TWI640491B - 膠結材與其製造方法以及砂漿固化物與其製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種膠結材與其製造方法以及砂漿固化物與其製造方法。本發明的膠結材的製造方法包括以下步驟：提供鹼性溶液，所述鹼性溶液包括氫氧化物及矽酸鹽；在所述鹼性溶液中加入石材廢棄物以及爐石粉並攪拌，以形成膠結溶液，其中所述石材廢棄物包括未經煅燒或經煅燒的花崗石粉與大理石粉中的一者；以及固化所述膠結溶液。
Description
本發明是有關於一種混凝土材料及其製造方法，且特別是有關於一種膠結材與其製造方法以及一種砂漿固化物與其製造方法。
目前由石材加工業產生的石材廢棄物大多以就地掩埋或堆置處理為主，然而，此處理方式將會對土壤造成汙染，因此當前急需對石材廢棄物進行適當的再利用處理，以增加其產業利用性。
本發明提供一種膠結材的製造方法，其包括下列步驟：提供鹼性溶液，其中鹼性溶液包括氫氧化物及矽酸鹽；在鹼性溶液中加入石材廢棄物以及爐石粉並攪拌，以形成膠結溶液，其中石材廢棄物包括未經煅燒或經煅燒的花崗石粉與大理石粉中的一者；以及固化膠結溶液。
本發明提供一種膠結材，其包括對石材廢棄物以及爐石粉進行鹼激發後而形成的含矽鋁酸鹽晶體以及鹼金屬氧化物，其中石材廢棄物包括未經煅燒或經煅燒的花崗石粉與大理石粉中的一者。
本發明提供一種砂漿固化物的製造方法，其包括下列步驟：提供鹼性溶液，其中鹼性溶液包括氫氧化物及矽酸鹽；在鹼性溶液中加入石材廢棄物、爐石粉以及細粒料並攪拌，以形成砂漿，其中石材廢棄物包括未經煅燒或經煅燒的花崗石粉與大理石粉中的一者；以及固化砂漿，以形成砂漿固化物。
本發明提供一種砂漿固化物，其包括30 wt%~90 wt%的細粒料以及10 wt%~70 wt%的膠結材，其中膠結材包括對石材廢棄物以及爐石粉進行鹼激發後而形成的含矽鋁酸鹽晶體以及鹼金屬氧化物，其中石材廢棄物包括未經煅燒或經煅燒的花崗石粉與大理石粉中的一者。
基於上述，在本發明的膠結材及砂漿固化物的製造方法中將花崗石粉與大理石粉等石材廢棄物作為原料之一，除了可將石材廢棄物回收再利用外，亦可使處理石材廢棄物所需的成本與形成膠結材及砂漿固化物的製造成本降低。並且，本發明藉由對石材廢棄物進行煅燒可使所形成之膠結材具有良好的抗壓強度。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1為本發明的一實施例的膠結材的製造方法的步驟流程圖。
請參照圖1，在步驟S100中，提供鹼性溶液。鹼性溶液例如包括氫氧化物及矽酸鹽。氫氧化物例如是氫氧化鈉、氫氧化鉀或其組合，且矽酸鹽例如是矽酸鈉、矽酸鉀或其組合。
接著，在步驟S110中，在鹼性溶液中加入未經煅燒或經煅燒的石材廢棄物以及爐石粉並攪拌，以形成膠結溶液。石材廢棄物例如是花崗石或大理石的加工廢棄物。花崗石廢料以及大理石廢料的主要組成例如由表1所示。從表1可看出，在花崗石中含有較多的SiO
2及Al
2O
3，且在大理石中含有較多的CaO。爐石粉則例如包括較多的CaO、SiO
2及Al
2O
3。將花崗石與大理石中的一者以及爐石粉加入鹼性溶液後可於其中溶解出矽鋁酸鹽，當於鹼性溶液中溶解出矽鋁酸鹽時，鹼性溶液中的氫氧根離子會與矽鋁酸鹽進行“鹼激發反應”，以產生類似水泥漿體的膠結溶液。上述的“鹼激發反應”為藉由氫氧根離子解離矽鋁酸鹽的結構體，且經解離後的矽鋁酸鹽的結構體會再重新鍵結組構。石材廢棄物與爐石粉的添加比例例如為100%：0%~50%：50%，較佳為70%：30%。石材廢棄物與爐石粉的添加比例處於上述範圍內可使藉由其所形成之膠結材具有一定的抗壓強度。
表1
