杜風 101 期 特別報導

防堵有害爐碴誤用於混凝土-細粒料中有害爐碴快篩法

楊仲家

國立台灣海洋大學材料工程研究所 教授

 

 

「爐碴」為鋼鐵業於製程中所產生的副產物,依其不同製程階段而產生不同種類的爐碴,常見的爐碴種類有煉鐵時產生之氣冷高爐石、水淬高爐石、及煉鋼時產生之脫硫碴、轉爐碴、氧化碴與還原碴等。一般工程常見且已被普遍再利用的水淬高爐石,工程界稱之為爐石粉(水淬高爐石粉),已在台灣工程建設中使用近30年,為高經濟價值之再生材料,普為世界各國所認可。本文所稱的有害爐碴(或稱煉鋼爐碴),係指水淬高爐石粉以外,對混凝土具負面效應的爐碴。

最近有害爐碴被誤摻混於混凝土之細粒料,因有害爐碴含部分游離CaO及MgO,此成分與水反應會導致體積膨脹,由於此體積膨脹現象遠比混凝土硬固的時間遲緩,一方面導致屬準脆性的已硬固混凝土,產生表面突出(Pop out)及脫落等現象(如圖1),另一方面因有害爐碴體積膨脹,表面形成大量的過度界面區(ITZ; Interfacial Transition Zone),影響混凝土的傳輸性質,導致有害離子容易侵入混凝土,降低混凝土的耐久性。

 

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圖1  混凝土表面凸起及脫落

 

雖然煉鋼爐碴已訂有再利用之管理辦法,應先安定化後始得進入再利用製程。然而,仍屢屢發生危及混凝土工程品質事件,顯示安定化之方法或管理尚有不周之處。由於有害爐碴再利用之可行性及安全性尚有疑慮之際,不宜貿然使用於混凝土材料。

有害爐碴進入混凝土的管道,主要為摻混於細粒料中。避免混凝土細粒料中摻混有害爐碴,應從預拌混凝土廠在砂石進廠時加以管控。為防堵有害爐碴誤用於混凝土,本研究室提供一種初步篩檢方式,於砂石進入混凝土廠時,利用20 ~ 30分鐘,將天然砂與摻混有害爐碴之混合細粒料磨粉後加入試劑水,檢測其水溶液之氫離子濃度指數(pH值),可初步判定混合細粒料中是否含有0.5%(重量比)以上之有害爐碴,能有效防止煉鋼有害爐碴誤糝混用於混凝土中,本初步篩檢法之標準作業程序敘述如下:

  1. 取約50克細粒料樣本於110±5℃ 烘乾至完全乾燥。
  2. 烘乾後之細粒料樣本經由磨粉機處理,使全數通過50號(300μm)試驗篩。
  3. 秤取10克重粉體樣本置於250 mL燒杯中。
  4. 利用量筒加90毫升(mL)之試劑水至已有粉體樣本之燒杯內。
  5. 將含樣本與試劑水之燒杯置於電磁攪拌器上攪拌5分鐘,電磁攪拌器轉速為每分鐘500轉。
  6. 濾紙折成圓錐形置入漏斗,漏斗插入另一燒杯,將燒杯內溶液緩緩倒入漏斗,過濾後取得濾液。
  7. 靜置過濾時觀察溶液,如濾紙上方溶液表面出現懸浮一層白色或灰色反光懸浮物時,細粒料樣本可能含有害爐碴。
  8. 以pH測定儀測定濾液之pH值。
  9. 濾液之pH值大於9.0時,初步判定此粒料中含有0.5%(重量比)以上之有害爐碴。

本研究使用標準砂,並於預拌混凝土廠取7種常用的砂、2種還原碴及1種脫硫碴,依上述之檢測方式進行pH值之實驗。圖2為標準砂及常用之細粒料、還原碴與脫硫碴之pH值。圖中顯示除黃色大陸進口的細砂(Y)pH值 8.5外,其餘砂的pH值均小於7.6。但還原碴與脫硫碴之pH值為11.9至12.5之間。細粒料與有害爐碴之pH值具顯著之差異。

 

 
圖2  細粒料、還原碴與脫硫碴之pH值

 

圖3為標準砂(S)、黑砂(B)及黃沙(Y)中分別添加還原碴(S1及S2)與脫硫碴(S3) 1%之pH值。圖中顯示添加1%脫硫碴(S3)之pH值高於添加1%還原碴(S1及S2)之pH值。添加1%之還原碴或脫硫碴之pH值均明顯的高於9。

 

 
圖3  細粒料中含1%還原碴與脫硫碴之pH值

 

使用黑砂(B)分別添加1%、0.1%、0.05%、0%之還原碴後,進行pH值實驗。

圖4為黑砂(B)中分別含1%、0.1%、0.05%、0%還原碴(S1)之pH值。黑砂中含0.1%還原碴時其pH值為9.5。顯示利用pH值大於9之檢測標準,可篩檢出細粒料中含0.1%(重量比)以上的還原碴。為保守起見,僅提出初步判定此粒料中含有0.5%(重量比)以上之有害爐碴。

 

 
圖4  黑砂(B)中分別含1%、0.1%、0.05%、0%還原碴之pH值

 

混凝土細粒料中若誤用有害爐碴,可能導致預拌混凝土廠及民眾極大的困擾。本檢測法雖不屬於學性研究,但具有極高的實用價值,其主要目的為提供預拌混凝土廠一種自主管理方式,於每批細粒料進廠以前,利用約20 ~ 30分鐘的時間,進行pH值檢測,於很低的經費之下,初步判定粒料中是否含有0.5%(重量比)以上之有害爐碴,能夠快速、有效地築起一道防火牆,以避免混凝土細粒料中摻混有害爐碴。因此本研究團隊將於本(四)月份,協助預拌混凝土公會,分別於新北市、桃園、台中、台南、高雄等地區,針對預拌混凝土從業人員舉辦五場訓練研習班,目前報名人數已超過350名現職人員,希望透過本訓練工作,預拌混凝土廠能夠具有執行本初步篩檢的能力,並且能夠確實做到自主管理的初步篩檢工作,避免有害爐碴摻混於混凝土,以保障大眾居住的安心,共同努力提升台灣的混凝土品質。

 

 

 

 

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