TWI889501B

TWI889501B - 膠結材料的製造方法

Info

Publication number: TWI889501B
Application number: TW113131085A
Authority: TW
Inventors: 李明輝; 葉文正; 蘇柏源
Original assignee: 國立屏東科技大學
Priority date: 2024-08-19
Filing date: 2024-08-19
Publication date: 2025-07-01

Abstract

一種膠結材料的製造方法，用以解決習知混凝土生產過程耗能過高的問題。係包含：提供一基材，該基材包含以重量百分比計為38～43%的爐石粉、8～13%的矽灰及44～49%的石英砂，該爐石粉包含矽、鋁及鈣；混合以重量百分比計為87.0～94.0%的該基材、5.5～10.0%的水及0.5～3.0%的一減水劑，得到一基質；混合該基質及一活化劑，獲得一漿體，該漿體的一鹼當量係介於0.0010～0.0015之間，且該活化劑為一鹼劑的水溶液，該活化劑的pH值係介於11～14之間；及將該漿體靜置固化，獲得一膠結材料。藉此可以達成減少耗能與環境破壞的功效。

Description

膠結材料的製造方法

本發明係關於一種膠結材料的製造方法，尤其是一種以爐石粉作為主要原料的膠結材料的製造方法。

波特蘭水泥（Portland cement）係一種常用的建築材料，該波特蘭水泥主要包含石灰石、黏土及石膏等成分，石灰石與黏土的混合物經高溫鍛燒後形成一熟料，於冷卻後的該熟料中加入少量石膏，攪拌硬化後即可獲得該波特蘭水泥。該波特蘭水泥可以與水以特定比例拌合，以形成一水泥漿，將該水泥漿與固態顆粒骨材（例如：砂礫、碎石）混合後，該水泥漿會使該固態顆粒骨材緊密的黏結在一起，形成營建產業所使用之混凝土。

以該波特蘭水泥製造混凝土，雖然可以提升該混凝土的強度和耐久性，然而該波特蘭水泥的主要成分通常來自天然礦物的開採，開採過程所使用的鑽孔機、挖土機等大型機具會破壞自然地貌，開採天然礦物更會導致自然資源的枯竭。又，該波特蘭水泥的生產過程需要經過高溫鍛燒，不僅需要消耗大量燃料，且該波特蘭水泥中的石灰石在高溫鍛燒下會產生大量二氧化碳（每生產一噸的水泥約會排放0.66～0.82噸的二氧化碳），加劇溫室效應的惡化。

此外，台灣的煉鋼產業每年亦產生超過25萬公噸的爐石（slag）副產物，由於爐石含有鉻、鉛等多種有害重金屬，以掩埋方式處理爐石會使有害重金屬滲入土壤及地下水，且爐石會釋放出有害氣體，危害人類的健康與生態系統的平衡。

除了爐石之外，冶煉矽鐵合金的過程中會產生顆粒極細的矽灰（silica fume）副產物，該矽灰副產物通常會隨著煙氣被排放到空氣中，不僅造成嚴重的空氣汙染，且由於矽灰粒徑極小，可以容易地進入人體呼吸系統，引發呼吸困難、咳嗽等急性反應，長期吸入含有大量游離矽灰的空氣更會使肺部病變的風險大增，造成肺部發生不可逆的纖維化。

有鑑於此，確實有必要提供一種既能夠回收爐石與矽灰，又可以降低混凝土製造過程的環境汙染的方法，以解決上述問題。

為解決上述問題，本發明的目的是提供一種膠結材料的製造方法，用以製造獲得能夠取代混凝土中的波特蘭水泥的膠結材料者。

本發明的次一目的是提供一種膠結材料的製造方法，係可以充分利用煉鋼產生的副產物爐石粉及矽灰者。

本發明的又一目的是提供一種膠結材料的製造方法，係可以製造具有良好結構強度的膠結材料者。

本發明全文所記載的元件及構件使用「一」或「一個」之量詞，僅是為了方便使用且提供本發明範圍的通常意義；於本發明中應被解讀為包括一個或至少一個，且單一的概念也包括複數的情況，除非其明顯意指其他意思。

