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無機聚合綠色水泥的發展與展望( Geopolymer – Green Cement )

國立台北科技大學資源工程研究所

鄭大偉教授

Geopolymer ( 無機聚合材料)

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(地聚物)

(土聚物)

何謂無機聚合材料?

� 無機聚合技術係利用鹼性配方液溶出礦物或廢棄物表面之矽、鋁離子，經聚合、脫水、硬化後形成Si-O-Al短程有序、長程無序之三維結構，屬非晶質(Amorphous)或半晶質(semi-crystalline)之物質，鍵結以共價鍵為主。

� 無機聚合技術製程簡單，不需經高溫處理，室溫下即可製備，且聚合過程中不會排放出二氧化碳，且具隔熱性、低熱傳導低及高早強度等優異之特性，應用層面廣泛，為一深具潛力之工程材料。

3

無機聚合材料具有優異的性能

4

無機聚合材料

快凝早強

高力學性能

耐久抗凍

耐化學腐蝕

防火耐火

節能減碳

抗滲透性

常溫製成

5

Geopolymer國際研討會

� 1st : 1988� 2nd : 1999� 3rd : 2002� 4th : 2005� 5th : 2009� After 6th : every year

6

SCI 期刊相關Geopolymer論文

� 1984-2017: 2809 papers(2016/10/18 From Scupos)� 2016: 449 papers (January to October)

� 2015: 456 papers

� 2014: 412 papers

� 2013: 368 papers

� 2012: 243 papers

� 2011: 173 papers

� 2010: 120 papers

7

SCI 期刊相關Geopolymer Cement論文

� 905 papers(2016/10/18 From Scupos)� 2016: 151 papers (January to October)

� 2015: 158 papers

� 2014: 131 papers

� 2013: 127 papers

� 2012: 89 papers

� 2011: 70 papers

無機聚合物 - 製備流程

8

無機聚合材料 –反應原理

9

矽鋁酸鹽原料 SiO2 gel & Al2O3 gelM+ (aq) OH-(aq)

H2O

H2O

H2O

H2O

H2O

Geopolymer

無機聚合物-基本架構

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分子式：M n { - (SiO2)z - AlO 2}n٠ wH2O

無機聚合物 – 鍵結型態

11

水泥與無機聚合材料之化學反應比較

12

無機聚合材料不同於鹼激發水泥

13

爐石粉鹼激發後結構的變化

14

爐石粉鹼激發與無機聚合水泥的29Si NMR分析

15

16

Si(Q2) Alkaline activation

slag

Si(Q3) +MK-750 and

alkaline silicate

Si(Q4) Geopolymerizationgeological analogs

鹼激發爐石粉添加變高嶺土後的結構變化分析

無機聚合材料 – 原料來源

� 變高嶺土

� 爐石粉

� 燃煤飛灰

� 富含矽或鋁之工業產物

� 天然土壤

� 各類廢棄物

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綠色水泥

無機聚合技術的應用

18

� 建築業

� 混凝土補強

� 電子產品隔熱

� 陶瓷

� 化學工業

� 隧道工程

� 裝潢材料

� 藝術及裝飾

� 廢棄物再生利用

無機聚合技術的應用

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� 廢棄物處理及再生利用� 固化/穩定化有害廢棄物� 吸附重金屬

� 處理放射性物質

� 資源化各類廢棄物

無機聚合材料相關產品

–國際發展情形

20

21

全球無機聚合材料的市場2014-2019 ($ billions)

Global Geopolymer Market 2015-2019

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2014-2019全球無機聚合材料的應用領域

(3.57%)(3.91%)(6.53%)

(85.99 %)

Global Geopolymer Market 2015-2019

澳洲 –無機聚合材料相關產品

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Earth Friendly Concrete (EFC)

2013 –全世界第一座無機聚合綠色水泥建築物(University of Queensland, Australia )

UQ’s Global Change Institute

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2014 -- Brisbane West WellcampAirport, Australia(使用30,000 m3無機聚合綠色混凝土建築停機坪)

