取代水泥的永續材料 (飛灰) Sustainable Cement Replacement Materials (Fly ash)

取代水泥的永續材料 (飛灰) Sustainable Cement Replacement Materials (Fly ash)
國立臺灣大學土木工程學研究所結構組王又德

飛灰（Fly ash），顧名思義為飛揚於空氣中的細微顆粒。根據工程會頒布之「公共工程使用飛灰混凝土作業要點」，其定義飛灰係指煤粉經由鍋爐燃燒，隨氣體排放，以集塵設備收集而得的粉末。

在早期，工廠及火力發電廠等所排放的飛灰尚未被妥善處理，是空氣汙染的來源之一，大大影響生活品質。而在工程研究發現飛灰的再利用價值之後，如今飛灰已被視為相當重要的工程材料，隨著需求不同，可用於土壤穩定，或作為瀝青、混凝土的摻料等等。需求量日漸增長，甚至供不應求而使得價格日趨提高。

圖1.水泥及飛灰外觀，來源：http://www.lehighnw.com/canada/Frames/index7ac.htm

圖2.飛灰在電子顯微鏡下之影像(3000x)，來源：http://www.caer.uky.edu/kyasheducation/flyash.shtml

剖析混凝土的組成結構，主要為水泥漿體（水泥、水)與粗細粒料（砂、石頭)的結合。飛灰被分類為卜作嵐材料(Pozzolan material)，主要成分包含：二氧化矽、氧化鐵、氧化鋁、氧化鈣（隨著成分比例不同，又細分為 C 類飛灰與 F 類飛灰，兩者活性不同)。

卜作嵐材料包含有三：飛灰、爐石、矽灰，其主要功能為在水泥的硬化過程中進行卜作嵐反應。卜作嵐反應使得水泥的硬化過程變得較為緩慢，化學反應熱降低。隨著長時間的養護，混凝土中的孔隙以及漿體粒料之交界面逐漸被卜作嵐材料膠結而填充，大大提高了混凝土的強度與緻密度，同時也增加了混凝土的抗侵蝕能力與耐久性。

圖3.一般混凝土及飛灰混凝土的強度發展

由於飛灰的比重相較於水泥來得低，我們在製作混凝土時，若將部分的水泥用量以等重的飛灰取代，拌和混凝土時會得到較多的漿體量。同時飛灰顆粒形狀呈球型、表面潔淨，在拌和過程中有良好的黏結性及可塑性，讓施工更加順利。

飛灰取代水泥也能降低水泥硬固化所需的水量，以較低的水灰比（水與水泥等粉料之重量比值)，製得高強度的混凝土。依照飛灰特性與效益，在營建工程上，適合用於壩體建造或是港灣等工程，低反應熱避免因溫度變化差異產生結構體裂縫，能抵禦海水、鹽類的侵蝕。在建築材料方面，可減少材料用量、降低成本，具有良好工作性、質輕、防火、抗侵蝕等特性。

從環境永續發展的觀點，現今水泥的製造伴隨著可觀的溫室氣體排放量，工廠生產一噸的水泥約排放出一噸的二氧化碳[參考資料1]。而飛灰為燃煤工業之副產物，回收再利用，確實達到節能減碳、降低空氣汙染之目標，對於環境有相當正面的影響。目前各國也多有以飛灰作為工程材料再利用的措施。

以 2008 年美國為例，燃煤發電廠飛灰的年產量約有 $$1.3$$ 億噸，重新使用率為 $$43\%$$[參考資料1]。2000 年之後的台灣台電公司每年飛灰產量約 $$170$$ 萬噸，重新使用率達 $$88\%$$。而在飛灰的使用與品質篩選上，也有許多要注意的地方，應須依據規範，使用品質合格的飛灰以及合宜的配比、正確的施工流程，避免建物結構有安全上之疑慮。

參考資料：

1. 維基百科，Fly ash http://en.wikipedia.org/wiki/Fly_ash#Fly_ash_reuse
2. 公共工程飛灰混凝土使用手冊，行政院公共工程委員會
3. Sustainable Sources(20 years of online Green Building information)-Flyash Concrete http://flyash.sustainablesources.com/
4. Separation Technologies LLC-Why Use Fly Ash http://www.proash.com/wordpress/?page_id=95