地質聚合物基細粒盾構渣土免燒磚性能試驗研究

習智琴，侯亞康，李水生，陽 棟

（中國建筑第五工程局有限公司，長沙 410004）

0 引言

現階段，我國地鐵及其他基礎設施建設發(fā)展迅速 .以地鐵為例，截至 2019 年 6 月［1］，全國已有 33 個城市開通地鐵，總運營里程4598.3 km，到2021 年，已建成地鐵總里程8000 km.其中，盾構法以其安全、高效、地層適應性強等優(yōu)點被行業(yè)公認為較優(yōu)的區(qū)間隧道施工方法，這就必然產生巨量盾構渣土，而現有的處理方式一般是將渣土運輸至指定的渣土消納場露天堆放或者在項目回填區(qū)進行填埋.由于盾構渣土中含有大量2 mm 以下細顆粒，如粉粒、黏粒等，賦存了大量的水分，使得其含水率高、危害性大，露天堆放棄置極易產生滑坡等事故，存在極大的安全隱患，同時會占用大量土地資源且污染周邊水土環(huán)境.

在傳統(tǒng)地質聚合物方面，學者以粉煤灰、礦渣、鋼渣、鎳鐵渣等為原料制備了地質聚合物膠凝材料［2-5］.汪海風［6］以建筑垃圾、礦渣為原料，以硅酸鈉為堿激發(fā)劑制備地質聚合物材料；劉淑賢［7］以礦渣和尾礦為主要原料，氫氧化鈉為激發(fā)劑，工業(yè)液體硅酸鈉作結構模板劑，制備了無機礦物聚合物材料；廖希雯［8］采用地質聚合物固化穩(wěn)定化重金屬復合污染土壤；劉旭［9］采用偏高嶺土基和赤泥—低鈣粉煤灰基地質聚合物加固含硫軟土；田亮［10］采用礦渣堿激發(fā)膠凝材料的方法固化鹽漬土，結果表明其效果顯著.?；郀t礦渣和粉煤灰都是工業(yè)生產過程中產生的廢渣，每年產量大、來源豐富，且具有一定的顯性或隱性活性，是很好的輔助膠凝材料.因此，可采用粉煤灰或?；郀t礦渣，結合地質聚合物法固化盾構渣土.

本文針對盾構渣土危害性大、難處理的特點，將最難處理的2 mm 以下細粒盾構渣土結合粉煤灰和粒化高爐礦渣，采用澆筑成型的方法，制備地質聚合物基細粒盾構渣土免燒磚，達到以廢治廢的目的.同時，測試其自然養(yǎng)護28 d 后的抗壓強度、抗折強度，以及軟化系數和抗凍性能.

1 實驗

1.1 試驗原料

1.1.1 盾構渣土

盾構渣土取自長沙地鐵3 號線長烈區(qū)間左線的中風化礫巖渣土料，經測試其初始含水率為23%，如圖1（a）所示，將原狀渣土攤開晾曬并破碎，如圖1（b）、圖1（c）所示，至含水率在2%以內，然后過2 mm 篩備用；圖 1（d）為盾構渣土的 SEM 照片 . 2 mm 以下細粒盾構渣土粒徑分布曲線如圖2 所示，可以看出，75 μm 以下顆粒占比79%，不均勻系數為Cu＝10.845，曲率系數 Cc＝0.603（d10＝2.012 μm，d30＝5.144 μm，d60＝21.820 μm），級配曲線不連續(xù)，不利于壓制成型.其主要化學成分如表1 所示，主要氧化物成分為SiO2和Al2O3.

圖1 盾構渣土照片

圖2 粒徑分布曲線

表1 主要化學成分

1.1.2 粉煤灰和粒化高爐礦渣

粉煤灰（FA）和?；郀t礦渣（GGBS）的粒徑分布曲線如圖2 所示，可以看出，粉煤灰75 μm 以下的顆粒占比為70%；?；郀t礦渣目數為200，粒徑都在75 μm 以下.粉煤灰和?；郀t礦渣的主要化學成分如表1 所示，從氧化鈣含量可以看出，該粉煤灰的氧化鈣含量為8.36%，屬于低鈣粉煤灰；?；郀t礦渣的氧化鈣含量為46.31%，為?；郀t礦渣活性的主要來源.

1.1.3 堿性激發(fā)劑溶液

堿性激發(fā)劑溶液為水玻璃和氫氧化鈉溶液的混合液.水玻璃模數為3.26，N2O%含量8.74%，SiO2含量27.62%；氫氧化鈉溶液物質的量濃度為10 mol/L，由工業(yè)片狀級氫氧化鈉固體加水配制而成，均為市售.

