李 杰，陈儀涛，董毅萌，葛雪祥，樊传刚，庞孟蝶，万俊杰，光 炜

(安徽工业大学材料科学与工程学院，安徽马鞍山 243032)

随着我国城市轨道交通建设规模的日益增大，地铁施工产生的盾构渣土量不断增多。常规盾构渣土处理方式为堆填消纳，易造成侵占土地、污染土壤和地下水等城市环境灾害性问题，同时还会加剧城市雾霾污染程度。开展盾构渣土的资源化回收利用，将其作为二次资源，不但会大量减少自然资源的过度开发，还能保护城市生态环境。目前，盾构渣土资源化应用主要是通过改进盾构工艺降低泥浆排放，并将盾构泥浆筛分处理后用作同步注浆材料、高流态充填材料、烧结陶粒、烧结墙材、农业用土壤等。这些尝试仍然不能起到彻底消纳盾构渣土的作用，同时烧结类建材的加工还伴有二氧化碳排放。张卓等利用盾构渣土制备的免烧免蒸陶粒可较好地固化重金属离子。若能将盾构渣土用作混凝土(制品)的集料和人工填海造陆的工程材料，则有望彻底解决盾构渣土对城市建设的负面影响。盾构渣土颗粒尺寸较小，以通用水泥作为胶凝材料采用圆盘或挤出法等无(低)压缩力的造粒方法制备免烧陶粒时，胶凝材料用量大且制备的免烧陶瓷力学强度不高。鉴于此，采用本课题组实验室自制、可高效胶结细颗粒的土壤固化剂为胶凝材料，以宁波盾构渣土为固化对象，通过对辊造粒机的连续高挤压力作用(最大挤压力达230～270 MPa)，制备不同土壤固化剂掺量的免烧陶粒，研究土壤固化剂掺量对免烧陶粒物理力学性能、微观形貌、相组成的影响，以期提高免烧陶粒材料的力学性能。

1 实 验

1.1 原料

盾构渣土，取自宁波地铁盾构施工现场，主要成分为海相沉积淤泥，含水量70%。根据JTG 3430—2020《公路土工实验规程》对盾构渣土样品进行液塑限及密度测试，结果如表1。淤泥固化胶凝材料为实验室自制的土壤固化剂，由钢渣、矿渣、粉煤灰、激发剂粉体复合而成，其主要化学组成如表2。土壤固化剂的比表面积为410 m/kg，水为自来水。

表1 盾构渣土的基本物理性能Tab.1 Basic physical properties of shield muck

表2 实验原料的主要化学组成Tab.2 Main chemical composition of experimental raw materials

1.2 免烧陶粒试样的制备

将盾构渣土放置烘箱于100 ℃烘至恒重后，放入球磨机球磨罐中球磨10 min，过筛孔0.125 mm 的标准筛，将胶凝材料与干渣土分别按质量比(胶土比)为1∶4，1∶6，1∶8，1∶10混合，再将土壤固化剂、干渣土混合物和陶瓷球(Φ30 mm)按粉球质量比5∶1放入球磨罐中混合30 min；按含水率12%添加自来水，将混合粉末拌成泥料后放入练泥机中练泥，再将混练后的泥料投入对辊挤压造粒机中造粒，制得直径8 mm的椭圆形陶粒坯体；将陶粒坯体放入恒温恒湿的标准养护箱中养护至7，14，28 d龄期，获得各龄期的免烧陶粒试样。

1.3 试样的性能表征

采用综合热分析仪(日本岛津)分析盾构渣土样品的热失重与差热特征，测试温度范围为室温至950 ℃，载气为空气，升温速率为10 ℃/min；采用微机控制电子万能试验机(E44-304型，MTS(中国)有限公司产)和筒压强度测试模具检测免烧陶粒试样7，14，28 d龄期的筒压强度；采用标准漏斗称重法测定免烧陶粒试样的堆积密度，采用量筒排水法测定免烧陶粒试样的表观密度；采用1 h浸水法测定干燥免烧陶粒试样的吸水率，通过测量免烧陶粒试样浸水前后筒压强度变化得出试样的软化系数。以上测试均参照GB/T 1743.2—2010《轻集料及其试验方法》。采用德国布鲁克公司的D8ADVANCE型X射线衍射仪(X ray diffractometer,XRD)分析免烧陶粒试样的物相组成，采用日本JEOL 公司的JSM-6490LV 型扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)观察免烧陶粒试样断面的微形貌。

