盾構(gòu)渣土資源化處理與多元化應(yīng)用

林 珊，夏星宇，阮艷妹，程從密，宋辰峰

（1、廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 廣州 510010；2、廣州大學(xué) 廣州 510006）

1 概述

盾構(gòu)法是一種全機(jī)械化的施工方法，該方法一邊讓盾構(gòu)機(jī)在地下穩(wěn)步推進(jìn)開挖土體，一邊通過盾構(gòu)機(jī)的外殼和管片支撐著周圍的巖體以防崩塌。為了開發(fā)城市的地下空間，盾構(gòu)法因其效率高、安全系數(shù)高、機(jī)械化程度高等特點(diǎn)被廣泛使用。但不可避免的是，在盾構(gòu)施工的過程中會(huì)產(chǎn)生大量盾構(gòu)渣土等建筑垃圾。

國(guó)家“十四五”建筑業(yè)發(fā)展規(guī)劃中明確提出，要推動(dòng)建筑廢棄物的高效處理與再利用。2019年1月21日，國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)布了《“無廢城市”建設(shè)試點(diǎn)工作方案》，全國(guó)各地正在加緊落實(shí)。結(jié)合廣州市建設(shè)“無廢城市”的工作需要，針對(duì)廣州市的盾構(gòu)渣土進(jìn)行資源化處理與多元化應(yīng)用顯得刻不容緩。

為滿足社會(huì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)需要，必須開展廣州市盾構(gòu)渣土的分類及理化性能研究，建立適用于廣州市復(fù)合地層的盾構(gòu)渣土分類準(zhǔn)則。同時(shí)要研發(fā)各種盾構(gòu)渣土的預(yù)處理工藝，完善盾構(gòu)渣土資源化處理的相關(guān)理論，結(jié)合廣州市的實(shí)際情況推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新，為廣州市盾構(gòu)渣土的資源化處理提供理論指導(dǎo)、技術(shù)支撐、實(shí)施路徑和案例參考。

當(dāng)然，最重要的是廣泛調(diào)研目前國(guó)內(nèi)外各主要地區(qū)盾構(gòu)渣土多元化應(yīng)用的主要產(chǎn)品及推廣情況，根據(jù)廣州市盾構(gòu)渣土的資源化分類及市場(chǎng)需要具體問題具體分析，提出貼合廣州市實(shí)際情況的盾構(gòu)渣土資源化產(chǎn)品創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)化建議，研究進(jìn)一步利用盾構(gòu)渣土制備人造板材、燒結(jié)磚、免燒磚、陶粒和陶瓷等新型盾構(gòu)渣土高值利用產(chǎn)品的方法策略。

2 盾構(gòu)渣土的理化性能與分類

盾構(gòu)渣土的理化性能，就是指其在物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)方面的有關(guān)指標(biāo)和參數(shù)?！吨榻侵匏Y源配置工程盾構(gòu)隧洞開挖渣土資源化利用關(guān)鍵技術(shù)研究年度總結(jié)報(bào)告》中指出，根據(jù)泥餅的化學(xué)成分及礦物成分分析，不同來源渣土的化學(xué)成分具有相似性，氧化硅的占比高達(dá)60%～85%，氧化鋁的占比在5%～18%，氧化鐵的占比在3%～5%。除此之外還有氧化鈦、氧化鈣、氧化鎂、氧化鉀、氧化鈉等成分。泥餅在經(jīng)過800 ℃高溫處理后，氧化鋁含量提高到27.12%。

目前，我國(guó)針對(duì)盾構(gòu)渣土并沒有明確的規(guī)范或行業(yè)上的分類。通常意義上，可根據(jù)渣土的來源，將盾構(gòu)渣土分為土壓盾構(gòu)渣土、泥水盾構(gòu)渣土、地下連續(xù)墻渣土和基坑渣土，城市地鐵工程大多使用土壓平衡盾構(gòu)施工。值得注意的是，就算是同一來源的渣土，也可能會(huì)因?yàn)樵貙拥耐馏w性質(zhì)、施工工藝以及擾動(dòng)程度等的差別，在工程性質(zhì)、處理工藝、綜合利用等方面有著顯著的差異，因此理應(yīng)對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)化分類［1］。

