溫泉環境下含再生材料之混凝土工程性質之研究

張榮南1、陳柏存2、王和源3*

• 台灣807高雄市建工路415號, 國立高雄應用科技大學,土木工程系與防災科技研究所, 博士候選人
• 台灣807高雄市建工路415號, 國立高雄應用科技大學, 土木工程系與防災科技研究所, 助理教授
• *台灣807高雄市建工路415號, 國立高雄應用科技大學, 土木工程系與防災科技研究所, 教授

摘要

台灣地區擁有多種溫泉等特殊地熱資源，近年來 有關溫泉 觀光 及醫療產業蓬勃發展 ，溫泉區之邊坡及基礎建設使用大量混凝土材料，因此在溫泉環境中混凝土材料工程性質為重要之研究課題。

   另一方面，台灣每年飛灰、爐石粉及廢液晶玻璃產量龐大，如能利用這些再生材料做為礦物摻料，添加在混凝土材料中，將可提高工程品質，並有助於廢棄物減量。故本研究以固定水膠比W/B=0.44，分別採用未添加及添加不同再生材料（爐石粉、飛灰及廢液晶玻璃粉）之混凝土配比製成試體，於一般水養護及溫泉水養護條件下進行抗壓強度、劈裂強度、超音波速及體積變化率試驗，結果顯示，添加再生材料之混凝土在溫泉水環境下可延緩強度裂化及體積膨脹之現象，其中又以添加廢液晶玻璃粉為最佳。

1.前言

   台灣地區位於歐亞板塊與菲律賓海板塊交界，受兩板塊擠壓故台灣地區擁有冷泉、熱泉及各式各樣的溫泉源頭等特殊地熱資源，近年來溫泉產業蓬勃發展 ，其功能由原本 的沐浴 、觀光增加到醫療 、種植 、煮食、養殖等用途 煮食、養殖等用途 煮食、養殖等用途 [1-3]，溫泉 區內結構物與基礎設施

   也大量興建， 其中也大量興建， 其中也大量興建， 其中也大量興建， 其中混凝土材料為常被使用的工程材料之一，在溫泉環境中，因溫泉水內部多而複雜之化學成分（硫酸根、碳氫和氯離子等 硫酸根、碳氫和氯離子等 硫酸根、碳氫和氯離子等 硫酸根、碳氫和氯離子等 ），致使混凝土容易產生劣化或開裂，溫泉區之邊坡及基礎建設等，於施工時或施工後皆會與溫泉水接觸，故在溫泉環境下混凝土材料工程性質成為重要之研究課題[4-5]。

   另一方面，台灣地區自火力發電廠、煉鋼廠及高科技產業中產出大量飛灰、爐石粉及廢玻璃，根據統計每年飛灰、爐石粉及廢液晶玻璃分別約100萬公噸、400萬公噸及55萬公噸，經研究顯示適當添加爐石粉、飛灰及廢液晶玻璃等再生材料，可減少混凝土中水泥及天然粒料之用量並提高工程品質[6-9]。

    本研究將以不同再生材料（爐石粉、飛灰及廢液晶玻璃粉）做為礦物摻料拌製混凝土並以採用含有氯離子之溫泉水養護後，進行各項工程性質試驗，並探討台灣恆春地區溫泉水質對於添有再生材料的混凝土其力學性質及耐久性質等工程品質之影響。

