臺灣資源再生料工程應用之推廣策略及技術概要

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或工業循環上，對人類、環境與生態均安全無害且具有高價值的可回收性與再生循環性的供應鏈設計，達到永續經營的經濟概念。

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。臺灣在資源永續發展行動方案中均設定，推動資源化回收再利用產業發展及營建資源再生利用與再生建材產業化為發展目標，執行方式則透過環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格與比例納入工程規范中，以開啟并誘發營建資源再生利用之市場通路。

圖1 資源循環利用“搖籃到搖籃”理念

多數工業制造所產之副產物，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、營造業及預拌混凝土業等參考依據，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，透過嚴謹驗證作業的推行，經專家學者的參與，以提升管理作業的公信力，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。

驗證作業可分為“驗證評鑒及后續追查”、“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主管機關所頒訂的再利用管理方式所規定之檢驗項目外，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，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弧（直流電極則于電極棒和爐底極間產生高溫電弧），高溫電弧爐則將廢鋼熔解，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生程序是否完成，膨脹是否停止。基此，臺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）皆可符合有害事業廢棄物的環保法規標準，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定。焚化底碴在拌制完成后早期強度發展得比較快，于第14天后其強度發展就比較趨緩，顯示出添加焚化底碴之透水混凝土于初期強度發展得比較快，其強度發展如圖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、家庭日常生活等用水之主要來源，但臺灣地區河川受到地形影響，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。近年在整體大環境的環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點，并納入嚴謹管理機制，由公共工程帶頭的采用；對業界而言，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度。

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