<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> </td><td> 花崗石廢料 </td><td> 大理石廢料 </td></tr><tr><td> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>的含量(%) </td><td> 10~21 </td><td> 0~0.3 </td></tr><tr><td> SiO<sub>2</sub>的含量(%) </td><td> 45~68 </td><td> 0.11~0.64 </td></tr><tr><td> MgO的含量(%) </td><td> 0.8~10.9 </td><td> 1.1~6.5 </td></tr><tr><td> CaO的含量(%) </td><td> 1.2~8 </td><td> 50~55 </td></tr><tr><td> Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>的含量(%) </td><td> 1.1~7.2 </td><td> 0~0.7 </td></tr></TBODY></TABLE>
在將花崗石或大理石的加工廢棄物加入鹼性溶液之前，例如使花崗石或大理石的加工廢棄物經過烘乾及研磨後而各自形成花崗石粉或大理石粉。之後，可對花崗石粉或大理石粉進行煅燒。由於花崗石及大理石同屬矽鋁酸鹽礦物，因此比起未經煅燒的花崗石粉或大理石粉，經煅燒後的花崗石粉或大理石粉可於鹼性溶液中溶解出更多的Si及Al元素，使得經過鹼激發反應而重新鍵結組構的結構體更加完整而因此提升膠結材的抗壓強度。對花崗石粉或大理石粉進行煅燒的煅燒溫度例如為500°C~700°C。當煅燒溫度處於上述範圍時，藉由其所形成的膠結材具有較高的抗壓強度。然而，若煅燒溫度低於500°C時，則對花崗石粉或大理石粉進行煅燒後的效果不佳，而使得藉由其所形成的膠結材的抗壓強度並未提升而增加了製造成本；並且，若煅燒溫度高於700°C時，由於花崗石具有膨脹性骨材的特性，因此其會使所形成的膠結材劣化而使得膠結材的抗壓強度下降。
鹼性溶液的鹼當量、於鹼性溶液中加入未經煅燒或經煅燒的石材廢棄物的攪拌溫度會影響形成膠結材所需的攪拌時間。一般來說，當鹼性溶液的鹼當量以及攪拌溫度越高時，則所需的攪拌時間越少，然而，鹼性溶液的鹼當量以及攪拌溫度皆有其的最適範圍。鹼性溶液的鹼當量例如為0%~30%。於鹼性溶液中加入未經煅燒或經煅燒的石材廢棄物的攪拌溫度例如為40°C~90°C。當攪拌溫度低於40°C時，則進行“鹼激發反應”的時間將會過長，甚至無法進行“鹼激發反應”。當攪拌溫度高於90°C時，形成膠結材所需的攪拌時間雖然可大幅縮短，但膠結材的抗壓強度將由於不充足的反應時間而使得其抗壓強度較低。當鹼性溶液的鹼當量以及於鹼性溶液中加入未經煅燒或經煅燒的石材廢棄物的攪拌溫度皆處於上述範圍時，形成膠結材所需的攪拌時間為30秒~300分鐘。
最後，在步驟S120中，固化膠結溶液，以形成膠結材。在膠結溶液經固化的過程中，膠結溶液逐漸失去可塑性而變成不具有流動性的狀態，之後膠結溶液的強度將雖著時間的推移而逐漸地增加，最後變成具有高抗壓強度的膠結材。膠結溶液經固化的溫度及時間具有相關性，舉例來說，當膠結溶液經固化的溫度越高時，則膠結溶液經固化的時間越短。膠結溶液經固化的溫度例如為60°C~80°C，且膠結溶液經固化的時間例如為12小時~96小時。膠結溶液經固化的溫度及時間處於上述範圍時可使所形成之膠結材具有高的抗壓強度。
在本發明的膠結材的製造方法中將花崗石粉與大理石粉等石材廢棄物作為原料之一，除了可將石材廢棄物回收再利用外，亦可使處理石材廢棄物所需的成本與形成膠結材的製造成本降低。此外，本發明在將石材廢棄物應用於鹼激發反應前對其進行煅燒可使所形成之膠結材具有良好的抗壓強度。
圖2為本發明的一實施例的砂漿固化物的製造方法的步驟流程圖。
請參照圖2，步驟S200與圖1所示的步驟S100相同，因此以下不再贅述。
請繼續參照圖2，在步驟S210中，在鹼性溶液中加入未經煅燒或經煅燒的石材廢棄物、爐石粉以及細粒料並攪拌，以形成砂漿。當於鹼性溶液中加入未經煅燒或經煅燒的石材廢棄物以及爐石粉時，鹼性溶液中的氫氧根離子會與石材廢棄物以及爐石粉於其中溶解出的鋁矽酸鹽進行“鹼激發反應”，以於鹼性溶液中產生膠結體，而所述膠結體之後會與添加於鹼性溶液中的細粒料混合以形成砂漿。石材廢棄物的種類、來源、其經煅燒的溫度範圍以及石材廢棄物與爐石粉的添加比例已記述於上述膠結材的製造方法的實例中，因此不再贅述。細粒料例如是細砂、粒徑較小的石頭等，但不以此為限。細粒料的粒徑例如小於4.75 mm。鹼性溶液的鹼當量例如為0%~30%。於鹼性溶液中加入未經煅燒或經煅燒的石材廢棄物的攪拌溫度例如為40°C~90°C。於鹼性溶液中加入未經煅燒或經煅燒的石材廢棄物的攪拌時間例如為30秒~300分鐘。細粒料於鹼性溶液中的添加比例為30 wt%~90 wt%。
