盾构渣土砖制备技术及性能研究_卞立波.pdf

第 39 卷 第 1 期2023 年 2 月北 京 建 筑 大 学 学 报Journal of Beijing University of Civil Engineering and ArchitectureVol 39No 1Feb 2023文章编号:2096 9872(2023)01 0062 08盾构渣土砖制备技术及性能研究卞立波1，赵乙平1，张志2，何历超2，胡兴波3(1 北京建筑大学 土木与交通工程学院，北京100044;2 北京市首发高速公路建设管理有限责任公司，北京101117;3 北京市首发天人生态景观有限公司，北京102600)摘要:北京东六环路(京哈高速 潞苑北大街)改造工程预计出渣 300 万方(约 450 万 t)。为实现盾构渣土的资源化利用，采用多种测试手段对盾构渣土的性能进行分析和研究，并以盾构渣土为主要原材料，采用机制砂改善级配，以水泥、石灰为胶凝材料，通过振动压力成型制备盾构渣土免烧砖。对制备的砖进行性能研究，结果表明:优化配比后，采用盾构渣制备砖的性能基本能够满足MU20 要求。采用 60%机制砂对盾构渣土进行改性后制备砖的宏观力学和耐久性能得到明显改善，且采用改性后砂制备砖的微观性能明显优于单纯采用盾构渣制备砖的微观性能。明确了基于盾构渣土制备免烧砖的可行性和技术路线，为国内同类型盾构渣土的资源化利用提供参考。关键词:资源化利用;盾构渣土;免烧砖;抗压强度;耐久性能中图分类号:X705文献标志码:ADOI:10 19740/j 2096-9872 2023 01 08开放科学(资源服务)标识码(OSID):收稿日期:2022 10 30基金项目:北京市自然科学基金项目青年科学基金项目(8174063);北京市教委科研计划一般项目(KM201710016016)。第一作者简介:卞立波(1984)，男，副教授，博士，研究方向:多元复合新型胶凝材料技术、多孔质混凝土技术和特种及新型建材。Study on Preparation and Properties of Non-Fired Bricks by Shield MuckBIAN Libo1，ZHAO Yiping1，ZHANG Zhi2，HE Lichao2，HU Xingbo3(1 School of Civil and Transportation Engineering，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044;2 Beijing Shoufa Expressway Construction Management Co Ltd，Beijing 101117;3 Beijing Shoufa Tianren Ecological Landscape Co Ltd，Beijing 102600)Abstract:There will be 3 million cubic meter muck(about 4.5 million tons)produced in thereconstruction engineering of Beijing East Sixth ing oad(Beijing-Harbin Expressway Luyuan NorthStreet)In order to realize the resource utilization of shield muck，various test methods are used toanalyze and study the performance of shield muck Shield muck is used as the main raw material，cementand lime are used as inorganic binders，and ordinary machine-made sand is used as gradationreinforcement to prepare non-fired bricks by vibration pressure formingThe results show:theperformance of non-fired bricks prepared by shield muck can satisfy the requirements of MU20 afteroptimizing the ratio The macro mechanics performance and durability of the bricks prepared by modifyingshield muck with 60%machine-made sand is clearly improved，and the micro performances of bricks areobviously better than that of bricks made from shield muck alone The feasibility and technology ofpreparing non-fired bricks based on shield muck is clarified，which provides a reference for the resourceutilization of the same type of shield muck in ChinaKeywords:resource utilization;shield muck;non-fired brick;compressive strength;durability第 1 期卞立波，等:盾构渣土砖制备技术及性能研究地下工程的盾构施工过程中会产生大量的盾构渣土。