵐活性。目前台灣電力公司火力電廠生產之飛灰多屬F類。

其中，飛灰之物理性質包括(1)細度、(2)卜作嵐活性指數、(3)高壓蒸鍋膨脹率(健度)，及(4)燒失量(LOI)。其中，以細度來說，依CNS 3036規定飛灰細度溼篩洗法，以No.325篩之停留百分率，最大值為34%；停留率愈大，顯示飛灰愈粗，含碳量愈大。顆粒愈小，則飛灰的比表面積愈大，卜作嵐活性指數愈高。以卜作嵐活性指數來說，係指依據CNS 3036規定經養護28天之飛灰與卜特蘭水泥砂漿試體強度對控制組(純卜特蘭水泥砂漿試體)之比率稱為卜作嵐活性指數；CNS規定其最小值為75%；卜作嵐活性指數愈大表示飛灰與氫氧化鈣之反應能力愈佳，更能增進混凝土品質。以健度來說，CNS 3036規定飛灰混凝土在高壓蒸鍋中之膨脹率最大值為0.8%，以防混凝土之不正常膨脹或收縮。以燒失量來說，當粉煤在燃燒過程中，其少量較粗碳顆粒未能完全燃燒而隨著飛灰向上飄浮而被捕集，這些碳顆粒在高溫下仍會燃燒而失去之重量，稱為燒失量。燒失量愈高顯示飛灰中的含碳量亦愈高；其混凝土需水量也較高，對化學摻料的使用效果可能有不利影響，依CNS 3036規定飛灰，F及C類飛灰均不得高於6%。

爐石粉為生產鋼鐵所製造的工業副產品，係由熱融熔高爐礦渣經噴水冷卻粒化處理後研磨成細粉而得。爐石的分類，依其冷卻方式不同可分氣冷爐石及水淬爐石兩種。前者乃將高爐爐渣予以靜置，以徐冷的方式，讓它能慢慢地冷卻，有足夠的時間完成結晶，因而其具有堅硬且緻密之結構，穩定性高，由於其玻璃質成分少，使得其膠結功能不佳，一般做為水泥製造之原料。水淬爐石則是利用噴水使其快速冷卻，產生大量不完全結晶之玻璃質，微結構較為凌亂，活性較高，經過適當磨碎與處理後，有類似水泥的性質。由於鋼鐵生產原料與水泥原料化學成分相似，因此爐石粉之成分與水泥熟料除比率稍有不同，其餘成份非常類似。高爐熟料之顆粒形狀類似碎石般為多角形，可用做水泥的補充材料，加以細磨後便可直接取代水泥，若研磨越細，則其與水的接觸面積越大，反應活性則越佳。爐石熟料磨的愈細，則接觸水的面積增加，對同一水灰比而言，吸附水比例增大，當然游離水降低，黏滯性相對提高，對泌水及析離有抑制的功能，但工作性因內剪力的提高而稍為降低。對強度而言，因細度增加而使水化「反應場」增加，故可提供初期良好的強度品質，然而對水化熱的減少率會相形降低。通常爐石熟料的細度要求至少4000(cm²/g)以上，然而這種經機械研磨加工的作業，牽涉到成本，如果研磨細度超過6000(cm²/g)，則可成為高價位的灌漿材料，屬於地盤改良材料。即微小的爐石粉顆粒可有效填充於水泥顆粒之間，使漿體結構更形緊密。

無機聚合物是一種與沸石(Zeolite)近似的架狀結構以及化學組成之合成物，法國科學家Joseph Davidovits於1978年左右，利用水熱合成法將富含矽、鋁元素之鋁矽酸鹽礦物與高鹼溶液環境下合成製造出近似沸石(Zeolite)之架狀結構物，其中以變高嶺土最具代表性，而鋁矽酸鹽礦物是一種非結晶(Amorphous)或是半結晶(Semi-crystalline)之三維鋁矽酸鹽(Alumino-silicate)合成材料，主要是由礦物粉末中的矽、鋁等元素在高鹼性溶液環境中溶出，再與氧離子互相鍵結形成封閉的架狀結構，目前在台灣將此材料稱之為「無機聚合物」(Geopolymer)。

無機聚合物主要是由富含矽鋁氧元素之礦物材料加入鹼性激發劑進行結合，在常溫環境下即可產生聚合反應，經過乾燥脫水後硬固，具有高強度、硬固快，耐高溫、耐化學侵蝕及低熱傳導性等特性，另外此材料的製造過程較普通波特蘭水泥耗能量低，可減少二氧化碳的排放量，使得無機聚合物成為一項具有前瞻性之發展的一種新型綠能材料。製造無機聚合材料之原料範圍相當廣泛，凡含有鋁、矽元素成分之礦物，均可作為其原料。無機聚合物通常是由三種添加之材料所混合製成的，分別為：(1)惰性添加物(lnactive Filler)；(2)無機聚合液(Geopolymer Liquor)；(3)活性添加物(Active Filler)，而液體中包含鹼金屬矽酸鹽溶液與鹼金屬氫氧化物水溶液。無機聚合物通常是由三種添加之材料所混合製成的，分別為：

1.鋁矽酸鹽類材料：國內目前的研究中，鋁矽酸鹽類材料分為天然礦物，大多為高嶺土和變高嶺土；而廢棄物則以爐碴、飛灰、水庫淤泥等較為常見，以高嶺土來說在前置處理可於500~900℃煅燒完成，而卜特蘭水泥煅燒溫度需1450~1550℃，相較之下無機聚合物之礦物原料較方便取得，因此目前研究亦可使用工業廢棄物爐碴製成，亦可使爐碴達廢棄物資源化利用。

2.矽酸鈉溶液：目前市面上的矽酸鈉溶液依溶液濃度的不同而有所分別，液態狀之矽酸鈉溶液則較為常見，有研究指出矽酸鈉溶液本身之濃度與無機聚合物之抗壓強度並無明顯比例關係，由於添加矽酸鈉溶液可補充聚合反應中的Si⁴⁺，得以激發無機聚合物之膠結性，並使抗壓強度增加。

3.鹼金屬溶液：鹼金屬溶液的種類大部分分為NaOH或KOH溶液較為常見，其中又分為粉末型及液態狀，有研究針對其應用之目的，提出金屬氧化物於水中容易解離產生金屬離子及氫氧根離子，鋁矽酸鹽原料受侵蝕作用下，礦物之結構會由外到內逐漸被OH-破壞侵蝕，從結構中析出鋁矽酸鹽單體陰離子，接著以Si⁴⁺與Al³⁺為中心連接周圍羥基，其中羥基係為具有縮合作用之官能基之一，促使其反應後又可重新聚合。

