爐渣問題面面觀

房性中  技師

前言

「爐渣」(Slag，部份文獻譯為爐石)為煉鋼作業中所產生之必然副產品，另外，基於煉鋼各階段不同的處理程序，基本上，爐渣尚可分為6大類型，各類型之性質亦南轅北轍。不明究理者，經常誤用而導致失敗案例層出不窮。民國100年2月中旬，電視頻道再次報導爐渣專輯，節目中僅訪問政府業管單位及民間環保團體之代表，獨缺產製機構、工程單位與專業工程師之意見，筆者覺得有失偏頗，部份陳述之內容亦牛頭不對馬嘴，甚至於有誤導之嫌，若不予以澄清，深恐後患無窮。

筆者得幸自民國80年起，即陸續參與各類爐渣之研究計畫、CNS規範起草暨審查會議以及多次爐渣材料圓桌論壇等歷練，得以掌握較為詳盡之實務經驗與文獻資料，深知不同的爐渣材料必須配合適當的土木工程標的物，輔以必要之措施，方能達到物盡其用、點石成金之績效。

本文擬針對上述之意旨，將煉鋼爐渣各主題分別列述於下列各章節，配合提出個人淺見及差異性說明，祈盼有助於釐清錯誤視聽並增加從業人員正確使用之機制。則甚幸之！

爐渣的種類

爐渣的產製，主要來自於一貫製程之煉鋼廠及碳鋼廠，前者產出者，有氣冷高爐渣、水淬高爐渣、脫硫渣及轉爐渣等4種；後者產出者，則有還原電弧爐渣暨氧化電弧爐渣等2種。

基於製程及處理作業的不同，各種爐渣之種類分別敘述如下：

爐渣的特性

  1.氣冷高爐渣

(1)外形及構造：呈灰色、為多角、多孔的塊狀。

(2)硬度：表面粗糙，硬度約為7。

(3)pH值：9.0~11.5。

(4)耐溫性：熔融溫度在1,400^。C以上，能承受高溫。

(5)壓縮性：滾壓時下陷量可達50%，往後則幾無沉陷量。

(6)耐久性：不含有機物，不受氣候變化影響，經久耐用。

(7)無污染性：TCLP（事業廢棄物毒性特性溶出程序試驗）檢驗均符合環保法規要求。

(8)壓實單位體積重量：約1.78t/m³。

(9)強度：鋪設於鋪面底層，完工時之CBR值可≧80%，一個月後之CBR值可≧120%。一年後之CBR值可穩定≧300%。

  2.水淬高爐渣

(1)單位重：1.0~1.2t/m³。

(2)含水量：7~12%(表面水份需在12%以下)。

(3)玻璃質率：95%以上。

(4)平均粒徑：1.0~1.3mm。

(5)比重：約2.90。

(6)pH值：9.0~11.5。

(7)化學成份：必須符合公式(1)之規定。

     　　 (CaO+MgO+Al₂O₃)/SiO₂ ≧1.4                   式(1)

