隧道余泥渣土免燒磚制備工藝研究

楊藝益，廖偉錄，石 來(lái)，馬 旭，陳 陽(yáng)

（1、中國(guó)鐵建投資集團(tuán)有限公司 北京 100085；2、珠海大橫琴城市新中心發(fā)展有限公司 珠海 519030；3、中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢 430063；4、廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州 510500）

關(guān)鍵字：余泥渣土；免燒磚；預(yù)壓；制備；工藝

0 引言

余泥渣土是隧道、地鐵等建筑工程中產(chǎn)生的廢棄物，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年中國(guó)大中城市開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目中的渣土量已達(dá)到約1.2 億t［1-2］。這些工程渣土大部分未得到無(wú)害化處理和資源化利用，基本通過露天堆放、焚燒和填埋的方式處理。這將對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生破壞，引起生態(tài)環(huán)保問題［3］。因此，對(duì)盾構(gòu)余泥渣土進(jìn)行資源化利用成為熱門的研究課題。謝亦朋等人［4］報(bào)道了盾構(gòu)隧道渣土在壁后注漿材料、植被復(fù)墾基質(zhì)和免燒建筑材料等方面的再利用新技術(shù)；李燒彬等人［5］的研究表明通過加入石粉改性劑后進(jìn)行煅燒來(lái)提高余泥渣土活性，活性指數(shù)達(dá)到97%，可用作礦物摻合料；童艷光等人［6］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明摻加廢棄混凝土粉聯(lián)合水泥對(duì)疏浚淤泥進(jìn)行固化效果最佳，固化樣品無(wú)側(cè)限強(qiáng)度最高；郭愛鋒等人［7］以工程渣土為原材料，壓制成免燒磚通過蒸壓養(yǎng)護(hù)后強(qiáng)度滿足《非燒結(jié)垃圾尾礦磚：JC/T 422—2007》要求。本研究為有效提高余泥渣土的綜合利用率和附加值，以余泥渣土為主要原料，加入水泥固化劑［8-9］，通過一次壓制成型制備余泥渣土免燒磚，為余泥渣土的資源化利用提供了一種途徑。

1 原材料

1.1 余泥渣土

本試驗(yàn)所用余泥渣土為珠海市杧洲隧道盾構(gòu)工程中所產(chǎn)生的余泥渣土。將余泥渣土全部烘干破碎后測(cè)試了渣土的粒徑分布如圖1所示。渣土烘干后經(jīng)錘式破碎機(jī)破碎預(yù)處理后，得到的顆粒較細(xì)，由顆粒分布圖可得不均勻系數(shù)為4，曲率系數(shù)為1，表明土?？傮w級(jí)配良好，分布較連續(xù)。

圖1 渣土的顆粒分析Fig.1 Particle Size Analysis of Residual Mud

通過熱重分析（見圖2）可知其燒失量在7.96%左右，渣土中有機(jī)物含量較少，結(jié)合XRD 分析（見圖3），表明余泥渣土的主要礦物成分為原生礦物石英、高嶺石。渣土的化學(xué)組成如表1所示。

圖2 渣土的TG分析Fig.2 TG Analysis of Residual Mud

圖3 渣土的XRD圖譜Fig.3 XRD of Residual Mud

表1 原材料化學(xué)組成Tab.1 Chemical Composition of Raw Materials

根據(jù)XRF對(duì)渣土進(jìn)行化學(xué)組成分析，渣土的主要組成物質(zhì)為硅鋁氧化物，其組成與粉煤灰的化學(xué)組成相似，有相關(guān)學(xué)者將其作為一種火山灰質(zhì)材料添加在砂漿和混凝土中［10］，減少水泥的用量和增加砂漿、混凝土的密實(shí)程度。依據(jù)《用于水泥和混凝土中的粉煤灰：GB/T 1596—2017》對(duì)渣土進(jìn)行活性指數(shù)測(cè)定，其28 d結(jié)果如圖4所示，其活性指數(shù)65%，活性較低。

圖4 渣土28 d抗壓強(qiáng)度與參照組的對(duì)比Fig.4 Comparison of 28 d Compressive Strength between Residual Mud and Reference Group