本發明的膠結材料的製造方法，包含：提供一基材，該基材包含以重量百分比計為38～43%的爐石粉、8～13%的矽灰及46～49%的石英砂，該爐石粉包含矽、鋁及鈣；混合重量百分比計為87.0～94.0%的該基材、5.5～10.0%的水及0.5～3.0%的一減水劑，得到一基質；混合該基質及一活化劑，獲得一漿體，該漿體的一鹼當量係介於0.0010～0.0015之間，且該活化劑為一鹼劑的水溶液，該活化劑的pH值係介於11～14之間；及將該漿體靜置固化，獲得一膠結材料；其中，該鹼劑包含一第一鹼劑及一第二鹼劑，該第一鹼劑為一氫氧化物，該第二鹼劑為一矽酸鹽，該鹼當量係該第一鹼劑的莫耳數除以該基材中的爐石粉重量。

據此，本發明的膠結材料的製造方法，藉由使煉鋼過程中產生的副產物爐石粉與成鹼性的一活化劑反應，可以使該爐石粉中的矽、鋁、鈣等成分在鹼性環境下發生膠結反應，以製造獲得如前述的膠結材料。該膠結材料具有良好的抗壓強度，且可以用來取代混凝土中的水泥，相較於水泥的製造過程，該膠結材料的製造過程不需要經過高溫鍛燒，且可以回收再利用爐石粉與矽灰，達到降低混凝土生產過程的環境破壞以及充分利用爐石粉的功效。

其中，該爐石粉可以包含以重量百分比計為30～40%的二氧化矽、10～20%的三氧化二鋁及40～50%的氧化鈣，其餘比例為雜質。如此，該爐石粉中的氧化鈣在水中可以形成氫氧化鈣，續與該爐石粉中的二氧化矽與三氧化二鋁分別形成水化膠凝產物，具有提升該膠結材料的強度及穩定性的功效。

其中，該爐石粉的粒徑係可以介於7.5～45 μm之間。如此，可以增加該爐石粉與該活化劑接觸的比表面積，具有提升該爐石粉與該活化劑之反應效率的功效。

其中，該矽灰可以包含以重量百分比計90～99%的二氧化矽。如此，該二氧化矽可以與該活化劑反應生成水合矽酸鈣，具有提升該膠結材料的強度及穩定性的功效。

其中，該矽灰的粒徑係可以介於0.1～10 μm之間。如此，可以增加該矽灰與該活化劑接觸的比表面積，具有提升該矽灰與該活化劑之反應效率的功效。

其中，該矽灰的粒徑係可以介於0.1～0.5 μm之間。如此，該矽灰可以填充於該膠結材料的微小孔隙，具有提升該膠結材料的耐久性的功效。

其中，該石英砂可以包含以重量百分比計為90～99%的二氧化矽。如此，該石英砂具有較高的硬度及化學穩定性，具有提升該膠結材料的機械強度與穩定性的功效。

其中，該石英砂可以包含一第一石英砂及一第二石英砂，該第一石英砂的粒徑大於該第二石英砂的粒徑。如此，該第一石英砂及該第二石英砂可以形成更緊密的顆粒級配，具有提升該基材的密實度的功效。

其中，該石英砂可以包含以重量百分比計為40～60%的該第一石英砂及40～60%的該第二石英砂。如此，以上述比例配製該石英砂，可製得具有較佳抗壓強度之膠結材料的功效。

其中，該第一石英砂的粒徑係可以介於265～600 μm之間，該第二石英砂的粒徑係可以介於75～250 μm之間。如此，該爐石粉及該矽灰可以分散在由該石英砂所形成的空隙中，具有提升該膠結材料的抗壓強度及耐久性的功效。

其中，係能夠以215～460 rpm的攪拌轉速，進行該基材、水及該減水劑的混合。如此，可以使該基材、水及該減水劑均勻地混合，具有提升該基質的均勻度的功效。

其中，該減水劑可以為一聚羧酸酯減水劑或一氨基羧酸酯減水劑。如此，該減水劑的減水率可以大於20%，具有減少製備該基質所需的拌合水量的功效，且該減水劑可以具有良好的可生物降解性，具有降低該膠結材料對人體及生態環境的危害的功效。

