李 杰，陳儀濤，董毅萌，葛雪祥，樊傳剛，龐孟蝶，萬俊杰，光 煒

(安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽馬鞍山 243032)

隨著我國城市軌道交通建設(shè)規(guī)模的日益增大，地鐵施工產(chǎn)生的盾構(gòu)渣土量不斷增多。常規(guī)盾構(gòu)渣土處理方式為堆填消納，易造成侵占土地、污染土壤和地下水等城市環(huán)境災(zāi)害性問題，同時還會加劇城市霧霾污染程度。開展盾構(gòu)渣土的資源化回收利用，將其作為二次資源，不但會大量減少自然資源的過度開發(fā)，還能保護城市生態(tài)環(huán)境。目前，盾構(gòu)渣土資源化應(yīng)用主要是通過改進盾構(gòu)工藝降低泥漿排放，并將盾構(gòu)泥漿篩分處理后用作同步注漿材料、高流態(tài)充填材料、燒結(jié)陶粒、燒結(jié)墻材、農(nóng)業(yè)用土壤等。這些嘗試仍然不能起到徹底消納盾構(gòu)渣土的作用，同時燒結(jié)類建材的加工還伴有二氧化碳排放。張卓等利用盾構(gòu)渣土制備的免燒免蒸陶?？奢^好地固化重金屬離子。若能將盾構(gòu)渣土用作混凝土(制品)的集料和人工填海造陸的工程材料，則有望徹底解決盾構(gòu)渣土對城市建設(shè)的負(fù)面影響。盾構(gòu)渣土顆粒尺寸較小，以通用水泥作為膠凝材料采用圓盤或擠出法等無(低)壓縮力的造粒方法制備免燒陶粒時，膠凝材料用量大且制備的免燒陶瓷力學(xué)強度不高。鑒于此，采用本課題組實驗室自制、可高效膠結(jié)細(xì)顆粒的土壤固化劑為膠凝材料，以寧波盾構(gòu)渣土為固化對象，通過對輥造粒機的連續(xù)高擠壓力作用(最大擠壓力達(dá)230～270 MPa)，制備不同土壤固化劑摻量的免燒陶粒，研究土壤固化劑摻量對免燒陶粒物理力學(xué)性能、微觀形貌、相組成的影響，以期提高免燒陶粒材料的力學(xué)性能。

1 實 驗

1.1 原料

盾構(gòu)渣土，取自寧波地鐵盾構(gòu)施工現(xiàn)場，主要成分為海相沉積淤泥，含水量70%。根據(jù)JTG 3430—2020《公路土工實驗規(guī)程》對盾構(gòu)渣土樣品進行液塑限及密度測試，結(jié)果如表1。淤泥固化膠凝材料為實驗室自制的土壤固化劑，由鋼渣、礦渣、粉煤灰、激發(fā)劑粉體復(fù)合而成，其主要化學(xué)組成如表2。土壤固化劑的比表面積為410 m/kg，水為自來水。

表1 盾構(gòu)渣土的基本物理性能Tab.1 Basic physical properties of shield muck

表2 實驗原料的主要化學(xué)組成Tab.2 Main chemical composition of experimental raw materials

1.2 免燒陶粒試樣的制備

將盾構(gòu)渣土放置烘箱于100 ℃烘至恒重后，放入球磨機球磨罐中球磨10 min，過篩孔0.125 mm 的標(biāo)準(zhǔn)篩，將膠凝材料與干渣土分別按質(zhì)量比(膠土比)為1∶4，1∶6，1∶8，1∶10混合，再將土壤固化劑、干渣土混合物和陶瓷球(Φ30 mm)按粉球質(zhì)量比5∶1放入球磨罐中混合30 min；按含水率12%添加自來水，將混合粉末拌成泥料后放入練泥機中練泥，再將混練后的泥料投入對輥擠壓造粒機中造粒，制得直徑8 mm的橢圓形陶粒坯體；將陶粒坯體放入恒溫恒濕的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱中養(yǎng)護至7，14，28 d齡期，獲得各齡期的免燒陶粒試樣。

1.3 試樣的性能表征

采用綜合熱分析儀(日本島津)分析盾構(gòu)渣土樣品的熱失重與差熱特征，測試溫度范圍為室溫至950 ℃，載氣為空氣，升溫速率為10 ℃/min；采用微機控制電子萬能試驗機(E44-304型，MTS(中國)有限公司產(chǎn))和筒壓強度測試模具檢測免燒陶粒試樣7，14，28 d齡期的筒壓強度；采用標(biāo)準(zhǔn)漏斗稱重法測定免燒陶粒試樣的堆積密度，采用量筒排水法測定免燒陶粒試樣的表觀密度；采用1 h浸水法測定干燥免燒陶粒試樣的吸水率，通過測量免燒陶粒試樣浸水前后筒壓強度變化得出試樣的軟化系數(shù)。以上測試均參照GB/T 1743.2—2010《輕集料及其試驗方法》。采用德國布魯克公司的D8ADVANCE型X射線衍射儀(X ray diffractometer,XRD)分析免燒陶粒試樣的物相組成，采用日本JEOL 公司的JSM-6490LV 型掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)觀察免燒陶粒試樣斷面的微形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 盾構(gòu)渣土的綜合熱分析曲線

