張俊鴻 涂哲維 徐敏晃 黃麗松

（財團法人臺灣營建研究院）

前言

自工業(yè)革命以來，人類以追求經濟成長為首要目標，產品設計及制造皆以“搖籃到墳墓”（Crad le to Grave）的思維來進行，自然資源一旦經開采就注定了單向的“搖籃到墳墓”之路：加工、制造、使用、拋棄、污染。為了彌補資源的耗竭，過去喊出3R（Reduce、Reuse、Recycle）的口號，但沒有從源頭設計改變起，有毒物質依然排放；且現有節(jié)能及回收的策略，只能使產品的生命周期延長或降級使用，減少能資源消耗，但能資源終究走向墳墓的結局。臺灣近年來參循國際廢棄物處理的思維模式，改以建構“搖籃到搖籃”（Cradle to Cradle,C2C）的理念（如圖1），力圖矯正以往產品從制造、銷售到報銷，只能一次性消費的缺失，轉而鼓吹新一波的產品設計理念，采用可以升級回收（up cycling）的材料，避免廢棄物因降級回收（down cycling）產生有毒物質。以建立一個在生物循環(huán)或工業(yè)循環(huán)上，對人類、環(huán)境與生態(tài)均安全無害且具有高價值的可回收性與再生循環(huán)性的供應鏈設計，達到永續(xù)經營的經濟概念。

1 資源再生料導入工程再利用之限制條件分析

順應臺灣資源循環(huán)再利用之政策目標，土木工程應用相較其他資源化途徑，對于材料需求量大且穩(wěn)定的特性，系為資源化材料多元去化的最佳途徑。臺灣在資源永續(xù)發(fā)展行動方案中均設定，推動資源化回收再利用產業(yè)發(fā)展及營建資源再生利用與再生建材產業(yè)化為發(fā)展目標，執(zhí)行方式則透過環(huán)保機關對于法令的公告，以宣告材料使用的適切途徑；在工程應用端，則透過將再生材料項目及使用規(guī)格與比例納入工程規(guī)范中，以開啟并誘發(fā)營建資源再生利用之市場通路。

圖1 資源循環(huán)利用“搖籃到搖籃”理念

多數工業(yè)制造所產之副產物，依其物化特性選用，多可適于土木工程上應用，包括若具硬度與耐磨特性，適于作為骨材粒料；若具水化特性及內摩擦角大，則適于作為底盤材料或地層改良材料；若化學成份中富含FeO、CaO、SiO2等，可作為水泥添加料使用；另化學成份中若具肥料元素包括CaO、SiO2、MgO、FeO等，則適于作為農業(yè)堆肥料。綜整臺灣每年所產之適用于骨材粒料使用之資源化材料每年之產量，以及評估對于再生材料需求量大的工程再利用方式，如表1所示。

2 臺灣資源再生材料工程使用推動策略

2.1 建立完善技術使用信息

為增加再生粒料工程推動之可行性，納入工程施工規(guī)范之材料選用項目為最終目標，但針對現階段仍未納入施工規(guī)范中的再生粒料，建構完善技術使用數據，系為臺灣現階段首要執(zhí)行目標。透過建立鑒別再生粒料產品質量標準，以及經試辦工程執(zhí)行回饋之材料特性界定、摻配比例原則、施工方式及檢驗標準及質量管理等措施，以作為材料使用的基礎數據。鑒于臺灣對于高爐石及飛灰的推動使用成功先例，系透過「公共工程飛灰混凝土使用手冊」及「公共工程高爐石混凝土使用手冊」的頒訂，以作為工程主辦機關、設計、施工單位、營造業(yè)及預拌混凝土業(yè)等參考依據，待使用技術純熟、市場接受意愿提升，逐漸開放使用比率，進而大大突破國內高爐石及飛灰使用上的限制。

2.2 精進再生粒料之管理作為

為能建立有效的管理方案，首先必須將處理業(yè)者與再利用用途簡單透明化，應透過專廠處理的路徑，經過處理成后端所適切的材料規(guī)格需求，再利用機構并應搭配完整產品通路，方能達到專廠處理、專用流向的目標。在完善專廠處理模式后，導入有效的管理措施，以協助工程質量的維持。然而，目前國際間有效管理的趨勢，系為實行驗證管理制度，透過嚴謹驗證作業(yè)的推行，經專家學者的參與，以提升管理作業(yè)的公信力，將再生粒料使用方式透明化，以建立主管機關及使用單位的信心。

