以最新標準探討鋼爐渣於道路工程之應用

前言

行政院公共工程委員會日前於網路發布新聞稿，為了推廣循環經濟，鼓勵各工程機關儘量採用轉爐石用於道路鋪面工程，工程會與經濟部協調高雄市政府於7月14日辦理「轉爐石運用於道路鋪面工程觀摩會」，工程會吳主委並且親臨致詞。就落實循環經濟之政策而言，如何作好資源回收，將廢棄物設法再利用，相關工程界自當極力配合，義不容辭。惟相關之完整配套措施與後遺症之防患，也是所有產官學所應該解決之嚴肅課題。

爐渣之介紹

一般工程所稱之爐渣，係包括鐵爐渣與鋼爐渣。有關鐵爐渣之介紹，筆者在第1022期技師報已有批露。其實近期坊間所稱之「爐碴」，名詞並不恰當，應正名為「爐渣」。所謂「碴」，係指「破碎之陶瓷片」，並非煉鋼過程中所衍生之渣滓；「渣」(slag)，則是將水分榨乾或液體流失後所殘留之渣滓，於鋼鐵之冶煉過程，煉鐵廠(高爐blast furnace)將鐵礦熔解之鐵水，用魚雷車(torpedo car)運走之後，剩下「鐵爐渣」，或稱「高爐爐渣」；煉鋼廠於鐵水冶煉成鋼水之後，又將鋼水送往鋼胚區或鋼錠(ingot)區澆鑄，剩下「鋼爐渣」，甚至於電銲過程中，銲條熔融之鋼水沉澱在銲縫，漂浮在鋼水上方之渣滓，則稱之為「銲渣」。

爐渣處理業界為了推廣順利，將爐渣美其名為「爐石」，勉強可以接受，畢竟爐渣之成分與砂石之成分有部分相近，但如果執意稱為爐「碴」，就有些誇張了。雖然爐渣之化學成分與砂石有些相近，但由於生成過程之差異，彼此間之物理性質則有所不同，所以無法完全取代一般之砂石作為營建工程之用，必須經過嚴謹之處理與管制，且用途也受到限制，多半用於土木工程。

鋼爐渣之生成

國內煉鋼之方法分為炊氧(Basic oxygen furnace)煉鋼與電爐(Electric arc furnace)煉鋼。炊氧煉鋼係以生鐵(pig iron)之鐵水為主要原料，在煉鋼爐內吹送氧氣燃燒，將生鐵熔融精煉而轉換成鋼水，故通稱其煉鋼爐為轉爐(Converter)。歐陸各國咸認，轉爐煉鋼是奧地利Vöest鋼鐵公司於多瑙河畔之林茲城市(Linz Danube)所發明，故歐陸各國常稱為LD 轉爐(LD Converter)。日本煉鋼業早期師承德國，亦泛稱轉爐為LD轉爐。中鋼公司小港廠之煉鋼廠，即購自日本川崎重工之轉爐煉鋼設備，故國內僅有中鋼系統之高雄廠、與台中之中龍廠，屬於轉爐煉鋼。轉爐煉鋼時會填加生石灰與廢鋼，煉鋼完成後每噸粗鋼，會產出約110公斤之轉爐鋼渣(Converter steel slag)。 電爐煉鋼則是以廢鋼為主要原料，以電極棒之電弧將廢鋼再度熔融去除雜質，並未有材質轉換之作用，因此慣稱為電爐。國內之東和、豐興、燁聯、海光、漢泰等鋼鐵公司均採用電爐煉鋼。電爐煉鋼時會加入生石灰與合金鋼，並須加入氧氣將雜質氧化，於煉鋼完成後每噸粗鋼會產出約70公斤之氧化渣；如果鋼水在精煉爐內加入大量碳粉與石灰石等去氧脫硫材料，於煉鋼完成後每噸粗鋼則會產出約40公斤之還原渣。