圖1為盾構(gòu)渣土的綜合熱分析曲線。從圖1中的熱重(thermogravimetric，TG)分析曲線可看出：200 ℃之前盾構(gòu)渣土的質(zhì)量損失主要是自由水和揮發(fā)分的質(zhì)量損失；400～600 ℃階段有一個持續(xù)陡降，主要是水鈣沸石、蒙脫石等晶相失去結(jié)晶水導(dǎo)致的質(zhì)量損失；600 ℃以上盾構(gòu)渣土的熱失重幅度變緩，可看成其中的有機物熱解和碳氧化導(dǎo)致的質(zhì)量損失。從圖1 中的差熱分 析(differential thermal analysis，DTA) 曲 線 可 看出，渣土有失重但并未有新相產(chǎn)生的相變跡象，這是升溫速率過快所致。

圖1 盾構(gòu)渣土的TG-DTA曲線Fig.1 TG-DTA curves of shield muck

2.2 膠土比對免燒陶粒筒壓強度的影響

圖2 為膠土比對免燒陶粒試樣各養(yǎng)護齡期筒壓強度的影響。由圖2 可看出：試樣各齡期筒壓強度均隨膠土比的增大而增大，與膠土比1∶12 試樣相比，膠土比1∶4 試樣的28 d 筒壓強度提高了198%，說明土壤固化劑水化反應(yīng)生成的無定形凝膠可將被壓密的盾構(gòu)泥顆粒有效固結(jié)；膠土比一定時，試樣筒壓強度隨養(yǎng)護時間的延長而增大，當(dāng)膠土比從1∶12增大至1∶4時，試樣7 d的筒壓強度從0.75 MPa提升至1.73 MPa，28 d 的筒壓強度從2.98 MPa提升至5.91 MPa。

圖2 膠土比對免燒陶粒試樣各養(yǎng)護齡期筒壓強度的影響Fig.2 Influence of binder/muck ratio on cylinder compressive strength of non-fired haydite specimen at different curing ages

2.3 膠土比對免燒陶粒堆積密度、表觀密度的影響

陶粒的堆積密度是衡量其應(yīng)用性能的重要指標(biāo)之一，GB/T 1743.2—2010《輕集料及其試驗方法》中規(guī)定了各堆積密度與之對應(yīng)的筒壓強度范圍。圖3為膠土比對免燒陶粒試樣堆積密度的影響。從圖3 可看出，隨膠土比的增大(即膠凝材料摻入量的提高)，試樣堆積密度提高。這是由于生成的大量膠凝材料水化產(chǎn)物，尤其是鈣釩石在膠結(jié)細(xì)泥顆粒的同時，還填充至試樣中細(xì)泥顆粒堆積空隙，致使堆積密度提高、強度提升。膠土比1∶4 試樣的堆積密度高至1 083.2 kg/m，筒壓強度也達(dá)5.91 MPa。隨著膠土比的減小，試樣堆積密度降低，但膠土比為1∶10 和1∶12 免燒陶粒試樣的密度等級和筒壓強度均符合GB/T 1743.2—2010《輕集料及其試驗方法》的要求。圖4為膠土比對免燒陶粒試樣表觀密度的影響。

圖3 膠土比對免燒陶粒試樣堆積密度的影響Fig.3 Influence of binder/muck ratio on packing density of non-fired haydite specimen

圖4 膠土比對免燒陶粒試樣表觀密度的影響Fig.4 Influence of binder/muck ratio on the apparent density of non-fired haydite specimen

從圖4 可看出，免燒陶粒試樣的表觀密度隨膠土比的增大而增大，膠土比為1∶4 時，試樣的表觀密度為1 809.3 kg/m；膠土比為1∶12 時，試樣的表觀密度為1 723.4 kg/m，即水化反應(yīng)產(chǎn)物量越多，陶粒內(nèi)部的致密度越高。

2.4 膠土比對免燒陶粒吸水率和軟化系數(shù)的影響

吸水率和軟化系數(shù)可反映免燒陶粒的穩(wěn)定性和耐久性，吸水率越低，軟化系數(shù)越高，免燒陶粒的穩(wěn)定性和耐久性就越好。圖5 為膠土比對免燒陶粒試樣吸水率的影響。從圖5 可看出，試樣吸水率隨膠土比的增大而降低。這是由于隨膠凝材料用量的增加，生成水化產(chǎn)物的量也大大增加，有利于提高陶粒內(nèi)部的致密度，特別是生成的鈣釩石會占據(jù)免燒陶粒結(jié)構(gòu)中的毛細(xì)管通道，阻止水分進入，致使膠土比為1∶4試樣的的吸水率僅為8.37%。