驗證作業(yè)可分為“驗證評鑒及后續(xù)追查”、“樣品檢驗”及“專廠專用流向管理”三大部份，相關評鑒查驗項目乃依據各事業(yè)主管機關所頒訂的再利用管理方式，以及擬所導入之資源化產品質量要求辦理；而樣品檢驗除落實各事業(yè)主管機關所頒訂的再利用管理方式所規(guī)定之檢驗項目外，針對源物料及資源化產品進行抽驗工作，并研擬檢驗項目及頻率，另進行再利用機構之后端專廠專用資源化產品流向管理作業(yè)，以確保其資源化產品流向明確并符合再利用方式。

表1 臺灣主要資源再生粒料數量及使用限制

3 資源再生粒料用于混凝土工程技術分析

3.1 電弧爐煉鋼爐碴粒料之混凝土研究

電弧爐煉鋼系利用高電壓情況下，高電流通過人造石墨電極時，交流三電極間產生高溫電?。ㄖ绷麟姌O則于電極棒和爐底極間產生高溫電?。邷仉娀t則將廢鋼熔解，以達成熔煉鋼鐵之目的。電弧爐煉鋼在冶煉過程中，依其化學反應可分成三個階段，分別為熔解期、氧化期及還原期，電弧爐爐碴依產生的階段，所產的爐碴又可分為氧化碴及還原碴，另最終又依制造成品種類可分為碳鋼與不銹鋼兩類。為探討電弧爐煉鋼爐碴作為混凝土粒料之適用性，將不銹鋼電弧爐之氧化碴粒徑取代部分粗骨材，作混凝土強度差異比降，取代比率分別為50%及100%；不銹鋼電弧爐之還原碴則其粒徑較小因此取代部份細骨材，取代量分別20%、40%、60%，另利用碳鋼氧化碴取代細粒料進行高強度混凝土設計，有關強度表現如圖2所示。由試驗結果得知，爐碴混凝土強度發(fā)展與一般混凝土相近，皆能以配比及設計方式來達到設計強度需求，還原碴混凝土強度表現會低于一般混凝土，設計強度愈高則衰退愈明顯；但摻雜氧化碴的混凝土強度表現則優(yōu)于一般混凝土，甚至于高強度（560kgf/cm2）時仍有良好之強度表現。

但由于電弧爐碴廠在出碴冷卻階段，若未經任何預處理程序，則因其均含free-CaO（游離氧化鈣，簡稱f-CaO）成分，于再利用時會產生膨脹不穩(wěn)定現象。從微觀分析之觀點而言，煉鋼爐碴之游離氧化鈣由凝固及冷卻過程中，可分為兩種型式，即殘留游離氧化鈣（residual free lime）及沉淀游離氧化鈣（precipitated free lime）。此兩種存在之型式依外觀及粒徑大小不同來區(qū)分，前者依粒徑又細分為粒狀的游離氧化鈣（grainy free lime），主要粒徑介于3~10μm，及多孔的游離氧化鈣（spongy free lime），主要粒徑介于6~50μm；后者可能存在于鐵酸二鈣表面（on C2F-grain boundaries）或硅酸三鈣結晶體內（in C3S crystals），其主要粒徑均小于4μm。所有形式之游離氧化鈣均會行水化反應，而主要發(fā)生在殘留游離氧化鈣之多孔的石灰。煉鋼時所投入之石灰石如過量，則在造碴時會以CaO相析出，此f-CaO與水反應生成Ca（OH）2，使體積膨脹約100%~300%，同時使煉鋼爐碴疏松，這亦是煉鋼爐碴體積膨脹原因之一，同時FeO常固熔于f-CaO內，使水化反應減緩但不停止，這使得煉鋼爐碴應用困難，因此煉鋼爐碴在應用前應先測定安定化養(yǎng)生程序是否完成，膨脹是否停止?；耍_灣對于爐碴資源化的推廣使用，多以道路工程或非結構性混凝土為主。