朱偉等人［1］參考了日本的《建設(shè)発生土利用技術(shù)マニュアFI》［2］，對(duì)盾構(gòu)渣土進(jìn)行了更為細(xì)化的分類，其中包括砂礫（粗顆粒的卵石、礫石、砂）、砂礫土（砂、砂土）、硬黏土（砂土、粉土、部分黏土）、黏土（黏性土，含水率40%～80%）、渣泥（黏土、粉土顆粒，含水率通常大于80%）以及泥漿（呈液體流動(dòng)狀）六類。只有對(duì)盾構(gòu)渣土進(jìn)行了細(xì)致、明確的分類，才能針對(duì)性地找到適合不同樣態(tài)盾構(gòu)渣土的利用途徑，更加有效地對(duì)其進(jìn)行無害化的工程處理和資源化的綜合利用，從而物盡其用、化廢為寶，建設(shè)美麗清潔的城市和資源節(jié)約型社會(huì)。

3 盾構(gòu)渣土的預(yù)處理技術(shù)

考慮到盾構(gòu)施工技術(shù)未來發(fā)展的前景，借鑒國(guó)內(nèi)外對(duì)于盾構(gòu)渣土的處理工藝，本文對(duì)盾構(gòu)渣土的預(yù)處理技術(shù)進(jìn)行了整理，包括渣土分選技術(shù)、土性改良技術(shù)、脫水技術(shù)和除鐵技術(shù)等。

3.1 渣土分選技術(shù)

通過簡(jiǎn)單篩分就能作為材料進(jìn)行直接利用的盾構(gòu)渣土，通常屬于砂礫、砂礫土、硬黏土、黏土這幾類渣土。

盾構(gòu)渣土是否需要經(jīng)過篩分，當(dāng)然要視渣土的級(jí)配情況而定。若渣土中可利用的組分較多，則進(jìn)行簡(jiǎn)單的篩分即可。若渣土中混有黏土、渣泥或是泥漿，則必須利用洗砂設(shè)備對(duì)其進(jìn)行清洗。若渣土中可直接利用的顆粒含量很少，則可以直接碾壓用作建筑材料和土材料［1］。

劉志峰［3］結(jié)合深圳地鐵10號(hào)線施工項(xiàng)目，研發(fā)出了一種新型的渣土篩分機(jī)器，該機(jī)器的主要特征是利用不同孔徑的過濾網(wǎng)對(duì)盾構(gòu)渣土進(jìn)行篩選分離，從而得到不同級(jí)配的粗細(xì)顆粒和泥漿。該機(jī)器效率高、成本低、簡(jiǎn)易安全且可靠。

化學(xué)絮凝法也具有較高的效率和收益，可以有效地減少泥漿處理的工作量。呂林海等人［4］通過實(shí)驗(yàn)研究了化學(xué)絮凝法中泥漿分離效果受何種因素影響，最終發(fā)現(xiàn)絮凝劑濃度對(duì)于分離效果的影響最大，泥漿的pH值次之，攪拌速度影響最小。

3.2 土性改良技術(shù)

對(duì)于含水率較高的盾構(gòu)渣土，若要投入資源化利用，土性改良是非常必要的。而土性改良技術(shù)一般有改良碾壓處理技術(shù)、碾壓型固化處理技術(shù)、澆筑型固化處理技術(shù)和輕質(zhì)型固化處理技術(shù)等。

