淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層盾構(gòu)渣土免燒空心磚固化機理與質(zhì)量評價

王樹英， 占永杰， 楊秀竹， 付循偉， 令凡琳

(中南大學(xué)土木工程學(xué)院， 長沙 410075)

隨著城市圈不斷擴大，截至2020年12月城市軌道交通運營總里程突破7 545.5 km，如今盾構(gòu)法已成為城市軌道交通建設(shè)的主要施工方法[1]. 盾構(gòu)隧道施工產(chǎn)生了大量盾構(gòu)渣土，渣土外運成本高，而且容易造成污染，渣土堆放存在安全隱患[2]. 因此，通過回收再利用等方法高效、經(jīng)濟、環(huán)保地處理這些盾構(gòu)渣土[3-5]，可以避免渣土的脫水、運輸、堆填等過程對環(huán)境產(chǎn)生的不利影響，符合國家建設(shè)資源節(jié)約、環(huán)境友好型社會的要求，積極響應(yīng)國家“綠水青山”建設(shè)的號召[6].

國內(nèi)外學(xué)者針對渣土免燒磚再利用方面已經(jīng)開展了諸多相關(guān)研究. Oti等[7]以牛津黏土為主要原材料，使用石灰活化磨砂爐渣和硅酸鹽水泥作為固化劑制備免燒磚，測試了免燒磚的抗壓強度并觀察了微觀結(jié)構(gòu). El-Mahllawy等[8]針對蒙脫石黏土采用水泥和石灰進行固化處理，發(fā)現(xiàn)水泥對試件性能改善優(yōu)于石灰. Agus[9]利用石灰和稻殼灰固化農(nóng)業(yè)區(qū)有機質(zhì)黏土，結(jié)果表明石灰和稻殼灰1∶1為最佳添加量，可提高免燒磚的抗壓強度和抗彎強度. 吳紅等[10]以六盤水礦區(qū)煤矸石為主要原料制備免燒磚，研究了不同激發(fā)劑對免燒磚性能的影響，發(fā)現(xiàn)在CaO-Na2SO4的激發(fā)作用下免燒磚強度顯著提高，但其并未對免燒磚的相對含水率和軟化系數(shù)進行相關(guān)影響研究. 尤曉宇等[11]研究了成型壓力對電解錳渣免燒磚各項性能的影響，發(fā)現(xiàn)提高成型壓力對磚樣抗壓強度的作用效果顯著，電解錳渣免燒磚的成型壓力為20 MPa時各項性質(zhì)滿足國標(biāo)MU15要求. 姚清松等[12]設(shè)計并開展以基坑粉質(zhì)黏性渣土為主要原料、水泥為膠凝材料制備渣土免燒磚的配比試驗，在采用較優(yōu)材料配比時,制得的免燒磚軟化系數(shù)大于0.8，7 d及28 d抗壓強度均大于10 MPa.

綜上所述，目前廢土、廢渣免燒磚制備研究主要集中在礦渣、河海淤泥再利用，缺少針對盾構(gòu)渣土免燒空心磚的相關(guān)研究. 空心磚相比于實心磚造價更低，保溫、隔音性能好，但現(xiàn)有免燒磚相關(guān)研究主要集中在實心磚，針對免燒空心磚的相關(guān)試驗研究匱乏. 針對以上問題，本文以杭州地區(qū)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層盾構(gòu)渣土為主要原料，探究經(jīng)土壤固化劑和石灰處理后盾構(gòu)渣土含水率變化，并通過試驗測試其對免燒空心磚強度的影響，揭示成型壓力、石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)、水玻璃質(zhì)量分?jǐn)?shù)對免燒空心磚的抗壓強度、軟化系數(shù)與相對含水率的影響規(guī)律. 本研究旨在探究影響免燒空心磚質(zhì)量的各項因素，制備出抗壓強度高、耐水性能好的盾構(gòu)渣土免燒空心磚.

