第1393期- 談 循環經濟材料再利用-鐵爐渣

陳純森 技師

成大建築研究所 教授級專家

高雄大學土環系 副教授專技

經濟建設與產業的發展，產生了許多的事業廢棄物；民生社會的生活，亦造成了許多不堪使用的垃圾；人類賴以維生的能源開發與醫療體系，也有不少的醫療與公害的廢棄物。諸如此類的廢棄物與垃圾，都不是人類生存所必要的，且或多或少都有毒性或污染，不利人類的生存。產出的企業與人們，有義務負責處理與善後，或設法再利用，以免造成社會的公害，方能營造乾淨安全的生存環境。究竟工程上常遇到的廢棄物有哪些？哪些廢棄物可以再利用？要如何利用？有無後遺症等等問題，常常困擾著工程界。筆者就個人經驗，將各種再利用之廢棄物的產出、特性、處理與用途等，彙整作為業界參考。

工程上常利用的廢棄物，包括鐵爐渣(iron slag)、鋼爐渣(steel slag)、飛灰(fly ash)、矽灰(silica fume)與焚化爐底渣(bottom ash)等，有的可以直接利用、有的須經過處理才能利用、有的根本不能用，只能以固化處理再作掩埋。

本文先探討使用量最多的鐵爐渣。

壹、鐵爐渣之產出

高爐渣(blast furnace slag)，是煉鐵廠以鐵礦(iron ore)熔製生鐵(pig iron)所產生的廢棄物。煉鐵廠因為爐體很高，俗稱高爐，因此鐵爐渣又稱「高爐爐渣」，圖1為高爐煉鐵過程之示意圖。高爐所熔解之生鐵鐵水，可鑄造生鐵管、生鐵鍋與鑄鐵人孔蓋等，浮在鐵水表面之浮渣，則稱為鐵爐渣，經水冷卻後研磨成粉，俗稱「爐石粉」。在台灣只有中鋼集團之中鋼小港廠與中龍台中廠，才有此種高爐之爐渣。

圖1 高爐煉鐵過程示意圖

貳、爐渣之正名

有關文獻與報導常常將「爐渣」(slag)誤用為「爐碴」，使用爐「碴」是一種錯誤的國學宣導。依照字典的定義，「渣」為物質之水分除去或流失後，所剩下之乾質滓渣。人們咀嚼檳榔時，有人嚥下檳榔汁，有人則吐出檳榔汁，嘴巴還不停地嚼咬剩餘的滓渣，稱為檳榔「渣」，因為液態的檳榔汁已經消失了。鄉村放牛時，所牽放的牛隻一邊啃草一邊拉屎，牛屎若未即時清理，棄置於馬路邊任憑太陽曝曬，數日後曬乾之牛屎，稱為糞「渣」。

據說中國古代名醫「華陀」，曾經用人類糞渣治病，令現代人難以想像，惟前不久國內媒體曾報導，榮民總醫院會同陽明交大，共同發表以糞便所萃取的優良成分，居然可以治療肝癌，足見糞渣也有其可用之妙處。窮苦之人家過世後，無錢料理後事，如將屍體棄置荒郊野外，屍首曝曬成為乾屍，即為所謂的「人渣」。鋼鐵公司的煉鐵爐，將鐵礦經由冗長之熔融冶煉，成為鐵水被運走之後，剩餘之滓渣，即稱為爐「渣」，外文之slag，亦均翻譯為「爐渣」，不應該誤植為「爐碴」。

至於「碴」的中文意義，依照字典的定義，實為陶瓷或玻璃質破碎後的碎片，其意義與「渣」完全不同。用餐的人們若不小心摔破瓷碗，還在破碎的碗碴中挑選美味佳餚，類似雞蛋中挑骨頭，所以慣稱「找碴」。足見「渣」與「碴」之語意，相去甚遠，實不宜混用以免誤導。

參、鐵爐渣之性質

鐵爐渣之主要成分為CaO、SiO₂與Al₂O₃，與水泥之成份雷同，樣本如表1。

表1 鐵爐渣成分表(%)

因為鐵爐渣之成分與水泥接近，且鐵爐渣沒有汙染問題，所以美國墾務局(Bureau of Reclamation)，曾率先採用鐵爐渣粉替代部分水泥建造水庫，節省不少工程造價。後續也有些工程單位跟進使用。

肆、鐵爐渣之利用

以鐵爐渣粉取代水泥，製成混凝土逐漸成為政府的政策，使用量也一直在增加，早期國內爐渣粉與飛灰使用量，約佔膠結材之30%，後來增加到40%，目前之政策鼓勵填加量可高達50%，即純水泥只用50%。施工綱要規範03050章規定，『飛灰、水淬高爐爐碴粉及矽灰混用做為膠結材料時，應經工程司事先核可，且飛灰、水淬高爐爐碴粉及矽灰總量，不得超過總膠結材料重量之[50%]，其中飛灰不得超過[15%]』。以鐵爐渣粉取代水泥，除可減少石灰石礦產資源的開採外，尚可回收爐渣料加以利用，甚至於使用鐵爐渣的工程，於建築案例之競圖評比時，綠建築指標有的標案尚可加分。