圖2 電弧爐煉鋼爐碴粒料混凝土強度表現

3.2 焚化底渣粒料之控制性低強度混凝土研究

焚化底渣化學成分以SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO為主，與一般無機物相近，毒物溶出試驗（TCLP）皆可符合有害事業(yè)廢棄物的環(huán)保法規(guī)標準，其比重為2.65，較一般砂石略高，健度約為10%，較一般砂石差，因孔隙多洛杉磯磨損將近50%，低于一般砂石，接近規(guī)范許可邊緣，目前臺灣應用于混凝土技術以控制性低強度混凝土（Controlled Low-StrengthMaterials，CLSM）為主，取代部分粒料，且已建立相關研究數據。所謂CLSM其定義相當廣泛，舉凡可流動性的回填材料、低收縮性的可控制性低密度回填材料、可流動性漿體、可塑性之泥土水泥質材料、泥土水泥質泥漿等，皆可為廣義之CLSM。對于CLSM使用的粒料來說，再生粒料、剩余土石方以及回收的玻璃，皆可為CLSM配比中的理想材料，兼具減廢與資源再利用功效。在混凝土中，粗細粒料具有諸如健度、粒徑分布、有機物含量等嚴格的限制，但CLSM對粒料之要求并無特殊限制，焚化底渣配比設計主要概念是由水固比（W/S）控制工作性，以水灰比（W/C）控制強度，輔以藥劑、早強水泥縮短初凝時間。

系因底渣的含泥量高，以純底灰拌合CLSM較為黏稠，需要較多水量才能達到所需流動性。使用部分粗砂取代細粒料底灰，可有效的提高流動性，粗砂比例愈高，工作性愈好。另CLSM多作為道路管溝回填使用，為開放早點通車，因此對于早期強度之要求較為嚴格，各工程機關有不同的強度要求限制，較為嚴格之設定為12小時內需達7kg/m2，另部份機關則規(guī)定一天內需達3.5kg/m2之早期強度要求。此外，CLSM除了對早期強度有要求外，對于晚期強度也有限制，以避免造成日后再開挖的困難，強度規(guī)格設定在7kg/cm2~90kg/cm2間。由上述配比之強度表現結果來看，一天抗壓強度可發(fā)現抗壓強度趨勢與凝結時間結果有相當大的關連性，早期強度發(fā)展的快，凝結時間就會比較短，而早期強度相對的也會比較高，因此隨著焚化爐底碴添加量越高，一天抗壓強度就越低，且有隨著灰水比增加一天抗壓強度增加的趨勢，如圖3所示。

圖3 焚化底渣應用于CLSM一天抗壓強度表現

3.3 焚化底渣粒料低密度再生透水混凝研究

低密度再生透水混凝土（M u lti-fun c tiona l Regeneration Concrete，MRC）系以資源再生為觀點，將水泥與底渣再生粒料混拌，作為道路級配底層材料。臺灣對MRC之于粒料粒徑、拌和水、水泥用量、抗壓強度及滲透系數等皆有規(guī)定。焚化底碴在拌制完成后早期強度發(fā)展得比較快，于第14天后其強度發(fā)展就比較趨緩，顯示出添加焚化底碴之透水混凝土于初期強度發(fā)展得比較快，其強度發(fā)展如圖4所示，其中各曲線表示不同水泥與粒料之添加比率。

圖4 焚化底渣應用于M RC抗壓強度表現

3.4 水庫淤泥混凝土研究

水庫為重要水利設施，提供灌溉、工業(yè)、家庭日常生活等用水之主要來源，但臺灣地區(qū)河川受到地形影響，河流多短且陡，暴雨時湍急水流沖擊脆弱地質，使得洪水常挾帶大量泥砂淤積于水庫中，影響水庫壽命，因此須定期浚渫水庫淤泥。水庫淤泥主成分為粉土及黏土，在現行臺灣混凝土技術規(guī)范中，此類材料被視為有害物質，一般混凝土之限制含量為不得大于5%，而承受磨損之混凝土則限制含量為不得大于3%。因此，混凝土添加淤泥后之性質及施工管制與一般混凝土規(guī)范有所差異。經評估水庫淤泥應用于工程之適用性，若不以燒結成輕質骨材，以直接添加取代細粒料方式，公共工程部分以防汛塊/消波塊、淤泥預拌混凝土、CLSM為較可行之推廣方式，民間則以作為磚瓦原料、輕質骨材原料、陶瓷原料等較為可行。

