文章内容

澳門固體廢料焚化爐飛灰在混凝土的應用研究

陳滿鋒(澳門土木工程實驗室)

摘要

　　要了解澳門固體廢料焚化爐飛灰之化學成份，應先認識焚化爐運作過程及廢料本身的特性，初步化學分析結果雖指出本澳焚化爐飛灰不符合一般國際性標準，但以適量飛灰作爲代替部份水泥用量，所得之混凝土強度影響不大，飛灰在非結構混凝土及水泥磚塊的應用有一定之潛力及經濟效益，但須進行一些更詳盡的研究試驗工作。

Investagtion on Application of Fly Ash From Macau Incineration Plant in Concrete

　　Mun Fong Chan(Laboratório de Engenharia Civil de Macau)
　　Abstract
　　To understand the chemical composition of the fly ash from the　Macau Incineration Plant, it is necessary to recognize the　operation process of the incinerator and the characteristics of the　refuse itself. Preliminary analysis indicated that the fly ash from　Macau Incineration Plant failed to meet the requirements ofgeneral internationally adopted standards. However, with proper partial replacement of cement by fly ash in a concrete mix, the strength of the concrete was not significantly changed. The application of fly ash in non-structural concrete and cement brick shows good potentials and economical benefits, but more detailed investigations based on testings must first be carried out.

A Investigacco na Utilização de Cinzas Volantes da Central de Incineração de Macau em Betão

　　Resumo
　　Para a análise da composição química das cinzas volantes da Central de Incineração de Macau, é necessário conhecer o modo de operação do incinerador e as características do próprio lixo.Uma análise preliminar indicou que as cinzas volantes da Central　da Incineração de Macau não satisfazem as exigências das normas　internacionais usualmente adoptadas. Contudo, com uma adequada percentagem de substituição de cimento por cinzas volantes numa mistura de betão, a resistênica do betão não é significativamente alterada. A utilização de cinzas volantes em betão não estrutural e em blocos de cimento tem beneficios económicos potenciais, mas requer investigação mais detalhada baseada na realização de ensaios.

一、前言

　　自1992年起澳門固體廢料焚化爐開始投入服務，處理本澳固體廢料(municipal solid waste)，將固體廢料所佔之體積大大減低，舒緩了垃圾堆塡區所需之面積及解決了不少對環境不利的成因。但固體廢料被焚化後所剩餘之溶渣(slag)及飛灰(flyash)，在處理及堆塡的問題上仍應作周詳考慮。
　　在世界其它先進國家及地區早已將粉煤灰(coal flyash)應用於混凝土中，且在技術及經濟上達到一定的效益，硏究及實驗證明適當的引進粉煤灰之混凝土可提高其強度、耐久性及工作度。但應用焚燒固體廢料所得之飛灰在混凝土工藝上之硏究工作並不多。美國硏究結果顯示當地焚化爐所產生的飛灰之化學成份及特性與一般粉煤灰有很多相同之處。本文將對澳門固體廢料焚化爐之飛灰應用於混凝土生產的情况作一初探，在未進行周詳的硏究之前，先對飛灰的化學成份作簡單分析，另一方面引入飛灰對混凝土特性的影響進行試驗。

二、澳門焚化爐飛灰的化學成份

　　因時間及資源關係，本文並非對飛灰的化學成份作詳細分析，但爲着對其化學成份有初步認識，首先將本澳焚化爐的主要技術指標及本澳所收集之固體廢料的特性怍簡單叙述，這兩個因素都會對飛灰之特性造成影響。
　　固體廢料焚化可分爲兩種方法：(一)mass burning(混合燃燒)——將廢料收集後不作處理而燃燒；(二)refuse－derived fuel(廢物燃燒法)——先將廢料中之鐵質及玻璃質抽出，再將廢料輾碎後才燃燒。本澳固體廢料由各種不同車輛收集好後，送往焚化爐一特設之垃圾坑，經過混和及壓縮後才會放進爐內燃燒，這種處理方法屬混合燃燒，目前每小時燃燒量約爲十二噸。固體廢料進爐後分兩階段加熱，第一階段利用鍋爐之水蒸氣將進爐的空氣加熱至攝氏230度，第二階段透過爐內之迆油燃點器將溫度升至攝氏800 度，在此溫度下一般的固體廢料將自動燃燒，而燃點器亦隨即關閉，爐內溫度約保持在攝氏800至1000度。經過焚化之固體廢料，其體積減至大約原先之10%，而每噸廢料所產生之溶渣及飛灰的重量分別爲250公斤及70公斤。
　　由澳門中央固體焚化爐公司提供的資料顯示，本澳固體廢料之特性如下：
化學成份：