2.試驗計畫

2.1 試驗材料

• 水泥：採用波特蘭一型，由台灣公司生產其性質符合 ASTM C150ASTM C150ASTM C150ASTM C150ASTM C150ASTM C150ASTM C150 ，化學 成份如表 1所列。
• 爐石粉 ：採用中國鋼鐵公司所生產的水淬爐石粉 ，其化學成份如表 1所列。
• 飛灰：採用台電興達火力發廠所生產的 飛灰：採用台電興達火力發廠所生產的 飛灰：採用台電興達火力發廠所生產的 飛灰：採用台電興達火力發廠所生產的 F級飛灰，符合 級飛灰，符合 級飛灰，符合 CNS 3036 CNS 3036 CNS 3036 CNS 3036 規範 ，其化學成 ，其化學成 份如表 1所列。
• 廢液晶玻璃粉：以經由破碎機、球磨進行乾式研，比重為 廢液晶玻璃粉：以經由破碎機、球磨進行乾式研，比重為 廢液晶玻璃粉：以經由破碎機、球磨進行乾式研，比重為 廢液晶玻璃粉：以經由破碎機、球磨進行乾式研，比重為 廢液晶玻璃粉：以經由破碎機、球磨進行乾式研，比重為 2.56 ，細度為 3850 ㎝ 2/g ，其化學成份如表 其化學成份如表 1所列 。
• 粗、細粒料：產自台灣西部河川， 比重約為2.6，粗粒料及 細粒料之度模數分別為 5.02及3.00，兩者吸水率皆小於1%。
• 養護水：本研究考量一般現地及溫泉環境之混凝土養護模式，採用自來水(tap water)與溫泉水(hot spring water) 兩種養護水， 其中 溫泉水來自於台灣屏東地區，其化學成份 分別列於表 2。

2.2 試驗配比與方法
   如表 3所示，本研究配比採用 所示，本研究配比採用 所示，本研究配比採用 ACIACIACI混凝土配比法進行設計強度為 混凝土配比法進行設計強度為 280 kg/cm 280 kg/cm280 kg/cm2之混凝 土(NC) (NC) ，並 固定水膠比為0.44，分別採用飛灰(fly ash)、爐石粉(slag)、廢液晶玻璃粉(glass waste powder)取代部份水泥量設計其它混凝土配比(FC, SC及GC)。

   根據表3所列之配比依照ASTMASTMASTMASTM規範 進行進行坍度試驗，再製作試體分別置於自來水與溫泉水中進行養護，並於齡期7、28、91 及120 天齡期時，分別依照ASTMASTMASTMASTM規範 進行抗壓強度、劈裂強度、超音波速及體積變化率等工程性質試驗。

3.試驗結果分析

工作度
   各配比之工作度試驗結果如表 4所示，其中以 所示，其中以 所示，其中以 FC 的坍度 145 mm 145 mm最大，其次為 最大，其次為 最大，其次為 SC， NC 為 最小，主要係因礦物摻料（飛灰、爐石粉及廢玻璃）顆粒為 最小，主要係因礦物摻料（飛灰、爐石粉及廢玻璃）顆粒為 最小，主要係因礦物摻料（飛灰、爐石粉及廢玻璃）顆粒為 最小，主要係因礦物摻料（飛灰、爐石粉及廢玻璃）顆粒為 最小，主要係因礦物摻料（飛灰、爐石粉及廢玻璃）顆粒為 最小，主要係因礦物摻料（飛灰、爐石粉及廢玻璃）顆粒為 最小，主要係因礦物摻料（飛灰、爐石粉及廢玻璃）顆粒細小玻璃質圓球體， 可分散水泥顆粒，對工作性會產生 可分散水泥顆粒，對工作性會產生 可分散水泥顆粒，對工作性會產生 「軸承效應」有助混凝土粒料之 「軸承效應」有助混凝土粒料之 滾動，提高其工作性。 ，提高其工作性。 ，提高其工作性。