盾构渣土体量巨大，含水率高达 30%，同时含有大量化学添加剂。此类盾构渣土露天堆放或填埋，占用大量的土地资源的同时，给生态环境带来了巨大的压力1。作为建筑固废的一种，盾构渣土多以砂石及黏土为主，经分选后可用作混凝土骨料、道路路基填料、烧结陶粒、压制成砖等2 4。王树英等5以杭州市淤泥质粉质盾构渣土为原材料，研究了成型压力、水玻璃与石灰掺量对免烧空心砖各项性能的影响，制备出 MU10 级以上的盾构渣土免烧空心砖。郭爱锋等6以工程渣土为原材料制备渣土免烧砖，当固定固化剂掺量为渣土 10%、固化剂水泥 生石灰 增强剂=75.2 18.8 6.0 时，渣土免烧砖 7 d 抗压强度可达到 15.09 MPa，各项性能满足MU15 要求。本文以北京市东六环路(京哈高速 潞苑北大街)入地改造工程盾构渣土为主要研究对象，通过对渣土的化学成分、矿物组成、物理性能进行测定，在明确盾构渣土性能的基础上，采用机制砂进行级配调整，以水泥、石灰为无机结合料，通过振动压力成型工艺制备免烧砖。对基于盾构渣土制备的免烧砖抗压强度、吸水率、软化系数、抗冻性能、抗碳化性能进行测试及评价。为北京市东六环路(京哈高速 潞苑北大街)改造工程中渣土的资源化利用提供参考。1原材料与试验方法1.1原材料1.1.1水泥采用 P O 42.5 水泥，具体性能指标见表 1。表 1水泥性能指标Tab 1Physical performance of cement凝结时间/min抗压强度/MPa抗折强度/MPa初凝终凝3 d28 d3 d28 d比表面积/(m2 kg1)标准稠度用水量/%16322425.452.25.29.739029.31.1.2石灰钙含量大于 90%。1.1.3机制砂机制砂性能指标见表 2。表 2机制砂性能指标Tab 2Physical performance of machine-made sand细度模数表观密度/(kg m3)堆积密度/(kg m3)空隙率/%3.82 7441 39249.31.1.4盾构渣土盾构渣土化学组成成分见表 3，物理性能指标见表 4。渣土级配曲线如图 1 所示。表 3盾构渣土化学组成Tab 3Chemical composition of shield muck 单位:%SiO2Al2O3Na2OK2OCaOFe2O3MgO烧失量69.3110.874.234.323.482.401.343.20表 4盾构渣土的物理性能指标Tab 4Physical performance of shield muck表观密度/(kg m3)堆积密度/(kg m3)空隙率/%细度模数含泥量/%pH2 6301 47044.01.217.57.6图 1盾构渣土级配曲线Fig 1Grading curve of shield muck由图 1 和表 4 可知，盾构渣土的细度模数为1.2，属于特细砂，由于盾构渣土粒形不好，空隙率达44.0%，同时含泥量高达 17.5%，远超国标要求。pH 为 7.6，呈弱碱性。1.2试验方法细骨料的性能参照 GB/T 146842011建设用砂 进行测试。水泥的性能测试参照 GB/T 176712021水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)及 GB/T 13462011水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法。36北 京 建 筑 大 学 学 报第 39 卷石灰性能测试参照 JC/T 478.22013建筑石灰试验方法。渣土砖性能测试参照 GB/T 41112013混凝土砌块和砖试验方法 进行。采用超景深光学显微镜(基恩士 VHX2000)观测砖的界面结构。采用扫描电镜(ZEISS Gemini300)观察砖的微观形貌。2级配优化盾构渣土颗粒细，粒形较差，直接用来制砖，需要较多的水泥浆体。因此，本文通过采用机制粗砂对盾构渣的级配进行调整。调整结果见表 5。级配调整曲线及空隙率变化分别如图 2、图 3 所示。图 2盾构渣级配调整曲线Fig 2Grading adjustment curve of shield muck由表 5 和图 2、图 3 可得，通过采用机制砂对盾构渣土进行级配改性，当盾构渣土和机制砂比例为4 6时，细骨料属于区，细度模数为 2.7，空隙率40.4%，含泥量为 7.0%，性能较好。图 3盾构渣级配调整后空隙率Fig 3Voids after grading adjustment of shield muck3配比及成型工艺盾构渣土砖配比见表 6。参照表 6 中配比，采用全自动成型砖机(总功率 38 kW，成型周期 20 25 s)，利用振动压力将混合均匀的坯料压制成 240 115 53 mm 的砖坯，之后进行洒水养护，成型工艺如图 4 图 7 所示。