最後，在步驟S220中，固化砂漿，以形成砂漿固化物。在砂漿經固化的過程中，砂漿逐漸失去可塑性而變成不具有流動性的狀態，之後砂漿的強度將隨著時間的推移而逐漸地增加，最後變成具有高抗壓強度的砂漿固化物。砂漿經固化的溫度例如為60°C~80°C，且砂漿經固化的時間例如為12小時~96小時。砂漿溶液經固化的溫度及時間處於上述範圍時可使所形成之砂漿固化物具有高的抗壓強度。
在本發明的砂漿固化物的製造方法中將花崗石粉與大理石粉等石材廢棄物作為原料之一，除了可將石材廢棄物回收再利用外，亦可使處理石材廢棄物所需的成本與形成砂漿固化物的製造成本降低。並且，本發明在將石材廢棄物應用於鹼激發反應前對其進行煅燒可使所形成之砂漿固化物具有良好的抗壓強度。
實驗例
以下將藉由數個實驗例對本發明作進一步說明，但該等實驗例僅為例示說明之用，而非用以限制本發明之範圍。
[實驗例1]
在本實驗例中，以使用經煅燒的水庫淤泥與爐石粉進行鹼激發反應而形成的膠結材為例，探討未經煅燒的花崗石粉與未經煅燒的大理石粉取代經煅燒的水庫淤泥的比例與膠結材經3天齡期的抗壓強度的關係。
表2
<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 水庫淤泥經花崗石取代的比例 </td><td> 膠結材經3天齡期的抗壓強度 </td></tr><tr><td> 0% </td><td> 27.5 MPa </td></tr><tr><td> 10% </td><td> 27.9 MPa </td></tr><tr><td> 30% </td><td> 28.4 MPa </td></tr><tr><td> 50% </td><td> 26.8 MPa </td></tr><tr><td> 70% </td><td> 18.0 MPa </td></tr><tr><td> 100% </td><td> 18.8 MPa </td></tr></TBODY></TABLE>
表3
<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 水庫淤泥經大理石取代的比例 </td><td> 膠結材經3天齡期的抗壓強度 </td></tr><tr><td> 0% </td><td> 27.5 MPa </td></tr><tr><td> 10% </td><td> 24.6 MPa </td></tr><tr><td> 30% </td><td> 14.0 MPa </td></tr><tr><td> 50% </td><td> 22.1 MPa </td></tr><tr><td> 70% </td><td> 12.0 MPa </td></tr><tr><td> 100% </td><td> - </td></tr></TBODY></TABLE>
請同時參照表2及表3，可看出未經煅燒的花崗石粉取代經煅燒的水庫淤泥的最佳比例為50%，其所形成的膠結材經3天齡期的抗壓強度為26.8 MPa，且可看出未經煅燒的大理石粉取代經煅燒的水庫淤泥的最佳比例為10%，其所形成的膠結材經3天齡期的抗壓強度為24.3 MPa。
[實驗例2]
在本實驗例中，以使用經煅燒的花崗石粉與爐石粉進行鹼激發反應而形成的膠結材為例，探討膠結材的抗壓強度與花崗石粉的煅燒溫度以及膠結材經過的齡期的關係。另外，於本實驗例中使用的鹼性溶液包括氫氧化鈉及矽酸鈉，經煅燒的花崗石粉與爐石粉的添加比例為7；3，且水膠比為0.4、活化劑模數（活化劑模數為鹼性溶液中的SiO
2與Na
2O的比例）為1、鹼當量為0.9。
表4