　　有機物質　　　　　　　　　76%
　　有機碳化物　　　　　　　　39%
　　氮　　　　　　　　　　　　1.5%
　　磷　　　　　　　　　　　　0.6%
　　鉀　　　　　　　　　　　　0.8%
　　鈣　　　　　　　　　　　　0.19%

物理成份：


　　紙張　　　　　　　　　　　21.8%
　　碎布　　　　　　　　　　　14.6%
　　塑膠　　　　　　　　　　　11.2%
　　某類可燃物　　　　　　　　6.7%
　　玻璃　　　　　　　　　　　3.3%
　　鐵質金屬　　　　　　　　　2.2%
　　非可燃物　　　　　　　　　4.3%
　　發酵性有機物　　　　　　　35.9%

　　超過七成之廢料來自家庭，而工業廢料則達15%左右。
　　澳門焚化爐所產生之飛灰的化學成份至今尙未有淸楚的了解，但主要成份包括硅土SIO₂、氧化鋁AL_2O₃、氧化鐵Fe₂O³、生石灰CaO、硫酸鹽SO³及其它金屬氧化物。
　　澳門水泥廠有限公司曾對飛灰的其中幾種成份作出測試，結果如下：
　　硅土　　　　　　　　　　　　　　12%
　　硫酸鹽　　　　　　　　　　　　　7.5%
　　氯化物(ci^－)　　　 11%
　　氧化鈉(Na₂O)　　　 7.88%
　　從以上可見若根據美國標準ASTM C618 “Standard Specification for Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Useasa Minera1 Admixture in Portland Cement Concrete”，硫酸鹽氧化鈉含量都分別高於標準要求之5%及1.5%，前者可影響混凝土強度的發展和凝固時間，過量之硫酸鹽更可造成有害之硫化侵蝕，而後者則控制飛灰內之最高鹹性。
　　ASTM C618對氯化物並未作限制，但若與英國水泥標準BS12－1989之要求比較，發覺11%的氯化物含量遠遠超出所允許之0.1%，高氯化物含量將令混凝土內之鋼筋容易受到腐蝕。
　　從其它國家及地區的焚火爐飛灰報告所得，測試所得結果之硅土含量較低，但在本澳的水泥規範及上述所參考之規範中，並沒有對這成份的含量作任何強制性要求。

三、飛灰在混凝土的應用實驗

　　爲了進一步探討飛灰在混凝土應用之可行性，澳門大學科技學院與澳門土木工程實驗室曾進行了一些簡單的實驗，實驗目標是硏究當混入飛灰後混凝土特性之變化，尤其關注對其強度的影響。
　　從收集的技術文章及硏究報告指出，一般混入粉煤灰之混凝土與普通混凝土比較，早期強度較低，但後期強度則逐漸回升至普通混凝土之強度或更高之強度，因此所進行之實驗亦針對探索在引入飛灰之混凝土，會否有相同的趨勢。
　　實驗首先以一普通混凝土爲基礎，稱爲S^o其配比如下：
　　水泥：石：砂　　1：2.89：1.10
　　水灰比　　　　　0.50
而所用之原材料簡述如下：
　　水泥　　普通硅酸鹽525水泥
　　石　　　碎石標稱直徑爲20mm及10mm；細度模量分別爲7.60及5.61
　　砂　　　幼河砂細度模數1.61
　　水　　　普通食水
其餘實驗之配比則按S^o分別以飛灰代替水泥份量之10%、20%、及30%，三種配比分別稱爲S¹⁰、S²⁰、及S³⁰，各配比的詳細數値可參見表一。

爲簡化結果的分析性，三種引進飛灰的配比與S↓o唯一不同的地方祇在水泥用量，而各配比中並沒採用任何外加劑。

四、實驗結果

　　上述四種不同配比均進行強度及塌落度測試，各項結果比較如下：
　　塌落度：S^o　　 55mm
　　　　　　S¹⁰　　65mm
　　　　　　S²⁰　　65mm
　　　　　　S³⁰　　85mm 各配比抗壓強度結果的比較，可參看圖一。