其中，係能夠以460～630 rpm的攪拌轉速，進行該基質及該活化劑的混合。如此，可以使該基質與該活化劑均勻地混合，具有提升該基質與該活化劑的混合效果的功效。

其中，該鹼劑中的該第一鹼劑與該第二鹼劑的莫耳數比係可以介於1：0.16～1：0.26之間。如此，以上述比例配製該鹼劑，可製得具有較佳抗壓強度之膠結材料的功效。

其中，該第一鹼劑可以為選自一氫氧化鈉、一氫氧化鉀、一氫氧化鋰及一氫氧化鋇中的至少一個。如此，該第一鹼劑可以提供高濃度的氫氧根離子，促進該矽－氧－矽共價鍵或該鋁－氧－矽共價鍵的斷裂與重新鍵結，具有提升該基質與該活化劑之反應速率的功效。

其中，該第一鹼劑可以為氫氧化鈉。如此，氫氧化鈉的成本較為低廉，具有降低該膠結材料製造成本的功效。

其中，該第二鹼劑可以為選自矽酸鈉、矽酸鉀或矽酸鋰的至少一個。如此，該第二鹼劑則可以與該基質中的鈣、鋁等成分反應，具有提升該膠結材料的機械強度及耐久性的功效。

其中，該第二鹼劑可以為矽酸鈉。如此，矽酸鈉的成本較為低廉，具有降低該膠結材料製造成本的功效。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式作詳細說明。

本發明所述之「爐石粉」係指一貫作業煉鋼廠中，由鐵礦石、石灰石、焦炭與助熔劑煉製後，將煉製過程所產生之副產物經高壓水淬驟冷製程而形成的高爐爐石經粉碎後產生的粉末狀固體，此為本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解，於此不再贅述。

請參照第1圖所示，其係本發明膠結材料的製造方法的一較佳實施例，係包含一基材提供步驟S1、一基質製備步驟S2、及一反應步驟S3，藉此即能夠使爐石粉與一活化劑反應，以形成一膠結材料。

於該基材提供步驟S1中，係提供一基材，該基材可以包含一爐石粉、一矽灰及一石英砂，例如包含以重量百分比計為38～43%的爐石粉、8～13%的矽灰及44～49%的石英砂；於本實施例中，該基材係包含以重量百分比計為41.8%的該爐石粉、10.5%的該矽灰及47.7%的該石英砂。

該爐石粉可以包含以重量百分比計為30～40%的二氧化矽（silicon oxide，SiO ₂）、10～20%的三氧化二鋁（aluminium oxide，Al ₂O ₃）及40～50%的氧化鈣（calcium oxide，CaO），如此，該爐石粉中的氧化鈣在水中可以形成氫氧化鈣（calcium hydroxide，Ca(OH) ₂），續與該爐石粉中的該二氧化矽與該三氧化二鋁分別反應而生成水合矽酸鈣（calcium silicate hydrate，C-S-H）或水合矽鋁酸鈣（calcium alumino silicate hydrate，C-A-S-H）等膠凝產物，藉此提升該膠結材料的強度及穩定性。

此外，根據煉製原料的不同，該爐石粉還可以包含鐵、鉻、錳、鎂、硫等煉鋼過程中會出現的成分，此為本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解，於此不加以限制。舉例而言，該爐石粉可以包含以重量百分比計為33.82%的二氧化矽、14.32%的三氧化二鋁、40.58%的氧化鈣、0.3%的氧化鐵、7.18%的氧化鎂及0.69%的三氧化硫，前述各成分所占的重量百分比係依據該爐石粉的總重量計算（即，100克的該爐石粉可以包含33.82克的該二氧化矽）。