3.2 抗壓強度
   各配比之 抗壓 試驗結果如表 5及圖 1所示。在自來水養護下，各混凝土配比皆隨著 所示。在自來水養護下，各混凝土配比皆隨著 所示。在自來水養護下，各混凝土配比皆隨著 所示。在自來水養護下，各混凝土配比皆隨著 所示。在自來水養護下，各混凝土配比皆隨著 齡期增加而上升， 在 120 天齡期時， NC 抗壓強度約 38.4 MPa 38.4 MPa38.4 MPa38.4 MPa，而 添加 礦物摻料之配比 FC 、SC 及 GC 其抗壓強度明顯高於 NC ，其中以 GC 之抗壓強度 54.2 MPa 54.2 MPa54.2 MPa54.2 MPa為最高，主 要係因礦物摻料（飛灰、爐石粉及廢玻璃）於 28 天之後開始產生卜作嵐反應，其所 生成之 C-S-H膠體可填塞水泥內部微孔隙，因而提高強度 膠體可填塞水泥內部微孔隙，因而提高強度 [10 ]。根據表 2所示，各 礦物摻料中以廢玻璃粉之含量 SiO2最高， 最高， 故其卜作嵐反應最為明顯，抗壓強度也高。 故其卜作嵐反應最為明顯，抗壓強度也高。 故其卜作嵐反應最為明顯，抗壓強度也高。 故其卜作嵐反應最為明顯，抗壓強度也高。 故其卜作嵐反應最為明顯，抗壓強度也高。 故其卜作嵐反應最為明顯，抗壓強度也高。 故其卜作嵐反應最為明顯，抗壓強度也高。

   在溫泉水養護下，各配比抗壓強度於 在溫泉水養護下，各配比抗壓強度於 在溫泉水養護下，各配比抗壓強度於 91 天齡期達到最高，之後開始下降。 天齡期達到最高，之後開始下降。 天齡期達到最高，之後開始下降。 天齡期達到最高，之後開始下降。 根據表 根據表 2所示， 溫泉水中氯含量 高於自來水，其中氯離子會促使 水泥漿體之矽酸鹽化合物分解， 加速水化反應， 加速水化反應， 但水化反應過快，導致產物之零亂不均勻 但水化反應過快，導致產物之零亂不均勻 但水化反應過快，導致產物之零亂不均勻 ，反而造成晚齡期強度 下 降之 現象。 因此，在 91 天齡期時， NC 抗壓強度 57.1 MPa 57.1 MPa57.1 MPa57.1 MPa為高 於其它配比 ，但在 120 天齡期時， NC 抗壓強度為 23.5 MPa 23.5 MPa23.5 MPa23.5 MPa為最低，下降幅度也大 ，其它添加礦物摻料之 配比，雖然也有強度 下降的現象而因礦物摻料產生卜作嵐反應故幅配比，雖然也有強度 下降的現象而因礦物摻料產生卜作嵐反應故幅配比，雖然也有強度 下降的現象而因礦物摻料產生卜作嵐反應故幅配比，雖然也有強度 下降的現象而因礦物摻料產生卜作嵐反應故幅配比，雖然也有強度 下降的現象而因礦物摻料產生卜作嵐反應故幅配比，雖然也有強度 下降的現象而因礦物摻料產生卜作嵐反應故幅配比，雖然也有強度 下降的現象而因礦物摻料產生卜作嵐反應故幅較為緩和 ，其中以 GC GC 抗壓強度 29.4 MPa 29.4 MPa29.4 MPa29.4 MPa為最高 。

3.3 劈裂強度
   各配比之工作度試驗結果如表 5及圖 2所示。 所示。 各混凝土配比 劈裂強度與抗壓發 展趨勢相近。在 自來水養護下，各混凝土配比皆隨著齡期增加而上升展趨勢相近。在 自來水養護下，各混凝土配比皆隨著齡期增加而上升展趨勢相近。在 自來水養護下，各混凝土配比皆隨著齡期增加而上升展趨勢相近。在 自來水養護下，各混凝土配比皆隨著齡期增加而上升展趨勢相近。在 自來水養護下，各混凝土配比皆隨著齡期增加而上升展趨勢相近。在 自來水養護下，各混凝土配比皆隨著齡期增加而上升展趨勢相近。在 自來水養護下，各混凝土配比皆隨著齡期增加而上升120 天齡期時 達到最高， FC 、SC 及 GC 劈裂強度 分別為 分別為 3.30 、3.84 及 3.53 MPa 3.53 MPa3.53 MPa3.53 MPa，皆高於 NC 劈裂強 度 2.98 MPa 2.98 MPa2.98 MPa2.98 MPa。在溫泉水養護下，各配比 。在溫泉水養護下，各配比 劈裂強度在 91 天齡期時達到最高， 之後開始 下 降，在 120 天齡期時， NC 劈裂強度 為 2.39 MPa 2.39 MPa2.39 MPa低於其它配比 。