　　從圖中可見以飛灰代替10%水泥用量之混凝土S₁₀強度與普通混凝土相差很少，但其工作度卻有所提高。S₂₀及S₃₀與S_o之28 天強度比較分別爲77%及47%，但跟早期強度相比時，其增長幅度爲較大(見圖二)。
　　表二列出每一配比之齡期系數(Age Factor)，其定義爲混凝土在某指定之齡期強度跟本身28天強度之百分比，結果可見引入飛灰混凝土早期強度發展較慢，但後期強度發展回升。

五、討論及總結

　　從以上的測試及實驗結果所得，澳門固體廢料焚化爐飛灰在混凝土上的應用是有一定的潛力，以下將較重要的兩項結果加以討論：
　　1.澳門焚化爐飛灰中化學成份並不符合一般國際性採用標準，而其中最受關注的應是氯化物含量。高氯化物含量可導致鋼筋的腐蝕，造成不良影響，固此不適合用於鋼筋混凝土上。但可進一步探討將其用於次要之非結構混凝土上的實用性能及價値。另一方面亦可進行飛灰在水泥磚上的應用硏究，在美國及其它先進國家地區，亦有成功將飛灰應用於水泥磚上的報告。通過高靜壓，配合少量的普通硅鹽水泥可達至美觀，而強度亦能高達50MPa的磚塊。更有報告指出引入飛灰之水泥磚比普通水泥磚有更高的抗磨損性能。
　　2.以飛灰代替10%水泥之混凝土強度與普通混凝土所得的強度相近，比較下飛灰混凝土早期強度雖略低，但後期強度有超過普通混凝土強度的傾向，這表現與一般滲入粉煤灰之混凝土的表現相同。單從強度考慮，以飛灰代替水泥至20%仍是可行的，飛灰混凝土能有一定的強度，而工作性能則增加。按本澳焚化爐資料，當燃燒每噸固體廢料時，可產生70公斤的飛灰。在1995年預計之廢料總數大約爲18萬噸，因此飛灰的總量大約是12，600噸。另一方面由澳門統計曁普查司資料所得，本澳平均每年水泥用量大約在25萬至30萬噸之間，若以10%的飛灰作水泥代替作計算，應可完全吸納所產生的飛灰，用作水泥成品上。
　　爲了飛灰應用在混凝土的問題上有更深入的認識，必需展開一個全面的硏究，硏究項目可分爲以下幾類：
　　1.本澳固體廢料特性之季節性變化，以及燃燒過程每一可變參數如每小時之燃燒廢料量、焚化爐溫度等對所產生飛灰的化學成份的影響。因此，飛灰取樣應在每日產生的不同時段進行，收集得足夠數量的樣本來進行分析，以確定飛灰化學性能的均匀性。其它飛灰的特性如物理性能及金屬含量亦應詳細測試。
　　2.飛灰應用在非結構混凝土不同配比時的適當份量。這部份的工作範圍很廣，硏究項目除了基本的強度要求外，還應注意耐久性與工作度、引進飛灰後混凝土配比中用水量的影響、與混凝土各成份材料(特別是外加劑)可能產生的不利變化、及有害金屬從硬化之混凝土中濾析(Leaching)的可能性等。而在混凝土施工時，應顧及飛灰混凝土早期強度的改善方法。
　　3.澳門焚化爐飛灰在水泥磚應用之可行性確定。限於本澳沒有水泥磚生產場，故硏究工作必須以合作方式進行，通過一般磚塊的生產程序，適當地引進飛灰來測試其影響。硏究項目包括水泥磚強度.飛灰量的效應、含水量及水泥量效應、抗磨損能力、吸水率及有害金屬從磚中濾析的可能性等。
　　處理本澳焚化爐產生的飛灰不單是一經濟問題，在環保意識上亦佔很重要的地位，隨着本澳焚化爐的使用率不斷增加，飛灰存放必須被正視。而對於固體廢料燃燒後所得之溶渣，其量比飛灰多出數倍，更應硏究其處理方法，目前世界各地已有不少關於溶渣用在土地回塡及改善的報告，澳門大學在這方面亦開始了硏究工作。本文祇對飛灰的處理作初步探討及建議，但能正式將飛灰應用在混凝土或水泥磚之前，上述的硏究及試驗應先周詳地進行，以收預期之效益。