無機聚合物是利用富含鋁、矽元素之鋁矽酸鹽類礦物與高鹼性溶液混合，以達到聚合反應所產生的，以無機聚合物過程與強度發展形成之關係分成以下四個階段：

1.溶解(dissolution)：將富含鋁矽酸鹽之礦物與鹼性活化劑進行混合溶解。

2.擴散(diffusion)：由礦物顆粒表面析出鋁、矽元素，並開始由顆粒表面向顆粒間隙擴散，並慢慢開始產生聚合反應使強度產生。

3.聚合(polymerization)：鹼金屬矽酸鹽溶液與鋁、矽元素間發生聚合反應以及脫水反應階段，聚合反應更為激烈，並使其強度快速發展。

4.硬化(hardening)：硬化階段，膠體於整體結構中排除多餘水分後開始硬化，其強度發展亦隨著聚合反應而逐漸趨於平緩

上述之無機聚合物反應過程以微觀方向來看，可分為下列四個過程：

1.鋁矽酸鹽礦物材料溶於高鹼性溶液之中。

2.高鹼溶液中的OH^-破壞鋁矽酸鹽材料結構，將Si⁴⁺及Al³⁺析離出，並與氧離子互相鍵結形成SiO₄、AlO₄之四面體結構。

3. SiO₄、AlO₄持續反應，與共用氧原子而形成Si-O-Si(Al)之架狀結構。

4.凝膠相逐漸固結硬化，並排除剩餘之水分形成無機聚合物。

鹼活化粘合劑通過激發矽酸鋁材料，如粉煤灰、偏高嶺土、磨細高爐礦渣(GGBFS)、高嶺粘土、稻殼等，大多數均含有大量的SiO₂及Al₂O₃，並與鹼性溶液製成接觸易產生聚合反應之應用，而在反應過程當中，於無機聚合物前導物中，其SiO₄、AlO₄之四面體外圍結構部分為帶OH^-之結構，而在硬固過程中，由於聚合反應之因素使兩者互相產生鍵結，並排除多餘之H⁺、OH^-，再相互鍵結後形成H₂O，進而產生脫水反應。

當架狀結構之前導物經脫水後，便會縮聚硬化形成無機聚合物，即為「聚合作用之縮聚過程」，鋁矽酸鹽礦物與鹼激發劑和矽酸鈉(固體或液體)混合後產生無機聚合物膠體，此膠體再與剩餘之鋁矽酸鹽礦物反應，最後硬化形成結構完整的無機聚合物。然而結構中必須要有足夠的孔隙以提供水溶性的鹼金屬離子如Na⁺或K⁺等進入並平衡整體的電荷。無機聚合之化學反應過程即是各種鋁矽酸鹽與強鹼矽酸鹽溶液之間的化學反應。

無機聚合物由於Si、Al條件下之化學命名以Polysialate表示，則Polysialate之經驗化學式如下所示： Mn-[-(SiO₂)Z-AlO₂]n．wH₂O，其中，

M=鹼金屬陽離子(如K⁺、Na⁺、Ca²⁺)

n=聚縮程度(degree of polycondensation)

z=1,2,3或3以上，(主要為聚合結構單元Si：Al原子莫耳比)

w=結晶含水量

當無機聚合物前導物之架狀結構中原子莫爾比的Si：Al≦3：1時，其結構型態亦隨Si：Al原子莫爾比的不同，使其基本結構產生改變，大致可分為三種結構型態，單維矽鋁聚合物Poly(sialate)、二維矽鋁聚合物Poly(sialate-siloxo)、矽鋁聚合物Poly(sialate-disiloxo)，其結構如下頁表一所示。

隨著Si：Al莫耳比增加，其抗壓強度越高，但當Si：Al比值過高時，過多的SiO₄將無法與AlO₄完全鍵結，除了提供Si⁴⁺的來源除鋁矽酸鹽材料之外，矽酸鈉溶液亦可提供Si⁴⁺，但當添加矽酸鈉溶液過多時，析出Si⁴⁺相對增加，因而容易造成無機聚合反應過程中產生較多氣泡，使其漿體之抗壓強度降低且變為脆性。

表一、無機聚合物各Si/Al原子莫耳比

另外，關於鹼活化之反應機理，鹼活化技術是利用高鹼特性，一般高鹼溶液使用較為常見有NaOH、KOH，而鹼活化劑的選用大部分以矽酸鈉溶液為主，來達到提升卜作嵐材料活性之目的。由於鹼活化技術是利用高鹼性溶液來催化膠結材進而產生鹼活化反應，即為利用高鹼性溶液破壞膠結材鍵結之結構，將Ca²⁺解離出使其產生鹼活化反應，因此所使用之鹼當量普遍低於無機聚合物所需之鹼度。其中鹼活化劑之pH值為11.5可作為活化門檻值，即可提供足夠鹼度破壞膠結材之Ca²⁺使其解離產生鹼活化反應。鹼活化劑之反應機理主要是運用其本身具有之高鹼特性，來提高環境中鹼性濃度，破壞材料表面之玻璃質晶體，進而達到與鹼活化劑離子快速反應之目的，將鹼活化劑與材料產生之反應分成兩個階段：

1.利用高pH值之鹼活化劑來破壞其多鈣型鋁矽酸鹽礦物材料之鍵結，進而使其轉化成矽、鋁、鈣離子以利產生反應。

2.鹼活化劑中解離後又重新鍵結之陰離子或陰離子群(SiO₄、AlO₄)與多鈣型鋁矽酸鹽礦物所溶解出的Ca²⁺產生鹼活化之反應並生成C-S-H膠體之水化產物。

由上述之第一階段反應過程中，活化劑之pH值高低在初期會影響部份水化產物的生成，於此階段之反應過程中，鹼活化劑之pH值訂為11.5來做為可否加速鹼活化反應之一門檻值界定標準，即可提供足夠之能量溶解及破壞矽、鋁氧化物之鍵結並溶出Ca²⁺，而一般鹼活化劑之pH值皆在此門檻值之上。但主要控制水化產物生成反應的是第二階段反應，因水化產物的生成取決於鹼活化劑溶出之陰離子或陰離子群種類，如SiO₄、AlO₄等四面體結構，故活化劑之種類將決定生成物的差異，亦是影響強度發展之主要階段。

至於鹼活化劑之影響因子包括：

1.氫氧化鈉(NaOH)：氫氧化鈉具有足以破壞Ca-O、Mg-O甚至Si-O及Al-O鍵結之能量，其pH值約為13.87，在眾多活化劑中於第一階段之反應效果最佳。但因其本身屬高溶解性之生成物Ca(OH)₂，無法在溶液中沈澱。雖然有其他水化產物如低C/S比之C-S-H、C₄AH₁₃及C₂ASH₈的生成，但所佔之比例遠遠不及生成物Ca(OH)₂，即使其溶解度遠低於Ca(OH)₂也無法適當地提供強度。

