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標題: 廢棄物資源化再製輕質骨材之應用研究
The application of recycled waste for producing lightweight aggregates
作者: 王順元
Wang, Shun-Yuan
關鍵字: waste;廢棄物;lightweight aggregate;coal bottom ash;incineration fly ash;reservoir sediment.;輕質骨材;燃煤電廠底灰;垃圾焚化爐飛灰;水庫淤泥
出版社: 土木工程學系所
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摘要: 
台灣地區自然資源缺乏及廢棄物處置地點日益難覓,將燃煤電廠底灰、水庫淤泥及垃圾焚化爐飛灰予以資源化利用,不僅可轉變為一種資源,亦可降低國內環境之負荷。爰此,本研究即為針對此3類廢棄物進行輕質骨材開發之試驗研究,一方面除可建立及取得製作節能及環保之輕質骨材產製技術外,另一方面亦可協助政府解決此3類廢棄物之處置及再利用,最終希望將此環保新材料之研究成果,提供有關事業廢棄物主管單位參考,以期落實資源永續之政策目標。
由燃煤電廠底灰燒製輕質骨材之研究結果顯示,底灰可作為燒製輕質骨材之原料,製造所得之燒結型底灰輕質骨材,其鬆單位重介於900~1100 kg/m3間;筒壓強度大於4MPa。燒脹型底灰輕質骨材鬆單位重約500 kg/m3;筒壓強度3.5 MPa。再者,以林口電廠底灰研製得之燒結型輕質骨材,強度標號為50 MPa,極適合作為結構用之輕質混凝土粒料。此外,透過熱處理的方式能有效降低底灰中的氯離子含量,使輕質骨材滿足一般工程用粒料之需求。
由垃圾焚化飛灰燒製輕質骨材之研究結果顯示,垃圾焚化飛灰應以添加劑之方式用於輕質骨材燒製,添加量應以不超過30%為宜。經由旋窯試製輕質骨材之各類性質如下:顆粒密度約為於1.0 g/cm3;鬆單位重為593 kg/m3;筒壓強度為6 MPa;強度標號為25 MPa,可拌製混凝土的合理強度大於25 MPa;重金屬溶出檢測皆滿足環保署規定「事業廢棄物毒性特性溶出程序」之標準。
由水庫淤泥燒製輕質骨材之研究結果顯示,水庫淤泥極適合用作輕質骨材燒製之主要原料,並成功利用旋窯試製得石門水庫淤泥輕質骨材。實驗室研製得之15座水庫淤泥輕質骨材之物理性質,大致都在合宜之人造輕質骨材範疇內,顯示以水庫淤泥作為輕質骨材原料,為可行之方案。15座水庫淤泥輕質骨材顆粒密度分佈範圍為0.6~2.0 g/cm3;24小時吸水率約為0.2~14%;強度標號為40 MPa,可拌製混凝土的合理強度大於40 MPa。
由水庫淤泥輕質骨材膨脹機理之研究成果顯示,黏塑性的熔體為石英及矽酸鹽 (2FeO.SiO2) 的共熔物;膨脹氣體為一氧化碳、水、氧及二氧化碳等4種,而其來源應為淤泥成分中之有機物、碳酸鹽、氧化鐵及礦物結晶水等的受熱作用所致。再者,透過驗證試燒結果,得知膨脹氣體生成的主因,為有機物及氧化鐵的還原作用。燒製所用的溫度與時間,對淤泥輕質骨材物理性質有很大影響,預熱的時間及溫度越低,可生成氣體的量越多,相對骨材顆粒密度及體積膨脹率越大;焙燒的溫度與時間越大,則玻璃質表殼越緻密,可大幅度減低水分子的滲透。

由水庫淤泥研製高性能輕質骨材之研究成果顯示,在特定之燒製條件設計及摻入少量添加物下,本研究成功研製得骨材顆粒密度約1.1 g/cm3;24小時吸水率小於3%;真空吸水率小於5%等優異性能的淤泥輕質骨材。由電子顯微鏡觀測,骨材孔隙結構與市售的高性能輕質骨材一樣,具有遍獨立封閉的球狀孔,且分佈均勻並呈蜂巢狀的網絡結構,孔徑則約在2~50 μm間。此外,低溫長燒及超細化之原料為製作高性能淤泥輕質骨材的關鍵因素。

Due to the fact that lack of natural resources and waste disposal sites has gradually become rare in Taiwan, the recycling of coal-fired power plant''s bottom ash, reservoir sediment and incineration fly ash, not only is transformed into a resource but can also reduce the load of the domestic environment. Therefore, this research is based on these three categories of wastes to carry out the experiments for developing lightweight aggregates. On the one hand, it is able to establish and access to the production technology of energy-saving and environmentally friendly lightweight aggregates, on the other hand it also can help the government to deal with the three types of waste disposal and recycling. The ultimate goal is to provide this research results of environmentally friendly new materials for industrial waste control center to take into account, which is expecting to implement the policy objectives of sustainable resources.