1 試驗

1.1 試驗材料

本次試驗的盾構(gòu)渣土取自杭州地鐵10號線某工區(qū)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層，為提高土壓平衡盾構(gòu)的地層適應(yīng)性，需要對土倉內(nèi)、開挖面前方注入改良劑方可滿足盾構(gòu)掘進需求. 杭州淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層比較均一，并非上軟下硬地層，盾構(gòu)掘進推力較小，結(jié)泥餅風(fēng)險較小，現(xiàn)場實際施工中往往僅需注水對盾構(gòu)渣土進行改良[13]，使其呈現(xiàn)較大的流動性(坍落度10～16 cm，黏稠指數(shù)小于0.6)，便可滿足盾構(gòu)土倉壓力穩(wěn)定和螺旋輸送機出渣需求. 經(jīng)過測試，將淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層盾構(gòu)渣土的基本特性匯總，如表1所示. 盾構(gòu)渣土級配曲線如圖1所示，不均勻系數(shù)Cu=13，顆粒分布不均勻，粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少，曲率系數(shù)Cc=1，盾構(gòu)渣土級配良好. 渣土的黏稠指數(shù)0.4，坍落度11～16 cm，呈現(xiàn)良好的塑流性狀態(tài).

表1 盾構(gòu)渣土基本特性

圖1 盾構(gòu)渣土級配曲線Fig.1 Grading curve of shield muck

另外，通過X射線衍射(X-ray diffraction, XRD)儀得到該盾構(gòu)渣土的XRD圖譜，如圖2所示. 對圖2的數(shù)據(jù)采用Jade軟件進行分析，盾構(gòu)渣土礦物成分匯總?cè)绫?所示，其中原生礦物占比為95.9%，次生礦物占比為4.1%. 各化學(xué)元素占比分別為：Fe 2.2%、Ca 1.6%、K 3.2%、Si 30.3%、Al 9.6%、Mg 1.5%、Na 1.6%、O 49.5%、C 0.5%. 盾構(gòu)渣土與其他級配材料和固化材料拌合時，在化學(xué)和機械作用下能產(chǎn)生良好的膠結(jié)性.

圖2 盾構(gòu)渣土XRD衍射圖譜Fig.2 XRD diffraction pattern of shield muck

表2 盾構(gòu)渣土礦物成分

免燒空心磚組成材料除盾構(gòu)渣土外，選用P.O42.5普通硅酸鹽水泥、模數(shù)為3.17的河砂和Ⅰ級粉煤灰. 免燒磚的配比研究已得到諸多試驗結(jié)果[12,14-16]，通過文獻調(diào)研以及前期工作確定盾構(gòu)渣土免燒空心磚的基本配比，如表3所示.

表3 免燒空心磚基本配比

1.2 試驗方案及測試方法

1.2.1 試件成型與模具設(shè)計

模具設(shè)計前考慮模具受壓是否會發(fā)生變形、是否能壓制出標(biāo)準(zhǔn)空心磚、如何做到中間開孔、空心磚是否方便脫模、模具主體使用焊接還是螺栓拼接、造價是否合理等問題. 本次模具材料采用45號鋼，由上至下分別為施壓塊、頂板、中部圍壓塊、底座成型塊，本次盾構(gòu)渣土資源化免燒空心磚制作采用尺寸為240 mm×115 mm×90 mm，中間設(shè)置2個直徑為60 mm的圓孔，模具如圖3所示.

圖3 免燒空心磚模具Fig.3 Unfired hollow brick mould

采用YES- 2000型數(shù)顯壓力試驗機對空心磚進行壓實，試驗機如圖4所示. 考慮到免燒空心磚在壓制過程中具有壓縮性，設(shè)計空心免燒磚壓縮率為50%，將中部圍壓板的高設(shè)計成180 mm，為了方便脫模，該模具設(shè)計成可拆卸模式，各部分采用螺栓連接. 成型的免燒空心磚如圖5所示.