2.矽酸鈉(Na₂SiO₃)：氫氧化鈉係所有鹼活化劑中具有最高之pH值，矽酸鈉則為其次pH值約為12.89。雖然矽酸鈉之pH值低於氫氧化鈉，但矽酸鈉與灰碴顆粒接觸後，其OH^-離子能夠破壞Ca-O、Si-O、Al-O之鍵結。此外，從灰碴顆粒表面溶解之Ca²⁺反應生成C-S-H膠體與矽酸鈉自身所解離出之SiO₄ ^2-高濃度陰離子群是不可或缺的要素之一。由鹼活化水化熱曲線顯示，水化初期之高峰曲線係由於膠結料顆粒濕潤並溶解，以及膠結料顆粒表面吸收部分離子之作用產生反應，亦可表示為膠結料中所解離出的Ca²⁺與鹼活化劑中的SiO₄產生反應，並生成C-S-H膠體亦為主要之水化產物。另外，如果矽酸鈉的濃度過高時，所解離出之SiO₄ ^2-高出Ca²⁺，會導致Ca²⁺嚴重不足，進而促使部份的SiO₄ ^2-發生聚合反應，可能使其造成假凝現象。

3.含鹼當量及鹼模數比：鹼活化劑其激發效果與濃度有密切關係，一般而言，以矽酸鈉為鹼活化劑時有兩個變數需要考量，分別為鹼模數比及含鹼當量。前者鹼模數比為矽酸鈉具有的特性之一，也就是二氧化矽與氧化鈉的重量比值，氫氧化鈉可依實驗需求作調整。而後者含鹼當量就是相對於膠結性材料之重量百分比，以化學藥劑的化學式分子量，換算之藥劑添加量。

步驟(B)是將該F級火力電廠飛灰及水淬爐石粉進行檢測。於本實施例中，水淬爐石粉是採用中聯資源處理化公司所生產之水淬高爐爐石粉，經處理研磨成粉，性質符合CNS 12549規定，其細度為4000cm²/g，其中，由X光繞射分析(XRD)瞭解爐石粉各個相位的組成生成物，圖中顯示爐石粉為非結晶質化合物組成，再由X光螢光分析(XRF)探討爐石粉試樣中各元素含量，其中以CaO及SiO₂等元素含量最高，配合XRD分析所得的各種化合物，再以重量分析計算其化學成分計量，進而推算爐石粉各元素的氧化態含量百分比。另外，該F級火力電廠飛灰取至興達火力電廠，由X光繞射分析(XRD)瞭解電廠飛灰各個相位的組成生成物，顯示電廠飛灰主要結晶形化合物為SiO₂，次要結晶形化合物為Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、MgO、K₂O、Na₂O等，再由X光螢光分析(XRF)探討電廠飛灰試樣中各元素含量，其中以C、O、Si、Al、Fe、Ca、K、Mg、Na等元素含量最高，配合XRD分析所得的各種化合物再以重量分析計算其化學成分計量，得知進而推算電廠飛灰各元素的氧化態含量百分比，析結果如表二所示。

表二、水淬爐石粉和電廠飛灰之化學性質

步驟(C)是將檢測合格的F級火力電廠飛灰與水淬爐石粉進行調配。該F級火力電廠飛灰與水淬爐石粉皆需研磨至細度要求至少4000(cm²/g)以上。其中，F級火力電廠飛灰的重量百分比為20%~80%，水淬爐石粉的重量百分比為20%~80%。水淬爐石粉/F級火力電廠飛灰之重量比例分別為20/80(S20F80)、40/60(S40F60)、60/40(S60F40)或80/20(S80F20)。

步驟(D)是將步驟(C)的材料加入矽酸鈉與氫氧化鈉進行無機聚合水泥的混拌，其中，液膠比為0.4~0.6，含鹼當量為6%~10%，鹼模數比為1.0~2.0，製作成無機聚合物漿體。其中，本較佳實施例使用榮祥工業股份有限公司所生產之3號矽酸鈉溶液，其為透明無色無味黏稠之液體，又稱為水玻璃之化學藥劑，是國內市場之工業級產品，在使用上可分為粉末型和溶液型，不使用粉末型的原因為粉末型雖然能帶來較佳的工作性，其反應成效不如溶液型佳，在本較佳實施例中所採用之矽酸鈉以3號溶液型矽酸鈉為主。本較佳實施例中添加矽酸鈉溶液目的是為了提供足夠的Si⁴⁺，並且可加強無機聚合物膠體之性質，以增加無機聚合物之強度，故本較佳實施例以矽酸鈉溶液做為激發並提升電廠飛灰之活性使用。另外，本較佳實施例採用統偉企業股份有限公司所出產之氫氧化鈉，俗稱片鹼，其為工業級藥品，分子量約為40，純度達98%以上，其成份如表3-4所示，其使用之目的除了做為激發、提昇水淬爐石粉活性之外，並配合矽酸鈉進行鹼活化劑之濃度調整。

於本實施例中，是配製含鹼當量為6%、8%、10%，液膠比為0.4、0.5、0.6，鹼模數比為1.0、1.5、2.0之無機聚合物漿體，詳如以下表三所示。

1.含鹼當量Alkali equivalent(AE)：含鹼當量就是鹼量使用之膠結材料重量百分比，再以化學藥劑的化學式分子量，換算之藥劑添加量。

2.鹼模數比Alkali modulus ratio(Ms)：鹼模數比為鹼金屬矽酸鹽具有的劑量表示，簡而言之就是二氧化矽與氧化鈉的重量比值，依試驗所需可運用氫氧化鈉調整之。

3.液膠比Water/Fly Ash and Slag(W/B)：在本實驗設計上採用液膠比為0.4、0.5和0.6，在鹼活化電廠飛灰試體部份，液膠比係指鹼活化劑溶液與電廠飛灰水淬爐石粉混拌料重量之比值，而於波特蘭水泥組試體方面，液膠比即為一般所謂之水膠比。

步驟(E)進行3~28天的養治作業，並進行各項檢測。其中，檢測項目包括凝結時間試驗、抗壓強度試驗、吸水率試驗、長度變化量試驗，並以掃描式電子顯微鏡觀查結晶狀態。

一、凝結時間試驗

混凝土在加水之後開始產生水化作用，由於水化過程產生C-S-H膠體並獲得強度，使內部結構更為緻密，而電廠飛灰無機聚合物在凝結時為液態與固態之間的轉換，利用鹼激發劑來激發電廠飛灰之活性並產生聚合反應，然而凝結時間也是評估工作性的重要指標之一。

(1)鹼當量之影響：

以費開氏針測定水硬性水泥凝結時間試驗，水泥初凝時間為1.5至3小時，終凝時間為3至6小時。以鹼模數比1.0，液膠比0.4為例，當鹼當量為6%、8%和10%時，終凝時間落在6分鐘至245分鐘範圍，S20F80、S40F60、S60F40等混拌配比只有在鹼當量AE為8%才符合要求如圖1(a)所示。以鹼模數比1.5，液膠比0.6為例，當鹼當量為6%、8%和10%時，終凝時間落在63分鐘至332分鐘範圍，只有S20F80、S40F60混拌配比在鹼當量AE為10%才符合要求如圖2(c)所示。