3.4 超音波速
各配比之 超音波速量測 結果如表 5及圖 3所示。 在自來水養護下， NC 的超音波速 於 28 天齡期前成長快速，之後趨緩其它 天齡期前成長快速，之後趨緩其它 天齡期前成長快速，之後趨緩其它 天齡期前成長快速，之後趨緩其它 天齡期前成長快速，之後趨緩其它 混凝土配比 超音波速則隨著齡期增加而上升， 主要係因超音波 速與混凝土內部結構緻密程度有關，當愈主要係因超音波 速與混凝土內部結構緻密程度有關，當愈主要係因超音波 速與混凝土內部結構緻密程度有關，當愈主要係因超音波 速與混凝土內部結構緻密程度有關，當愈主要係因超音波 速與混凝土內部結構緻密程度有關，當愈速就愈高， 速就愈高， NC 因無添加礦物摻料，故水泥化反應於 因無添加礦物摻料，故水泥化反應於 因無添加礦物摻料，故水泥化反應於 因無添加礦物摻料，故水泥化反應於 28 天齡期後趨緩，其它添加有礦 天齡期後趨緩，其它添加有礦 天齡期後趨緩，其它添加有礦 天齡期後趨緩，其它添加有礦 物摻料之配比， 因為卜作嵐反應持續進行故內部結構更趨緊密超音波速也隨增加物摻料之配比， 因為卜作嵐反應持續進行故內部結構更趨緊密超音波速也隨增加物摻料之配比， 因為卜作嵐反應持續進行故內部結構更趨緊密超音波速也隨增加物摻料之配比， 因為卜作嵐反應持續進行故內部結構更趨緊密超音波速也隨增加物摻料之配比， 因為卜作嵐反應持續進行故內部結構更趨緊密超音波速也隨增加物摻料之配比， 因為卜作嵐反應持續進行故內部結構更趨緊密超音波速也隨增加物摻料之配比， 因為卜作嵐反應持續進行故內部結構更趨緊密超音波速

   也隨增加物摻料之配比， 因為卜作嵐反應持續進行故內部結構更趨緊密超音波速也隨增加在 120 天齡期時 ，GC 超音波速 4357 m/s 4357 m/s4357 m/s為最高 。 在溫泉水養護下， 在溫泉水養護下， 各配比之超音波速發展趨勢與抗壓強度相似， 各配比之超音波速發展趨勢與抗壓強度相似， 因氯離子加速水泥 水化反應， 於 91 天齡期時 各配比 超音波速 達到最高， 但因水化反應過快致使內部微孔 隙增加，故各配比超音波速於 91 天齡期後開始下降，在 120 天齡期之後因氯離子 FC 、 SC 及 GC 劈裂強度分別為 3.30 、3.84 及 3.53 MPa 3.53 MPa3.53 MPa3.53 MPa，皆高於 NC 劈裂強度 2.98 MPa 2.98 MPa 2.98 MPa2.98 MPa2.98 MPa。在 溫泉水養護下，各配比 劈裂強度在 91 天齡期時達到最高， 之後開始下降在 120 天齡 期時， NC 劈裂強度 為 2.39 MPa 2.39 MPa2.39 MPa低於其它配比。