4结果与讨论4.1盾构渣土砖强度对成型的渣土砖进行强度检测，强度数据见表7。砖强度随水泥量及级配调整变化分别如图 8、图 9 所示。由表 7 和图 8 可得，随着水泥量的增加，渣土砖强度逐渐增高，在相同水固比的前提下，当水泥用量为 100 kg/m3时，渣土砖 28 d 强度为 11.3 MPa，随着水泥用量增加到 200 kg/m3时，渣土砖 28 d 强度达表 5盾构渣级配调整结果Tab 5Grading adjustment results of shield muck编号盾构渣/机制砂累计筛余百分比/%4.752.361.180.600.300.15细度模数空隙率/%含泥量/%10104.531.270.996.997.297.43.849.30.322 83.624.956.981.283.591.53.344.23.534 62.718.742.965.469.885.72.740.47.046 41.812.528.949.756.179.92.240.410.558 20.96.314.933.942.474.01.741.313.4610000.31.47.941.970.91.244.017.546第 1 期卞立波，等:盾构渣土砖制备技术及性能研究表 6盾构渣土砖配比Tab 6Proportion of shield muck brick单位:kg/m3编号骨料量盾构渣/机制砂水泥量石灰量水11 0001001002011221 0001001402011631 0001001602011841 0001001802012051 0001002002012261 0008 21802012071 0006 41802012081 0004 61802012091 0002 818020120图 4物料运输Fig 4Material transportation图 5物料搅拌Fig 5Material mixing图 6振动挤压Fig 6Vibratory extrusion图 7砖坯成型Fig 7Brick forming图 8砖强度随水泥量变化趋势Fig 8Trend of strength of brick with cement content表 7盾构渣土砖强度Tab 7Strength of shield muck brick编号骨料/(kg m3)盾构渣/机制砂水泥量/(kg m3)石灰/(kg m3)水/(kg m3)14 d 强度/MPa28 d 强度/MPa11 000100100201128.711.321 0001001402011612.814.531 0001001602011816.218.441 0001001802012019.921.351 0001002002012221.224.361 0008 21802012019.622.871 0006 41802012018.422.281 0004 61802012019.023.391 0002 81802012014.419.256北 京 建 筑 大 学 学 报第 39 卷图 9砖强度随级配调整变化趋势Fig 9Trend of strength of brick with gradingadjustment到最高，为 24.3 MPa。由图 9 可得，当水泥用量为 180 kg/m3时，随着机制砂的引入，渣土砖 28 d 强度呈现了一个先增大后降低的趋势，当盾构渣与机制砂比例 4 6时，强度最高，达到 23.3 MPa，对应的此比例砂的空隙率最低，为 40.4%。空隙率最低的情况下，同样的浆体用量则意味着砖强度的提高。4.2盾构渣土砖耐久性对成型的渣土砖进行耐久性试验，结果见表 8。由表 8 直观看来，1 5 号配比全部采用盾构渣土所做砖的耐久性能与 6 9 号配比采用优化砂所制备砖的耐久性能有较大差距。选取了 4 号配比和6 9 号配比，如图 10 图 12 所示。由图 10 图 11 可看出，在相同的胶凝材料用量条件下，4 号配比采用 100%盾构渣土所制砖经过 25 次冻融后，其质量损失率为 1.9%，强度损失率为 28.2%，明显低于标准中对于同强度等级砖对耐久性的要求。冻融后质量损失率较大和冻后强度降低幅度较大。结合原材性能分析，是因为原砂中含泥量过高，随着冻融次数的增加，粉质黏土吸水变得酥松和膨胀8 9，从而影响了盾构渣砖的冻融性能。8 号配比为采用盾构渣和机制砂的比例4 6制备而成的砖，所用骨料的空隙率相对较小，制备出来的砖性能表现相对优越，其 25 次慢速冻融后质量损失率为 0.8%，抗压强度为 20.3 MPa，均高于标准要求和全部采用盾构渣作为骨料制备砖的性能。究其原因，采用机制砂对盾构渣进行改性后，一方面，原材料空隙率低，含泥量低带来砖的薄弱点相对较少，另一方面表现为机制砂的骨架效应，机制砂本身较粗，颗粒粒径较大，制备砖后的骨架效应更加明显。由图 12 可看出，在相同的胶凝材料用量条件下，100%采用盾构渣土所制砖的软化系数为 0.80，低于采用机制砂复合盾构渣所做砖的软化系数。当盾构渣/机制砂的比例从 100%降到 20%时，其软化系数从 0.80 上升到了 0.91，其软化系数的提高表现为机制砂用量的增加，随着机制砂用量的增加，盾构渣所用比例降低，盾构渣用量降低的同时，骨料含泥量有所降低，含泥量的降低带来的软化系数的提高，砖的耐水性得以改善和提升。