以鹼模數比2.0，液膠比0.5和0.6為例，當鹼當量為6%、8%和10%時，終凝時間落在42分鐘至200分鐘範圍，只有S20F80混拌配比鹼當量AE為10%才符合要求如圖3(b)(c)所示。結果表示鹼當量的提升促使凝結時間有縮短的趨勢，其主要原因是由於含鹼當量提升使高鹼溶液濃度增加，而造成OH-離子破壞膠結料結構，使Si4+、Al3+及Ca2+溶出量增加，導致電廠飛灰無機聚合物有加速聚合反應之現象並產生硬固之膠體，進而促使凝結時間有縮短的現象。若不添加任何具緩凝效果之添加劑時，減少鹼當量亦可改善凝結時間過快的問題。

(2)鹼模數比之影響：

當液膠比為0.5及鹼當量AE為6%、8%和10%之情況下，隨著鹼模數比由1.0上升至2.0時，其終凝時間介於10~61分鐘之間、33~150分鐘之間、42~200分鐘之間如圖1(b)、圖2(b)、圖3(b)所示。S20F80、S40F60、S60F40等混拌配比只有在鹼當量AE為8%才符合要求如圖1(a)所示。只有S20F80混拌配比在鹼模數比2.0、液膠比為0.5、鹼當量AE為10%才符合要求如圖3(b)所示。

當液膠比為0.6及鹼當量AE為6%、8%和10%之情況下，隨著鹼模數比由1.0上升至2.0時，終凝時間介於10~20分鐘之間、63~332分鐘之間、60~185分鐘之間如圖1(c)、圖2(c)、圖3(c)所示。只有S20F80、S40F60混拌配比在鹼模數比1.5、液膠比為0.6、鹼當量AE為10%才符合要求，如圖2(c)所示。

由此可知，凝結時間會隨著鹼模數比增加而縮短，主要是因為當鹼模數比增加時，使電廠飛灰無機聚合物之漿體中Si4+含量增加，Si/Al原子莫耳之比值產生改變，因而促使聚合反應加速。

(3)液膠比之影響

當固定鹼當量6%及鹼模數比為1.0、1.5和2.0之條件下，液膠比由0.4提升至0.6時，其終凝時間介於12~20分鐘之間、23~235分鐘之間、41~112分鐘之間如圖1(a)(b)(c)、圖2(a)(b)(c)、圖3(a)(b)(c)所示。其中以S20F80、S40F60等混拌配比只有在鹼當量AE為6%、鹼模數比1.5、液膠比0.6才符合要求，如圖2(a)(b)(c)所示。

當固定鹼當量8%及鹼模數比為1.0、1.5和2.0之條件下，液膠比由0.4提升至0.6時，其終凝時間介於10~245分鐘之間、35~210分鐘之間、38~115分鐘之間如圖1(a)(b)(c)、圖2(a)(b)(c)、圖3(a)(b)(c)所示。其中以S20F80、S40F60等混拌配比只有在鹼當量AE為8%、鹼模數比1.0液膠比0.4，和鹼當量AE為8%、鹼模數比1.5液膠比0.6，才符合要求如圖1(a)(b)(c)、圖2(a)(b)(c)所示。

當固定鹼當量10%及鹼模數比為1.0、1.5和2.0之條件下，液膠比由0.4提升至0.6時，其終凝時間介於6~19分鐘之間、33~332分鐘之間、53~200分鐘之間如圖1(a)(b)(c)、圖2(a)(b)(c)、圖3(a)(b)(c)所示。其中以S20F80、S40F60等混拌配比只有在鹼當量AE為10%、鹼模數比1.5液膠比0.6，和鹼當量AE為10%、鹼模數比2.0液膠比0.5，才符合要求，如圖2(a)(b)(c)、圖3(a)(b)(c)所示。

由實驗結果得知，凝結時間將隨著液膠比的提升而延長，主要是由於固定鹼當量及鹼模數比，且增加其液膠比時，鹼當量的濃度被鹼金屬矽酸鈉溶液之水分所稀釋，而導致降低鹼當量及鹼模數比之濃度，使得漿體之凝結時間增加。

二、抗壓強度

抗壓強度是一般混凝土與鹼膠結料的最重要的指標之一，主要為瞭解試體內部緻密性與孔隙之多寡。

(1)鹼當量之影響：

為探討鹼當量對電廠飛灰無機聚合物試體之抗壓強度之影響，針對6%、8%及10%鹼當量範圍，並控制其鹼模數比為1.0及液膠比為0.4、0.5及0.6之條件下，改變鹼當量6%至10%時之3天養護時間之抗壓強度範圍分別為209.17~619.21kgf/cm²、217.48~637.29kgf/cm²、161.24~458.43kgf/cm²，於其7天養護齡期時分別為275.32~710.73kgf/cm²、251.15~675.48kgf/cm²、157.96~537.16kgf/cm²，於其28天養護齡期時則分別為319.08~1001.13kgf/cm²、345.89~963.16kgf/cm²、202.97~689.15kgf/cm²，如圖4(a)(b)(c)所示。由上述強度趨勢可看出抗壓強度隨養治時間增加而增加，隨著鹼當量的提高而有逐漸趨緩趨勢，其中以S20F80、S40F60、S60F40、S80F20等混拌配比在鹼當量6%、8%及10%、液膠比0.4、鹼模數比1.0抗壓強度最高已經達到普通水泥(Type I)抗壓強度之要求。

當鹼模數比為1.5及液膠比為0.4、0.5及0.6之條件下，改變鹼當量6%至10%時之3天養護時間之抗壓強度範圍分別為295.33~851.36kgf/cm²、295.73~878.37kgf/cm²、247.01~754.29kgf/cm²，於其7天養護齡期時分別為348.83~839.28kgf/cm²、423.08~859.96kgf/cm²、339.97~769.69kgf/cm²，於其28天養護齡期時則分別為364.88~965.23kgf/cm²、73.77~1014.92kgf/cm²、175.16~699.15kgf/cm²，如圖5(a)(b)(c)所示。其中以S20F80、S40F60、S60F40、S80F20等混拌配比在鹼當量6%、8%及10%、液膠比0.4、鹼模數比1.5抗壓強度最高，已經達到普通水泥(Type I)抗壓強度之要求。

當鹼模數比為2.0及液膠比為0.4、0.5及0.6之條件下，改變鹼當量6%至10%時之3天養護時間之抗壓強度範圍分別為359.23~797.41kgf/cm²、308.61~834.53kgf/cm²、276.43~761.97kgf/cm²，於其7天養護齡期時分別為345.39~981.67kgf/cm²、336.43~1013.61kgf/cm²、165.67~850.41kgf/cm²，於其28天養護齡期時則分別為259.15~963.36kgf/cm²、408.31~1050.24kgf/cm²、443.56~988.36kgf/cm²如圖6(a)(b)(c)所示。其中以S20F80、S40F60、S60F40、S80F20等混拌配比在鹼當量6%、8%及10%、液膠比0.4、鹼模數比2.0抗壓強度最高。由上述強度趨勢可看出抗壓強度隨養治時間增加而增加，隨著鹼當量的提高而有逐漸趨緩趨勢，其中以S20F80、S40F60、S60F40、S80F20等混拌配比在鹼當量由6%提升至10%、液膠比0.4、鹼模數比2.0養治3天7天和28天抗壓強度最高，已經達到普通水泥(Type I)抗壓強度之要求。其主因在於提高鹼當量使鹼激發劑濃度上升活化效果越佳，所含之氫氧根離子也較多，因而能迅速破壞飛灰表面的玻璃質，析出較多之鋁、矽元素，則水化產物C-S-H膠體亦隨之增加，進提升無機聚合物之抗壓強度。