施工廠商也樂於添加使用。其一為添加爐渣粉之混凝土抗壓強度不論7天或28天均不會折減；其二添加爐渣粉之混凝土工作性(流動性)比較好，容易澆築施工；其三成本低廉，目前散裝之純水泥每噸約2,500元，爐渣粉每噸僅約1,500元；其四消耗爐渣粉可配合政府循環經濟之政策。

伍、適用鐵爐渣之工程

鐵爐渣的正確用途，為非結構性之混凝土，例如海邊之消波塊、河川工程之異型塊(照片1)、河床之坡面工(照片2)、鋪面之透水磚(照片3)、地磚(照片4)、石籠保護工替代卵石(照片5)、路邊緣石(照片6)、護欄(照片7)、地下基樁(照片8)等。此外，鐵爐渣也是大地回收雨水系統的好材料(照片9)，鐵爐渣磨成細粉後，也可作為地質改良(照片10)的水泥替代物，目前國內之地質改良，多採用純水泥(照片11)確實很浪費。甚至於鐵爐渣也可用以填海造陸延伸國土。

照片1 河川工程之異型塊

照片2 河床之坡面工

照片3 鋪面之透水磚

照片4 地磚

照片5 石籠保護工替代卵石

照片6 路邊緣石

照片7 護欄

照片8 地下基樁

照片9 大地雨水回收系統

照片10 地質改良

照片11 純水泥

陸、不適用鐵爐渣之工程

工程實務經驗，鐵爐渣粉並不適用於小規模斷面之結構性混凝土。特別是建築結構工程，使用鐵爐渣粉常常出現嚴重裂損。添加愈多裂損愈厲害，而且是樓板全面性的系統貫穿裂縫，並非表面之乾縮或冷縮裂縫。有的橋面板工程雖然採用PE板作潤濕養護，仍然難免裂損(照片12)。其主要的原因為鐵爐渣之氧化鈣含量偏低，依照前述，鐵爐渣粉之氧化鈣含量僅約40%，但卜特蘭水泥之氧化鈣含量高達65%，兩者之膠結性落差頗大，澆築後初凝時容易因冷縮與乾縮而裂開。

鐵爐渣粉所造成之裂損案例，不勝枚舉，照片13、照片14與15都是公有建築樓板貫穿裂縫；照片16為鋼筋混凝土結構地坪之全面裂損。雖然工程會之施工綱要規範，允許混凝土所添加之爐石粉與飛灰合計可高達50%，但有許多機關團體的構造工程，均已嚴格限制使用。爐渣粉與飛灰合計之用量，有的單位規定結構(鋼筋)混凝土使用0%，非結構混凝土使用30%；有的單位建築結構混凝土爐石粉使用5%，飛灰使用5%；有的單位建築結構混凝土爐石粉使用10%，飛灰使用5%。

照片12 橋面板出現裂損

照片13 公有建築樓板貫穿裂縫

照片14 公有建築樓板貫穿裂縫

照片15 公有建築樓板貫穿裂縫

照片 16 鋼筋混構地坪之全面裂損

柒、規範之探討

工程會之施工綱要規範，雖然僅為參考用之規範，但絕大部分之工程主辦單位，均將該綱要規範訂入契約，儼然成為甲乙雙方必須遵守之契約規範。預拌混凝土廠送出配比，若使用50%的鐵爐渣粉與飛灰亦有所本，加上甲方或監造單位不熟諳使用之細節，幾乎都照單全收，無以退回。一旦施工後發生問題，才要求減少用量，徒生履約爭議，造成困擾。這是主辦單位與監造單位必須注意的，應在設計圖說，明確註明是否添加爐渣粉與其用量，並編足相關預算發包。

施工綱要規範所規定之50%上限，係源自ACI318規範之混凝土配合設計所規範之F3環境等級之限制。ACI 318將混凝土構造之暴露環境分為四大類，即F(Freezing)類、S(Sulfate)類、W(Water contact)類與C(Corrosion protection)類。其中F類又細分為F0~F3，共4個等級；S類細分為S0~S3，共4個等級；W類細分為W0~W2，共3個等級；C類細分為C0~C2，共3個等級。而F3等級係指暴露於經常結冰與解凍之臨水構造且化性防凍之環境。F3環境之混凝土膠結材料限制如表2。ACI
318並規定專業的設計者須指定環境等級。

表2 暴露F3環境之混凝土膠結材限制

總結

總之，使用爐渣尚需探討的技術問題甚多，包括水淬後的硬化、混凝土攪拌時間的調整、浮水之黏貼性、適量之膠結材配比等等。且混凝土原料之適用與否，不是僅憑抗壓強度就可單方面決定。未獲得完整的結論前，使用單位仍須謹慎評估選用。

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