目錄 第一章 前言 1 1-1 研究緣起與目的 1 1-2研究內容 3 第二章 文獻回顧 4 2-1都市垃圾焚化飛灰 4 2-1-1物化性質 4 2-2熔融處理之探討 11 2-2-1熔融處理之原理及沿革 11 2-2-2 熔融處理之效應及特色 12 2-2-3 灰渣熔融處理之操作因子 14 2-2-4 熔渣特性 15 2-2-5熔渣之資源化 17 2-3水泥之化學成份及物理性質 20 2-3-1水泥之製造與組成 20 2-3-2水泥之化學成份與物理性質 20 2-3-3水泥單礦物之水化作用及機制 24 2-3-4普通水泥之水化作用及機制 26 2-3-5卜作嵐材料之種類及其反應 29 2-3-6水泥漿體之微觀構造及對工程性質之影響 37 2-3-7水泥漿體巨微觀性質之關係 44 第三章 實驗材料與方法 50 3-1實驗設計 50 3-1-1都市垃圾焚化飛灰熔融前處理之操作條件 53 3-1-2熔渣水泥漿體試驗條件配置 55 3-1-3調質熔渣水泥漿體試驗條件配置 58 3-2 實驗材料與設備 59 3-2-1 實驗材料 59 3-2-2 實驗設備： 60 3-3實驗方法 62 3-3-1 實驗流程 62 3-3-2分析方法 62 第四章 結果與討論 69 4-1基本性質分析 69 4-1-1都市垃圾焚化飛灰基本性質分析 69 4-1-2溶渣基本性質分析 76 4-2熔渣水泥漿體的工程性質 82 4-2-1流度 82 4-2-2凝結時間 83 4-2-3熔渣水泥漿體抗壓強度的發展 84 4-2-4 熔渣水泥漿體水化參數與抗壓強度關係模式探討 96 4-2-5熔渣水泥漿體重金屬溶出行為與形態 107 4-3熔渣水泥漿體反應之探討 113 4-3-1熔渣水泥漿體的孔隙結構 113 4-3-2熔渣水泥漿體水化產物的變化 131 4-3-3 熔渣水泥漿體之NMR分析 144 4-3-4熔渣水泥漿體卜作嵐反應 150 4- 4熔渣成份對水泥漿體反應行為之影響 162 4- 4-1凝結時間 162 4-4-2熔渣成份對漿體抗壓強度之影響 164 4- 4-3熔渣成份對漿體孔隙結構之影響 170 4- 4- 4水化程度 178 4- 4-5漿體水化產物之變化 182 4-4-6調質熔渣水泥漿體之NMR分析 193 4- 4- 7微結構分析 198 4-4-8綜合討論 205 第五章 結論與建議 210 5-1結論 210 5-2建議 214 參 考 文 獻 215 表目錄 表2- 1 都市垃圾焚化處理過程元素分布 5 表2- 2 都市垃圾與焚化灰渣主要元素濃度 6 表2- 3 都市垃圾與焚化灰渣重金屬濃度 6 表2- 4 都市垃圾焚化飛灰之化學主要組成（以元素態表示） 8 表2- 5 都市垃圾焚化飛灰之化學主要組成（以氧化態表示） 9 表2- 6 都市垃圾焚化飛灰之重金屬 10 表2- 7 熔融法在不同應用領域所使用之名稱 11 表2- 8 熔渣種類、形成方式與特性 16 表2- 9 熔融熔渣的利用方式 17 表2- 10熔渣、高爐熟料與水泥化學成份比較表 19 表2- 11水泥旋窯內各種溫度之化學反應 21 表2- 12標準卜特蘭水泥之典型成份及性質 22 表2- 13各種成份對波特蘭水泥性質之影響 22 表2- 14 C3S之水化過程及機理 25 表2- 15 礦粉摻料之種類與材料 30 表2- 16 飛灰之化學及物理性質要求 34 表2- 17 爐渣之化學及物理性質要求（CNS 12223） 35 表2- 18 水泥漿體之主要組成成份及其性質 39 表2- 19 孔隙分類與水泥漿體工程性質之關係 43 表3- 1卜作嵐物質化學組成 54 表3- 2熔渣（1250℃）水泥漿體條件配置 56 表3- 