(2)鹼模數比之影響：

控制鹼當量6%、液膠比為0.4、0.5及0.6之條件下，改變鹼模數由1.0、1.5及2.0時之3天養護時間之抗壓強度範圍分別為193.11~619.21kgf/cm²、288.60~851.36kgf/cm²、314.12~761.97kgf/cm²，於其7天養護齡期時分別為279.87~710.73kgf/cm²、348.83~859.96kgf/cm²、336.43~859.83kgf/cm²，於其28天養護齡期時則分別為522.28~1001.13kgf/cm²、341.44~965.23kgf/cm²、518.32~963.36kgf/cm²，如圖4(a)(b)(c)、圖5(a)(b)(c)、圖6(a)(b)(c)所示。由上述強度趨勢可看出抗壓強度隨養治時間增加而增加，隨著鹼模數的增加而增加，其中以S20F80、S40F60、S60F40、S80F20等混拌配比在鹼當量6%、液膠比0.4、鹼模數比2.0抗壓強度最高，已經達到普通水泥(Type I)抗壓強度之要求。

控制鹼當量8%、液膠比為0.4、0.5及0.6之條件下，改變鹼模數由1.0、1.5及2.0時之3天養護時間之抗壓強度範圍分別為199.27~637.29kgf/cm²、314.47~878.37kgf/cm²、276.43~834.53kgf/cm²，於其7天養護齡期時分別為168.61~675.48kgf/cm²、369.95~830.51kgf/cm²、378.49~981.67kgf/cm²，於其28天養護齡期時則分別為319.08~838.09kgf/cm²、313.03~1014.92kgf/cm²、499.96~1050.24kgf/cm²，如圖4(a)(b)(c)、圖5(a)(b)(c)、圖6(a)(b)(c)所示。由上述強度趨勢可看出抗壓強度隨養治時間增加而增加，隨著鹼模數的增加而增加，其中以S20F80、S40F60、S60F40、S80F20等混拌配比在鹼當量8%、液膠比0.4、鹼模數比2.0抗壓強度最高，已經達到普通水泥(Type I)抗壓強度之要求。

控制鹼當量10%、液膠比為0.4、0.5及0.6之條件下，改變鹼模數由1.0、1.5及2.0時之3天養護時間之抗壓強度範圍分別為161.24~568.63kgf/cm²、247.01~798.87kgf/cm²、315.77~797.41kgf/cm²，於其7天養護齡期時分別為157.96~611.17kgf/cm²、339.97~815.81kgf/cm²、165.67~936.03kgf/cm²，於其28天養護齡期時則分別為202.97~592.08kgf/cm²、73.77~570.12kgf/cm²、259.15~913.15kgf/cm²，如圖4(a)(b)(c)、圖5(a)(b)(c)、圖6(a)(b)(c)所示。由上述強度趨勢可看出抗壓強度隨養治時間增加而增加，隨著鹼模數的增加而逐漸趨緩，其中以S20F80、S40F60、S60F40、S80F20等混拌配比在鹼當量10%、液膠比0.4、鹼模數比2.0抗壓強度最高。鹼模數比之增加有益於抗壓強度的提升，原因在於鹼模數比之提高，可以提供充足之SiO₂含量，使其形成更多之C-S-H膠體，而使漿體內部結構更為緻密，達到提升強度之效益。

(3)液膠比之影響

控制鹼模數1.0、鹼當量6%、8%和10%的條件下，改變液膠比為0.4、0.5及0.6時之3天養護時間之抗壓強度範圍分別為193.11~619.21kgf/cm²、199.27~637.29kgf/cm²、161.24~568.63kgf/cm²，於其7天養護齡期時分別為271.87~710.73kgf/cm²、168.61~675.48kgf/cm²、233.68~611.17kgf/cm²，於其28天養護齡期時則分別為522.28~1001.13kgf/cm²、319.08~838.09kgf/cm²、202.97~592.08kgf/cm²，如圖4(a)(b)(c)所示。由上述強度趨勢可看出抗壓強度隨養治時間增加而增加，隨著液膠比的降低而增加，其中以S20F80、S40F60、S60F40、S80F20等混拌配比在鹼當量6%、液膠比0.4、鹼模數比1.0時抗壓強度最高，已經達到普通水泥(Type I)抗壓強度之要求。

控制鹼模數1.5、鹼當量6%、8%和10%的條件下，改變液膠比為0.4、0.5及0.6時之3天養護時間之抗壓強度範圍分別為288.60~851.36kgf/cm²、314.47~878.37kgf/cm²、247.01~798.87kgf/cm²，於其7天養護齡期時分別為348.83~859.96kgf/cm²、369.95~830.51kgf/cm²、339.97~815.81kgf/cm²，於其28天養護齡期時則分別為341.44~965.23kgf/cm²、313.03~1014.92kgf/cm²、73.77~481.15kgf/cm²，如圖5(a)(b)(c)所示。由上述強度趨勢可看出抗壓強度隨養治時間增加而增加，隨著液膠比的降低而增加，其中以S20F80、S40F60、S60F40、S80F20等混拌配比在鹼當量6%、液膠比0.4、0.5及0.6、鹼模數比1.5時抗壓強度最高，已經達到普通水泥(Type I)抗壓強度之要求。

控制鹼模數2.0、鹼當量6%、8%和10%的條件下，改變液膠比為0.4、0.5及0.6時之3天養護時間之抗壓強度範圍分別為314.12~761.97kgf/cm²、276.43~834.53kgf/cm²、315.77~797.41kgf/cm²，於其7天養護齡期時分別為336.43~850.41kgf/cm²、378.49~981.67kgf/cm²、165.67~1013.61kgf/cm²，於其28天養護齡期時則分別為491.35~963.36kgf/cm²、499.96~1050.24kgf/cm²、259.15~913.15kgf/cm²，如圖6(a)(b)(c)所示。由上述強度趨勢可看出抗壓強度隨養治時間增加而增加，隨著液膠比的降低而增加，其中以S20F80、S40F60、S60F40、S80F20 等混拌配比在鹼當量6%、液膠比0.4、0.5及0.6、鹼模數比2.0時抗壓強度最高，已經達到普通水泥(Type I)抗壓強度之要求。

由試驗結果得知，液膠比之提升會使抗壓強度降低，其原因為液膠比之增加導致鹼激發劑之濃度被稀釋，而在無機聚合物之反應機制中，主要係以強鹼溶液破壞電廠飛灰表面之玻璃質進而產生化學水化反應，而化學水化反應中矽、鋁離子之析出量會影響其聚合作用之完整性，因此一旦降低鹼激發劑之濃度，鹼活化爐石之效益亦會降低，而導致抗壓強度降低之現象。

