水泥、爐石與飛灰

水泥是混凝土的主要膠結材料。以前人們蓋房子常用石灰,雖然石灰裝飾面很平順漂亮,但是石灰怕受潮,太潮濕的環境會讓石灰變軟,強度也差。西元1824年英國人將石灰石(CaCO3)與黏土(Al2O3與SiO2)混合,經過高溫的煅燒,使成為熟料,即為現代人常用的水泥。其中的石灰石CaCO3經過煅燒後CO2會消失,殘留為生石灰CaO,將生石灰加水混合後成為硝石灰或稱熟石灰Ca(OH2),化學學名為「氫氧化鈣」,屬於強鹼性之材料,會造成鋼筋表面的鈍態膜,保護鋼筋不致生銹。水泥材質之配比以80%之石灰石(CaCO3),與20%之黏土(Al2O3與SiO2)所煅燒之成品品質最佳。

因為水泥具有水硬性不像石灰那樣怕潮,所以廣泛流通至全世界,為良好的建材。早期的水泥產品是有專利權的,現在專利時效已過,大家都可公開生產。將水泥加上少許的石膏攪拌硬化後,其外觀之顏色酷似英國「波特蘭」島的石材顏色,因此又被稱為「波特蘭」水泥(Portland Cement)。這種建材傳用到中國後,人們覺得以石灰為主要成份的建材為何與傳統的石灰有天壤之別的性質,遂被稱為洋人帶進來的石灰,故簡稱為「洋灰」。

從事土建工程的人幾乎都曉得,決定混凝土強度的主要關鍵在於水量與水泥量的配比,或簡稱「水灰比」(Water-Cement Ratio)。當水灰比愈高時,混凝土的強度會下降,且水密性也會降低,結構體容易滲水,因此幾乎所有的鋼筋混凝土的規範或標準都規定不得任意加水。

長期以來水泥是混凝土的唯一膠結材料,近來由於部分工程的水泥逐漸被爐石取代,並填加了不少的飛灰,因此,水泥、爐石與飛灰的混合材也逐漸權充膠結材料的角色,所以近代人們都稱「水灰比」為「水膠比」。

爐石與飛灰是否可以完全取代水泥,其工法有無調整的必要,確實值得探討的。爐石是礦砂煉鋼廠的廢棄物,在一貫作業的煉鋼廠,鐵礦(Iron Ore)是其主要材料,高爐煉鐵廠所熔解的生鐵被取走後,殘留的是浮在上面的爐渣(Slag)。基本上爐渣是一種廢棄物,必須每爐都要清理,早期的高爐爐渣都是填海造陸,高雄市的南星計畫即是一例。後來填海附近的漁民抗議,填海受阻,必須另謀出路。由於高爐爐渣之成份與水泥相近,含有多量的CaCO3、Al2O3與SiO2,而且又沒什麼污染,所以美國墾務局曾率先採用爐石替代水泥建造水庫。後來日本營建工程界也比照施作,但在建築工程等小規模小斷面之工程常出現問題,大斷面之巨積混凝土則十分成功。因此,建築工程之爐石取代水泥必須嚴謹與小心,缺少施工經驗者最好限量填加。附表1為爐石大略之主要化學成分。

表1 爐石之主要化學成分表

編號 CaO MgO SiO2 Al2O3 FeO MnO TiO2
No.1 40.2 6.2 36.2 14.7 0.4 0.4 0.5

 

由於爐石之成份與性質與水泥頗為接近,以爐石取代水泥似乎是官方的政策,一者減少石灰石礦產的資源開採,再者廢棄物可回收再利用,甚至於大量使用爐石的工程綠建築尚可加分。

惟,近期國內常有營建朋友反應,填加過量爐石之混凝土,於澆置過後裂損嚴重,甚至於貫穿樓板,造成嚴重後續問題。造成澆置後之樓板產生嚴重裂縫,而且是全面性的裂縫(照片1)。

照片1  樓板全面性之貫穿式裂縫

也有人反應填加爐石之混凝土澆置完成後浮水嚴重,表面黏貼磁磚容易剝落等缺失。更有人反應填加太多的爐石混凝土,澆置時會有膨脹的現象,試想,如果爐石本來經過水淬的急速冷卻,而產生收縮之殘留壓力,於加水攪拌產生水化作用之後,殘留壓應力被解除而造成體積回漲,亦不無可能。還有人說填加爐石之混凝土流動性較好,坍度較大有利混凝土的澆灌。但是如果爐石之水化未完全,以致膠結能力太差,而造成高流動性,那可就要留意了。總之,爐石的填加似乎負面的反應多於正面。無論施工者或監造者都頗多微言。

值得一提的是爐石的成份固然與水泥十分接近,但化性相同,不見得物性一致。因為水泥是將石灰石礦以旋窑(Rotary Kiln)煅燒方式製成,而爐石則是以水淬急速冷卻方式。一般爐石的表面硬化顯著,水化費時,最好混凝土內部能長期養生,才能發揮強度。因此,爐石所標榜的是後期的強度甚強,但早期的強度則很差。現今較有效的配套措施就是拌合場的攪拌時間要長些,一般水泥如果在拌合場攪拌一分鐘才裝車,爐石可能要數分鐘。至於工地澆置完成後,則應全面覆蓋PE板或不織布,從前所覆蓋的麻布袋其實也是不錯的。覆蓋後應全面灌水至淹沒程度,並且須連續澆水,讓混凝土確實長期保有水分作為潤濕,如此會讓裂縫減至最少。照片2為工地覆蓋用之PE板,而照片3則為經過PE板潤濕養生後的樓板,表面並未發現明顯之裂紋。

 

照片2  覆蓋養生用之PE板

 

照片3  妥善養生後之樓板表面

拌合場的配比表則必須確實監督控管。因為爐石加越多,拌合場的成本越便宜,至於強度,則不論7天或28天卻都能滿足須求,這是拌合場樂於填加爐石的主因。但爐石添加太多時,其相關之後遺症則是施工者必須設法預防的。

至於飛灰,則是發電廠燒煤時的廢棄物,其實是一種緩凝劑。飛灰填加太多時,混凝土是不容易初凝的。所以填加飛灰的混凝土其拆模時間必須額外延長。混凝土的緩凝對強度的提升是有幫助的,因為可以維持濕潤更久的時間,有利養生。但飛灰於燒碳的過程中是否油脂完全燃燒,卻是工程人員必須查證的項目。煤炭的燃燒必須借重油料的起火,且煤炭含有多量的瀝青油脂,如果未能完全燃燒耗盡,而殘留於飛灰時,勢將影響水泥之膠結能力。簡易的檢查油脂方法可將飛灰揮洒於盛水盤,含油脂之飛灰將呈現七色彩虹,那是不利使用的。

總之,天下沒有白吃的午餐,廢棄物的再利用與資源回收固然值得推廣,但是如果只是一味濫用,對材料製程缺乏認識或施工缺少配套措施,有時反而得不償失,施工者不可不慎。

【本文稿經由台灣省土木技師公會技師報同意轉載;未經允許請勿任意轉載】


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