3熔渣（1400℃）水泥漿體條件配置 57 表3- 4飛灰調質熔渣水泥漿體條件配置 58 表3- 5台泥波特蘭第Ⅰ型水泥組成 60 表4-1焚化飛灰之篩分析結果 70 表4-2焚化飛灰之化學組成 71 表4-3焚化飛灰毒性特性溶出試驗結果 75 表4- 4熔渣之化學組成 77 表4- 5熔渣毒性特性溶出試驗與重金屬總量 78 表4- 6熔渣之水化活性指標 81 表4- 7新拌熔渣水泥漿體流度值 83 表4- 8熔渣取代量與漿體凝結時間之關係 84 表4- 9水化程度與抗壓強度之關係 99 表4- 10膠體空間比與抗壓強度之關係 104 表4- 11毛細孔隙率與抗壓強度之關係 106 表4- 12熔渣水泥漿體毒性特性溶出試驗結果 108 表4- 13逐步萃取程序各階段示意表 109 表4- 14熔渣水泥漿體逐步萃取結果 110 表4- 15毛細孔隙率與水膠比之關係 129 表4- 16熔渣水泥漿體之29SI NMR光譜資訊 147 表4- 17熔渣水泥漿體（28天）之聚矽陰離子長度 149 表4- 18熔渣水泥漿體之凝結時間 163 表4- 19熔渣水泥漿體之29SI NMR光譜資訊 194 表4- 20熔渣水泥性質與CNS規範之比較 206 表4- 21熔渣水泥漿體微觀性質 208 圖目錄 圖2- 1熔融處理形成SI-O之網目構造 11 圖2- 2熔融熔渣資源化方式 17 圖2- 3普通水泥、高爐熟料與飛灰之C-A-S-F相位平衡圖 22 圖2- 4水泥熟料單礦物之水化速率 27 圖2- 5水泥熟料單礦物漿體抗壓強度之發展 27 圖2- 6卜作嵐物質與氫氧化鈣封孔效應圖 31 圖2- 7飛灰反應示意圖 33 圖2- 8高爐熟料水泥早、晚期之卜作嵐反應 36 圖2- 9水泥水化生成物及巨微觀性質之變化 40 圖2- 10水灰比與水化程度對強度之影響 47 圖2- 11水泥漿體水化生成物微結構與抗壓強度之關係 49 圖3- 1都市垃圾焚化飛灰熔融處理之實驗設計 51 圖3- 2熔渣水泥漿體水化參數建立之實驗設計 51 圖3- 3熔渣水泥漿體卜作嵐反應之實驗設計 52 圖3- 4熔渣成份影響水泥漿體反應之實驗因子 53 圖3- 5本實驗用飛灰採樣點及相關之空氣污染控制設備圖 59 圖3- 6化學組成分析試驗流程 63 圖3- 7重金屬總量消化流程 64 圖3- 8毒性特性溶出程序(TCLP)流程圖…………………………………………65 圖3- 9水泥矽酸鹽聚合物與水化產物之結構 66 圖4-1本研究之焚化飛灰化學組成與文獻比較 72 圖4-2鹽基度與熔流溫度關係圖 73 圖4-3 SIO2含量與熔流溫度關係圖 73 圖4-4焚化飛灰化學組成與土壤背景濃度比較 74 圖4-5熔融處理時重金屬之分佈情形 79 圖4-6文獻中熔融處理時重金屬之分佈情形 79 圖4-7熔渣水泥漿體抗壓強度發展圖（W/B=0.29） 86 圖4-8熔渣水泥漿體抗壓強度發展圖（W/B=0.38） 86 圖4-9熔渣水泥漿體抗壓強度發展圖（W/B=0.45） 87 圖4- 10熔渣水泥漿體抗壓強度發展圖（W/B=0.55） 87 圖4- 11熔渣水泥漿體相對強度發展圖（W/B=0.29） 89 圖4- 12熔渣水泥漿體相對強度發展圖（W/B=0.38） 90 圖4- 13熔渣水泥漿體相對強度發展圖（W/B=0.45） 90 圖4- 14熔渣水泥漿體相對強度發展圖（W/B=0.55） 91 圖4- 15純水泥漿體水膠比與抗壓強度關係圖 93 圖4- 16熔渣水泥漿體水膠比與抗壓強度關係圖（取代量10%） 94 圖4- 17熔渣水泥漿體水膠比與抗壓強度關係圖（取代量20%） 94 圖4- 18熔渣水泥漿體水膠比與抗壓強度關係圖（取代量40%） 95 圖4- 