三、吸水率

(1)鹼當量之影響：

為探討鹼當量對電廠飛灰無機聚合物試體吸水率之影響，針對6%、8%及10%鹼當量範圍，並控制其鹼模數比為1.0及液膠比為0.4、0.5及0.6之條件下，改變鹼當量6%至10%時之3天養護時間吸水率範圍分別為0.05%~0.41%、0.05%~0.05%、0.05%~0.13%，於其7天養護齡期時分別為0.36%~2.02%、0.95%~3.04%、0.05%~1.23%，於其28天養護齡期時則分別為0.49%~3.83%、1.37%~5.58%、0.37%~4.13%，如圖7(a)(b)(c)所示。其中以S20F80、S40F60、S60F40、S80F20等混拌配比在鹼當量6%、8%及10%、液膠比0.4、鹼模數比1.0吸水率最低。

當鹼模數比為1.5及液膠比為0.4、0.5及0.6之條件下，改變鹼當量6%至10%時之3天養護時間吸水率範圍分別為0.15%~0.34%、0.10%~0.53%、0.13%~0.54%，於其7天養護齡期時分別為0.38%~1.56%、0.19%~1.18%、0.18%~1.40%，於其28天養護齡期時則分別為0.05%~5.07%、0.38%~2.80%、0.38%~3.07%，如圖8(a)(b)(c)所示。其中以S20F80、S40F60、S60F40、S80F20等混拌配比在鹼當量6%、8%及10%、液膠比0.4、鹼模數比1.5吸水率最低。

當鹼模數比為2.0及液膠比為0.4、0.5及0.6之條件下，改變鹼當量6%至10%時之3天養護時間吸水率範圍分別為0.31%~1.16%、0.39%~1.06%、0.34%~0.74%，於其7天養護齡期時分別為0.39%~2.31%、0.56%~2.55%、0.57%~2.62%，於其28天養護齡期時則分別為0.29%~4.93%、0.51%~5.26%、0.58%~6.26%，如圖9(a)(b)(c)所示。其中以S20F80、S40F60、S60F40、S80F20等混拌配比在鹼當量6%、8%及10%、液膠比0.4、鹼模數比2.0吸水率最低。由上述可知，吸水率會隨著鹼當量提高而下降，隨著養護時間增加而降低，主要是因為高鹼當量可使其產生更多之Si-O-Si及Al-O-Al之架狀結構，內部結構更為緻密使其強度提升且孔隙較少，吸水率亦呈現下降之趨勢。

(2)鹼模數比之影響：

控制鹼當量6%、液膠比為0.4、0.5及0.6之條件下，改變鹼模數由1.0、1.5及2.0時之3天養護時間吸水率範圍分別為0.05%~0.41%、0.13%~0.34%、0.31%~0.16%，於其7天養護齡期時分別為0.36%~2.02%、0.38%~1.56%、0.39%~2.31%，於其28天養護齡期時則分別為0.49%~3.83%、0.05%~5.07%、0.29%~4.93%，如圖7(a)(b)(c)所示。其中以S20F80、S40F60、S60F40、S80F20等混拌配比在鹼當量6%、液膠比0.4、鹼模數比1.0吸水率最低。

控制鹼當量8%、液膠比為0.4、0.5及0.6之條件下，改變鹼模數由1.0、1.5及2.0時之3天養護時間吸水率範圍分別為0.05%~0.05%、0.10%~0.53%、0.39%~1.06%，於其7天養護齡期時分別為0.95%~3.04%、0.19%~1.18%、0.56%~2.55%，於其28天養護齡期時則分別為1.37%~5.58%、0.38%~2.80%、0.51%~5.26%，如圖8(a)(b)(c)所示。其中以S20F80、S40F60、S60F40、S80F20等混拌配比在鹼當量8%、液膠比0.4、鹼模數比1.5吸水率最低。

控制鹼當量10%、液膠比為0.4、0.5及0.6之條件下，改變鹼模數由1.0、1.5及2.0時之3天養護時間吸水率範圍分別為0.05%~0.13%、0.13%~0.54%、 0.34%~0.74%，於其7天養護齡期時分別為0.05%~1.23%、0.18%~1.40%、0.49%~2.62%，於其28天養護齡期時則分別為0.37%~4.13%、0.38%~3.07%、0.58%~6.26%，如圖9(a)(b)(c)所示。其中以S80F20、S40F60、S60F40、S80F20等混拌配比在鹼當量8%、液膠比0.4、鹼模數比2.0吸水率最低。

(3)液膠比之影響

控制鹼模數1.0、鹼當量6%、8%和10%的條件下，改變液膠比為0.4、0.5及0.6時之3天養護時間吸水率範圍分別為0.05%~0.41%、0.05%~0.05%、0.05%~0.13%，於其7天養護齡期時分別為0.36%~2.02%、0.95%~3.04%、0.05%~1.23%，於其28天養護齡期時則分別為0.46%~3.83%、1.37%~5.58%、0.37%~4.13%，如圖7(a)(b)(c)所示。由上述強度趨勢可看出吸水率隨養治時間增加而降低，隨著液膠比的下降而降低，其中以S20F80、S40F60、S60F40、S80F20等混拌配比在鹼當量6%、液膠比0.4、鹼模數比1.0時吸水率最低。

控制鹼模數1.5、鹼當量6%、8%和10%的條件下，改變液膠比為0.4、0.5及0.6時之3天養護時間吸水率範圍分別為0.13%~0.34%、0.10%~0.53%、0.13%~0.54%，於其7天養護齡期時分別為0.38%~1.56%、0.19%~1.18%、0.26%~1.40%，於其28天養護齡期時則分別為0.05%~5.07%、0.38%~2.80%、0.38%~3.07%，如圖8(a)(b)(c)所示。由上述強度趨勢可看出吸水率養治時間增加而降低，隨著液膠比的降低而降低，其中以S20F80、S40F60、S60F40、S80F20等混拌配比在鹼當量6%、液膠比0.4、0.5及0.6、鹼模數比1.5吸水率最低。

控制鹼模數2.0、鹼當量6%、8%和10%的條件下，改變液膠比為0.4、0.5及0.6時之3天養護時間吸水率範圍分別為0.31%~1.16%、0.39%~1.06%、0.34%~0.74%，於其7天養護齡期時分別為0.39%~2.31%、0.56%~2.55%、0.49%~2.62%，於其28天養護齡期時則分別為0.29%~4.93%、0.51%~5.26%、0.63%~6.26%，如圖 9(a)(b)(c)所示。由上述強度趨勢可看出吸水率隨養治時間增加而降低，隨著液膠比的降低而降低，其中以S20F80、S40F60、S60F40、S80F20等混拌配比在鹼當量6%、液膠比0.4、0.5及0.6、鹼模數比2.0吸水率最低。由試驗結果得知，液膠比之提升會使吸水率增加，其原因為液膠比之增加導致鹼激發劑之濃度被稀釋，而在無機聚合物之反應機制中，主要係以強鹼溶液破壞電廠飛灰表面之玻璃質進而產生化學水化反應，而化學水化反應中矽、鋁離子之析出量會影響其聚合作用之完整性，因此一旦降低鹼激發劑之濃度，鹼活化電廠飛灰之效益會降低，導致吸水率增加。

