習(xí)智琴，侯亞康，李水生，陽(yáng) 棟

（中國(guó)建筑第五工程局有限公司，長(zhǎng)沙 410004）

0 引言

現(xiàn)階段，我國(guó)地鐵及其他基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅速 .以地鐵為例，截至 2019 年 6 月［1］，全國(guó)已有 33 個(gè)城市開(kāi)通地鐵，總運(yùn)營(yíng)里程4598.3 km，到2021 年，已建成地鐵總里程8000 km.其中，盾構(gòu)法以其安全、高效、地層適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被行業(yè)公認(rèn)為較優(yōu)的區(qū)間隧道施工方法，這就必然產(chǎn)生巨量盾構(gòu)渣土，而現(xiàn)有的處理方式一般是將渣土運(yùn)輸至指定的渣土消納場(chǎng)露天堆放或者在項(xiàng)目回填區(qū)進(jìn)行填埋.由于盾構(gòu)渣土中含有大量2 mm 以下細(xì)顆粒，如粉粒、黏粒等，賦存了大量的水分，使得其含水率高、危害性大，露天堆放棄置極易產(chǎn)生滑坡等事故，存在極大的安全隱患，同時(shí)會(huì)占用大量土地資源且污染周邊水土環(huán)境.

在傳統(tǒng)地質(zhì)聚合物方面，學(xué)者以粉煤灰、礦渣、鋼渣、鎳鐵渣等為原料制備了地質(zhì)聚合物膠凝材料［2-5］.汪海風(fēng)［6］以建筑垃圾、礦渣為原料，以硅酸鈉為堿激發(fā)劑制備地質(zhì)聚合物材料；劉淑賢［7］以礦渣和尾礦為主要原料，氫氧化鈉為激發(fā)劑，工業(yè)液體硅酸鈉作結(jié)構(gòu)模板劑，制備了無(wú)機(jī)礦物聚合物材料；廖希雯［8］采用地質(zhì)聚合物固化穩(wěn)定化重金屬?gòu)?fù)合污染土壤；劉旭［9］采用偏高嶺土基和赤泥—低鈣粉煤灰基地質(zhì)聚合物加固含硫軟土；田亮［10］采用礦渣堿激發(fā)膠凝材料的方法固化鹽漬土，結(jié)果表明其效果顯著.?；郀t礦渣和粉煤灰都是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢渣，每年產(chǎn)量大、來(lái)源豐富，且具有一定的顯性或隱性活性，是很好的輔助膠凝材料.因此，可采用粉煤灰或?；郀t礦渣，結(jié)合地質(zhì)聚合物法固化盾構(gòu)渣土.

本文針對(duì)盾構(gòu)渣土危害性大、難處理的特點(diǎn)，將最難處理的2 mm 以下細(xì)粒盾構(gòu)渣土結(jié)合粉煤灰和?；郀t礦渣，采用澆筑成型的方法，制備地質(zhì)聚合物基細(xì)粒盾構(gòu)渣土免燒磚，達(dá)到以廢治廢的目的.同時(shí)，測(cè)試其自然養(yǎng)護(hù)28 d 后的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度，以及軟化系數(shù)和抗凍性能.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

1.1.1 盾構(gòu)渣土

盾構(gòu)渣土取自長(zhǎng)沙地鐵3 號(hào)線長(zhǎng)烈區(qū)間左線的中風(fēng)化礫巖渣土料，經(jīng)測(cè)試其初始含水率為23%，如圖1（a）所示，將原狀渣土攤開(kāi)晾曬并破碎，如圖1（b）、圖1（c）所示，至含水率在2%以?xún)?nèi)，然后過(guò)2 mm 篩備用；圖 1（d）為盾構(gòu)渣土的 SEM 照片 . 2 mm 以下細(xì)粒盾構(gòu)渣土粒徑分布曲線如圖2 所示，可以看出，75 μm 以下顆粒占比79%，不均勻系數(shù)為Cu＝10.845，曲率系數(shù) Cc＝0.603（d10＝2.012 μm，d30＝5.144 μm，d60＝21.820 μm），級(jí)配曲線不連續(xù)，不利于壓制成型.其主要化學(xué)成分如表1 所示，主要氧化物成分為SiO2和Al2O3.

圖1 盾構(gòu)渣土照片

圖2 粒徑分布曲線

表1 主要化學(xué)成分

1.1.2 粉煤灰和粒化高爐礦渣

粉煤灰（FA）和?；郀t礦渣（GGBS）的粒徑分布曲線如圖2 所示，可以看出，粉煤灰75 μm 以下的顆粒占比為70%；粒化高爐礦渣目數(shù)為200，粒徑都在75 μm 以下.粉煤灰和?；郀t礦渣的主要化學(xué)成分如表1 所示，從氧化鈣含量可以看出，該粉煤灰的氧化鈣含量為8.36%，屬于低鈣粉煤灰；?；郀t礦渣的氧化鈣含量為46.31%，為?；郀t礦渣活性的主要來(lái)源.