改良碾壓處理技術(shù)主要針對(duì)黏土和渣泥，雖然其含水率較高，但依舊能夠進(jìn)行碾壓施工。如果土體性質(zhì)不能滿足工程需要，可以考慮將水泥、石灰或其他改性材料添加到渣土中再碾壓，以滿足實(shí)際工程的需求。而碾壓型固化處理技術(shù)主要針對(duì)渣泥這一類不能直接進(jìn)行碾壓而需要經(jīng)過固化處理的盾構(gòu)渣土。固化處理時(shí)在渣土中添加具有水硬性的材料，使得渣土中的自由水變成凝膠態(tài)，這有助于粘結(jié)土顆粒，改善渣泥的性質(zhì)。澆筑型固化處理技術(shù)主要針對(duì)渣泥，也適用于砂礫土、硬黏土、黏土這幾類盾構(gòu)渣土，該技術(shù)就是用渣土、水泥、水的混合物直接澆筑。澆筑型固化處理技術(shù)所需要用到的固化材料相較于碾壓型固化處理技術(shù)要更多，畢竟?jié)仓凸袒幚頃r(shí)渣土的含水率更高，強(qiáng)度也就更難保證［1］。

當(dāng)然，近年來也流行第四種土性改良技術(shù)，即輕質(zhì)型固化處理技術(shù)。此類技術(shù)往往在碾壓型固化處理中添加EPS 泡沫塑料顆粒［5］，或是在澆筑型固化處理技術(shù)的攪拌中添加特制氣泡使土中產(chǎn)生均勻孔隙［6-7］，從而得到輕質(zhì)高強(qiáng)的填土。

龔振宇等人［8］為了解決盾構(gòu)施工中刀盤結(jié)泥餅的問題，研究了分散型泡沫劑對(duì)于盾構(gòu)渣土的改良效果。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)分散型泡沫劑的濃度增加時(shí)，其發(fā)泡倍率也隨之增加，最佳發(fā)泡倍率出現(xiàn)在0.3 MPa 的發(fā)泡壓力下，分散型泡沫劑能有效解決盾構(gòu)渣土的餅化問題。黃逢源等人［9］也針對(duì)富水砂層的盾構(gòu)渣土進(jìn)行了改良實(shí)驗(yàn)，研究表明當(dāng)使用濃度3%的泡沫劑溶液和配合比為1∶8的膨潤(rùn)土泥漿時(shí)，土性改良效果較好。

3.3 脫水技術(shù)與除鐵技術(shù)

對(duì)于盾構(gòu)渣土，預(yù)處理技術(shù)還包括脫水技術(shù)和除鐵技術(shù)兩大方面。

脫水技術(shù)包含的范疇相當(dāng)廣泛，其中最基本也最簡(jiǎn)單的方法是天然晾曬。此外，還有土工管袋脫水技術(shù)、離心脫水技術(shù)和板框壓濾技術(shù)等更為復(fù)雜的脫水方法［1］。

除鐵技術(shù)在盾構(gòu)渣土余泥的預(yù)處理中也至關(guān)重要，物理方法如浮選法和磁選法等可以用于去除鐵礦物，而化學(xué)方法如氧化還原法、無機(jī)酸反應(yīng)法和有機(jī)酸反應(yīng)法等也是常用的除鐵手段。此外，微生物除鐵法近年來也正應(yīng)運(yùn)而生。在利用盾構(gòu)渣土余泥制備陶瓷的資源化利用中，除鐵技術(shù)的重要性則更為凸顯［10］。

4 盾構(gòu)渣土的綜合利用

2019年1月21日，國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)布了《“無廢城市”建設(shè)試點(diǎn)工作方案》［11］。習(xí)近平總書記在黨的十八屆五中全會(huì)上提出，我國(guó)要深入貫徹創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的新發(fā)展理念，“無廢城市”的建設(shè)正是以新發(fā)展理念為綱領(lǐng)，持續(xù)推進(jìn)固體廢物的資源化處理和多元化應(yīng)用，力求推動(dòng)城市的綠色發(fā)展。盾構(gòu)渣土的多元化應(yīng)用，除了填埋土地、填海造陸、山體修復(fù)等傳統(tǒng)的利用方式外，還可以在加工處理后用作混凝土、人造板材、燒結(jié)磚、免燒磚、陶粒、陶瓷等的制作［12-13］。