四、乾縮變化量

本研究主要使用乾縮試驗來瞭解電廠飛灰無機聚合物之體積穩定性，因此利用數位式比較測長儀來量測無機聚合物脫水時所造成試體乾縮之長度變化量，因此其乾縮量越小越好，以下將針對電廠飛灰無稽聚合物鹼當量、鹼模數、液膠比對於體積穩定性之影響作探討。

(1)鹼當量之影響：

為探討鹼當量對電廠飛灰無機聚合物試體乾縮量之影響，針對6%、8%及10%鹼當量範圍，並控制其鹼模數比為1.0及液膠比為0.4、0.5及0.6之條件下，改變鹼當量6%至10%時之3天養護時間乾縮量範圍分別為-0.85^mm~0.10^mm、-0.052^mm~0.125^mm、-0.092^mm~0.117^mm，於其7天養護齡期時分別為-0.041^mm~0.286^mm、-0.087^mm~0.191^mm、-0.020^mm~0.018^mm，於其28天養護齡期時則分別為-0.009^mm~0.782^mm、-0.196^mm~0.112^mm、-0.058^mm~0.021^mm，如圖10(a)(b)(c)、圖11(a)(b)(c)、圖12(a)(b)(c)所示。由上述可知，乾縮量隨著鹼當量的提高而增加，亦隨著養護齡期的增加而上升，由於高鹼當量可有效激發電廠飛灰無機聚合物的活性，使結構內部因聚合作用及水化反應產生更多之C-S-H膠體填補材料中之孔隙，使其更為緻密；其中以S20F80、S40F60、S60F40、S80F20等混拌配比在鹼當量6%、8%及10%、液膠比0.4、鹼模數比1.0乾縮量最低。

當鹼模數比為1.5及液膠比為0.4、0.5及0.6之條件下，改變鹼當量6%至8%時之3天養護時間乾縮量範圍分別為-0.223^mm~0.02^mm、-0.216^mm~0.03^mm、-0.335^mm~0.015^mm，於其7天養護齡期時分別為-0.064^mm~0.022^mm、-0.173^mm~0.043^mm、-0.183^mm~0.011^mm，於其28天養護齡期時則分別為-0.088^mm~0.019^mm、-0.098^mm~0.006^mm、-0.144^mm~0.02^mm，如圖10(a)(b)(c)、圖11(a)(b)(c)、圖12(a)(b)(c)所示。其中以S20F80、S40F60、S60F40、S80F20等混拌配比在鹼當量6%、8%及10%、液膠比0.4、鹼模數比1.5乾縮量最低。

當鹼模數比為2.0及液膠比為0.4、0.5及0.6之條件下，改變鹼當量6%至8%時之3天養護時間乾縮量範圍分別為-0.481^mm~0.044^mm、-0.261^mm~0.014^mm、-0.151^mm~-0.602^mm，於其7天養護齡期時分別為-0.048^mm~0.045^mm、-0.057^mm~-0.23^mm、-0.055^mm~-0.203^mm，於其28天養護齡期時則分別為-0.046^mm~0.074^mm、-0.185^mm~-0.020^mm、-0.078^mm~0.110^mm，如圖10(a)(b)(c)、圖11(a)(b)(c)、圖12(a)(b)(c)所示。其中以S20F80、S40F60、S60F40、S80F20等混拌配比在鹼當量6%、8%及10%、液膠比0.4、鹼模數比2.0乾縮量最低。

(2)鹼模數比之影響：

控制鹼當量6%、液膠比為0.4、0.5及0.6之條件下，改變鹼模數由1.0、1.5及2.0時之3天養護時間乾縮量範圍分別為-0.85^mm~0.050^mm、-0.217^mm~0.020^mm、-0.481^mm~0.044^mm，於其7天養護齡期時分別為-0.041^mm~0.286^mm、-0.064^mm~0.022^mm、-0.048^mm~0.045^mm，於其28天養護齡期時則分別為-0.009^mm~0.782^mm、-0.088^mm~0.02^mm、-0.046^mm~0.074^mm，如圖10(a)(b)(c)所示。其中以S20F80、S40F60、S60F40、S80F20等混拌配比在鹼當量6%、液膠比0.4、鹼模數比1.0乾縮量最低。

控制鹼當量8%、液膠比為0.4、0.5及0.6之條件下，改變鹼模數由1.0、1.5及2.0時之3天養護時間乾縮量範圍分別為-0.052^mm~0.069^mm、-0.216^mm~0.03^mm、-0.261^mm~0.014^mm，於其7天養護齡期時分別為-0.087^mm~0.191^mm、-0.173^mm~0.043^mm、-0.057^mm~0.218^mm，於其28天養護齡期時則分別為-0.196^mm~0.112^mm、-0.098^mm~0.006^mm、-0.02^mm~-0.185^mm，如圖11(a)(b)(c)所示。其中以S20F80、S40F60、S60F40、S80F20等混拌配比在鹼當量8%、液膠比0.4、鹼模數比1.5乾縮量最低。

控制鹼當量10%、液膠比為0.4、0.5及0.6之條件下，改變鹼模數由1.0、1.5及2.0時之3天養護時間乾縮量範圍分別為-0.092^mm~0.065^mm、-0.335^mm~0.015^mm、-0.151^mm~-0.602^mm，於其7天養護齡期時分別為-0.020^mm~0.018^mm、-0.183^mm~-0.011^mm、-0.055^mm~-0.203^mm，於其28天養護齡期時則分別為-0.035^mm~0.021^mm、-0.144^mm~-0.020^mm、-0.008^mm~0.110^mm，如圖12(a)(b)(c)所示。其中以S80F20、S40F60、S60F40、S80F20等混拌配比在鹼當量8%、液膠比0.4、鹼模數比2.0乾縮量最低。

(3)液膠比之影響

控制鹼模數1.0、鹼當量6%、8%和10%的條件下，改變液膠比為0.4、0.5及0.6時之3天養護時間乾縮量範圍分別為-0.85^mm~0.10^mm、-0.052^mm~0.125^mm、-0.092^mm~0.117^mm，於其7天養護齡期時分別為-0.041^mm~0.286^mm、-0.087^mm~0.191^mm、-0.020^mm~0.018^mm，於其28天養護齡期時則分別為-0.009^mm~0.782^mm、-0.196^mm~0.112^mm、-0.058^mm~0.021^mm，如圖10(a)(b)(c)、圖11(a)(b)(c)、圖12(a)(b)(c)所示。由上述強度趨勢可看出吸水率隨養治時間增加而降低，隨著液膠比的下降而降低，其中以S20F80、S40F60、S60F40、S80F20等混拌配比在鹼當量6%、液膠比0.4、鹼模數比1.0時乾縮量最低。

