李公哲臺灣大學：環境工程學研究所林詩瑋Lin, Shih-WeiShih-WeiLin2007-11-292018-06-282007-11-292018-06-282005http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/62597本研究採熔融技術，將垃圾焚化底渣與氟化鈣污泥進行共同熔融處理，並將水冷所得之熔渣作為取代水泥之摻料，探討熔渣本身之卜作嵐性質及其對混凝土之耐久性影響。本實驗總共分成三階段，第一階段為尋求焚化底渣與氟化鈣污泥共同熔融之最低熔流溫度；第二階段為水冷熔渣之基本性質分析；第三階段則是將熔渣粉體取代部分水泥後，利用各種試驗，如抗壓試驗、超音波速試驗、電阻係數試驗、快速氯離子滲透試驗(RCPT)、鋼筋 袘k試驗及XRD、MIP、SEM等分析，探討其對熔渣混凝土耐久性之影響。 實驗結果顯示，當焚化底渣/氟化鈣污泥配比為7：3時，CaO/SiO2約為1.4時，具有最低之熔流溫度1081℃，此配比經熔融水淬後所得之熔渣為非晶質，比重約3.15，成分為與C級飛灰接近之卜作嵐材料。將熔渣依不同水泥取代率添加至水泥砂漿中，經由抗壓試驗及燒失量、MIP及SEM分析結果，顯示養護齡期之晚期具卜作嵐作用之效應，水泥取代率可由3%至20%。但由熔渣混凝土耐久性加以評估，綜合超音波速、電阻係數及RCPT等試驗結果則顯示最適水泥取代率宜為3%，此取代率將有助於增加混凝土內部的緻密性，使耐久性提高。以電阻係數評估熔渣混凝土之耐久性，本研究顯示養護齡期對熔渣混凝土之影響遠大於水泥取代率。由氯離子滲透試驗結果顯示，水泥取代率與電荷通過量之關係有一明顯折點，此折點可做為選擇最適取代率之指標。另外，由鋼筋 袘k試驗亦發現，熔渣會與侵入氯離子形成佛來第鹽類，具有抑制氯離子移動之防蝕濳力。The purpose of this research was to study the effects of co-melting slags produced from municipal solid waste incinerator bottom ash and industrial calcium fluoride sludge on pozzolanic reaction and durability in cement-based composites materials. The co-melting slag was water-quenched with room temperature. Experiments were conducted to (1) determine the lowest pouring temperature of co-melting ash and sludge at different proportions. (2) analyze the physical and chemical characteristics of the pulverized slag, such as specific gravity, particle size, chemical composition, TCLP, XRD patterns and strength activity index (SAI). (3) incorporate the slag as mineral admixtures in the cement-based composites materials in place of a fraction of the cement, and evaluate the influence of the replacement ratio on performance of the cement-based composites materials in terms of setting times, compressive strengths, electrical resisitivity, the rapid chloride penetration test (RCPT) , etc. The results showed that the lowest pouring temperature was 1081℃ when the co-melting ash and sludge were in the ratio of 7:3. The molten slag was then water-cooled and examined its properties. It was observed that the water-quenched slag was amorphous and had a specific gravity of 3.15 which was close to Class C fly ash. The results of compressive strength, degree of hydration, MIP and SEM indicated that the slag was a latent pozzolans and it could replace 3% to 20% cement in mortar. It was also observed that 3% replacement of cement with slag would enhance concrete properties with denser microstructure based on pulse velocity, resisitivity and RCPT results. Furthermore, resisitivity test results showed that the influence of curing time on concrete durability is more important than that of cement replacement on concrete duability. The relationship between cement replacement and cumulative charges from RCPT results shows that there existed a critical point which could be employed as the indicator for choosing a suitable replacement ratio. In addition, the aluminate phase of the slag could bind chlorides to form Fredel’s salt resulting from reinforced concrete corrosion test. It implied that blending cement with slag would decrease the diffusivity of chloride in the concrete and improve its durability.