1.2 水泥

本試驗(yàn)所用水泥為廣州某水泥有限公司生產(chǎn)的P.O 42.5R水泥，其化學(xué)組成如表1所示。

2 渣土的制備工藝

2.1 制備工藝

將余泥渣土進(jìn)行人工分揀，將貝殼、較大石子等雜物挑選出來(lái)，在105 ℃的烘箱內(nèi)烘干24 h后取出，自然冷卻后經(jīng)錘式破碎機(jī)破碎成粒徑不大于5 mm 的渣土備用，稱取一定量的固化劑及備用渣土，均勻混合干料后加入水，將濕混合料攪拌10 min 后放入自制模具中，最后用壓力試驗(yàn)機(jī)在壓力下一次壓制成型，試塊均為40 mm×40 mm×160 mm 的長(zhǎng)方體，自然養(yǎng)護(hù)后測(cè)定其力學(xué)性能。渣土免燒磚生產(chǎn)工藝流程，如圖5所示，免燒磚配比如表2所示。

圖5 渣土免燒磚生產(chǎn)工藝流程Fig.5 Production Process of Unburned Brick by Residual Mud

表2 免燒磚配合比Tab.2 Mix-proportion of Unburned Brick

2.2 預(yù)壓力對(duì)免燒磚強(qiáng)度的影響

如圖6所示，在含水率為10%時(shí)，免燒渣土磚的7 d與28 d抗壓強(qiáng)度隨預(yù)壓應(yīng)力的增加而增加，且其增長(zhǎng)幅度隨預(yù)壓應(yīng)力的增大先增加后減少。免燒磚的抗壓強(qiáng)度取決于預(yù)壓應(yīng)力與膠凝材料的摻量，對(duì)于試塊早期，預(yù)壓應(yīng)力越大，渣土顆粒接觸越緊密，利于固化劑的膠結(jié)，到了后期，固化劑進(jìn)一步水化，固化劑分散不均勻，在試塊內(nèi)部產(chǎn)生局部收縮，導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，并且因?yàn)楣袒瘎┰谠缙谒潭雀吆笃趶?qiáng)度增長(zhǎng)較少。因此試塊后期強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度小于早期強(qiáng)度。

圖6 預(yù)壓應(yīng)力對(duì)渣土免燒磚抗壓強(qiáng)度的影響Fig.6 Effect of Pre-compaction Stress on Compressive Strength of Unburned Brick by Residual Mud

3 免燒磚成本計(jì)算

本項(xiàng)目研究了預(yù)壓應(yīng)力制備余泥渣土免燒磚，可為生產(chǎn)提供壓力的依據(jù)。實(shí)際中可選用某一種全自動(dòng)免燒磚機(jī)來(lái)生產(chǎn)免燒磚制品。以240 mm×115 mm×53 mm 免燒磚為例，原材料中余泥渣土由珠海杧洲隧道工程項(xiàng)目提供，無(wú)需費(fèi)用，水泥按20%配料，每塊0.6 kg，按400 元/t 核算，每塊0.24 元；全自動(dòng)免燒磚機(jī)全套設(shè)備耗電320 kWh，每kWh電費(fèi)1元，生產(chǎn)免燒磚7 920塊/h，等于0.040元；水費(fèi)每塊加0.003元；工人工作8 h/d，需6 個(gè)人，每人150 元，合計(jì)900 元，除以7 920 塊，等于每塊需求人工費(fèi)0.114 元；磚/石一體自動(dòng)免燒磚機(jī)設(shè)備損耗、管理費(fèi)300元/d，除以7 920塊，等于每塊費(fèi)用0.038 元。把以上每項(xiàng)費(fèi)用相加，每塊免燒磚的成本約為0.435 元，成本低廉。在有效消解余泥渣土的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了對(duì)其的高附加值資源化利用，變廢為寶，積極響應(yīng)了我國(guó)無(wú)廢城市建設(shè)的戰(zhàn)略。

4 結(jié)論

⑴本研究采用的隧道盾構(gòu)產(chǎn)生的余泥渣土，活性指數(shù)為65%，通過加入固化劑，并施加一定的預(yù)壓應(yīng)力，可制備不同強(qiáng)度的固化免燒磚。

⑵通過本研究發(fā)現(xiàn)，預(yù)壓工藝可有效提高免燒磚的制備強(qiáng)度，預(yù)壓應(yīng)力從10 MPa提高到14 MPa時(shí)，免燒磚強(qiáng)度可提高51.5%。