該爐石粉的粒徑較佳可以介於7.5～45 μm之間，工者可以使該爐石粉通過325孔目（mesh）的一篩網，以確保該爐石粉的顆粒均具有45 μm以下的粒徑，藉此可以增加該爐石粉與該活化劑接觸的比表面積，進而提升該爐石粉與該活化劑的反應效率；於本實施例中，該爐石粉的粒徑為16 μm。

該矽灰係指電爐冶煉矽鐵合金或提煉工業矽材的過程中，藉由揮發冷凝而收集到的非晶態顆粒。該矽灰可以包含以重量百分比計為90～99%的二氧化矽，如此，該二氧化矽可以與該爐石粉在水中生成的氫氧化鈣或該活化劑反應，以生成水合矽酸鈣，藉此提升該膠結材料的強度及穩定性。該矽灰另可以包含鋁、鐵、鈣等冶煉矽鐵合金中會出現的微量元素，此為本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解，於此不加以限制。

該矽灰的粒徑係可以介於0.1～10 μm之間，工者可以使該矽灰通過325孔目的一篩網，以確保該矽灰的顆粒均具有45 μm以下的粒徑，藉此可以增加該矽灰與該活化劑接觸的比表面積，進而提升該基材與該活化劑的反應效率。較佳地，該矽灰的粒徑更可以介於0.1～0.5 μm之間，工者可以藉由離心分級或氣流分級等習知的分離方式獲得粒徑介於0.1～0.5 μm的該矽灰，本發明不予限制。如此，該矽灰可以填充於該膠結材料的微小孔隙，降低該膠結材料的孔隙率及滲透性，進而提升該膠結材料的耐久性。

該石英砂係指石英（quartz）經破碎加工而形成的石英顆粒，該石英砂可以包含以重量百分比計為90～99%的的二氧化矽。由於該石英砂具有較高的硬度及化學穩定性，使該基材中包含該石英砂係可以增加該膠結材料的機械強度與穩定性。

該石英砂可以包含一第一石英砂及一第二石英砂，且該第一石英砂的粒徑大於該第二石英砂的粒徑，藉由使用不同粒徑的該第一石英砂及該第二石英砂，可以使該基材形成更緊密的顆粒級配（gradation），進而提升該膠結材料的密實度。該石英砂較佳可以包含以重量百分比計為40～60%的該第一石英砂及40～60%的該第二石英砂。

此外，該第一石英砂的粒徑係可以介於265～600 μm之間，該第二石英砂的粒徑係可以介於75～250 μm之間。如此，由於該第一石英砂與該第二石英砂的粒徑皆大於該爐石粉與該矽灰的粒徑，該爐石粉及該矽灰可以分散在由該第一石英砂與該第二石英砂所形成的空隙中，以提升該膠結材料的抗壓強度及耐久性。

於該基質製備步驟S2中，係混合該基材、水及一減水劑，以形成一基質。較佳地，工者係可以將重量百分比計為87.0～94.0%的該基材、5.5～10.0%的水及0.5～3.0%的一減水劑，於215～460 rpm的轉速下攪拌混合，以形成該基質，舉例而言，係可以使用一拌合機攪拌混合該基材、水及該減水劑。如此，可以使該基材、水及該減水劑均勻地混合，提升該基質的均勻度。於本實施例中，該基質可以包含以重量百分比計為91.15%的該基材、7.35%的水及1.50%的該減水劑，前述各成分所占的重量百分比係依據該基質的總重量計算（即，100克的該基質可以包含91.15克的該基材）。

該減水劑係可以減少該基質製備步驟S2所需的拌合水量，使該基質在較低含水量的情況下仍可以具有足夠的流動性；該減水劑亦可以減少該基質的孔隙率，防止氯離子等有害物質滲入該基質中，進而增加該膠結材料的耐久性。

該減水劑係可以為一高性能減水劑，較佳可以為一聚羧酸酯減水劑或一氨基羧酸酯減水劑，如此，該減水劑可以具有大於20%的減水率，可以有效減少該基質製備步驟S2拌合所需的水量，且該聚羧酸酯減水劑與該氨基羧酸酯減水劑更具有良好的可生物降解性，係可以降低該膠結材料對人體及生態環境的危害。