4.1 直接利用

盾構(gòu)渣土的體量巨大，難以徹底清除，最常見的資源化利用方向當(dāng)然是“來源于土，還原于土”，將盾構(gòu)渣土用作土材料是最為普遍的?；靥钔晾谩⒊涮钔晾?、堤防利用、路基利用和綠化種植土利用等是較為多見的盾構(gòu)渣土資源化利用途徑［1］。

趙濤等人［14］分析了盾構(gòu)渣土的特性，通過渣土改良試驗(yàn)，探索出了盾構(gòu)渣土的綠色應(yīng)用途徑。其中明確指出，由砂卵石地層而來的骨料適用于填充城市道路的路基，而由軟弱地層而來的骨料適用于基礎(chǔ)工程，用以增加樁端的面積和對(duì)軟土地基進(jìn)行加固處理。ZUBAIR 等人［15］經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，在盾構(gòu)施工中被浪費(fèi)掉的紅土礦適合用于道路地基施工，且摻入石灰進(jìn)行改性的紅土礦性能更好，比摻入水泥的沉積土更適合作為道路基礎(chǔ)。郭沁穎等人［16］的研究也表明，盾構(gòu)渣土經(jīng)過石灰、脫硫石膏等材料的改良后，其力學(xué)性能、水穩(wěn)性、耐久性均可得到較好的改善，可以用作路基填筑。

尹曾甫等人［17］的研究指出，工程渣土經(jīng)過泥砂分離工藝殘存下來的泥餅經(jīng)過搗碎、攪拌、養(yǎng)護(hù)等程序，可制作成園林綠化土。當(dāng)然，用作園林綠化土的盾構(gòu)渣土在pH 值、全鹽量、有機(jī)質(zhì)含量和水解性氮含量等方面要嚴(yán)格滿足環(huán)保要求。ZHANG 等人［18］的實(shí)驗(yàn)也表明泥水盾構(gòu)渣土以及含粉煤灰的泥水盾構(gòu)渣土十分適合作為黑麥草的土壤基質(zhì)。

4.2 骨料類

盾構(gòu)渣土在進(jìn)行預(yù)處理之后，會(huì)形成不同級(jí)配的骨料，這些骨料常常用于普通混凝土、自密實(shí)混凝土、透水混凝土、砂漿和人造板材等的制備，是良好的建筑資源。

魏成娟等人［19］研究了渣土摻量對(duì)C30 混凝土性能的影響。研究結(jié)果表明，隨著渣土摻量的增多，混凝土的初始坍落度和坍落度損失都會(huì)下降，混凝土的孔隙會(huì)增多。研究也發(fā)現(xiàn)，含有渣土的混凝土抗壓強(qiáng)度不如基準(zhǔn)組，只有當(dāng)渣土摻量是水泥的10%時(shí)，其28 天的抗壓強(qiáng)度才與基準(zhǔn)組基本接近。王海良等人［20］也在研究中進(jìn)一步得出了結(jié)論，加入渣土可以有效改善C30 混凝土的抗?jié)B性能，特別當(dāng)渣土摻量是水泥的15%時(shí)，其抗?jié)B性能達(dá)到最優(yōu)。但是劉春等人［21］研究渣土摻量對(duì)C50 混凝土性能的影響時(shí)，得出了與上述研究很不一樣的結(jié)論。含有渣土的C50 混凝土雖然早期強(qiáng)度不如基準(zhǔn)組，但28 d 的抗壓強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)組，尤其當(dāng)渣土摻量是水泥的7.5%時(shí)最高。同時(shí)，摻入的渣土越多，C50混凝土的孔隙越少。王海良等人［22］又研究了不同制備工藝下?lián)饺牍こ淘恋幕炷恋男阅?，發(fā)現(xiàn)摻入渣土的混凝土在渣土漿代替法下的強(qiáng)度要高于渣土直接代替法，且在粗細(xì)骨料全造殼工藝的制備下，混凝土28 d 的強(qiáng)度能達(dá)到41.8 MPa的最高強(qiáng)度。

