隧道余泥渣土免烧砖制备工艺研究

2023-03-16杨艺益廖伟录

广东土木与建筑 2023年2期

杨艺益，廖伟录，石来，马旭，陈阳

（1、中国铁建投资集团有限公司北京 100085；2、珠海大横琴城市新中心发展有限公司珠海 519030；3、中铁第四勘察设计院集团有限公司武汉 430063；4、广东省建筑科学研究院集团股份有限公司广州 510500）

关键字：余泥渣土；免烧砖；预压；制备；工艺

0 引言

余泥渣土是隧道、地铁等建筑工程中产生的废弃物，据统计，每年中国大中城市开发建设项目中的渣土量已达到约1.2 亿t［1-2］。这些工程渣土大部分未得到无害化处理和资源化利用，基本通过露天堆放、焚烧和填埋的方式处理。这将对生态环境产生破坏，引起生态环保问题［3］。因此，对盾构余泥渣土进行资源化利用成为热门的研究课题。谢亦朋等人［4］报道了盾构隧道渣土在壁后注浆材料、植被复垦基质和免烧建筑材料等方面的再利用新技术；李烧彬等人［5］的研究表明通过加入石粉改性剂后进行煅烧来提高余泥渣土活性，活性指数达到97%，可用作矿物掺合料；童艳光等人［6］的实验结果表明掺加废弃混凝土粉联合水泥对疏浚淤泥进行固化效果最佳，固化样品无侧限强度最高；郭爱锋等人［7］以工程渣土为原材料，压制成免烧砖通过蒸压养护后强度满足《非烧结垃圾尾矿砖：JC/T 422—2007》要求。本研究为有效提高余泥渣土的综合利用率和附加值，以余泥渣土为主要原料，加入水泥固化剂［8-9］，通过一次压制成型制备余泥渣土免烧砖，为余泥渣土的资源化利用提供了一种途径。

1 原材料

1.1 余泥渣土

本试验所用余泥渣土为珠海市杧洲隧道盾构工程中所产生的余泥渣土。将余泥渣土全部烘干破碎后测试了渣土的粒径分布如图1所示。渣土烘干后经锤式破碎机破碎预处理后，得到的颗粒较细，由颗粒分布图可得不均匀系数为4，曲率系数为1，表明土粒总体级配良好，分布较连续。

图1 渣土的颗粒分析Fig.1 Particle Size Analysis of Residual Mud

通过热重分析（见图2）可知其烧失量在7.96%左右，渣土中有机物含量较少，结合XRD 分析（见图3），表明余泥渣土的主要矿物成分为原生矿物石英、高岭石。渣土的化学组成如表1所示。

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

图3 渣土的XRD图谱Fig.3 XRD of Residual Mud

表1 原材料化学组成Tab.1 Chemical Composition of Raw Materials

根据XRF对渣土进行化学组成分析，渣土的主要组成物质为硅铝氧化物，其组成与粉煤灰的化学组成相似，有相关学者将其作为一种火山灰质材料添加在砂浆和混凝土中［10］，减少水泥的用量和增加砂浆、混凝土的密实程度。依据《用于水泥和混凝土中的粉煤灰：GB/T 1596—2017》对渣土进行活性指数测定，其28 d结果如图4所示，其活性指数65%，活性较低。

图4 渣土28 d抗压强度与参照组的对比Fig.4 Comparison of 28 d Compressive Strength between Residual Mud and Reference Group

1.2 水泥

本试验所用水泥为广州某水泥有限公司生产的P.O 42.5R水泥，其化学组成如表1所示。

2 渣土的制备工艺

2.1 制备工艺

将余泥渣土进行人工分拣，将贝壳、较大石子等杂物挑选出来，在105 ℃的烘箱内烘干24 h后取出，自然冷却后经锤式破碎机破碎成粒径不大于5 mm 的渣土备用，称取一定量的固化剂及备用渣土，均匀混合干料后加入水，将湿混合料搅拌10 min 后放入自制模具中，最后用压力试验机在压力下一次压制成型，试块均为40 mm×40 mm×160 mm 的长方体，自然养护后测定其力学性能。渣土免烧砖生产工艺流程，如图5所示，免烧砖配比如表2所示。

图5 渣土免烧砖生产工艺流程Fig.5 Production Process of Unburned Brick by Residual Mud

表2 免烧砖配合比Tab.2 Mix-proportion of Unburned Brick

2.2 预压力对免烧砖强度的影响

如图6所示，在含水率为10%时，免烧渣土砖的7 d与28 d抗压强度随预压应力的增加而增加，且其增长幅度随预压应力的增大先增加后减少。免烧砖的抗压强度取决于预压应力与胶凝材料的掺量，对于试块早期，预压应力越大，渣土颗粒接触越紧密，利于固化剂的胶结，到了后期，固化剂进一步水化，固化剂分散不均匀，在试块内部产生局部收缩，导致内部产生微裂纹，并且因为固化剂在早期水化程度高后期强度增长较少。因此试块后期强度增长幅度小于早期强度。

图6 预压应力对渣土免烧砖抗压强度的影响Fig.6 Effect of Pre-compaction Stress on Compressive Strength of Unburned Brick by Residual Mud

3 免烧砖成本计算

本项目研究了预压应力制备余泥渣土免烧砖，可为生产提供压力的依据。实际中可选用某一种全自动免烧砖机来生产免烧砖制品。以240 mm×115 mm×53 mm 免烧砖为例，原材料中余泥渣土由珠海杧洲隧道工程项目提供，无需费用，水泥按20%配料，每块0.6 kg，按400 元/t 核算，每块0.24 元；全自动免烧砖机全套设备耗电320 kWh，每kWh电费1元，生产免烧砖7 920块/h，等于0.040元；水费每块加0.003元；工人工作8 h/d，需6 个人，每人150 元，合计900 元，除以7 920 块，等于每块需求人工费0.114 元；砖/石一体自动免烧砖机设备损耗、管理费300元/d，除以7 920块，等于每块费用0.038 元。把以上每项费用相加，每块免烧砖的成本约为0.435 元，成本低廉。在有效消解余泥渣土的同时，也实现了对其的高附加值资源化利用，变废为宝，积极响应了我国无废城市建设的战略。