The results of the study on the lightweight aggregates sintered by the coal bottom ash showed that, the coal bottom ash could be used as the raw material for sintering lightweight aggregates. The type of sintered coal bottom ash lightweight aggregates were produced with the loose unit weight of between 900-1100 kg/m3; the crushing strength of greater than 4 MPa. The type of expanded coal bottom ash lightweight aggregates had the loose unit weight of about 500 kg/m3; the crushing strength of greater than 3.5 MPa. Moreover, the sintered bottom ash lightweight aggregates produced by Lin-Kou power plant''s bottom ash with the coal strength mark of 50 MPa were considerably suitable for the aggregates used in the structural lightweight concrete. By means of the heat treatment processes, the chlorine ion content in the coal bottom ashes could be effectively reduced, so that the lightweight aggregates satisfied the demand for general construction.
The results of the study on the lightweight aggregates sintered by the incineration fly ash showed that, incineration fly ash should be used as admixtures for sintering lightweight aggregates, and the suitable adding amount should not exceed 30%. The various properties of lightweight aggregates produced by the rotary kiln trail were as follows: The particle density was about 1.0 g/cm3; the loose unit weight was 593 kg/m3; the crushing strength was 6 MPa; the strength mark was 25 MPa, i.e., the reasonable strength of resulting concrete was greater than 25 MPa; the heavy metal leaching tests conformed to "the Toxicity Characteristic Leaching Procedure (TCLP) of Industry Wastes" prescribed by the Environmental Protection Administration (EPA).
The results of the study on the lightweight aggregates produced by the reservoir sediment showed that, the reservoir sediment was very appropriate for used as the main material for the production of lightweight aggregates. The Shih-Men reservoir sediment lightweight aggregates were successfully produced by using the rotary kiln. The physical properties of the reservoir sediment lightweight aggregates form 15 sites evaluated in the laboratory were within the proper range of making artificial lightweight aggregates. It meant that the reservoir sediment could be used as the raw material of lightweight aggregates. The particle density was in the range of 0.6-2.0 g/cm3; the 24-hr water absorption was about 0.2-14%; the strength mark was 40 MPa, i.e., the reasonable strength of resulting concrete was greater than 40 MPa.
The results of the study on the expansion mechanism of the reservoir sediment lightweight aggregates showed that, the visco-plastic melts were composed of both the melting quartz and silicate (2FeO.SiO2); the expansion gases mainly included 4 kinds of gases, e.g., carbon monoxide, water, oxygen, carbon dioxide, which should originate from the heat actions on the sediment's compound compositions, e.g., organisms, carbonates, ferric oxides, mineral crystal water. Besides, through verifying the trial results, it could be known that the formation of expansion gases were primarily dominated by the reductions of organisms and ferric oxides. The temperature and time used in course of production processes had a great effect on the physical properties of sediment lightweight aggregates. For pre-heating, the lower the temperature and the shorter the time used, the more the gases could be formed as well as the higher relative particle density and volume expansion ratio of aggregates; in contrast, the higher the temperature and the longer the time used, the denser the glass shell of particles, which could substantially reduce the permeation of water molecules.
The results of the study on the high performance lightweight aggregates produced by reservoir sediment showed that, on the basis of the specific designed production conditions and adding little amounts of additives, the lightweight aggregates with excellent performance were successfully produced, e.g., the particle density of 1.1 g/cm3; 24-hr water absorption of lower than 3%; vacuum water absorption of lower than 5%. By the observation on the scanning electron microscope (SEM), the pore structure of aggregates was the same as that of the commercially-available high performance lightweight aggregates, e.g., the independent and closed spherical pores, the uniformly distributed and cellular network structures, the pore size of approximately about 2-50 μm. In addition, the low temperature and long period of heating as well as the extra-fined raw materials were the critical factors to produce high performance reservoir sediment lightweight aggregates.
URI: http://hdl.handle.net/11455/15969
其他識別: U0005-1412200919412000
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