換言之，轉爐煉鋼會產出轉爐渣(converter slag)，但電爐煉鋼則會分別產出氧化渣(oxidizing slag)與還原渣(reducing slag)，參考日本爐渣協會之資料，其流程如圖1所示。圖1上段為轉爐渣之生成過程，下段則為電爐之氧化渣與還原渣之生成過程。

圖1 鋼爐渣之製程與用途【1】

鋼爐渣之成分與特性

參見圖1之鋼爐渣之生成過程，由於在煉鋼爐冶煉鋼液時，必須摻入石灰石（CaCO3）與白雲石CaMg(CO3)2助熔，冶煉後會產生游離氧化鈣(CaO)、游離氧化鎂(MgO)，一般轉爐渣與電爐渣之成分如表1所示。當鋼爐渣之氧化鈣、氧化鎂與水或濕氣發生水化作用時，CaO與MgO就會形成Ca(OH)2及Mg(OH)2，容易導致體積膨脹甚至渣料主體開裂或崩解，如台○事件、小○事件、樹○事件等，鋼爐渣使用前均必須設法消除其膨脹特性。而鋼爐渣之鐵質成分(T-Fe)與水發生化學反應時，則容易造成爆出(popout)與銹水現象，如巨○之痘痘屋事件與一般之馬路銹斑等，使用前必須驗證其含鐵成分有無超標。

表1 日本爐渣協會之爐渣成分範例(%)【1】

煉鋼過程所填加之廢鋼(scrap)容易夾雜其他之重金屬，因此應該檢測鋼爐渣之重金屬含量有無超標，如Cd、Pb、Cr6+、As、T-Hg、Se、F及B等成分，以防使用後環境遭受汙染。

鋼爐渣之用途

美國、澳洲、日本等國均曾將鋼爐渣用於道路工程，美國甚至於將鋼爐渣作為鐵路之道床(ballast)，在漫長之鐵路工程，使用鋼爐渣取代一般之石材道渣，確實可以減少不少之工程經費，如照片1。

照片1 鋼爐渣之鐵路道床【2】

在一般之道路工程，由於鋼爐渣之耐磨性能優良，是不錯之道路鋪面材料。由於鋼爐渣使用於道路工程常常造成下雨後之路面波浪起伏，所以CNS1240規定，對於有膨脹顧慮之鋼爐渣，使用前必須確實完成其「安定化」之處理程序，才可使用。國內曾經有道路工程之施工廠商因為未熟諳鋼爐渣之特性，所施作之道路於下雨過後路面波浪不平而被移送法辦。一般安定化之處理可採用天然風化法、高溫蒸氣處理法或吹氧加熱並填加玻璃細粉等改良劑處理。從圖1之日本爐渣協會所推薦之鋼爐渣用途，不難看出轉爐渣可直接用於地工用之水泥原料，但要作為道路工程之路基材料或地質改良材料時，必須事先完成「エ-ジング」(Aging，老化)處理。氧化渣可直接作為瀝青混合物骨材、混凝土用骨材與地工材料；但要作為道路工程之路基材料或地質改良材料時，亦必須事先完成老化處理。至於還原渣則可以直接做為地工材料、水泥原料與地質改良原料，但要作為道路工程之路基材料或地質改良材料時，亦必須事先完成老化處理。轉爐渣如果嚴謹處理尚可作為農林業之肥料使用，如照片2。