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Australia澳洲 Earth Friendly Concrete (EFC)

Lone Star Industries (美國)

27

Milliken Infrastructure Solutions, LLC (美國)

28

EcoCast™

歐洲及其他國家

–無機聚合物相關產品

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inomat GmbH (德國)

30

Neoterre (法國)

31

Pyromeral Systems (法國)

32

捷克

33

Wall Facing Wall Tiles

捷克

34

Polishing PlatesFussed glass molds

Heating Panels

捷克

35

The repair of industrial concrete floor

IndiaMART (印度)

36

(印度)

37

Kiran Global Chems Limited(印度)

38

中國大陸(機場搶建及修補)

39

中國大陸(機場搶建及修補)

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其他相關產品

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GeopolymerGreen Cement (無機聚合綠色水泥-國內發展情形 )

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國內相關研究單位

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� 國立臺北科技大學

� 國立台灣科技大學

� 國立宜蘭大學

� 國立成功大學

� 國立中央大學

� 國立中興大學

� 國立高雄應用科技大學

� 私立明新科技大學

� 工研院

� 營建研究院

� 建築研究所

� 核能研究所

� 勞工安全衛生研究所

� 潤泰集團

� 其他？

國內相關無機聚合技術應用研究項目

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� 低二氧化碳排放綠色水泥、混凝土

� 梁柱結構補強、隧道補強、混凝土修補材料

� 防火材料、耐火材料、隔熱材料、隔音材料

� 吸附重金屬、固化/穩定化有害廢棄物� 廢棄物資源化

� 放射性離子交換樹脂之固化

� 低溫陶瓷材料

� 複合材料

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Green Cement –強度試驗鹼液 - SiO2/Na2O 莫爾比對抗壓及抗折強度之影響

0 7 14 21 28 350

10

20

30

40

50

60

Com

pres

sive

Str

engt

h (M

Pa)

Curing Time (Days)

S3F7 0.96 S3F7 1.28 S3F7 1.91

0 7 14 21 28 350

10

20

30

Fle

xura

l Str

engt

h (M

Pa)

Curing Time (Days)

S3F7 0.96 S3F7 1.28 S3F7 1.91

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無機聚合綠色水泥水化熱

S / L：1.8室溫試驗無添加填充物SiO2 / Na2O莫爾比 = 0.96

1.281.91

添加硼砂為緩凝劑

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0 14 28 42 56 70 84 98-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Shr

inka

ge (

%)

Curing Time (Days)

無機聚合綠色水泥收縮率

S / L：1.81天拆模濕式養護無添加填充物SiO2 / Na2O莫爾比 = 0.96, 1.28, 1.91

無機聚合綠色水泥修補材料

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M-模數

水泥基材抗彎修補結果 水泥基材抗壓修補結果

M-模數

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無機聚合材料的滲透性

49

爐石飛灰基無機聚合綠色水泥

高嶺土基無機聚合材料

養護環境及養護齡期對無機聚合綠色混凝土抗壓強度之影響

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有無添加鋁對於無機聚合材料的影響

51

無機聚合綠色水泥27Al MAS-NMR圖譜分析

無機聚合綠色水泥27Al MAS-NMR圖譜分析

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節能減碳效益評估

每取代一噸傳統水泥可節省 80% CO2排放

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相關規範

� CIA Z16-2011 Geopolymer Recommended Practice Handbook

� GJB 8231-2014 軍用機場無機聚合物混凝土道面施工及驗收規範

� GJB 8236-2014 工程搶建搶修無機聚合物膠凝材料技術要求

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未來展望

� 綠色水泥 -長齡期、耐風化、耐久性等性質測試。� 多元化應用性質發展 -地下涵管、阻水材料等。� 材料成本降低 -鹼液配比調整、固體原物料調整。� 綠色水泥相關應用規範訂定。

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5555

謝謝聆聽 敬請指教