有關淤泥混凝土技術部份，水庫淤泥可取代本來混凝土中的細骨材，其方式主要是先將淤泥與水經過適當比例拌和形成泥漿，再依配比設計加入其他材料一起攪拌。但由于淤泥SSD狀態(tài)之吸水率表現與一般細粒料有很大之差異，有絕大部份應為表面含水量，以此推算真正的水膠比應大于所設定之水膠比，因此若淤泥取代量愈多，則回加至用水量之數量愈多，水膠比更大，會造成淤泥取代量愈多、抗壓強度愈低之情形。根據試拌試驗結果顯示，不同水膠比與抗壓強度關系曲線比較結果如圖5，雖然淤泥取代量不同，但水膠比曲線大致相同，可知淤泥用量雖會稍微降低強度，但影響不大，淤泥混凝土之強度仍應為水膠比控制。另在同膠結材料用量、同目標坍度條件下，比較不同設計強度之淤泥取代量與強度折減關系如圖6，約呈反比關系，可作為工程單位使用淤泥用量之參考。

結語

圖5 不同水膠比與抗壓強度關系曲線

圖6 淤泥取代率（含水量0%）與強度折減關系

混凝土結構之設計年限至少50年，且質量與結構安全息息相關，故對于材料之選擇與管控須特別謹慎。但由于混凝土用量大，用途廣泛，各地皆有需求，而成為各式資源再生料最想去化途徑，如煉鋼爐碴、焚化底渣等可用于骨材粒料;水淬高爐石粉、燃煤飛灰等可用于卜作嵐材料。但多數資源再生材料添加入混凝土后有膨脹、強度不足及耐久性疑慮，故無法取代材料用于結構混凝土。近年在整體大環(huán)境的環(huán)保意識抬頭的趨勢下，資源材料的使用卻有其必要性，并無法因質量管理不易而單方面的禁止。因此，因應資源再生材料的使用，以學術單位立場而言，應透過對于資源再生料混凝土技術的長期研究，以建立足夠可靠的觀察結果，方能作為混凝土之材料使用；對政府機關而言，應修訂相關規(guī)范及標準，并建立資源再生料采購、供貨商等相關配套措施，其推動以政策主導為出發(fā)點，并納入嚴謹管理機制，由公共工程帶頭的采用；對業(yè)界而言，應加速建立正確的資源再生料使用概念及合適的管控措施，包括機具設備之改善，并提升品管人力及專業(yè)度。

[1] 李勇敏，垃圾焚化底渣再利用質量管理執(zhí)行問題分析之研究，中央大學，2013。

[2] 劉人慈，焚化爐底碴再利用于透水混凝土之研究，中央大學，2013。

[3] 臺灣鋼鐵工業(yè)同業(yè)公會，爐碴再利用方案可行性評估及推廣策略計劃，財團法人臺灣營建研究院，2013。

[4] 經濟部水利署，水庫淤泥利用處理專區(qū)營運規(guī)劃，財團法人臺灣營建研究院，2013。

[5] Gines, O., Chimenos, J.M., Vizcarro, A., Formosa, J., Rosell,J.R.,“Combined use of MSW I bottom ash and fly ash as aggregate in concrete formulation: Environmental and mechanical considerations”,Journal of Hazardous Materials, Vol. 169, pp. 643-650, 2009.

[6] 環(huán)保署，垃圾焚化底灰初級篩分資源再利用廠興建工程規(guī)劃、設計及監(jiān)造項目工作計劃-資源化再制品試作驗證報告，財團法人臺灣營建研究院，2003。

[7] 陳立，電弧爐氧化碴為混凝土骨材之可行性研究，中央大學，2003。

[8] 詹潁雯，爐石、飛灰與底灰于營建工程之資源化應用，2002。

[9] 黃偉慶，電弧爐煉鋼爐碴特性及取代混凝土粗骨材之研究，中央大學，2000。

[10] D.M.PROCTOR , K.A.FEHLING, et al, 「Physical and Chemical Characteristics of Blast Furnace,and Electric Arc Furnace Steel Industry Slags」, p.1576-p.1582 , Environ.Sci.Technol,34,2000.

[11] Dr.Jens Apfel, 「Electric Arc Furnace Slag-a product not waste：saving or earning money by using slag as a building material」,Badishe Stahl-Engineering GmbH.