同时，在相同的胶凝材料用量条件下，100%采表 8盾构渣土砖耐久性Tab 8Durability of shield muck brick编号28 d 强度/MPa吸水率/%软化系数碳化后抗压强度/MPa25 次冻后质量损失率/%25 次冻后抗压强度/MPaMU20 指标7 20.018.00.8016.02.016.0111.311.20.7610.38.57.8214.58.60.8011.57.89.2318.47.40.8216.24.314.5421.35.80.8019.61.915.3524.35.00.8822.31.816.0622.84.00.8920.61.217.3722.23.70.9021.21.119.2823.33.60.9222.10.820.3919.23.80.9119.01.318.066第 1 期卞立波，等:盾构渣土砖制备技术及性能研究图 10砖冻后质量损失率随级配调整变化趋势Fig 10Trend of quality loss rate of brick afterfreezing with grading adjustment图 11砖冻后强度损失率随级配调整变化趋势Fig 11Trend of strength loss rate of brick afterfreezing with grading adjustment图 12砖软化系数和吸水率随级配变化趋势Fig 12Trend of softening coefficient and waterabsorption of brick with grading adjustment用盾构渣土所制砖的吸水率为 5.8%，高于采用机制砂复合盾构渣所做砖的吸水率。同软化系数的规律性基本一致，其主要原因是机制砂的加入使得含泥量得以降低，带来吸水率的降低。在耐久性的表现上则是随着机制砂用量的增加，在达到最优级配盾构渣和机制砂比例 4 6条件下，25 次冻融后的质量损失率为 0.8%，强度损失率为 12.9%，软化系数 0.92，吸水率 3.6%。4.3盾构渣土砖微观性能4.3.1界面显微结构对 4 号配比渣土砖和 8 号配比砖进行切割后，采用超景深显微镜(基恩士 VHX2000)观察渣土砖的界面显微结构，如图 13 图 14 所示。图 13机制砂改性后砖界面结构Fig 13Interface structure of brick modified bymachine-made sand图 14盾构渣砖界面结构Fig 14Interface structure of brick prepared byshield muck对比图 13 和图 14 可清晰观察到采用盾构渣与机制砂比例 4 6制备的砖内部相对密实，界面的块状物相对较少，盾构渣土与机制砂连接紧密，整体孔隙较小，界面较为密实。而全部采用盾构渣制备的砖内部孔隙较大，存在着块状黏土类物质，密实度较低，内部的空洞较多，泥块特征较为明显。4.3.2微观形貌从 4 号配比和 8 号配比压碎的砖内部，选取机制砂与水泥浆体结合度较好的块体和盾构渣与水泥结合度较好的块体，采用扫描电镜(ZEISS Gemini300)观察内部微观形貌，如图 15 图 16 所示。76北 京 建 筑 大 学 学 报第 39 卷图 15采用机制砂改性后砖 SEM 图Fig 15SEM of brick modified by machine-made sand图 16采用盾构渣制备砖 SEM 图Fig 16SEM of brick prepared by shield muck由图 15 和图 16 可以看出，砖内部由许多蜂窝状、网状 CSH 凝胶以及针状的钙矾石构成10。它们相互穿插搭接，填充在渣土砖的内部。通过对比可以看出采用机制砂改性后砖的水化生成物相对密实，界面结构相对紧凑，水化物明显。而全部采用盾构渣制备的砖可以看出其水化生成物相对比较模糊，有较多的层状物遮挡，而此类层状物为层状的黏土类物质。解释了全部采用盾构渣制备砖的耐久性能较改性砂制备砖的耐久较差的原因11。5结论1)北京市东六环路(京哈高速 潞苑北大街)改造工程盾构渣土细度模数为 1.2，属于特细砂，含泥量高达 17.5%，远超国标要求。采用 60%的细度模数为 3.8 的机制砂可实现盾构渣土改性，改性后细度模数2.7，空隙率40.4%，含泥量7.0%，可用于制备砖。2)以地铁盾构渣土为主要原材料，在盾构渣用量 1 000 kg/m3、水泥 200 kg/m3、石灰 20 kg/m3、水122 kg/m3配比条件下制备的砖性能指标达到了JC/T 4222007非烧结垃圾尾矿砖 MU20 要求。3)采用 60%机制粗砂对盾构渣改性后的骨料制砖，在机制砂 600 kg/m3、盾构渣 400 kg/m3、水泥180 kg/m3、石灰 20 kg/m3、水 120 kg/m3配比条件下，砖的宏观性能能够显著改善，完全满足 MU20 要求，其微观结构和界面结合性能明显优于全部采用盾构渣制砖的微观性能。参考文献:1 杜贵新 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