於該反應步驟S3中，係混合該基質與該活化劑，並使該基質與該活化劑進行反應，以形成一漿體，該漿體靜置固化後即可形成該膠結材料，例如於28℃下靜置24小時，以形成該膠結材料。較佳地，該基質及該活化劑可以於460～630 rpm的轉速下攪拌混合，例如可以使用一拌合機攪拌混合該基質及該活化劑，係可以均勻地混合該基質與該活化劑。

詳言之，該活化劑係用以提供一鹼性環境，以斷開該基質中的矽－氧－矽（Si-O-Si）共價鍵或鋁－氧－矽（Al-O-Si）共價鍵，如此，該矽－氧－矽共價鍵或該鋁－氧－矽共價鍵再次鍵結後，可以在該鹼性環境中形成水合矽酸鈣或水合矽鋁酸鈣，藉此提升該膠結材料的強度及穩定性。

該活化劑係可以為一鹼劑的水溶液。該鹼劑係可以包含一第一鹼劑及一第二鹼劑，較佳可以包含莫耳數比為1：0.16～1：0.26的該第一鹼劑及該第二鹼劑，使該活化劑的pH值可以介於11～14之間。

該第一鹼劑可以為一氫氧化物，該第一鹼劑較佳為選自氫氧化鈉（sodium hydroxide，NaOH）、氫氧化鉀（potassium hydroxide，KOH）、氫氧化鋰（lithium hydroxide）及氫氧化鋇（barium hydroxide，Ba(OH) ₂）的至少一者，該氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鋰及氫氧化鋇均屬於水溶性良好的強鹼，係可以提供高濃度的氫氧根離子（OH ^-），以促進該矽－氧－矽共價鍵或該鋁－氧－矽共價鍵的斷裂與重新鍵結，進而提升該基質與該活化劑之反應速率。該第一鹼劑更佳可以為氫氧化鈉，如此，藉由使用價格低廉的氫氧化鈉提供強鹼性環境，可以有效降低該膠結材料的製造成本。

該第二鹼劑可以為一矽酸鹽，例如可以為矽酸鈉（sodium metasilicate，Na ₂SiO ₃）、矽酸鉀（potassium metasilicate，K ₂SiO ₃）或矽酸鋰（lithium metasilicate，Li ₂SiO ₃）等矽酸鹽。如此，該第二鹼劑可以與該基質中的鈣、鋁等成分反應後生成水合矽酸鈣或水合矽鋁酸鈣，係可以提升該膠結材料的機械強度及耐久性。該第二鹼劑較佳可以為矽酸鈉，如此，藉由使用價格低廉的矽酸鈉提供矽酸根離子，可以有效降低該膠結材料的製造成本。

需要說明的是，在形成該漿體時，該基質與該活化劑的混合比例係可以由一鹼當量所定義，該鹼當量係由下列式一所計算獲得。該漿體的該鹼當量較佳可以介於0.0010～0.0015 mol/g之間，即，當該基質中包含100 g的該爐石粉時，該活化劑較佳可以包含0.10～0.15莫耳的該第一鹼劑。如此，具有0.0010～0.0015 mol/g的該鹼當量的該漿體，在固化形成該膠結材料後，係可以具有較高的抗壓強度。（式一）

為證實該膠結材料的製造方法確實能夠製造抗壓強度良好的膠結材料，遂取包含以重量百分比計為33.82%的二氧化矽、14.32%的三氧化二鋁、0.3%的氧化鐵、40.58%的氧化鈣，7.18%的氧化鎂及0.69%的三氧化硫的爐石粉進行以下試驗。

（A）基材混合比例對抗壓強度的影響

於本試驗中，係將該爐石粉、該矽灰及該石英砂以如第1表所示之比例混合形成該基材，並將各組之基材分別與水及減水劑混合形成該基質；取各組的該基質分別與該活化劑混合，以形成該漿體，並比較各組之漿體固化後所形成的膠結材料的抗壓強度。