圖5 膠土比對免燒陶粒試樣吸水率的影響Fig.5 Influence of binder/ muck ratio on the water absorption rate of non-fired haydite specimen

圖6 為膠土比對免燒陶粒試樣軟化系數(shù)的影響。從圖6 可看出：試樣軟化系數(shù)隨膠土比的增大而增大，這和膠土比增大導(dǎo)致試樣吸水率降低直接相關(guān)；膠土比1∶4 時，免燒陶粒試樣的吸水率最低，而軟化系數(shù)最高，達(dá)0.82；膠土比為1∶12 時，試樣的軟化系數(shù)僅0.51。這是因為水通過毛細(xì)管通道進入陶粒內(nèi)部時，毛細(xì)管作用導(dǎo)致陶粒內(nèi)部應(yīng)力破壞，吸水率低的試樣毛細(xì)管少，軟化系數(shù)增大。

圖6 膠土比對免燒陶粒試樣軟化系數(shù)的影響Fig.6 Influence of binder/muck ratio on the softening coefficient of non-fired haydite specimen

2.5 免燒陶粒試樣的相組成與微形貌

綜上分析知，膠土比為1∶4時，免燒陶粒試樣的性能最優(yōu)，故對其試樣進行性能表征。圖7 為不同齡期膠土比1∶4 的免燒陶粒試樣XRD 圖譜。從圖7可看出，免燒陶粒的主要成分為石英(QZ)、泡沸石(Wrk)、蒙脫石(Mnt)、頑輝石(EN)等晶相。盾構(gòu)渣土膠結(jié)過程生成的凝膠體為無定形結(jié)構(gòu)，故XRD圖譜中只有水化產(chǎn)物鈣釩石(AFt）晶相以及頑輝石、蒙脫石等斜方晶系硅酸鹽礦物。盾構(gòu)渣土中硅酸鹽礦物大部分是層狀礦物，遇水后會出現(xiàn)膨脹開裂和液塑化現(xiàn)象，喪失結(jié)構(gòu)強度，這也是免燒陶粒試樣軟化系數(shù)不高的主要原因(軟化系數(shù)最高為0.82)。

圖7 不同齡期膠土比1∶4免燒陶粒試樣的XRD圖譜Fig.7 XRD patterns of non-fired haydite specimen with binder/muck ratio of 1∶4 at different curing ages

圖8 為 膠 土 比1∶4 免 燒 陶 粒28 d 齡 期 試 樣的SEM 照片。從圖8 可知，膠土比1∶4 免燒陶粒試樣微觀結(jié)構(gòu)較致密。在免燒陶粒的制備過程中，將坯料用煉泥機練成密實泥料，再將泥料投入對輥擠壓造粒機中擠壓成型，得到的免燒陶粒坯體致密度較高；坯體中膠凝產(chǎn)物和盾構(gòu)泥顆粒緊密接觸，形成致密膠結(jié)體，且水化產(chǎn)物中的棒狀鈣釩石晶相填充于膠結(jié)體結(jié)構(gòu)的空隙中，故獲得微觀結(jié)構(gòu)致密的試樣。

圖8 28 d齡期膠土比1∶4免燒陶粒試樣的SEM照片F(xiàn)ig.8 SEM photos of non-fired haydite specimen with binder/muck ratio of 1∶4 at the age of 28 d

3 結(jié) 論

以土壤固化劑為膠凝材料，采用對輥壓成型的方法制備以寧波盾構(gòu)渣土為原料的免燒陶粒，對免燒陶粒試樣的力學(xué)性能進行表征，得到以下主要結(jié)論：

1)采用以火山灰反應(yīng)為膠凝機制的土壤固化劑時，制備的免燒陶粒試樣各齡期筒壓強度隨膠土比的增大而增大，即筒壓強度隨膠凝材料用量的增大而增加，與膠土比1∶12 試樣相比，膠土比1∶4 試樣28 d 筒壓強度提高了198%，28 d筒壓強度為5.91 MPa；

2)免燒陶粒試樣的吸水率隨膠土比的增大而降低，膠土比1∶4 試樣的吸水率僅為8.37%，這是由于隨膠凝材料用量的增加，生成水化產(chǎn)物的量也增加，導(dǎo)致陶粒內(nèi)部的致密度提高所致；

3)免燒陶粒試樣的軟化系數(shù)隨膠土比的增大而增大，膠土比1∶12 免燒陶粒的軟化系數(shù)僅為0.51，這和膠土比增大導(dǎo)致的陶粒試樣吸水率降低直接相關(guān)，膠土比1∶4陶粒試樣的軟化系數(shù)為0.82。