19熔渣水泥漿體水化程度與抗壓強度關係圖（W/B=0.29） 97 圖4- 20熔渣水泥漿體水化程度與抗壓強度關係圖（W/B=0.38） 97 圖4- 21熔渣水泥漿體水化程度與抗壓強度關係圖（W/B=0.45） 98 圖4- 22熔渣水泥漿體水化程度與抗壓強度關係圖（W/B=0.55） 98 圖4- 23熔渣水泥漿體膠體空間比與抗壓強度關係圖（W/B=0.29） 101 圖4- 24熔渣水泥漿體膠體空間比與抗壓強度關係圖（W/B=0.38） 101 圖4- 25熔渣水泥漿體膠體空間比與抗壓強度關係圖（W/B=0.45） 102 圖4- 26熔渣水泥漿體膠體空間比與抗壓強度關係圖（W/B=0.55） 102 圖4- 27純水泥漿體孔隙大小分佈圖（W/B=0.29） 115 圖4- 28熔渣水泥漿體漿體孔隙大小分佈圖（W/B=0.29、取代量10%） 115 圖4- 29熔渣水泥漿體漿體孔隙大小分佈圖（W/B=0.29、取代量20%） 116 圖4- 30熔渣水泥漿體漿體孔隙大小分佈圖（W/B=0.29、取代量40%） 116 圖4- 31純水泥漿體漿體孔隙大小分佈圖（W/B=0.38） 117 圖4- 32熔渣水泥漿體漿體孔隙大小分佈圖（W/B=0.38、取代量10%） 117 圖4- 33熔渣水泥漿體漿體孔隙大小分佈圖（W/B=0.38、取代量20%） 118 圖4- 34熔渣水泥漿體漿體孔隙大小分佈圖（W/B=0.38、取代量40%） 118 圖4- 35純水泥漿體漿體孔隙大小分佈圖（W/B=0.45） 119 圖4- 36熔渣水泥漿體漿體孔隙大小分佈圖（W/B=0.45、取代量10%） 119 圖4- 37熔渣水泥漿體漿體孔隙大小分佈圖（W/B=0.45、取代量20%） 120 圖4- 38熔渣水泥漿體漿體孔隙大小分佈圖（W/B=0.45、取代量40%） 120 圖4- 39純水泥漿體漿體孔隙大小分佈圖（W/B=0.55） 121 圖4- 40熔渣水泥漿體漿體孔隙大小分佈圖（W/B=0.55、取代量10%） 121 圖4- 41熔渣水泥漿體漿體孔隙大小分佈圖（W/B=0.55、取代量20%） 122 圖4- 42熔渣水泥漿體漿體孔隙大小分佈圖（W/B=0.55、取代量40%） 122 圖4- 43純水泥漿體孔隙體積分布圖 124 圖4- 44熔渣水泥漿體孔隙體積分布圖（取代量10%） 125 圖4- 45熔渣水泥漿體孔隙體積分布圖（取代量20%） 126 圖4- 46熔渣水泥漿體孔隙體積分布圖（取代量40%） 127 圖4- 47純水泥漿體之X光繞射分析圖譜（W/B=0.29） 132 圖4- 48熔渣水泥漿體之X光繞射分析圖譜（取代量10%、W/B=0.29） 132 圖4- 49熔渣水泥漿體之X光繞射分析圖譜（取代量20%、W/B=0.29） 133 圖4- 50熔渣水泥漿體之X光繞射分析圖譜（取代量40%、W/B=0.29） 133 圖4- 51純水泥漿體之X光繞射分析圖譜（W/B=0.38） 134 圖4- 52熔渣水泥漿體之X光繞射分析圖譜（取代量10%、W/B=0.38） 134 圖4- 53熔渣水泥漿體之X光繞射分析圖譜（取代量20%、W/B=0.38） 135 圖4- 54熔渣水泥漿體之X光繞射分析圖譜（取代量40%、W/B=0.38） 135 圖4- 55純水泥漿體之X光繞射分析圖譜（W/B=0.45） 136 圖4- 56熔渣水泥漿體之X光繞射分析圖譜（取代量10%、W/B=0.45） 136 圖4- 57熔渣水泥漿體之X光繞射分析圖譜（取代量20%、W/B=0.45） 137 圖4- 58熔渣水泥漿體之X光繞射分析圖譜（取代量40%、W/B=0.45） 137 圖4- 