1.2 試驗方案與過程

1.2.1 試驗方案

試驗方案如表2 所示，FA-UB 和GGBS-UB分別為粉煤灰基和?；郀t礦渣基地質聚合物細粒盾構渣土免燒磚.其中，粉煤灰或?；郀t礦渣與細粒盾構渣土的質量比為3∶7；Na2SiO3∶NaOH＝1.4；FA-UB 和 GGBS-UB 的液體與固體質量比分別為0.30 和0.32.

表2 試驗方案

1.2.2 試驗過程

通常，免燒磚都是采用半干壓法壓制［11-13］而成，具有較好的力學性能和耐久性能.本文針對細粒盾構渣土級配不良、顆粒分布不均勻以及壓制法能耗高等問題，采用澆筑成型法，相對于壓制成型法來說，工藝更簡便，其制備過程如下：（1）將2 mm 以下的細粒干渣土與粉煤灰或粒化高爐礦渣在攪拌機中干拌均勻，得混合干物料；（2）將水玻璃溶液和氫氧化鈉溶液混合均勻，得堿性激發(fā)劑溶液；（3）將所得堿性激發(fā)劑溶液分次逐步加入混合干物料中，邊加邊攪拌，直至加完，整個過程控制在10 min 以內，得混合均勻的料漿；（4）將所得均勻料漿采用澆筑的方法澆入標準尺寸為240 mm×115 mm×53 mm 的模具中，同時在振動臺上震搗密實，以排除其中的空氣；（5）最后，將澆筑好的試件覆膜自然養(yǎng)護1 d后脫模，再覆膜自然養(yǎng)護至28 d，得最終的細粒盾構渣土免燒磚.其制備工藝流程圖如圖3 所示.

圖3 免燒磚制備工藝流程圖

1.3 指標測試

按照上述試驗方案與過程制作免燒磚，自然養(yǎng)護至28 d 齡期后，根據GB/T2542-2012《砌墻磚試驗方法》［14］，進行抗壓強度試驗、抗折強度試驗、軟化試驗以及凍融試驗.采用YES-500B 型數顯式壓力試驗機測試其抗壓強度、抗折強度以及軟化試驗和凍融試驗后的強度，加載速度為2 KN/s.將用于軟化試驗的免燒磚浸入20 ℃的水中，水面高出20 mm，浸泡4 d 后取出，拭去表面的水分，測試其飽和面干狀態(tài)的抗壓強度.采用TDS-300 型凍融試驗機進行凍融循環(huán)試驗，以-20℃的溫度凍結4 h，然后在20 ℃的水中融解4 h，即每個凍融循環(huán)周期為8 h，以此循環(huán)將試樣以25 次進行凍融循環(huán)試驗，測量凍融試驗前后的強度和質量.

2 結果與討論

2.1 試驗結果

粉煤灰基地質聚合物細粒盾構渣土免燒磚（FA-UB）和?；郀t礦渣基地質聚合物細粒盾構渣土免燒磚（GGBS-UB）的外觀照片分別如圖4（a）和圖4（b）所示.將免燒磚置于105 ℃鼓風干燥箱中干燥至恒重，稱其質量，測量尺寸并計算體積，最后計算所得FA-UB 和GGBS-UB 的平均體積密度分別為1937.7 kg/m3和1996.8 kg/m3.

圖4 細粒盾構渣土免燒磚

FA-UB 和GGBS-UB 的抗壓強度、抗折強度、軟化試驗后強度以及凍融試驗后的強度結果如圖5所示.可以看出，FA-UB的平均抗壓強度為15.7 MPa；抗折強度為4.4 MPa；泡水4天后平均強度14.1 MPa，即軟化系數0.90；25 次凍融循環(huán)后的平均抗壓強度為13.3 MPa，強度損失為15.3%，質量損失為1.8%.GGBS-UB 的平均抗壓強度為41.8 MPa；抗折強度為4.9 MPa；泡水4 天后平均強度為39.8 MPa，即軟化系數0.95；25 次凍融循環(huán)后的平均抗壓強度為34.9 MPa，強度損失為16.5%，質量損失為0.8%.