(8)無污染性：TCLP檢驗均符合環保法規要求。

(9)強度：鋪設於鋪面底層，完工時之CBR值可≧80%，一個月後之CBR值可≧120%。一年後之CBR值可穩定≧300%。

  3.脫硫渣

(1)比重：約2.54。

(2) pH值：約12.4。

(3)吸水率：約13.5%~14.5%。

(4)磨損率：約40%。

(5)無污染性：TCLP檢驗均符合環保法規要求。

4.轉爐渣

(1)外形及構造：顆粒方正、扁平率低。

(2)透水性：高。

(3)磨損率：低。

(4)浸水膨脹率：依CNS 14602規定，必須≦1.5%。

(5)硬度：7以上。

(6)具微弱膠結性。

(7)pH值：11.5~12.4。

(8)壓實單位體積重量：約2.77t/m³。

(9)無污染性：TCLP檢驗均符合環保法規要求。

(10)強度：鋪設於鋪面底層，完工時之CBR值可≧170%，一個月後之CBR值可穩定≧360%。

  5.還原電弧爐渣

(1)外形及構造：呈灰白色粉末狀。

(2)耐溫性：熔融溫度在1,600^。C以上，能承受高溫。

(3)耐久性：不含有機物，不受氣候變化影響，經久耐用。

(4)無污染性：TCLP檢驗均符合環保法規要求。

  6.氧化電弧爐渣

(1)外形及構造：粗糙呈黑褐色，凹凸富有稜角且多孔洞，類似天然火成岩。

(2)硬度：約6~7。

(3)耐溫性：熔融溫度在1,600^。C以上，能承受高溫。

(4)耐久性：不含有機物，不受氣候變化影響，經久耐用。

(5)無污染性：TCLP檢驗均符合環保法規要求。

爐渣的利用

爐渣的利用，係一種廢棄物再利用，乃為珍貴資源得以重生的範例，其主要用途詳圖1所示。

文獻(1)以世界各國統計資料得知：其中高爐渣主要應用於道路工程，佔50%~70%，平均為45%。應用於水泥則佔20%~50%，平均為32%。利用率則以德國、法國、美國及日本皆為100%。

轉爐渣亦以道路工程為主，佔30%~90%，平均為44%。利用率則以法國及日本皆為100%。但法國卻為100%應用於肥料。日本則大多用來作填海造地之用。

文獻(2)以日本統計資料得知：轉爐渣及電弧爐渣亦皆100%應用於土木工程、道路工程及水泥等各類標的物。

文獻(1)與文獻(2)兩相印證，結果相當接近。

文獻(3)以國內統計脫硫渣之資料得知：

(1)將煉鋼脫硫渣內約25~30%之金屬鐵成分以磁選方式回收，作為煉鐵原料。

(2)藉由其高pH 值(約12.4)及具鈣鎂鋁矽酸鹽特性，可作為農業土壤改良劑及肥料，並增進土壤中磷鈣鎂鋅之有效性，消除鋁及錳的毒害。

(3)無重金屬溶出之虞，可作為土木工程土方回填之材料。

(4)部份脫硫渣取代石灰石用於燒製水泥熟料，可減少CO_2(g)之排放量。

另外，國內的產製單位，近年來亦將高爐渣100%的應用於道路工程及水泥產品；轉爐渣及電弧爐渣則朝向應用於港灣、護坡、養灘、景觀、開放式碎石路面表層(可穩定提供戰車履帶式車輛之行駛而不變形、亦不沉陷。)等工程項目，均甚具成效。