59純水泥漿體之X光繞射分析圖譜（W/B=0.55） 138 圖4- 60熔渣水泥漿體之X光繞射分析圖譜（取代量10%、W/B=0.55） 138 圖4- 61熔渣水泥漿體之X光繞射分析圖譜（取代量20%、W/B=0.55） 139 圖4- 62熔渣水泥漿體之X光繞射分析圖譜（取代量40%、W/B=0.55） 139 圖4- 63熔渣水泥漿體（水膠比0.29）CH含量變化 141 圖4- 64熔渣水泥漿體（水膠比0.38）CH含量變化 141 圖4- 65熔渣水泥漿體（水膠比0.45）CH含量變化 142 圖4- 66熔渣水泥漿體（水膠比0.55）CH含量變化 142 圖4- 67熔渣水泥漿體NMR分析光譜圖（取代量20%、W/B=0.38） 145 圖4- 68熔渣水泥漿體水化程度隨齡期之變化（取代量20%、W/B=0.38） 147 圖4- 69熔渣水泥漿體聚矽陰離子長度之變化（齡期28天、W/B=0.38） 149 圖4- 70 C3S與卜作嵐材料反應機裡示意圖 151 圖4- 71 C3A與卜作嵐材料反應機裡示意圖 152 圖4- 72熔渣水泥漿體SEM分析（1天）（倍率×3,000） 154 圖4- 73熔渣水泥漿體SEM分析（3天）（倍率×3,000） 154 圖4- 74熔渣水泥漿體SEM分析（7天）（倍率×3,000） 154 圖4- 75熔渣水泥漿體SEM分析（28天）（倍率×5,000） 154 圖4- 76熔渣水泥漿體SEM分析（60天）（倍率×3,000） 155 圖4- 77熔渣水泥漿體SEM分析（60天）（倍率×2,000） 155 圖4- 78熔渣水泥漿體SEM分析（60天）（倍率×3,000） 155 圖4- 79熔渣水泥漿體SEM分析（60天）（倍率×3,000） 155 圖4- 80熔渣水泥漿體SEM分析（90天）（倍率×1,500） 156 圖4- 81熔渣水泥漿體SEM分析（90天）（倍率×2,500） 156 圖4- 82熔渣水泥漿體SEM分析（90天）（倍率×1,700） 156 圖4- 83熔渣水泥漿體SEM分析（90天）（倍率×1,200） 156 圖4- 84熔渣表面受CH侵蝕圖 157 圖4- 85熔渣表面受CH侵蝕圖 157 圖4- 86熔渣表面受CH侵蝕圖 157 圖4- 87熔渣表面受CH侵蝕圖 157 圖4- 88熔渣表面之矽-鈣或矽-鋁薄層（倍率×3,000） 158 圖4- 89熔渣表面形成刺針狀之C-S-H（倍率×17,000） 158 圖4- 90熔渣受CH侵蝕 159 圖4- 91熔渣利用CH產生C-S-H 159 圖4- 92刺針狀之C-S-H漿體形成 160 圖4- 93 C-S-H漿體觸角相互連接 160 圖4- 94輻射狀之C-S-H膠體 160 圖4- 95網狀之C-S-H膠體群 160 圖4- 96調質鈣熔渣之水泥漿體抗壓強度發展圖 164 圖4- 97調質鋁熔渣之水泥漿體抗壓強度發展圖 167 圖4- 98高量添加鈣熔渣之水泥漿體孔隙大小分佈圖（取代量10%） 172 圖4- 99高量添加鈣熔渣之水泥漿體孔隙大小分佈圖（取代量20%） 172 圖4- 100高量添加鈣熔渣之水泥漿體孔隙大小分佈圖（取代量40%） 173 圖4- 101低量添加鈣熔渣之水泥漿體孔隙大小分佈圖（取代量10%） 173 圖4- 102低量添加鈣熔渣之水泥漿體孔隙大小分佈圖（取代量20%） 174 圖4- 103低量添加鈣熔渣之水泥漿體孔隙大小分佈圖（取代量40%） 174 圖4- 104高量添加鋁熔渣之水泥漿體孔隙大小分佈圖（取代量10%） 175 圖4- 105高量添加鋁熔渣之水泥漿體孔隙大小分佈圖（取代量20%） 176 圖4- 