盾構(gòu)渣土也可用于制作人造板材。肖家冬等人［23］采用含有干渣土的膨脹聚苯乙烯輕質(zhì)混凝土制作復(fù)合夾芯墻板，該墻板粘結(jié)性能較好，其抗壓強(qiáng)度和耐火極限等指標(biāo)均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

除此之外，將盾構(gòu)渣土用作盾構(gòu)施工的輔助材料，例如用作壁后注漿材料或是配制掘進(jìn)泥漿，也是較為常見的利用方式。這樣的資源化利用可以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)，以免盾構(gòu)渣土在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中帶來環(huán)境的污染［13］。

4.3 利用其潛在水硬性

盾構(gòu)渣土由于具有一定的潛在水硬性，往往可以用于免燒磚、免燒陶粒等的制備。免燒磚、免燒陶粒等產(chǎn)品實(shí)用性高、低碳環(huán)保，不像燒結(jié)類的產(chǎn)品需要消耗大量能源。

學(xué)校招待所模式雖然能夠較好地服務(wù)于學(xué)校的學(xué)術(shù)交流，但從風(fēng)險(xiǎn)防范和經(jīng)營(yíng)效益等方面來看，該模式存在較大的缺陷，主要表現(xiàn)在：

CHEN 等人［24］以盾構(gòu)渣土為基質(zhì)制備了免燒磚，當(dāng)石灰摻量為10%，水泥摻量為5%時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，該免燒磚的整體抗壓強(qiáng)度顯著提高。王樹英等人［25］通過實(shí)驗(yàn)探究了盾構(gòu)渣土免燒空心磚的抗壓強(qiáng)度和耐水性能，研究發(fā)現(xiàn)摻入固化劑或石灰的免燒磚，其單軸抗壓強(qiáng)度都得到了一定的提高，但如果石灰添加過量則會(huì)適得其反。除此之外，水玻璃也能提高免燒磚的強(qiáng)度，不過會(huì)造成其耐水性能在一定程度上降低。

李大山等人［26］以渣土為原料制作了高強(qiáng)度的免燒陶粒，并詳細(xì)研究了渣土的組分、養(yǎng)護(hù)的溫度和硬化劑的摻量對(duì)其性能的影響。研究得出結(jié)論，以砂土和黏土混合形成的渣土最有利于高強(qiáng)度陶粒的制備，硬化劑的摻量也對(duì)陶粒的筒壓強(qiáng)度影響頗大，而提高養(yǎng)護(hù)溫度則可以提高增強(qiáng)陶粒強(qiáng)度的速度。張卓等人［27］以盾構(gòu)渣土、水泥等為原材料，在室溫環(huán)境下成功制作出強(qiáng)度較好的免蒸免燒陶粒，并通過重金屬離子浸出實(shí)驗(yàn)，對(duì)比了該陶粒和純?cè)恋闹亟饘匐x子最大浸出量。研究發(fā)現(xiàn)陶粒中的重金屬離子最大浸出量是純?cè)恋囊话胱笥摇Ｓ纱丝梢?，該陶粒能有效固化重金屬離子，對(duì)于保護(hù)城市的水體質(zhì)量有著切實(shí)的好處。

但郭衛(wèi)社等人［28］指出，我國(guó)目前雖已掌握了利用盾構(gòu)渣土制作高強(qiáng)高密度陶粒的技術(shù)，但由于工藝水平的限制和經(jīng)濟(jì)成本的制約，該技術(shù)尚未達(dá)到規(guī)?；陌l(fā)展。

4.4 燒結(jié)類

盾構(gòu)渣土還可以用作制備燒結(jié)磚、陶粒、多孔陶瓷、仿古陶瓷等燒結(jié)類的產(chǎn)品。這樣的資源化利用既對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)起著積極的作用，同時(shí)也能化廢為寶、節(jié)約資源。