圖5 細粒盾構渣土免燒磚指標測試結果

2.2 力學性能

圖6 （a）為FA-UB 的抗壓強度測試照片；圖6（b）為其破壞后照片，可以看出基本為整體劈裂破壞；圖6（c）為抗折強度測試破壞后的照片，試樣都是從中間對折開裂，表明試樣內部具有均質性.FA-UB 和 GGBS-UB 分 別 滿 足 JGT505-2016《建筑垃圾再生骨料實心磚》的MU15 和MU20 抗壓強度等級以及JC239-2001《粉煤灰磚》相應的抗折強度要求.免燒磚的抗壓強度來源于堿性激發(fā)粉煤灰或粒化高爐礦渣生成的膠凝物質和細粒盾構渣土中的砂粒構成的骨架結構.混合料漿中的物料中的鋁硅酸鹽玻璃相在堿性激發(fā)劑作用下發(fā)生溶解，部分Si-O-Si、Al-O-Al 鍵發(fā)生斷裂，形成分散的［SiO4］4-和［AlO4］5-絮凝狀產物，并向顆粒間隙擴散，發(fā)生縮聚反應，硅酸鈉溶液的復合使用加速了膠凝相的形成，生成水化硅酸鈣（C-S-H）和水化硅鋁酸鈣（C-A-S-H）凝膠，使免燒磚獲得很好的強度.同時，細粒盾構渣土中21%的0.075～2 mm 的砂粒構成了免燒磚的骨架結構強度.

圖6 免燒磚強度測試

GGBS-UB 的液固比較 FA-UB 大 0.2，但強度大幅增加，這主要是因為粉煤灰中二氧化硅和氧化鋁主要以石英、莫來石等結晶相為主，氧化鈣含量為8.36%，而?；郀t礦渣的氧化鈣含量為46.31%，粒化高爐礦渣的非晶部分比粉煤灰多，粉煤灰的活性較粒化高爐礦渣低，在常溫養(yǎng)護環(huán)境下其活性難以被激發(fā)從而凝結［15］，使得生成的膠凝物質少，導致FA-UB 的抗壓強度比GGBS-UB 的低.因此，可以通過減少?；郀t礦渣或液體激發(fā)劑用量，摻量部分粉煤灰或其他工業(yè)廢渣（鋼渣、鎳鐵渣等）來降低細粒盾構渣土免燒磚的制備成本.GGBS-UB 的抗折強度比 FA-UB 的大 0.5 MPa，這主要因為?；郀t礦渣顆粒粒徑整體比粉煤灰的小，且粒化高爐礦渣顆粒形狀不規(guī)則，與細粒渣土顆粒貼合得更為緊密.因此，GGBS-UB 的抗折強度相對較高.

2.3 耐久性能

FA-UB 和GGBS-UB 的軟化性能、抗凍性和質量損失都符合JGT505-2016《建筑垃圾再生骨料實心磚》的要求.FA-UB 和GGBS-UB 的軟化系數分別為0.90 和0.95，均大于0.85，屬耐水性材料.說明細粒盾構渣土、粉煤灰或?；郀t礦渣與液體堿性激發(fā)劑溶液混合攪拌較均勻，通過澆筑法成型以及在振動臺上震搗密實，避免了壓制成型法人為造成孔隙的情況，加上地質聚合物凝膠形成的致密結構，填充并密實了混合料漿內部的微孔隙，提高了免燒磚的耐水性能.圖7（a）和圖7（b）分別為FAUB 和GGBS-UB 凍融25 次循環(huán)后的外觀形貌圖.可以看出，經凍融循環(huán)損傷后免燒磚外觀形貌基本完整.同時，FA-UB 比GGBS-UB 的質量損失大，這是因為粉煤灰顆粒表面光滑、呈球狀，使得FAUB 的界面結合能力相比GGBS-UB 更弱，經同樣的凍融循環(huán)損傷后，表面剝落較多，造成質量損失偏大.而GGBS-UB 凍融后的強度損失比FA-UB大，這可能是由于GGBS-UB 的液體激發(fā)劑用量更多，混合料漿內部殘留的水分也因此增加，并且液體激發(fā)劑帶入了更多的微小氣泡，在凍融循環(huán)過程中受水結冰的凍脹損傷作用相對較大，導致其強度損失偏大.

圖7 免燒磚凍融后形貌圖

3 結論

（1）FA-UB 和 GGBS-UB 的抗壓強度分別為15.7 MPa、41.8 MPa；抗折強度分別為4.4 MPa、4.9 MPa；軟化系數分別為 0.90、0.95；25 次凍融循環(huán)后的強度損失分別為15.3%、16.5%，質量損失為1.8%、0.8%.

（2）在自然養(yǎng)護條件下，GGBS-UB 的抗壓強度較FA-UB 大幅提升，可以通過減少?；郀t礦渣或液體激發(fā)劑用量，摻量部分粉煤灰或其他工業(yè)廢渣（鋼渣、鎳鐵渣等）來降低免燒磚的制備成本.

（3）采用澆筑法制備細粒盾構渣土免燒磚是可行的，相對壓制成型法來說，具有工藝簡便、能耗低等優(yōu)點，且抗壓強度、抗折強度、軟化性能以及抗凍性滿足免燒磚標準相關要求.