盾构渣土砖制备技术及性能研究_卞立波.pdf

第 39 卷 第 1 期2023 年 2 月北 京 建 筑 大 学 学 报Journal of Beijing University of Civil Engineering and ArchitectureVol 39No 1Feb 2023文章编号:2096 9872(2023)01 0062 08盾构渣土砖制备技术及性能研究卞立波1，赵乙平1，张志2，何历超2，胡兴波3(1 北京建筑大学 土木与交通工程学院，北京100044;2 北京市首发高速公路建设管理有限责任公司，北京101117;3 北京市首发天人生态景观有限公司，北京102600)摘要:北京东六环路(京哈高速 潞苑北大街)改造工程预计出渣 300 万方(约 450 万 t)。为实现盾构渣土的资源化利用，采用多种测试手段对盾构渣土的性能进行分析和研究，并以盾构渣土为主要原材料，采用机制砂改善级配，以水泥、石灰为胶凝材料，通过振动压力成型制备盾构渣土免烧砖。对制备的砖进行性能研究，结果表明:优化配比后，采用盾构渣制备砖的性能基本能够满足MU20 要求。采用 60%机制砂对盾构渣土进行改性后制备砖的宏观力学和耐久性能得到明显改善，且采用改性后砂制备砖的微观性能明显优于单纯采用盾构渣制备砖的微观性能。明确了基于盾构渣土制备免烧砖的可行性和技术路线，为国内同类型盾构渣土的资源化利用提供参考。关键词:资源化利用;盾构渣土;免烧砖;抗压强度;耐久性能中图分类号:X705文献标志码:ADOI:10 19740/j 2096-9872 2023 01 08开放科学(资源服务)标识码(OSID):收稿日期:2022 10 30基金项目:北京市自然科学基金项目青年科学基金项目(8174063);北京市教委科研计划一般项目(KM201710016016)。第一作者简介:卞立波(1984)，男，副教授，博士，研究方向:多元复合新型胶凝材料技术、多孔质混凝土技术和特种及新型建材。Study on Preparation and Properties of Non-Fired Bricks by Shield MuckBIAN Libo1，ZHAO Yiping1，ZHANG Zhi2，HE Lichao2，HU Xingbo3(1 School of Civil and Transportation Engineering，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044;2 Beijing Shoufa Expressway Construction Management Co Ltd，Beijing 101117;3 Beijing Shoufa Tianren Ecological Landscape Co Ltd，Beijing 102600)Abstract:There will be 3 million cubic meter muck(about 4.5 million tons)produced in thereconstruction engineering of Beijing East Sixth ing oad(Beijing-Harbin Expressway Luyuan NorthStreet)In order to realize the resource utilization of shield muck，various test methods are used toanalyze and study the performance of shield muck Shield muck is used as the main raw material，cementand lime are used as inorganic binders，and ordinary machine-made sand is used as gradationreinforcement to prepare non-fired bricks by vibration pressure formingThe results show:theperformance of non-fired bricks prepared by shield muck can satisfy the requirements of MU20 afteroptimizing the ratio The macro mechanics performance and durability of the bricks prepared by modifyingshield muck with 60%machine-made sand is clearly improved，and the micro performances of bricks areobviously better than that of bricks made from shield muck alone The feasibility and technology ofpreparing non-fired bricks based on shield muck is clarified，which provides a reference for the resourceutilization of the same type of shield muck in ChinaKeywords:resource utilization;shield muck;non-fired brick;compressive strength;durability第 1 期卞立波，等:盾构渣土砖制备技术及性能研究地下工程的盾构施工过程中会产生大量的盾构渣土。盾构渣土体量巨大，含水率高达 30%，同时含有大量化学添加剂。此类盾构渣土露天堆放或填埋，占用大量的土地资源的同时，给生态环境带来了巨大的压力1。