3. 5 體積變化率
   各配比之 體積變化率量測結果如表 5及圖 4所示。在自來水養護下， 所示。在自來水養護下， 所示。在自來水養護下， 所示。在自來水養護下， 各配比體積變 化率皆低於 0.1% ，在溫泉水養護下，各配比的體積變 在溫泉水養護下，各配比的體積變 在溫泉水養護下，各配比的體積變 化率明顯提高， 化率明顯提高， NC 體積變化率隨 體積變化率隨 著齡期增加而， 於 120 天齡期時， NC 體積變化率為 0.396% ，而 FC 、SC 及 GC 體 積變化率自 28 天齡期後趨向緩和。根據表 天齡期後趨向緩和。根據表 2所示，溫泉水含有大量鈉和鎂離子由於 所示，溫泉水含有大量鈉和鎂離子由於粒料所含之矽酸鹽 及鋁粒料所含之矽酸鹽 及鋁與鹼金屬 (鈉和鎂 )結合形成膠體後會吸水膨脹， 結合形成膠體後會吸水膨脹， 結合形成膠體後會吸水膨脹， 造成鹼骨材 反應， 反應， 使混凝土產生體積變化之情形，齡期愈長更為明顯內部裂縫成最 使混凝土產生體積變化之情形，齡期愈長更為明顯內部裂縫成最 使混凝土產生體積變化之情形，齡期愈長更為明顯內部裂縫成最 使混凝土產生體積變化之情形，齡期愈長更為明顯內部裂縫成最 使混凝土產生體積變化之情形，齡期愈長更為明顯內部裂縫成最 使混凝土產生體積變化之情形，齡期愈長更為明顯內部裂縫成最 使混凝土產生體積變化之情形，齡期愈長更為明顯內部裂縫成最 使混凝土產生體積變化之情形，齡期愈長更為明顯內部裂縫成最 終將導致混凝土破壞 [10] 。由於 。由於 FC 、SC 及 GC 所含之礦物摻料於 28 天齡期開始產生卜 天齡期開始產生卜 作嵐反應，所生成之 作嵐反應，所生成之 作嵐反應，所生成之 C-S-H膠體可填塞內部孔隙，對於結構微裂縫有效抑止發 膠體可填塞內部孔隙，對於結構微裂縫有效抑止發 膠體可填塞內部孔隙，對於結構微裂縫有效抑止發 膠體可填塞內部孔隙，對於結構微裂縫有效抑止發 膠體可填塞內部孔隙，對於結構微裂縫有效抑止發 膠體可填塞內部孔隙，對於結構微裂縫有效抑止發 膠體可填塞內部孔隙，對於結構微裂縫有效抑止發 膠體可填塞內部孔隙，對於結構微裂縫有效抑止發 展， 故於 120 天齡期時， 體積變化率分別為0.219%、0.230%及0.177%。

4.結論

      根據前述試驗及分析結果得到下列論：

• 在一般養護情形下，添加 在一般養護情形下，添加 在一般養護情形下，添加 在一般養護情形下，添加 在一般養護情形下，添加 在一般養護情形下，添加 在一般養護情形下，添加 再生材料（爐石粉、飛灰及廢液晶玻璃粉）做為混凝土礦物摻料可提高混凝土28天齡期後之抗壓強度、劈裂強度及超音波速等工程性質。此外，NC、FC 、SC 及 GC 體積變化量皆小於 體積變化量皆小於 0.1 %。
• 在溫泉水環境下，溫泉水中的氯離子加速水泥水化反應，致使提高混凝土抗壓強度、劈裂強度及超音波速等工程性質，並於91天齡期達到最高。然而在91天齡期後，各工程性質隨之下降，NC因無添加再生材料其下降幅度最大，其它添加 再生材料（爐石粉、飛灰及廢液晶玻璃粉）做為礦物摻料之FC 、SC 及 GC 因產生卜作嵐反應， 因產生卜作嵐反應， 故減緩下降趨勢。 3. 在溫泉水環境下，溫泉水中的鈉離子與鎂離子會與粒料產生鹼骨材反應，致使混凝 鹼骨材反應，致使混凝 鹼骨材反應，致使混凝 鹼骨材反應，致使混凝 鹼骨材反應，致使混凝 土體積變化率提升 ，於 120 天齡期時， 天齡期時， NC 、FC 、SC 及 GC 體積變化率分別為 0.396% 0.396% ， 顯示因添加 再生材料可改善混凝土內部結構劣化，提高混凝土之體積穩定性。
• 根據試驗結果，各再生材料中以廢玻璃粉之二氧化矽含量最高，因卜作嵐反應改善混凝土工程性質及體積穩定性之效果最為明顯。

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