其中，該石英砂包含以重量百分比計為40%的第一石英砂及60%的第二石英砂，且該第一石英砂及該第二石英砂的粒徑分別為425及250 μm；該基質包含以重量百分比計為91.15%的該基材、7.35%的水及1.50%的該減水劑；該漿體的鹼當量為0.0015 mol/g，該第一鹼劑與該第二鹼劑的莫耳數比為1：0.26。在本試驗及後續試驗中，該爐石粉與該矽灰的粒徑分別為16及0.2 μm；該第一鹼劑為氫氧化鈉，該第二鹼劑為矽酸鈉。

第1表、本試驗各組的基材組成及膠結材料的分析結果

組別	爐石粉（%）	矽灰（%）	石英砂（%）	抗壓強度（MPa）
A1	41.0	12.3	46.7	120.8
A2	41.8	10.5	47.7	151.4
A3	42.7	8.6	48.7	131.6

請參照第1表所示，以A1～A3組之比例混合該爐石粉、該矽灰及該石英砂時，所形成的膠結材料的抗壓強度均可以大於100 MPa，而當該基材包含以重量百分比計為41.8%的該爐石粉、10.5%的矽灰及47.7%的石英砂時，所形成的膠結材料的抗壓強度更可以達到150 MPa以上。

（B）石英砂組成比例對抗壓強度的影響

於本試驗中，係取粒徑分別為425及250 μm的一第一石英砂及一第二石英砂，以如第2表所示之比例混合形成一石英砂。將重量百分比為47.7%的各組之石英砂分別與41.8%的爐石粉及10.5%的矽灰混合，以形成該基材；將各組之基材分別與水及減水劑混合形成該基質；取各組的基質分別與該活化劑混合，以形成該漿體，並比較各組之漿體固化後所形成的膠結材料的抗壓強度。

其中，該基質包含以重量百分比計為91.15%的該基材、7.35%的水及1.5%的該減水劑；該漿體的鹼當量為0.0015 mol/g，該第一鹼劑與該第二鹼劑的莫耳數比為1：0.26。

第2表、本試驗各組的基材組成及膠結材料的分析結果

組別	石英砂	抗壓強度（MPa）
第一石英砂（%）	第二石英砂（%）
B1	0	100	136.7
B2	20	80	143.2
B3	40	60	151.4
B4	60	40	148.2
B5	80	20	143.7
B6	100	0	140.6

請參照第2表所示，該石英砂包含該第一石英砂及該第二石英砂時，所形成的膠結材料的抗壓強度均可以大於130 MPa；而該石英砂包含以重量百分比計為40%的第一石英砂及60%的第二石英砂時，該膠結材料可以具有最佳的抗壓強度。

（C）減水劑占比對抗壓強度的影響

本試驗係取重量百分比分別為41.8%的爐石粉、10.5%的矽灰、47.7%的石英砂混合形成該基材；將該基材、水及該減水劑以如第3表所示之比例混合形成基質；混合各組的基質與該活化劑，以形成該漿體，並比較各組之漿體固化後所形成的膠結材料的抗壓強度。

其中，該漿體的鹼當量為0.0015 mol/g，該第一鹼劑與該第二鹼劑的莫耳數比為1：0.26。於本試驗及後續試驗中，該石英砂包含以重量百分比計為40%的第一石英砂及60%的第二石英砂，該第一石英砂的粒徑為425 μm，該第二石英砂的粒徑為250 μm。

第3表、本試驗各組的基質組成及膠結材料的分析結果

組別	基材（%）	水（%）	減水劑（%）	抗壓強度（MPa）
C1	92.15	7.35	0.50	125.4
C2	91.65	7.35	1.00	143.2
C3	91.15	7.35	1.50	151.4
C4	90.65	7.35	2.00	126.1
C5	89.65	7.35	3.00	117.2

請參照第3表所示，在該基質中，該減水劑的重量百分比介於0.50～3.00%之間時，所形成的膠結材料的抗壓強度均可以大於100 MPa，而該減水劑的重量百分比為1.50%時，該膠結材料的抗壓強度更可以達到150 MPa以上。