作为建筑固废的一种，盾构渣土多以砂石及黏土为主，经分选后可用作混凝土骨料、道路路基填料、烧结陶粒、压制成砖等2 4。王树英等5以杭州市淤泥质粉质盾构渣土为原材料，研究了成型压力、水玻璃与石灰掺量对免烧空心砖各项性能的影响，制备出 MU10 级以上的盾构渣土免烧空心砖。郭爱锋等6以工程渣土为原材料制备渣土免烧砖，当固定固化剂掺量为渣土 10%、固化剂水泥 生石灰 增强剂=75.2 18.8 6.0 时，渣土免烧砖 7 d 抗压强度可达到 15.09 MPa，各项性能满足MU15 要求。本文以北京市东六环路(京哈高速 潞苑北大街)入地改造工程盾构渣土为主要研究对象，通过对渣土的化学成分、矿物组成、物理性能进行测定，在明确盾构渣土性能的基础上，采用机制砂进行级配调整，以水泥、石灰为无机结合料，通过振动压力成型工艺制备免烧砖。对基于盾构渣土制备的免烧砖抗压强度、吸水率、软化系数、抗冻性能、抗碳化性能进行测试及评价。为北京市东六环路(京哈高速 潞苑北大街)改造工程中渣土的资源化利用提供参考。1原材料与试验方法1.1原材料1.1.1水泥采用 P O 42.5 水泥，具体性能指标见表 1。表 1水泥性能指标Tab 1Physical performance of cement凝结时间/min抗压强度/MPa抗折强度/MPa初凝终凝3 d28 d3 d28 d比表面积/(m2 kg1)标准稠度用水量/%16322425.452.25.29.739029.31.1.2石灰钙含量大于 90%。1.1.3机制砂机制砂性能指标见表 2。表 2机制砂性能指标Tab 2Physical performance of machine-made sand细度模数表观密度/(kg m3)堆积密度/(kg m3)空隙率/%3.82 7441 39249.31.1.4盾构渣土盾构渣土化学组成成分见表 3，物理性能指标见表 4。渣土级配曲线如图 1 所示。表 3盾构渣土化学组成Tab 3Chemical composition of shield muck 单位:%SiO2Al2O3Na2OK2OCaOFe2O3MgO烧失量69.3110.874.234.323.482.401.343.20表 4盾构渣土的物理性能指标Tab 4Physical performance of shield muck表观密度/(kg m3)堆积密度/(kg m3)空隙率/%细度模数含泥量/%pH2 6301 47044.01.217.57.6图 1盾构渣土级配曲线Fig 1Grading curve of shield muck由图 1 和表 4 可知，盾构渣土的细度模数为1.2，属于特细砂，由于盾构渣土粒形不好，空隙率达44.0%，同时含泥量高达 17.5%，远超国标要求。pH 为 7.6，呈弱碱性。1.2试验方法细骨料的性能参照 GB/T 146842011建设用砂 进行测试。水泥的性能测试参照 GB/T 176712021水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)及 GB/T 13462011水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法。36北 京 建 筑 大 学 学 报第 39 卷石灰性能测试参照 JC/T 478.22013建筑石灰试验方法。渣土砖性能测试参照 GB/T 41112013混凝土砌块和砖试验方法 进行。采用超景深光学显微镜(基恩士 VHX2000)观测砖的界面结构。采用扫描电镜(ZEISS Gemini300)观察砖的微观形貌。2级配优化盾构渣土颗粒细，粒形较差，直接用来制砖，需要较多的水泥浆体。因此，本文通过采用机制粗砂对盾构渣的级配进行调整。调整结果见表 5。级配调整曲线及空隙率变化分别如图 2、图 3 所示。图 2盾构渣级配调整曲线Fig 2Grading adjustment curve of shield muck由表 5 和图 2、图 3 可得，通过采用机制砂对盾构渣土进行级配改性，当盾构渣土和机制砂比例为4 6时，细骨料属于区，细度模数为 2.7，空隙率40.4%，含泥量为 7.0%，性能较好。图 3盾构渣级配调整后空隙率Fig 3Voids after grading adjustment of shield muck3配比及成型工艺盾构渣土砖配比见表 6。参照表 6 中配比，采用全自动成型砖机(总功率 38 kW，成型周期 20 25 s)，利用振动压力将混合均匀的坯料压制成 240 115 53 mm 的砖坯，之后进行洒水养护，成型工艺如图 4 图 7 所示。4结果与讨论4.1盾构渣土砖强度对成型的渣土砖进行强度检测，强度数据见表7。砖强度随水泥量及级配调整变化分别如图 8、图 9 所示。由表 7 和图 8 可得，随着水泥量的增加，渣土砖强度逐渐增高，在相同水固比的前提下，当水泥用量为 100 kg/m3时，渣土砖 28 d 强度为 11.3 MPa，随着水泥用量增加到 200 kg/m3时，渣土砖 28 d 强度达表 5盾构渣级配调整结果Tab 5Grading adjustment results of shield muck编号盾构渣/机制砂累计筛余百分比/%4.752.361.180.600.300.15细度模数空隙率/%含泥量/%10104.531.270.996.997.297.43.849.30.322 83.624.956.981.283.591.53.344.23.534 62.718.742.965.469.885.72.740.47.046 41.812.528.949.756.179.92.240.410.558 20.96.314.933.942.474.01.741.313.4610000.31.47.941.970.91.244.017.546第 1 期卞立波，等:盾构渣土砖制备技术及性能研究表 6盾构渣土砖配比Tab 6Pr