<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> </td><td> 3天齡期 </td><td> 7天齡期 </td><td> 28天齡期 </td><td> 56天齡期 </td></tr><tr><td> 未經煅燒 </td><td> 18.8MPa </td><td> 26.2MPa </td><td> 29.8MPa </td><td> 30.4MPa </td></tr><tr><td> 煅燒溫度為500°C </td><td> 18.6MPa </td><td> 27.0MPa </td><td> 33.2MPa </td><td> 35.7MPa </td></tr><tr><td> 煅燒溫度為600°C </td><td> 22.2MPa </td><td> 23.3MPa </td><td> 30.6MPa </td><td> 36.6MPa </td></tr><tr><td> 煅燒溫度為700°C </td><td> 21.2MPa </td><td> 26.1MPa </td><td> 35.2MPa </td><td> 35.6MPa </td></tr><tr><td> 煅燒溫度為800°C </td><td> 15.7MPa </td><td> 17.9MPa </td><td> 21.6MPa </td><td> 25.1MPa </td></tr><tr><td> 煅燒溫度為900°C </td><td> 16.2MPa </td><td> 19.8MPa </td><td> 22.8MPa </td><td> 25.7MPa </td></tr><tr><td> 煅燒溫度為1000°C </td><td> 15.8MPa </td><td> 23.1MPa </td><td> 24.8MPa </td><td> 25.3MPa </td></tr></TBODY></TABLE>
請參照表4，可看出花崗石粉的最佳煅燒溫度範圍為500°C~700°C，與使用未經煅燒的花崗石粉作為原料形成的膠結材相比，使用經煅燒的花崗石粉作為原料形成的膠結材的抗壓強度提升了將近20%。然而，當花崗石粉的煅燒溫度超過700°C時（以花崗石粉的煅燒溫度為800°C為例），其所形成的膠結材的抗壓強度反而降低了約16%，其原因在於花崗石具有膨脹性骨材的特性，因此其會使所形成的膠結材劣化而使得膠結材的抗壓強度下降。
[實驗例3]
在本實驗例中，以使用經煅燒的花崗石粉與爐石粉進行鹼激發反應而形成的膠結材為例，探討膠結材的抗壓強度與花崗石粉的煅燒溫度、鹼性溶液的活化劑模數以及鹼性溶液的鹼當量的關係。另外，於本實驗例中使用的鹼性溶液包括氫氧化鈉及矽酸鈉，經煅燒的花崗石粉與爐石粉的添加比例為7；3，且水膠比為0.4。
表5
<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 煅燒溫度（°C） </td><td> 活化劑模數（-） </td><td> 鹼當量（%） </td><td> 膠結材經3天齡期的抗壓強度（MPa） </td></tr><tr><td> 未經煅燒 </td><td> 1.25 </td><td> 6 </td><td> 22.8 </td></tr><tr><td> 500 </td><td> 1.25 </td><td> 6 </td><td> 26.2 </td></tr><tr><td> 600 </td><td> 1 </td><td> 6 </td><td> 28.2 </td></tr><tr><td> 700 </td><td> 1.25 </td><td> 6 </td><td> 29.2 </td></tr><tr><td> 800 </td><td> 1.25 </td><td> 15 </td><td> 22.3 </td></tr><tr><td> 900 </td><td> 1.25 </td><td> 15 </td><td> 25.7 </td></tr><tr><td> 1000 </td><td> 1.25 </td><td> 15 </td><td> 27.1 </td></tr></TBODY></TABLE>
請參照表5，可看出在花崗石的煅燒溫度為700°C、鹼性溶液的活化劑模數為1.25以及鹼當量為6%的情況下，使用經煅燒的花崗石粉作為原料形成的膠結材可具有最佳的抗壓強度（29.2MPa）。