圖4 YES- 2000型數(shù)顯壓力試驗機Fig.4 YES-2000 digital pressure testing machine

圖5 盾構(gòu)渣土免燒空心磚Fig.5 Unfired hollow brick with shield muck

1.2.2 盾構(gòu)渣土初始固化試驗方案

盾構(gòu)渣土含水率高導(dǎo)致黏土破碎機難以破碎，壓制出的免燒磚品色不佳，因此，為了降低渣土含水率，對渣土進行了固化研究. 選取固化材料的原則是來源廣、無污染且價格低，這里選擇的固化材料為普適性復(fù)合粉體土壤固化劑和CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為87%的石灰. 選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、3%、5%、7%、9%的土壤固化劑和石灰分別單獨摻入已知含水率的盾構(gòu)渣土中，每種工況進行2次平行測定，取其算術(shù)平均值，平行差值應(yīng)滿足規(guī)范要求. 待充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)后將土樣靜置1 h測試反應(yīng)后的盾構(gòu)渣土含水率. 將使用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石灰和土壤固化劑處理過的盾構(gòu)渣土作為主要材料制備免燒空心磚，觀察其對免燒空心磚強度的影響.

1.2.3 免燒空心磚質(zhì)量優(yōu)化試驗方案

對于免燒空心磚，單軸抗壓強度可反映磚體強度，軟化系數(shù)可反映磚樣的耐水性能，相對含水率為試件含水率與吸水率的比值，一定程度上反映磚體密實程度. 參考GB/T 4111—2013 《混凝土砌塊和磚試驗方法》[17]、GB/T 24492—2009 《非承重混凝土空心磚》[18]和JC/T 422—2007 《非燒結(jié)垃圾尾礦磚》[19]等相關(guān)規(guī)范，對免燒空心磚進行單軸抗壓強度、軟化系數(shù)、相對含水率測試.

通過后面固化試驗結(jié)果分析可知，雖然土壤固化劑可以較好地實現(xiàn)盾構(gòu)渣土免燒磚強度要求，但是土壤固化劑成本較高，而石灰成本低且添加合適比例的石灰也可產(chǎn)生較好固化效果. 水玻璃是無機膠黏劑的代表產(chǎn)品，石灰+水玻璃聯(lián)用的固化效果優(yōu)于其他方案，水玻璃對增強固化土的強度作用明顯[20-21]. 這里，探究免燒空心磚成型壓力、石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)和水玻璃質(zhì)量分?jǐn)?shù)對免燒空心磚各項性質(zhì)的影響規(guī)律，其中使用的水玻璃模數(shù)為2.5.

采用均勻試驗方法，可以有效減少試驗次數(shù)并具有良好的均勻性，顯然均勻試驗的數(shù)據(jù)有利于用于回歸分析和關(guān)聯(lián)度分析. 參考方開泰的《均勻設(shè)計與均勻設(shè)計表》[22]，試驗次數(shù)選用試驗實際水平數(shù)的3倍，故安排9組試驗，即3因素9水平均勻設(shè)計，對比均勻設(shè)計表U9*與U9，當(dāng)因素數(shù)都為3個時，U9的D值為0.310 2，而U9*的D值為0.198 0，有更好的均勻性，因此，選用U9*的2、3、4進行均勻設(shè)計，如表4所示，具體工況配比設(shè)計如表5所示.

表4 均勻設(shè)計 U9*(94)

表5 具體工況配比設(shè)計

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 盾構(gòu)渣土固化結(jié)果

分別將石灰和土壤固化劑按1%、3%、5%、7%、9%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)加入已知含水率為30%的盾構(gòu)渣土中，加入土壤固化劑后渣土表面不再黏稠，而加入石灰后渣土明顯干燥，經(jīng)攪拌渣土黏結(jié)成小圓球狀，盾構(gòu)渣土表觀變化如圖6所示.