正因?yàn)槎軜?gòu)渣土中富含鋁硅酸鹽成分，所以利用其制作燒結(jié)磚就具有了較高的可行性。馬載紅等人［29］通過實(shí)驗(yàn)分析了廢棄土在制作燒結(jié)磚方面的優(yōu)勢(shì)，利用盾構(gòu)渣土制作燒結(jié)制品是切實(shí)可行的。盧紅霞等人［30］以建筑渣土、建筑廢玻璃和高爐渣為原料制備了高性能的燒結(jié)磚，其中建筑渣土的占比為80%時(shí)，作為燒結(jié)磚的主體骨架最為合適。

近年來，陶粒憑借其密度低、質(zhì)量輕、孔隙率高的特點(diǎn)和優(yōu)良的隔熱、保溫、耐火、抗凍、耐久、抗?jié)B性能，在全世界得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。而利用渣土制備不同密度等級(jí)和粒徑的陶粒也在近些年得到了廣泛的研究［31-32］。謝發(fā)之等人［33］以地鐵盾構(gòu)渣土、稻草秸稈和氧化鎂等為主要原料，利用燒結(jié)法制備了一種盾構(gòu)渣土基碳復(fù)合陶粒，并研究了其除磷性能。研究結(jié)果表明，最佳燒結(jié)溫度為700 ℃，且盾構(gòu)渣土、稻草秸稈粉末和氧化鎂的質(zhì)量比為7∶2∶1 時(shí)，制作出來的陶粒除磷性能最佳。

而原料中的鐵含量過高會(huì)嚴(yán)重影響陶瓷的白度和性能，陶瓷原料中鐵元素含量在0.5%左右最為合適。喬國(guó)龍等人［10］研究發(fā)現(xiàn)物理磁選除鐵技術(shù)和化學(xué)反應(yīng)除鐵技術(shù)均對(duì)降低盾構(gòu)渣土中的鐵元素含量，提升陶瓷的白度有一定積極作用。特別是使用草酸浸泡的化學(xué)反應(yīng)除鐵技術(shù)，可以使陶瓷的白度達(dá)到31.43%。較高鐵元素含量的盾構(gòu)渣土可以用于燒制仿古陶瓷，燒制出來的陶瓷為黑褐色。

5 結(jié)論

本文通過綜述相關(guān)領(lǐng)域高質(zhì)量文獻(xiàn)，將盾構(gòu)渣土的資源化處理方案與多元化應(yīng)用途徑總結(jié)如下：

⑴目前，我國(guó)針對(duì)盾構(gòu)渣土并沒有明確的規(guī)范或行業(yè)上的分類。本文參照國(guó)內(nèi)外劃分標(biāo)準(zhǔn)，將盾構(gòu)渣土分成了砂礫、砂礫土、硬黏土、黏土、渣泥和泥漿六類。

⑵利用化學(xué)絮凝法分離泥漿，絮凝劑濃度對(duì)于分離效果的影響最大，泥漿的pH 值次之，攪拌速度影響最小。

⑶利用分散型泡沫劑對(duì)盾構(gòu)渣土進(jìn)行改良，最佳發(fā)泡倍率出現(xiàn)在0.3 MPa 的發(fā)泡壓力下。當(dāng)使用濃度3%的泡沫劑溶液和配合比為1∶8 的膨潤(rùn)土泥漿時(shí)，土性改良效果較好。

⑷加入渣土可以有效改善C30 混凝土的抗?jié)B性能，當(dāng)渣土摻量是水泥的15%時(shí)，其抗?jié)B性能達(dá)到最優(yōu)。

⑸加入渣土可以有效提升C50 混凝土的抗壓強(qiáng)度，當(dāng)渣土摻量是水泥的7.5%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高。

⑹以盾構(gòu)渣土為基質(zhì)制備免燒磚，當(dāng)石灰摻量為10%，水泥摻量為5%時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，該免燒磚的整體抗壓強(qiáng)度顯著提高。

⑺盾構(gòu)渣土在制備燒結(jié)磚、陶粒、多孔陶瓷、仿古陶瓷等燒結(jié)類的產(chǎn)品中也有不俗表現(xiàn)。