106高量添加鋁熔渣之水泥漿體孔隙大小分佈圖（取代量40%） 176 圖4- 107低量添加鋁熔渣之水泥漿體孔隙大小分佈圖（取代量10%） 177 圖4- 108低量添加鋁熔渣之水泥漿體孔隙大小分佈圖（取代量20%） 177 圖4- 109低量添加鋁熔渣之水泥漿體孔隙大小分佈圖（取代量40%） 178 圖4- 110高量添加鈣熔渣水泥漿體之水化程度發展圖 179 圖4- 111低量添加鈣熔渣水泥漿體之水化程度發展圖 180 圖4- 112高量添加鋁熔渣水泥漿體之水化程度發展圖 180 圖4- 113低量添加鋁熔渣水泥漿體之水化程度發展圖 181 圖4- 114高量添加鈣熔渣水泥漿體之X光繞射分析（取代量10%） 183 圖4- 115高量添加鈣熔渣水泥漿體之X光繞射分析（取代量20%） 183 圖4- 116高量添加鈣熔渣水泥漿體之X光繞射分析（取代量40%） 184 圖4- 117低量添加鈣熔渣水泥漿體之X光繞射分析（取代量10%） 184 圖4- 118低量添加鈣熔渣水泥漿體之X光繞射分析（取代量20%） 185 圖4- 119低量添加鈣熔渣水泥漿體之X光繞射分析（取代量40%） 185 圖4- 120高鈣添加熔渣水泥漿體CH含量變化圖 186 圖4- 121低鈣添加熔渣水泥漿體CH含量變化圖 187 圖4- 122高量添加鋁熔渣水泥漿體X光繞射分析圖（取代量10%） 188 圖4- 123高量添加鋁熔渣水泥漿體X光繞射分析圖（取代量20%） 188 圖4- 124高量添加鋁熔渣水泥漿體X光繞射分析圖（取代量40%） 189 圖4- 125低量添加鋁熔渣水泥漿體X光繞射分析圖（取代量10%） 189 圖4- 126低量添加鋁熔渣水泥漿體X光繞射分析圖（取代量20%） 190 圖4- 127低量添加鋁熔渣水泥漿體X光繞射分析圖（取代量40%） 190 圖4- 128高量添加鋁熔渣水泥漿體CH含量變化圖 191 圖4- 129低量添加鋁熔渣水泥漿體CH含量變化圖 191 圖4- 130調質熔渣水泥漿體水化程度與取代量之關係（28天） 195 圖4- 131調質熔渣水泥漿體聚矽陰離子長度與取代量之關係（28天） 196 圖4- 132調質熔渣水泥漿體卜作嵐反應程度與取代量之關係（28天） 197 圖4- 133高鈣添加熔渣水泥漿體SEM分析（取代量10%、28天） 199 圖4- 134高鈣添加熔渣水泥漿體SEM分析（取代量20%、28天） 199 圖4- 135低鈣添加熔渣水泥漿體SEM分析（取代量20%、28天） 199 圖4- 136高鈣添加熔渣水泥漿體SEM分析（取代量40%、28天） 199 圖4- 137低鋁添加熔渣水泥漿體SEM分析（取代量10%、28天） 200 圖4- 138低鋁添加熔渣水泥漿體SEM分析（取代量20%、28天） 200 圖4- 139低鋁添加熔渣水泥漿體SEM分析（取代量40%、28天） 200 圖4- 140高鋁添加熔渣水泥漿體SEM分析（取代量20%、28天） 200 圖4- 141高鋁添加熔渣水泥漿體SEM分析（取代量10%、28天） 201 圖4- 142高鋁添加熔渣水泥漿體SEM分析（取代量20%、28天） 201 圖4- 143高鋁添加熔渣水泥漿體SEM分析（取代量40%、28天） 201 圖4- 144低鋁添加熔渣水泥漿體 SEM分析（取代量10%、28天） 201 圖4- 145低鋁添加熔渣水泥漿體 SEM分析（取代量20%、28天） 204 圖4- 146低鋁添加熔渣水泥漿體 SEM分析（取代量40%、28天） 204 圖4- 147鋁添加熔渣水泥漿體 SEM分析（取代量40%、28天） 204 圖4- 148低鋁添加熔渣水泥漿體 SEM分析（取代量40%、28天） 204