圖6 表觀對比Fig.6 Apparent contrast

使用土壤固化劑后盾構(gòu)渣土含水率無明顯變化，石灰加入盾構(gòu)渣土中，隨著石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，渣土的含水率有顯著降低，結(jié)果如圖7所示.

圖7 盾構(gòu)渣土含水率測試結(jié)果Fig.7 Test results of moisture content of shield muck

分析認(rèn)為，土壤固化劑雖然可以與水發(fā)生化合反應(yīng)，消耗部分水分，但是土壤固化劑更重要的功能是使渣土在添加后迅速稠化失去流動性，晾曬時加速水分蒸發(fā). 添加后渣土膠體性質(zhì)即刻被破壞，毛細(xì)管迅速建立并增加、擴散，使污泥內(nèi)部水分向外擴散，揮發(fā)通道打開. 石灰加入渣土中與渣土中的水分反應(yīng)生成Ca(OH)2，Ca(OH)2又與盾構(gòu)/渣土中活性SiO2和Al2O3發(fā)生水化反應(yīng)生成硅酸鈣、鋁酸鈣化合物，進一步消耗水分.

將未添加固化材料的盾構(gòu)渣土按基本配比壓制成免燒空心磚進行抗壓強度試驗，再分別將使用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)添加劑的盾構(gòu)渣土制備成免燒空心磚，觀察其對免燒空心磚強度的影響. 結(jié)果顯示，隨著土壤固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，免燒空心磚強度逐漸提高，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時達到峰值；石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%時達到峰值，隨后免燒空心磚強度逐漸降低. 使用固化劑和石灰分別可提高原強度的27%和7%，如圖8所示.

圖8 不同固化材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)免燒空心磚強度Fig.8 Strength of unfired hollow brick with different curing material mass fraction

分析認(rèn)為，隨著一開始土壤固化劑摻量的增加，固化劑中大的有機分子交換到盾構(gòu)渣土中黏土分子表面后產(chǎn)生屏蔽作用，并通過水解和電離作用產(chǎn)生帶電基團，與土壤中的帶電粒子通過靜電引力連接，在盾構(gòu)渣土壓實后可以得到較高的抗壓強度. 隨著固化劑摻量的不斷增加，在攪拌程度有限情況下多余的固化劑無法充分與渣土接觸，達到飽和時免燒磚強度無法進一步升高. 石灰加入盾構(gòu)渣土中與其中水分發(fā)生反應(yīng)生成Ca(OH)2，它作為強電解質(zhì)水化解離出Ca2+與渣土礦物中的Na+、H+、K+發(fā)生置換反應(yīng)，土顆粒表面水膜厚度降低，從而提高土的微團粒結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性[23]，Ca(OH)2與黏土中活性硅鋁礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成水化硅酸鹽、水化鋁酸鹽及硅酸鈣凝膠，從而將土顆粒膠結(jié)在一起. 增加一定量的石灰對免燒空心磚強度有一定的提高，但是盾構(gòu)渣土中活性氧化物有限，水泥由于成本較高無法過量添加，導(dǎo)致加入過量的石灰并不能持續(xù)提高免燒空心磚強度，甚至強度會有所下降.

2.2 免燒空心磚質(zhì)量優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)均勻試驗方案,得出的試驗結(jié)果如表6所示，結(jié)果均滿足規(guī)范要求.

表6 試驗結(jié)果

2.2.1 回歸分析

將試驗結(jié)果導(dǎo)入SPSS中進行回歸分析，回歸模型采用多元二次非線性回歸分析模型

式中：xi、xj為試驗因素；b0、bi、bii、bij為回歸系數(shù). 其中i=1, 2，…,m；j=1, 2，…,m.

回歸分析中為了與因變量抗壓強度單位一致，將成型壓力換算成成型壓強計算，根據(jù)結(jié)果可得回歸關(guān)系如下.