綜上所述，在本發明的膠結材及砂漿固化物的製造方法中將未經煅燒或經煅燒的花崗石粉與大理石粉等石材廢棄物作為原料之一，除了可將石材廢棄物回收再利用外，亦可使處理石材廢棄物所需的成本與形成膠結材及砂漿固化物的製造成本降低，並且其所形成之膠結材仍具有一定的抗壓強度。此外，本發明在將石材廢棄物應用於鹼激發反應前對其進行煅燒可使所形成之膠結材及砂漿固化物具有良好的抗壓強度。
並且，本發明藉由找出對石材廢棄物進行煅燒的煅燒溫度的最適範圍可使所形成之膠結材具有良好的抗壓強度。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
S100、S110、S120、S200、S210、S220‧‧‧步驟
圖1為本發明的一實施例的膠結材的製造方法的步驟流程圖。 圖2為本發明的一實施例的砂漿固化物的製造方法的步驟流程圖。
Claims (11)
- 一種膠結材的製造方法，其包括下列步驟：提供鹼性溶液，其中所述鹼性溶液包括氫氧化物及矽酸鹽；在所述鹼性溶液中加入石材廢棄物以及爐石粉並攪拌，以形成膠結溶液，其中所述石材廢棄物包括未經煅燒或經煅燒的花崗石粉與大理石粉中的一者；以及固化所述膠結溶液，其中所述石材廢棄物與所述爐石粉的添加比例為100%：0%~50%：50%。
- 如申請專利範圍第1項所述的膠結材的製造方法，其中所述石材廢棄物在500℃~700℃的煅燒溫度下經煅燒。
- 如申請專利範圍第1項所述的膠結材的製造方法，其中所述鹼性溶液的鹼當量為0%~30%。
- 如申請專利範圍第1項所述的膠結材的製造方法，其中在所述鹼性溶液中加入所述石材廢棄物以及所述爐石粉並攪拌的步驟中，攪拌溫度為40℃~90℃，且攪拌時間為30秒~300分鐘。
- 如申請專利範圍第1項所述的膠結材的製造方法，其中在固化所述膠結溶液的步驟中，固化溫度為60℃~80℃，且固化時間為12小時~96小時。
- 如申請專利範圍第1項所述的膠結材的製造方法，其中所述氫氧化物包括氫氧化鈉、氫氧化鉀或其組合，且所述矽酸鹽包括矽酸鈉、矽酸鉀或其組合。
- 一種膠結材，其包括對石材廢棄物以及爐石粉進行鹼激發後而形成的含矽鋁酸鹽晶體以及鹼金屬氧化物，其中所述石材廢棄物包括未經煅燒或經煅燒的花崗石粉與大理石粉中的一者，其中所述石材廢棄物與所述爐石粉的添加比例為100%：0%~50%：50%。
- 一種砂漿固化物的製造方法，其包括下列步驟：提供鹼性溶液，其中所述鹼性溶液包括氫氧化物及矽酸鹽；在所述鹼性溶液中加入石材廢棄物、爐石粉以及細粒料並攪拌，以形成砂漿，其中所述石材廢棄物包括未經煅燒或經煅燒的花崗石粉與大理石粉中的一者；以及固化所述砂漿，以形成砂漿固化物，其中所述石材廢棄物與所述爐石粉的添加比例為100%：0%~50%：50%。
- 如申請專利範圍第8項所述的砂漿固化物的製造方法，其中所述石材廢棄物在500℃~700℃的煅燒溫度下經煅燒。
- 如申請專利範圍第8項所述的砂漿固化物的製造方法，其中所述氫氧化物包括氫氧化鈉、氫氧化鉀或其組合，且所述矽酸鹽包括矽酸鈉、矽酸鉀或其組合。
- 一種砂漿固化物，其包括：30wt%~90wt%的細粒料；以及10wt%~70wt%的膠結材，其中所述膠結材包括對石材廢棄物以及爐石粉進行鹼激發後而形成的含矽鋁酸鹽晶體以及鹼金屬氧化物，其中所述石材廢棄物包括未經煅燒或經煅燒的花崗石粉與大理石粉中的一者，其中所述石材廢棄物與所述爐石粉的添加比例為100%：0%~50%：50%。
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| 紀堯馨；「花蓮地區工業廢棄物(花崗岩切削屑、蜆殼)添加於爐石混凝土的物理性質與水化率的影響」 * |
| 紀堯馨；「花蓮地區工業廢棄物(花崗岩切削屑、蜆殼)添加於爐石混凝土的物理性質與水化率的影響」。 |
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| CN115304295A (zh) * | 2022-07-15 | 2022-11-08 | 桂林理工大学 | 高掺量废大理石粉-矿渣基碱激发胶凝材料及其制备方法 |
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