圖1 爐渣之利用狀況圖 

爐渣在水泥之應用

爐渣在水泥之應用，主要係以水淬高爐渣材料為主。其使用原則可詳參文獻(4)。

CNS相關之規範，如下所列：

1.CNS 3654。

2.CNS 11826。

3.CNS 12223。

4.CNS 12458。

5.CNS 12459。

6.CNS 12549。

至於使用上的注意事項或特性，如下列所述：

1.水泥與爐渣砂漿製品如不需顧及早期強度時，可用爐渣取代大部份的水泥。反之，則可使用細度較細的爐渣、採用高溫養護法或運用較低的水膠比之值以因應之。

2.決定水膠比之值時，需由水泥混凝土之耐久性及配比目標強度f’_cr值決定之，取用其最小者為準。一般水膠比範圍值為0.40 ~0.65。

3.高爐渣水泥較普通水泥具有較高的活化能，使用於巨積混凝土時，將可有效抑制溫度揚昇之效應。

4.高爐渣水泥的體積收縮比(量)較一般普遍水泥為小。

5.選用之水膠比偏高時，則易衍生嚴重的浮水現象。

6.使用高爐渣粉以外之附加劑，不允許損及硬固水泥混凝土之性質。

爐渣在水泥混凝土工程之應用

爐渣在水泥混凝土工程的運用方式，有充當水泥原料、粒料及取代部份水泥等3種方式。其使用原則可詳參文獻(4)及(5)。

CNS相關之規範，如下所列：

1.CNS 3654。

2.CNS 11824。

3.CNS 11825。

4.CNS 11826。

5.CNS 11890。

6.CNS 11891。

7.CNS 12458。

8.CNS 12459。

9.CNS 12549。

10.CNS 14793。

至於使用上的注意事項或特性，如下所述：

1.爐渣水泥混凝土之強度發展較一般水泥混凝土緩慢，故許多相對應之措施必須配套實施方能展現應有之成效。

2.昔日規範慣用水灰比之方式，現已改用水膠比為主。

3.應提早進行養護作業，以避免或降低產生塑性收縮裂縫之機率。同時，開始養護之時機亦須審慎評估、全程掌控養護溫度，且其期程亦較一般水泥混凝土為長。

4.拌和用水量較傳統水泥混凝土可減少2~5%左右。

5.施工時若氣溫在18^。C以下，為避免影響硬化時間，必須規定水泥之最低使用量。

6.用砂率較一般水泥混凝土敏感，其增減值可達﹝-5% ~ +3%﹞之多。 

爐渣在鋪面工程之應用

爐渣在鋪面工程的應用情形，最為久遠，亦最為斐然。其中，仍以美國及日本之規範最為完備，臺灣地區亦陸續完成CNS及設計等規範，茲列述如下：

1.美國

     美國使用爐渣，已將其視為碎石類材料的一種，但其延革頗鉅，茲列述如下：

(1)1974年時，AASHTO頒布下列規範：

A.AASHTO M62。

B.AASHTO M63。

C.AASHTO M75。

D.AASHTO M76。

E.AASHTO M77。

F.AASHTO M78。

G.AASHTO M79。

(2)1982年時，AASHTO將上列7項規範合併為AASHTO M283。

(3)現階段亦刪除AASHTO M283，改用：

A.ASTM D 692。

B.ASTM D1073。

C.ASTM D3515。

(4)設計規範則以使用下列3者居多：

A.AI MS-1，1991年版。

B.AASHTO Guide for Design of Pavement Structures，1993年版。

C.美國加州Highway Design Manual，1995年版。

   2.日本

       自1919年起，即將氣冷高爐石應用於鋪面基層級配料，目前則增加水淬高爐石與轉爐石亦皆可用於面層、底層、基層及路基等項目。並編有「高爐石基層設計與施工手冊」，且於1978年將此一手冊納入「瀝青路面設計手冊」中，JIS亦於1979年納入規範標準為「道路工程用爐石」，編號為JIS A5015。其中規定爐石CBR值須≧80%，台灣地區現況與之不謀而合。

3.臺灣地區

(1)CNS相關之規範：

A.CNS 11826。

B.CNS 11827。

C.CNS 11828。

D.CNS 12223。

E.CNS 14602。

(2)設計規範則以1991年元月完成之「中鋼爐石使用於路(道)面基底層應用手冊」為藍本，使用於基層時，其設計CBR值≧25%；使用於底層時，其設計CBR值≧60%(台灣地區現況均可≧80%)。同時，利用AI（美國瀝青學會）DAMA程式製作爐渣v.s.面層厚度查核圖，使用上極為便利、迅速。配合CNS規範，施工前之備料，轉爐渣之膨脹率應≦1.5%，電弧爐渣之膨脹率應≦0.6%。

綜合討論

1.民國80年起，陸續將氣冷高爐渣與水淬高爐渣應用於鋪面基、底層，成效優良且強度暨耐久性亦佳。民國90年起，基於其更佳之膠結性，故已朝向水泥製品之方向邁進。

2.依據國內爐渣產製機構長年以來針對轉爐渣所做的研究案資料顯示：

    (1)轉爐渣應用於港灣、護坡、養灘、景觀、開放式碎石路面表層等鋪設，均成效卓著。

    (2)將轉爐渣應用於道路基、底層時，即使施工前檢測其膨脹率均小於1.5％，但完工後兩年仍有3.0％以上之膨脹性，若再考量溫度效應，其膨脹率更高達3.2％~13.6％，此即工程師在設計時必須謹慎考量的因素之一。

    (3)針對轉爐渣使用於道路基、底層經年之後，仍有膨脹率3.0%以上之現況，已朝向採用三明治工法、薄層鋪設以及添加改良劑等方式，綜合分析、研擬可充分降低膨脹率之最佳策略，並不至於全面禁止使用。