控制鹼模數1.5、鹼當量6%、8%和10%的條件下，改變液膠比為0.4、0.5及0.6時之3天養護時間乾縮量範圍分別為-0.223^mm~0.02^mm、-0.216^mm~0.03^mm、 -0.335^mm~0.015^mm，於其7天養護齡期時分別為-0.064^mm~0.022^mm、-0.173^mm~0.043^mm、-0.183^mm~0.011^mm，於其28天養護齡期時則分別為-0.088^mm~0.019^mm、-0.098^mm~0.006^mm、-0.144^mm~0.02^mm，如圖10(a)(b)(c)、圖11(a)(b)(c)、圖12(a)(b)(c)所示。其中以S20F80、S40F60、S60F40、S80F20等混拌配比在鹼當量6%、液膠比0.4、0.5及0.6、鹼模數比1.5乾縮量最低。

控制鹼模數2.0、鹼當量6%、8%和10%的條件下，改變液膠比為0.4、0.5及0.6時之3天養護時間乾縮量範圍分別為-0.481^mm~0.044^mm、-0.261^mm~0.014^mm、-0.151^mm~-0.602^mm，於其7天養護齡期時分別為-0.048^mm~0.045^mm、-0.057^mm~-0.23^mm、-0.055^mm~-0.203^mm，於其28天養護齡期時則分別為-0.046^mm~0.074^mm、-0.185^mm~-0.020^mm、-0.008^mm~0.110^mm，如圖10(a)(b)(c)、圖11(a)(b)(c)、圖12(a)(b)(c)所示。結果顯示當液膠比由0.4提高至0.6時，乾縮量皆有增加之趨勢，由於低液膠比可以減少試體內部之滯留水，因而降低乾縮量，但隨著液膠比的提高，使其滯留水稀釋鹼活化劑之濃度，進而影響電廠飛灰無機聚合物的活性，造成較多之殘餘滯留水，當試體乾燥硬固後滯留水的散失，而導致其乾縮量升高。

五、掃描式電子顯微鏡之結構觀察

將電廠飛灰製作成無機聚合物澆置成5cm×5cm×5cm方形試體養護7天後取樣，其掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察電廠飛灰無機聚合物晶相變化，如圖13至24所示，在相同液膠比0.4、相同鹼模數比2.0鹼當量AE由6%、8%和10%條件下，皆可看到C-S-H膠體附著在熔融狀聚合反應生成產物結構上，但當鹼當量由6%提升至10%時，混拌配比S20F80、S40F60、S60F40、S80F20中隨著水淬爐石粉逐漸增加時，其C-S-H膠體逐之減少之現象，並且可看到其中出現了裂縫，如圖13至圖16、如圖17至圖20、如圖21至圖24所示。當鹼活化劑鹼度較低時，其C-S-H膠體與Si-O-Si架狀結構兩者共同存在，而C-S-H膠體可填塞Si-O-Si架狀結構所產生孔隙。由此可知當低鹼度時，其強度來源主要以C-S-H膠體為主；然而鹼度較高時以Si-O-Si架狀結構為主。

本較佳實施例為探討電廠飛灰製作成無機聚合綠色水泥之產製技術研究，以電廠飛灰為底，調配鹼當量(AE)、鹼模數比(Ms)與液膠比(L/B)，將電廠飛灰製作成無機聚合綠色水泥。以S20F80、S40F60、S60F40、S80F20等為混拌配比，調配鹼當量(AE)、鹼模數比(Ms)、液膠比(L/S)等，製作試體後並經養護3天、7天及28天，探討其凝結時間、抗壓強度、吸水率、乾縮量之影響，經由試驗結果加以分析，可歸納出以下幾點結論：

一、針對6%、8%及10%鹼當量範圍，鹼模數比為1.5及2.0，液膠比為0.5、0.6的條件下，以S20F80、S40F60等混拌配比的電廠飛灰無機聚合物，終凝時間即符合水泥規範要求。

二、針對6%、8%及10%鹼當量範圍，鹼模數比為2.0，液膠比為0.4的條件下，以S20F80、S40F60、S60F40、S80F20等混拌配比電廠飛灰無機聚合物抗壓強度已經達到普通水泥(Type I)抗壓強度之要求。

三、針對6%、8%及10%鹼當量範圍，鹼模數比為1.0、1.5、2.0，液膠比為0.4的條件下，以S20F80、S40F60、S60F40、S80F20等混拌配比吸水率最低。吸水率會隨著鹼當量提高而下降，隨著養護時間增加而降低。

四、針對6%、8%及10%鹼當量範圍，並控制其鹼模數比為1.0、1.5、2.0，液膠比為0.4的條件下，以S20F80、S40F60、S60F40、S80F20等混拌配比乾縮量最低。

五、針對6%、8%及10%鹼當量範圍，鹼模數比為1.0，液膠比為0.6的條件下，以S20F80、S40F60、S60F40、S80F20等混拌配比電廠飛灰無機聚合物，凝結時間最短。

Claims

一種無機聚合水泥的製造方法，包含以下步驟：(A)取得一F級火力電廠飛灰及水淬爐石粉；(B)將該F級火力電廠飛灰及水淬爐石粉進行檢測；(C)將檢測合格的F級火力電廠飛灰與水淬爐石粉進行調配，其中，F級火力電廠飛灰的重量百分比為20%~80%，水淬爐石粉的重量百分比為80%~20%，其中，水淬爐石粉/F級火力電廠飛灰之重量比例分別為20/80、40/60、60/40或80/20；(D)將步驟(C)的材料加入矽酸鈉與氫氧化鈉進行無機聚合水泥的混拌，其中，液膠比為0.4，含鹼當量為6%及鹼模數比為2.0，製作成無機聚合物漿體；及(E)進行3~28天的養治作業，並進行各項檢測。
依據申請專利範圍第1項所述無機聚合水泥的製造方法，其中，於步驟(D)中，矽酸鈉與氫氧化鈉是用以進行含鹼當量與鹼模數比的調整，且該矽酸鈉是選用矽酸鈉溶液。
依據申請專利範圍第1項所述無機聚合水泥的製造方法，其中，於步驟(B)中，是將該F級火力電廠飛灰進行物理性質試驗，並進行XRD及XRF分析。
依據申請專利範圍第1項所述無機聚合水泥的製造方法，其中，於步驟(E)中，是進行3天、7天或28天的養治作業。
依據申請專利範圍第1項所述無機聚合水泥的製造方法，其中，於步驟(E)中，是進行抗壓試驗、凝結時間檢測，及乾縮試驗。
依據申請專利範圍第1項所述無機聚合水泥的製造方法，其中，於步驟(C)中，該F級火力電廠飛灰與水淬爐石粉皆需研磨至細度要求至少4000(cm²/g)以上。