2 结果与讨论

2.1 盾构渣土的综合热分析曲线

图1为盾构渣土的综合热分析曲线。从图1中的热重(thermogravimetric，TG)分析曲线可看出：200 ℃之前盾构渣土的质量损失主要是自由水和挥发分的质量损失；400～600 ℃阶段有一个持续陡降，主要是水钙沸石、蒙脱石等晶相失去结晶水导致的质量损失；600 ℃以上盾构渣土的热失重幅度变缓，可看成其中的有机物热解和碳氧化导致的质量损失。从图1 中的差热分 析(differential thermal analysis，DTA) 曲 线 可 看出，渣土有失重但并未有新相产生的相变迹象，这是升温速率过快所致。

图1 盾构渣土的TG-DTA曲线Fig.1 TG-DTA curves of shield muck

2.2 胶土比对免烧陶粒筒压强度的影响

图2 为胶土比对免烧陶粒试样各养护龄期筒压强度的影响。由图2 可看出：试样各龄期筒压强度均随胶土比的增大而增大，与胶土比1∶12 试样相比，胶土比1∶4 试样的28 d 筒压强度提高了198%，说明土壤固化剂水化反应生成的无定形凝胶可将被压密的盾构泥颗粒有效固结；胶土比一定时，试样筒压强度随养护时间的延长而增大，当胶土比从1∶12增大至1∶4时，试样7 d的筒压强度从0.75 MPa提升至1.73 MPa，28 d 的筒压强度从2.98 MPa提升至5.91 MPa。

图2 胶土比对免烧陶粒试样各养护龄期筒压强度的影响Fig.2 Influence of binder/muck ratio on cylinder compressive strength of non-fired haydite specimen at different curing ages

2.3 胶土比对免烧陶粒堆积密度、表观密度的影响

陶粒的堆积密度是衡量其应用性能的重要指标之一，GB/T 1743.2—2010《轻集料及其试验方法》中规定了各堆积密度与之对应的筒压强度范围。图3为胶土比对免烧陶粒试样堆积密度的影响。从图3 可看出，随胶土比的增大(即胶凝材料掺入量的提高)，试样堆积密度提高。这是由于生成的大量胶凝材料水化产物，尤其是钙钒石在胶结细泥颗粒的同时，还填充至试样中细泥颗粒堆积空隙，致使堆积密度提高、强度提升。胶土比1∶4 试样的堆积密度高至1 083.2 kg/m，筒压强度也达5.91 MPa。随着胶土比的减小，试样堆积密度降低，但胶土比为1∶10 和1∶12 免烧陶粒试样的密度等级和筒压强度均符合GB/T 1743.2—2010《轻集料及其试验方法》的要求。图4为胶土比对免烧陶粒试样表观密度的影响。

图3 胶土比对免烧陶粒试样堆积密度的影响Fig.3 Influence of binder/muck ratio on packing density of non-fired haydite specimen

图4 胶土比对免烧陶粒试样表观密度的影响Fig.4 Influence of binder/muck ratio on the apparent density of non-fired haydite specimen

从图4 可看出，免烧陶粒试样的表观密度随胶土比的增大而增大，胶土比为1∶4 时，试样的表观密度为1 809.3 kg/m；胶土比为1∶12 时，试样的表观密度为1 723.4 kg/m，即水化反应产物量越多，陶粒内部的致密度越高。

2.4 胶土比对免烧陶粒吸水率和软化系数的影响

吸水率和软化系数可反映免烧陶粒的稳定性和耐久性，吸水率越低，软化系数越高，免烧陶粒的稳定性和耐久性就越好。图5 为胶土比对免烧陶粒试样吸水率的影响。从图5 可看出，试样吸水率随胶土比的增大而降低。这是由于随胶凝材料用量的增加，生成水化产物的量也大大增加，有利于提高陶粒内部的致密度，特别是生成的钙钒石会占据免烧陶粒结构中的毛细管通道，阻止水分进入，致使胶土比为1∶4试样的的吸水率仅为8.37%。

