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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)
2
(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
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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
10
分子式:M n { - (SiO2)z - AlO 2}n٠ wH2O
無機聚合物 – 鍵結型態
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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
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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
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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
23
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
25
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)
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EcoCast™
歐洲及其他國家
–無機聚合物相關產品
29
inomat GmbH (德國)
30
Neoterre (法國)
31
Pyromeral Systems (法國)
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捷克
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Wall Facing Wall Tiles
捷克
34
Polishing PlatesFussed glass molds
Heating Panels
捷克
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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)
40
其他相關產品
41
GeopolymerGreen Cement (無機聚合綠色水泥-國內發展情形 )
42
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