（D）基質的水占比對抗壓強度的影響

本試驗係取重量百分比分別為41.8%的爐石粉、10.5%的矽灰、47.7%的石英砂混合形成該基材；將該基材、水及該減水劑以如第4表所示之比例混合形成基質；混合各組的基質與該活化劑，以形成該漿體，並比較各組之漿體固化後所形成的膠結材料的抗壓強度。

其中，該漿體的鹼當量為0.0015 mol/g，該第一鹼劑與該第二鹼劑的莫耳數比為1：0.26。

第4表、本試驗各組的基質組成及膠結材料的分析結果

組別	基材（%）	水（%）	減水劑（%）	抗壓強度（MPa）
D1	93.00	5.50	1.50	130.6
D2	91.15	7.35	1.50	151.4
D3	89.40	9.10	1.50	111.4

請參照第4表所示，在該基質中，水的重量百分比介於5.5～10%之間時，所形成的膠結材料的抗壓強度均可以大於100 MPa，而水的重量百分比為7.35%時，該膠結材料的抗壓強度更可以達到150 MPa以上。

（E）漿體的鹼當量對抗壓強度的影響

本試驗係取100克的爐石粉，與矽灰及石英砂混合形成基材；混合該基材、水及減水劑，以形成該基質；混合該基質與活化劑，該活化劑中的第一溶劑莫耳數係如第5表所示，以形成具有不同鹼當量的該漿體，並比較各組之漿體固化後所形成的膠結材料的抗壓強度。

其中，該基材包含以重量百分比計為41.8%的該爐石粉、10.5%的該矽灰及47.7%該的石英砂；該基質包含以重量百分比計為91.15%的該基材、7.35%的水及1.5%的該減水劑；該第一鹼劑與該第二鹼劑的莫耳數比為1：0.26。

第5表、本試驗各組的漿體鹼當量及膠結材料的分析結果

組別	第一鹼劑莫耳數（mol）	爐石粉重量（g）	漿體鹼當量（mol/g）	抗壓強度（MPa）
D1	0.10	100	1.00 10 ^-3	129.3
D2	0.125	100	1.25 10 ^-3	138.9
D3	0.15	100	1.50 10 ^-3	151.4

請參照第5表所示，該漿體的鹼當量介於0.0010～0.0015之間時，所形成的膠結材料的抗壓強度均可以大於100 MPa，而該漿體的鹼當量為0.0015時，該膠結材料的抗壓強度更可以達到150 MPa以上。

（F）第一鹼劑與第二鹼劑的莫耳數比對抗壓強度的影響

本試驗係取100克的爐石粉，與矽灰及石英砂混合形成基材；混合該基材、水及減水劑，以形成該基質；混合該基質與活化劑，該活化劑的組成係如第6表所示，以形成該漿體，並比較各組之漿體固化後所形成的膠結材料的抗壓強度。

其中，該基材包含以重量百分比計為41.8%的該爐石粉、10.5%的該矽灰及47.7%該的石英砂；該基質包含以重量百分比計為91.15%的該基材、7.35%的水及1.5%的該減水劑；該漿體的鹼當量為0.0015。

第6表、本試驗各組的活化劑組成及膠結材料的分析結果

組別	第一鹼劑莫耳數（mol）	第二鹼劑莫耳數（mol）	第一鹼劑與第二鹼劑的莫耳數比	抗壓強度（MPa）
D1	0.15	0.0300	1：0.20	129.3
D2	0.15	0.0345	1：0.23	138.9
D3	0.15	0.0390	1：0.26	151.4

請參照第6表所示，該第一鹼劑與第二鹼劑的莫耳數比介於1：0.20～1：0.26之間時，所形成的膠結材料的抗壓強度均可以大於100 MPa，而該第一鹼劑與第二鹼劑的莫耳數比為1：0.26時，該膠結材料的抗壓強度更可以達到150 MPa以上。