3.依據CNS 14602條款，電弧爐渣使用前之膨脹率規定為0.6％以下，比轉爐渣的1.5%以下還要嚴格；顯示電弧爐渣膨脹率潛在之勢能(Potential Energy)極可能大於轉爐渣，在國內、外皆欠缺強而有力的佐證文獻資料之前提下，現階段鋪面基、底層似乎仍不宜逕行採用電弧爐渣作為鋪設之材料。

4.國外使用轉爐渣之狀況，亦以肥料(法國)、景觀、填海造地(日本)者居多(可達100%)，僅少數國家使用於道路工程，但未標示究竟為使用於緣石等附屬設施、開放式碎石路面表層或底層，故運用時仍應特別謹慎。

5.根據瞭解：針對爐渣之出料，產製單位係每批、每週或每月定期施行TCLP檢驗，研究機構則每月、每季或每半年進行TCLP檢驗。在筆者所能掌握之資訊中，皆100%符合環保法規要求。對於部份環保團體所提出之檢驗報告，一直訴求檢驗結果遠遠超過環保法規之事例，筆者在未親眼目睹檢驗報告之前，不妄下評論，但是，保持合理懷疑的態度，卻是任何一位資深素養工程師應有的職業道德與專業判斷才對，尤其不能人云亦云。

6.綜觀國內、外，有關於爐渣之設計手冊、施工規範及試驗準則，可謂汗牛充棟、備極完整；另以筆者參加CNS起草暨審查會議之經驗而言，任何一項CNS規範的通過，至少必須動用40~60人次的審議。職是之故，部份從業人員或環保團體不明確瞭解爐渣使用的種類必須配合工程標的物的規定，以至於盲目施用之後，再來責怪東、責怪西，試問：這樣子合理嗎？40~60人次的專業審議每每被無情的踐踏，這樣子符合正義嗎？

結論與建議

1.土木工程建設乃民生日常生活最重要之命脈，故不可驟然停止運作，唯礙於天然粒料經年累月地開採且大量使用之實況，使得可用之優良材料日形短絀，以至於如何開發及採用有限的廢棄物資源、並予以正確回收再利用，近20年來已成為土木工程界刻不容緩之使命及任務。政府環保單位亦陸續發佈資源回收再利用之法規暨相關函令，其重要性不言可喻。

2.綜觀高爐渣之運用，亦從早期充當道路基、底層材料(氣冷高爐渣)，轉而大部份運用於高經濟價值的水泥材料或附加劑使用(水淬高爐渣)，此皆拜嚴謹研究之賜，才能發現不同的製程與高爐渣將有迴異的性質。故如何落實研究計畫並妥為提出轉爐渣或電弧爐渣膨脹率的解決之道，應為爐渣使用機制的中、遠程目標與努力之道。

3.爐渣的利用，在1990年時，德、法、美、日各國均已達100%，至今未見環保團體嚴重的抗議或是阻撓，尤以日本所擬定之設計暨施工手冊等規範最為完備。(日本發行準則之後，一般須耗時3~5年的試用期，才會正式將準則納入規範頒布實施)。臺灣地區之產製單位與CNS所做之推展工作，亦皆不遺餘力，雖成績斐然，但仍冀同業更上一層樓，以祈早日達到歐美日各國之水準。至於國內環保團體質疑的行為與舉措，建議政府機構應準備充裕的資料，並委派專業人員與之妥為溝通暨協調，諒可化解環保團體負面之疑慮。以免美事一樁，最後變成豬八戒照鏡子：裡外不是人。這樣子的話，豈不是兩敗俱傷了嗎？相信這不是國人所樂見之結果吧！

參考文獻

1.段金龍（1990年4月）。介紹爐渣及其應用，臺灣公路工程月刊專輯：工程材料及土壤類。

2.經濟部工業局（2001年）。電弧爐爐渣利用推廣手冊。

3.郭文田、翁明偉（2009年11月）。利用脫硫渣與水淬爐渣產製無卜特蘭水泥控制性低強度材料，中正嶺學報第38卷第1期，。

4.行政院公共工程委員會（2001年4月）。公共工程高爐石混凝土使用手冊。

5.房性中（2003年1月）。高爐石水泥混凝土應用於鋪面工程之施工規範問題探討，現代營建第277期。