第一章 前言………………………………………………………..1 1.1研究緣起…………………………………………………………...1 1.2研究目的與內容…………………………………………………...2 第二章 文獻回顧…………………………………………………..5 2.1工業廢水污泥─氟化鈣污泥處置及資源化……………………...5 2.1.1氟化鈣污泥之處置……………………………………….......5 2.1.2氟化鈣污泥資源化技術………………………………….......6 2.2 垃圾焚化底渣處置及資源化……………………………………..8 2.2.1國內垃圾焚化灰渣之處置……………………………….......8 2.2.2焚化底渣之特性………………………………………….......8 2.2.3焚化底渣資源化技術…………………………………….......9 2.3熔融技術之探討…………………………………………………..13 2.3.1熔融技術概述……………………………………………......13 2.3.2熔渣特性…………………………………………………......15 2.3.3熔渣應用現況……………………………………………......16 2.4水泥基本原理……………………………………………………..18 2.4.1卜特蘭水泥………………………………………………......18 2.4.2水泥水化反應……………………………………………......20 2.4.3水泥基複合材料性質……………………………………......21 2.5卜作嵐材料……………………………………………………....29 2.5.1卜作嵐反應基本原理……………………………………......29 2.5.2添加卜作嵐材料對於混凝土性質之影響………………......30 2.5.3卜作嵐材料類型及相關研究 ………………………….......31 第三章 實驗材料、設備與方法………………………………….34 3.1試驗流程………………………………………………………....34 3.2實驗材料…………………………………………………………..37 3.3實驗與分析方法…………………………………………………..38 第四章 結果與討論……………………………………………….52 4.1 底渣/污泥性質分析..…………………………………………..52 4.1.1三成分分析………………………………………………......52 4.1.2 元素組成及重金屬分析……………………………….......52 4.1.3 毒性特性溶出試驗及氫離子濃度指數……………….......55 4.1.4 晶相分析……………………………………………….......57 4.1.5 微觀分析……………………………………………….......57 4.2 熔渣粉體之配比與鹽基度之關聯性探討..…………………….60 4.3 熔渣粉體性質之探討………………………..………………….63 4.3.1 熔渣粉體之物理性質…………………………...………....63 4.3.2 熔渣粉體之化學組成………………………………….......65 4.3.3 熔渣毒性溶出試驗結果……………………………….......66 4.3.4 熔渣之晶相分析……………………………………….......67 4.4 熔渣卜作嵐性質之探討….…………………………………....68 4.5 熔渣水泥漿體及水泥砂漿性質之影響探討…………………...69 4.5.1 熔渣成分對水泥漿體凝結行為之影響……………….......69 4.5.2 熔渣與抗壓強度之發展……………………………….......70 4.5.3 水化程度與氫氧化鈣含量之探討…………………….......73 4.5.4 各水泥取代率之孔隙結構與養護齡期之關連性…….......77 4.5.5 微觀分析……………………………………………….......80 4.6 熔渣混凝土之耐久性評估……………………………………...83 4.6.1 超音波速與熔渣混凝土養護齡期之關係探討……….......83 4.6.2 水泥取代率與超音波速之影響……………………….......85 4.6.3 電阻係數與熔渣混凝土養護齡期之關係探討……….......87 4.6.4 水泥取代率與電阻係數之影響……………………….......89 4.6.5 超音波速與電阻係數之關係探討…………………….......91 4.6.6 快速氯離子滲透試驗與最適水泥取代率之選擇…….......93 4.7 熔渣混凝土對鋼筋 袘k之初探..……………………………….99 4.8 焚化底渣/氟化鈣污泥之共熔熔渣資材化耐久性綜合評估...103 第五章 結論與建議……………………………………………..104 5.1結論……………………………………………………………...104 5.2建議……………………………………………………………...106 參考文獻………………………………………………………………108 圖2-1 半導體含氟廢水處理流程圖…………………………………5 圖2-2 底渣磁選及篩分處理技術與再利用方式………………….10 圖2-3 熔融技術流程圖…………………………………………….11 圖2-4 熔渣中Si-O之網目結構…………………………………….14 圖2-5 日本典型熔融處理流程圖………………………………….14 圖2-6 水泥凝結與硬化的過程…………………………………….22 圖2-7 水泥基複合材料孔徑尺寸關係圖………………………….23 圖2-8 