綜上所述，本發明的膠結材料的製造方法，藉由使煉鋼過程中產生的副產物爐石粉與成鹼性的一活化劑反應，可以使該爐石粉中的矽、鋁、鈣等成分在鹼性環境下發生膠結反應，以製造獲得如前述的膠結材料。該膠結材料具有良好的抗壓強度，且可以用來取代混凝土中的水泥，相較於水泥的製造過程，該膠結材料的製造過程不需要經過高溫鍛燒，且可以回收再利用爐石粉與矽灰，達到降低混凝土生產過程的環境破壞以及充分利用爐石粉的功效。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當包含後附之申請專利範圍所記載的文義及均等範圍內之所有變更。

﹝本發明﹞ S1:基材提供步驟 S2:基質製備步驟 S3:反應步驟

［第1圖］本發明之膠結材料的製造方法的一實施例的步驟流程圖。

S1:基材提供步驟

S2:基質製備步驟

S3:反應步驟

Claims

一種膠結材料的製造方法，包含：提供一基材，該基材包含以重量百分比計為38～43%的一爐石粉、8～13%的一矽灰及44～49%的一石英砂，該爐石粉包含矽、鋁及鈣；混合重量百分比計為87.0～94.0%的該基材、5.5～10.0%的水及0.5～3.0%的一減水劑，得到一基質；混合該基質及一活化劑，獲得一漿體，該漿體的一鹼當量係介於0.0010～0.0015之間，且該活化劑為一鹼劑的水溶液，該活化劑的pH值係介於11～14之間；及將該漿體靜置固化，獲得一膠結材料；其中，該鹼劑包含一第一鹼劑及一第二鹼劑，該第一鹼劑為一氫氧化物，該第二鹼劑為一矽酸鹽，該鹼當量係該第一鹼劑的莫耳數除以該基材中的爐石粉重量。
如請求項1之膠結材料的製造方法，其中，該爐石粉包含以重量百分比計為30～40%的二氧化矽、10～20%的三氧化二鋁及40～50%的氧化鈣，其餘比例為雜質。
如請求項1之膠結材料的製造方法，其中，該爐石粉的粒徑係介於7.5～45 μm之間。
如請求項1之膠結材料的製造方法，其中，該矽灰包含以重量百分比計90～99%的二氧化矽。
如請求項1之膠結材料的製造方法，其中，該矽灰的粒徑係介於0.1～10 μm之間。
如請求項5之膠結材料的製造方法，其中，該矽灰的粒徑係介於0.1～0.5 μm之間。
如請求項1之膠結材料的製造方法，其中，該石英砂包含以重量百分比計為90～99%的二氧化矽。
如請求項1之膠結材料的製造方法，其中，該石英砂包含一第一石英砂及一第二石英砂，該第一石英砂的粒徑大於該第二石英砂的粒徑。
如請求項8之膠結材料的製造方法，其中，該石英砂包含以重量百分比計為40～60%的該第一石英砂與40～60%的該第二石英砂。
如請求項8之膠結材料的製造方法，其中，該第一石英砂的粒徑介於265～600 μm之間，該第二石英砂的粒徑介於75～250 μm之間。
如請求項1之膠結材料的製造方法，其中，係以215～460 rpm的攪拌轉速，進行該基材、水及該減水劑的混合。
如請求項1之膠結材料的製造方法，其中，該減水劑為一聚羧酸酯減水劑或一氨基羧酸酯減水劑。
如請求項1之膠結材料的製造方法，其中，係以460～630 rpm的攪拌轉速，進行該基質及該活化劑的混合。
如請求項1之膠結材料的製造方法，其中，該鹼劑中的該第一鹼劑與該第二鹼劑的莫耳數比係介於1：0.16～1：0.26之間。
如請求項1之膠結材料的製造方法，其中，該第一鹼劑為選自一氫氧化鈉、一氫氧化鉀、一氫氧化鋰及一氫氧化鋇中的至少一個。
如請求項15之膠結材料的製造方法，其中，該第一鹼劑為氫氧化鈉。
如請求項1之膠結材料的製造方法，其中，該第二鹼劑為選自矽酸鈉、矽酸鉀或矽酸鋰的至少一個。
如請求項17之膠結材料的製造方法，其中，該第二鹼劑為矽酸鈉。