1) 抗壓強度

式中：x1為成型壓力；x2為水玻璃質(zhì)量分?jǐn)?shù)；x3為石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù).

R2=0.845.

2) 軟化系數(shù)

R2=0.912.

3) 相對含水率

R2=0.945.

經(jīng)分析各擬合方程R2均達到0.8以上，擬合程度較高，說明試驗設(shè)計合理.

2.2.2 單因素分析

根據(jù)得到的回歸方程對影響免燒空心磚性能的各條件進行單因素分析，使其中某一因子在其取值范圍內(nèi)發(fā)生變化，研究免燒空心磚隨各單因素變化的質(zhì)量影響規(guī)律.

1) 抗壓強度

圖9給出在試驗參數(shù)范圍內(nèi)試樣的抗壓強度受成型壓力、水玻璃質(zhì)量分?jǐn)?shù)、石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律. 由圖9(a)(b)可見，抗壓強度隨成型壓力和水玻璃質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大近似呈線性增大；由圖9(c)可見，抗壓強度隨石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大呈開口向下的二次型降低.

圖9 抗壓強度與各因素關(guān)系Fig.9 Relationship between compressive strength and various factors

分析認(rèn)為，免燒空心磚各物料均呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，只有粉煤灰呈球體，在壓制前物料呈松散狀，無咬合力. 在成型壓力作用下各物料互相填補空隙，壓力越大，這種咬合作用越強，物料顆粒間的間距越小，壓制出的免燒空心磚強度愈高[11]. 水玻璃是無機膠黏劑的代表產(chǎn)品，它在活化劑條件下可以提高黏度，水解產(chǎn)生OH-、Na+，形成堿性條件，與黏土和其他添加劑中活性SiO2、Al2O3反應(yīng)，生成硅鋁酸鈉凝膠，土顆粒與凝膠產(chǎn)物共同形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，強度得以提高，并且生產(chǎn)出的免燒空心磚有一定的耐酸性. 石灰在盾構(gòu)渣土免燒空心磚中因其膠凝能力較弱，更多起到的是激發(fā)作用，它可以激發(fā)盾構(gòu)渣土活性物質(zhì)，與硅質(zhì)材料共同反應(yīng)生成硅酸鈣水化物而具備膠結(jié)性，當(dāng)石灰摻量過多，成型時會因為體積膨脹而產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致免燒空心磚強度降低[24].

2) 軟化系數(shù)

圖10給出在試驗參數(shù)范圍內(nèi)試樣的軟化系數(shù)受水玻璃質(zhì)量分?jǐn)?shù)、石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律. 由圖10(a)可見，試樣軟化系數(shù)隨水玻璃質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大呈線性降低；由圖10(b)可見，軟化系數(shù)隨石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大呈開口向下的二次型降低.

圖10 軟化系數(shù)與各因素關(guān)系Fig.10 Relationship between softening coefficient and various factors

分析認(rèn)為，軟化系數(shù)反映了免燒磚吸水前后力學(xué)強度的變化. 免燒空心磚相比于實心磚與水的接觸面積更大，水分通過物料顆粒間的毛細(xì)孔進入免燒空心磚內(nèi)部，在毛細(xì)壓作用下，水玻璃和石灰與盾構(gòu)渣土和水泥等生成的硅、鈣化合物，包括Ca(OH)2和部分離子，都會以水為載體隨通道流出，并且隨著水玻璃和石灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高顆粒間通道進一步擴張，加速磚體內(nèi)部通道貫通，浸水后強度降低，導(dǎo)致盾構(gòu)渣土免燒空心磚軟化系數(shù)有所降低.