C-S-H膠體結構模型………………………………………..24 圖2-9 鋼筋 袘k反應簡圖………………………………………….28 圖3-1 第一階段實驗流程圖……………………………………….35 圖3-2 第二階段實驗流程圖……………………………………….36 圖3-3 第三階段實驗流程圖……………………………………….36 圖3-4 坩堝架、坩堝片、試驗錐整體概圖……………………….41 圖3-5 試驗錐變化狀況…………………………………………….41 圖3-6 費開式試驗儀……………………………………………….42 圖3-7 四極式電阻量測儀示意圖………………………………….46 圖3-8 超音波速測量儀…………………………………………….47 圖3-9 RCPT試驗系統示意圖……………………………………….48 圖3-10 高壓蒸鍋之條件…………………………………………….50 圖3-11 Bragg定律示意圖……………………………………………51 圖4-1 焚化底渣EDX圖譜……………………………………………53 圖4-2 氟化鈣污泥EDX圖譜………………………………………..53 圖4-3 焚化底渣XRD圖譜…………………………………………..58 圖4-4 氟化鈣污泥XRD圖譜…………………………………………58 圖4-5 底渣/污泥之SEM圖………………………………………….59 圖4-6 不同底渣/污泥配比之軟化、熔融及熔流溫度…………..61 圖4-7 鹽基度1與熔流溫度之關係…………………………………61 圖4-8 鹽基度5與熔流溫度之關係…………………………………62 圖4-9 熔渣粉體之SEM圖(2500倍)…………………………………64 圖4-10 熔渣粉體之粒徑分佈圖…………………………………….64 圖4-11 熔渣之XRD圖譜………………………………………………67 圖4-12 不同取代率之熔渣水泥漿體凝結時間…………………….70 圖4-13 各水泥取代率之熔渣水泥砂漿抗壓強度發展圖………….71 圖4-14 水泥取代率與抗壓強度關係圖…………………………….71 圖4-15 各水泥取代率之熔渣水泥砂漿水化程度發展圖(OPC、S-1、S-3)…………………………………………………………….......74 圖4-16 各水泥取代率之熔渣水泥砂漿水化程度發展圖(OPC、S-5、S-10、S-20)…………………………………………………........74 圖4-17 水化程度與抗壓強度關係圖……………………………….75 圖4-18 各水泥取代率之熔渣水泥砂漿CH含量變化圖(OPC、S-5、S-10、S-20)………………………………………………............76 圖4-19 各水泥取代率之熔渣水泥砂漿水化程度發展圖(OPC、S-5、S-10、S-20)………………………………………………..........77 圖4-20 各水泥取代率之不同齡期孔隙分佈圖…………………….78 圖4-21 各水泥取代率對孔隙率之影響…………………………….79 圖4-22 各水泥取代率對孔隙結構之影響………………………….80 圖4-23 熔渣水泥砂漿內之組成及水化產物……………………...82 圖4-24 養護齡期對超音波速之影響……………………………….84 圖4-25 各熔渣混凝土之水泥取代率對超音波速之影響………….86 圖4-26 養護齡期對電阻係數之影響……………………………….87 圖4-27 各熔渣混凝土之水泥取代率對電阻係數之影響………….91 圖4-28 超音波速與電阻係數之關係圖…………………………….93 圖4-29 齡期91天水泥取代率0%之電流與時間關係圖…………...94 圖4-30 齡期91天不同水泥取代率之電流與時間關係圖…….……94 圖4-31 快速氯離子滲試驗之通過電荷量與水泥取代率之關係….96 圖4-32 鋼筋加速 袘k試驗水泥取代率0%之XRD分析圖譜………..99 圖4-33 鋼筋加速 袘k試驗試體水泥取代率20%之XRD分析圖…..100 表2-1 各種灰渣資源化處理技術評比…………………………….12 表2-2 熔融處理法之特點分析…………………………………….13 表2-3 熔渣之種類、形成方法及特性…………………………….16 表2-4 熔渣之應用方向…………………………………………….17 表2-5 卜特蘭水泥主要成分……………………………………….18 表2-6 水泥熟料礦物之水化特徵………………………………….21 表2-7 水化產物之特性…………………………………………….25 表2-8 卜作嵐材料分類…………………………………………….32 表2-9 研究中之卜作嵐材料……………………………………….32 表3-1 本研究試驗項目及分析方法一覽表……………………….38 表3-2 熔渣水泥砂漿配比表……………………………………….43 表3-3 熔渣混凝土配比表………………………………………….45 表3-4 鋼筋加速 袘k試驗之混凝土配比表……………………….49 表3-5 鹽分溶液之組成…………………………………………….49 表4-1 底渣與污泥之三成分分析………………………………….52 表4-2 底渣及污泥之主要成分…………………………………….55 表4-3 底渣及污泥之重金屬、氟及氯含量……………………….55 表4-4 底渣及污泥TCLP試驗結果………………………………….56 表4-5 底渣及污泥pH試驗結果…………………………………….56 表4-6 底渣/污泥結晶成分…………………………………………57 表4-7 不同底渣/污泥配比之軟化、熔融及熔流溫度……………60 表4-8 熔渣之主要成分…………………………………………….65 表4-9 熔渣之重金屬、氟及氯含量……………………………….66 表4-10 熔渣TCLP試驗結果比較…………………………………..67 表4-11 熔渣之強度活性指數………………………………………68 表4-12 不同熔渣取代率之RCPT電荷通過量………………………95 表4-13 熔渣混凝土之結晶成分………………………………….100en-US熔融摻料卜作嵐性質耐久性佛萊第鹽類meltingadmixturespozzolanic reactiondurabilityFriedel’s salts[SDGs]SDG11[SDGs]SDG12thesis