图5 胶土比对免烧陶粒试样吸水率的影响Fig.5 Influence of binder/ muck ratio on the water absorption rate of non-fired haydite specimen

图6 为胶土比对免烧陶粒试样软化系数的影响。从图6 可看出：试样软化系数随胶土比的增大而增大，这和胶土比增大导致试样吸水率降低直接相关；胶土比1∶4 时，免烧陶粒试样的吸水率最低，而软化系数最高，达0.82；胶土比为1∶12 时，试样的软化系数仅0.51。这是因为水通过毛细管通道进入陶粒内部时，毛细管作用导致陶粒内部应力破坏，吸水率低的试样毛细管少，软化系数增大。

图6 胶土比对免烧陶粒试样软化系数的影响Fig.6 Influence of binder/muck ratio on the softening coefficient of non-fired haydite specimen

2.5 免烧陶粒试样的相组成与微形貌

综上分析知，胶土比为1∶4时，免烧陶粒试样的性能最优，故对其试样进行性能表征。图7 为不同龄期胶土比1∶4 的免烧陶粒试样XRD 图谱。从图7可看出，免烧陶粒的主要成分为石英(QZ)、泡沸石(Wrk)、蒙脱石(Mnt)、顽辉石(EN)等晶相。盾构渣土胶结过程生成的凝胶体为无定形结构，故XRD图谱中只有水化产物钙钒石(AFt）晶相以及顽辉石、蒙脱石等斜方晶系硅酸盐矿物。盾构渣土中硅酸盐矿物大部分是层状矿物，遇水后会出现膨胀开裂和液塑化现象，丧失结构强度，这也是免烧陶粒试样软化系数不高的主要原因(软化系数最高为0.82)。

图7 不同龄期胶土比1∶4免烧陶粒试样的XRD图谱Fig.7 XRD patterns of non-fired haydite specimen with binder/muck ratio of 1∶4 at different curing ages

图8 为 胶 土 比1∶4 免 烧 陶 粒28 d 龄 期 试 样的SEM 照片。从图8 可知，胶土比1∶4 免烧陶粒试样微观结构较致密。在免烧陶粒的制备过程中，将坯料用炼泥机练成密实泥料，再将泥料投入对辊挤压造粒机中挤压成型，得到的免烧陶粒坯体致密度较高；坯体中胶凝产物和盾构泥颗粒紧密接触，形成致密胶结体，且水化产物中的棒状钙钒石晶相填充于胶结体结构的空隙中，故获得微观结构致密的试样。

图8 28 d龄期胶土比1∶4免烧陶粒试样的SEM照片Fig.8 SEM photos of non-fired haydite specimen with binder/muck ratio of 1∶4 at the age of 28 d

3 结 论

以土壤固化剂为胶凝材料，采用对辊压成型的方法制备以宁波盾构渣土为原料的免烧陶粒，对免烧陶粒试样的力学性能进行表征，得到以下主要结论：

1)采用以火山灰反应为胶凝机制的土壤固化剂时，制备的免烧陶粒试样各龄期筒压强度随胶土比的增大而增大，即筒压强度随胶凝材料用量的增大而增加，与胶土比1∶12 试样相比，胶土比1∶4 试样28 d 筒压强度提高了198%，28 d筒压强度为5.91 MPa；

2)免烧陶粒试样的吸水率随胶土比的增大而降低，胶土比1∶4 试样的吸水率仅为8.37%，这是由于随胶凝材料用量的增加，生成水化产物的量也增加，导致陶粒内部的致密度提高所致；

3)免烧陶粒试样的软化系数随胶土比的增大而增大，胶土比1∶12 免烧陶粒的软化系数仅为0.51，这和胶土比增大导致的陶粒试样吸水率降低直接相关，胶土比1∶4陶粒试样的软化系数为0.82。