照片2 轉爐渣肥料【1】

日本鋼爐渣使用之相關規範

日本對於鋼爐渣之道路使用，除了全國性之工業標準JIS以外，產官學各界均訂有完整而嚴密之標準，其明細如下，值得國內參考跟進。

JIS 5011-4 (2013) 電気炉酸化スラグ骨材

JIS 5015 (2013) 道路用鉄鋼スラグ

JIS 5308 (2014) レディ-ミクスト コンクリ-ト

國土交通省港湾局 (2004) 港湾工事共通仕様書

國土交通省鉄道局 (2000) 鉄道構造物設計標準

首都高速道路公团 (2004) 土木材料共通仕様書

農林水產省 (2003) 土木工事共通仕様書

日本土木学会 (2003) 電気炉酸化スラグ骨材を用いたコンクリ-トの設計·施工指針

日本道路協会 (2006) 舖裝施工便覽

日本港湾協会 (2007) 港湾の設施の技術上の基準·同解說

沿岸技術研究センタ- (2015) 港湾·空港·海岸等における製鋼スラグ利用技術マニュアル

鉄鋼スラグ協会 (1985) 製鋼スラグ路盤設計施工指針

鉄鋼スラグ協会 (1985) 路盤用製鋼スラグ品質管理要鋼

美國鋼爐渣使用之相關規範

美國各州公路官員學會(AASHTO)之相關組織「交通環境組織」(Environment
transportation organization)，曾經將鋼爐渣使用於道路工程之環境影響做一完整之調查與評估，其結果顯示鋼爐渣用於瀝青鋪面之效果良好，但使用於美國廣泛硬性路面之混凝土鋪面則效果不佳，使用於路床必須有所節制，使用於路堤是可以被接受的。其彙整如表2所示。

表2 美國交通環境組織對鋼爐渣使用之評估【3】

前述鋼爐渣骨材用於瀝青鋪面混合材之規定，以最新版之ASTM D5106-15
Standard Specification for Steel Slag Aggregates for Bituminous Paving Mixtures。最完整。該標準並未將轉爐渣與電爐渣給予個別定義，而是概括式將兩者同時包括在內，其定義如摘錄1。

摘錄1 ASTM D5106-15對鋼爐渣之概括定義

ASTM D5106-15規定鋼爐渣骨材用於瀝青混合物，除了須合乎一般砂石之材質標準外，另增加三項特別條款，即「膨脹性試驗」、「環境穩定驗證」及「剝損與碎化試驗」。其所有相關取樣與試驗標準如摘錄2所示。

摘錄2 ASTM D5106-15之鋼爐渣取樣試驗標準

上述諸項試驗標準中，其中第7.1.6項-膨脹性試驗需依照ASTM D4792之規定辦理；第7.1.12項-環境穩定之作為係查證鋼爐渣是否有毒害汙染之滲漏問題，必須依照EPA Method
SW846 1311之規定辦理，其毒害之管制程序，ASTM D5106-15之說明如摘錄3。

摘錄3 ASTM D5106-15之鋼爐渣毒害管制

至於鋼爐渣之剝損與碎化試驗則須分別依照第7.1.8項-ASTM D4867 Stripping與第7.1.7項-ASTM C142 Friable Particles之規定辦理。

綜合結論

煉鋼之爐渣確實值得回收再利用，但是相關之配套措施與用法必須明確且具體可行，否則使用者出了問題誰能擔待責任?難怪民意代表會提案制止爐渣之使用，許多公路單位、營建機關與國營事業抵死拒用者也大有人在。其實爐渣之使用在外國行之有年，值得借鏡之標準與規範既完整又嚴謹，且都有相互之配套措施與管制辦法，畢竟涉及專業技術的作為必須符合技術的SOP才能落實有效。建議工程主管機關邀集相關目的事業主管機關，如交通部、內政部、環保署、商檢局、學術界及產業界等，及早制定具體完整之規範，包括用途、標準、處理，檢驗、管理、驗證、以及相關職責，以利爐渣之推廣及業界之使用。

參考文獻

1.環境資材鉄鋼スラグ,日本鉄鋼スラグ協會

2. Steel furnace slag, 173-3, National slag association, USA

3. fhwasummary,Environment.transportation.org

4.Standard Specification for Steel Slag Aggregates for Bituminous Paving Mixtures, ASTM D5106-15.

5.陳純森（2012年3月1日）。趙鐵頭創建中鋼的故事。

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