3) 相對含水率

圖11給出在試驗參數(shù)范圍內(nèi)試樣的相對含水率受成型壓力、水玻璃質(zhì)量分?jǐn)?shù)和石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律. 由圖11(a)可見，試樣相對含水率隨成型壓力增大近似呈向上的二次型增加；由圖11(b)可見，相對含水率隨水玻璃質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大呈向上的二次型降低；由圖11(c)可見，試樣相對含水率受石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響較小，并且試樣相對含水率隨石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大近似呈向下的二次型降低.

圖11 相對含水率與各因素關(guān)系Fig.11 Relationship between relative water content and various factors

分析認(rèn)為，相對含水率為試件含水率與吸水率的比值，吸水率越小，制品越密實，強度也就越高，成型質(zhì)量越好. 在試件含水率不變的前提下吸水率與相對含水率成反比，成型壓力的增大導(dǎo)致物料顆粒間的毛細(xì)孔被壓縮，免燒空心磚更加致密，水分不易滲入免燒空心磚內(nèi)部，另外，良好的級配也可以有此效果[25]. 水玻璃和石灰會參與水泥的水化反應(yīng)，在水化反應(yīng)中幾種熟料礦物與水反應(yīng)生成膠凝物質(zhì)，物料中的水分進一步被消耗，過程中試件的含水率降低，導(dǎo)致相對含水率呈降低趨勢.

將上述試驗結(jié)果進行歸納，并總結(jié)出質(zhì)量評價指標(biāo). 當(dāng)成型壓力介于100～120 kN、水玻璃質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～15%、石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～10%時，免燒空心磚強度可達MU10級以上；當(dāng)成型壓力為120 kN、水玻璃質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～11%、石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～9%時，軟化系數(shù)可達0.8以上；當(dāng)成型壓力為110～120 kN、水玻璃質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～11%、石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～10%時，相對含水率可達30%～40%. 綜合單軸抗壓強度、軟化系數(shù)和相對含水率這3項重要指標(biāo)，提出成型壓力120 kN、水玻璃質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～11%和石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～9%時質(zhì)量最佳，制備而成的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層盾構(gòu)渣土免燒空心磚抗壓強度等級可達MU10級以上，軟化系數(shù)0.8以上，相對含水率30%～40%，在滿足規(guī)范要求前提下達到較優(yōu)品質(zhì).

3 結(jié)論

1) 考慮使用土壤固化劑和石灰降低盾構(gòu)渣土含水率，使用土壤固化劑降低含水率的初始效果不明顯，使用石灰可降低盾構(gòu)渣土含水率7%左右. 使用石灰或者固化劑改良過的盾構(gòu)渣土制得的免燒空心磚強度都有一定程度的提高，但過量的石灰對免燒空心磚強度不利. 使用固化劑的免燒磚單軸抗壓強度最大可提高27%，摻入石灰的免燒磚單軸抗壓強度最大可提高7%.

2) 單因素分析結(jié)果顯示，成型壓力作為物理作用對免燒空心磚性質(zhì)影響顯著，壓力越大，這種機械咬合作用越強，壓制出的免燒空心磚強度愈高，吸水率降低，整體相對含水率升高. 石灰與水玻璃參與水化反應(yīng)消耗水分，導(dǎo)致含水率降低，從而相對含水率降低. 水玻璃雖然能提高免燒空心磚的強度，但在一定范圍內(nèi)會降低其耐水性能. 石灰作為激發(fā)劑對免燒空心磚性能有利，但過量的石灰對強度和耐水性能均有消極影響.

3) 杭州地區(qū)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層盾構(gòu)掘進產(chǎn)生的渣土具備成為免燒空心磚基材的條件，利用設(shè)計出的一套方便裝料和脫模的模具壓制免燒空心磚，成型壓力為120 kN、水玻璃添加量10%～11%、石灰添加量5%～9%為質(zhì)量最佳工況，所制備而成的免燒空心磚強度等級可達MU10級以上，軟化系數(shù)0.8以上，相對含水率30%～40%，均滿足相關(guān)規(guī)范要求.