1.1.3 堿性激發(fā)劑溶液

堿性激發(fā)劑溶液為水玻璃和氫氧化鈉溶液的混合液.水玻璃模數(shù)為3.26，N2O%含量8.74%，SiO2含量27.62%；氫氧化鈉溶液物質(zhì)的量濃度為10 mol/L，由工業(yè)片狀級(jí)氫氧化鈉固體加水配制而成，均為市售.

1.2 試驗(yàn)方案與過(guò)程

1.2.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案如表2 所示，F(xiàn)A-UB 和GGBS-UB分別為粉煤灰基和粒化高爐礦渣基地質(zhì)聚合物細(xì)粒盾構(gòu)渣土免燒磚.其中，粉煤灰或?；郀t礦渣與細(xì)粒盾構(gòu)渣土的質(zhì)量比為3∶7；Na2SiO3∶NaOH＝1.4；FA-UB 和 GGBS-UB 的液體與固體質(zhì)量比分別為0.30 和0.32.

表2 試驗(yàn)方案

1.2.2 試驗(yàn)過(guò)程

通常，免燒磚都是采用半干壓法壓制［11-13］而成，具有較好的力學(xué)性能和耐久性能.本文針對(duì)細(xì)粒盾構(gòu)渣土級(jí)配不良、顆粒分布不均勻以及壓制法能耗高等問(wèn)題，采用澆筑成型法，相對(duì)于壓制成型法來(lái)說(shuō)，工藝更簡(jiǎn)便，其制備過(guò)程如下：（1）將2 mm 以下的細(xì)粒干渣土與粉煤灰或粒化高爐礦渣在攪拌機(jī)中干拌均勻，得混合干物料；（2）將水玻璃溶液和氫氧化鈉溶液混合均勻，得堿性激發(fā)劑溶液；（3）將所得堿性激發(fā)劑溶液分次逐步加入混合干物料中，邊加邊攪拌，直至加完，整個(gè)過(guò)程控制在10 min 以?xún)?nèi)，得混合均勻的料漿；（4）將所得均勻料漿采用澆筑的方法澆入標(biāo)準(zhǔn)尺寸為240 mm×115 mm×53 mm 的模具中，同時(shí)在振動(dòng)臺(tái)上震搗密實(shí)，以排除其中的空氣；（5）最后，將澆筑好的試件覆膜自然養(yǎng)護(hù)1 d后脫模，再覆膜自然養(yǎng)護(hù)至28 d，得最終的細(xì)粒盾構(gòu)渣土免燒磚.其制備工藝流程圖如圖3 所示.

圖3 免燒磚制備工藝流程圖

1.3 指標(biāo)測(cè)試

按照上述試驗(yàn)方案與過(guò)程制作免燒磚，自然養(yǎng)護(hù)至28 d 齡期后，根據(jù)GB/T2542-2012《砌墻磚試驗(yàn)方法》［14］，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)、軟化試驗(yàn)以及凍融試驗(yàn).采用YES-500B 型數(shù)顯式壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度以及軟化試驗(yàn)和凍融試驗(yàn)后的強(qiáng)度，加載速度為2 KN/s.將用于軟化試驗(yàn)的免燒磚浸入20 ℃的水中，水面高出20 mm，浸泡4 d 后取出，拭去表面的水分，測(cè)試其飽和面干狀態(tài)的抗壓強(qiáng)度.采用TDS-300 型凍融試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，以-20℃的溫度凍結(jié)4 h，然后在20 ℃的水中融解4 h，即每個(gè)凍融循環(huán)周期為8 h，以此循環(huán)將試樣以25 次進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，測(cè)量?jī)鋈谠囼?yàn)前后的強(qiáng)度和質(zhì)量.

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

粉煤灰基地質(zhì)聚合物細(xì)粒盾構(gòu)渣土免燒磚（FA-UB）和粒化高爐礦渣基地質(zhì)聚合物細(xì)粒盾構(gòu)渣土免燒磚（GGBS-UB）的外觀照片分別如圖4（a）和圖4（b）所示.將免燒磚置于105 ℃鼓風(fēng)干燥箱中干燥至恒重，稱(chēng)其質(zhì)量，測(cè)量尺寸并計(jì)算體積，最后計(jì)算所得FA-UB 和GGBS-UB 的平均體積密度分別為1937.7 kg/m3和1996.8 kg/m3.

圖4 細(xì)粒盾構(gòu)渣土免燒磚

FA-UB 和GGBS-UB 的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、軟化試驗(yàn)后強(qiáng)度以及凍融試驗(yàn)后的強(qiáng)度結(jié)果如圖5所示.可以看出，F(xiàn)A-UB的平均抗壓強(qiáng)度為15.7 MPa；抗折強(qiáng)度為4.4 MPa；泡水4天后平均強(qiáng)度14.1 MPa，即軟化系數(shù)0.90；25 次凍融循環(huán)后的平均抗壓強(qiáng)度為13.3 MPa，強(qiáng)度損失為15.3%，質(zhì)量損失為1.8%.GGBS-UB 的平均抗壓強(qiáng)度為41.8 MPa；抗折強(qiáng)度為4.9 MPa；泡水4 天后平均強(qiáng)度為39.8 MPa，即軟化系數(shù)0.95；25 次凍融循環(huán)后的平均抗壓強(qiáng)度為34.9 MPa，強(qiáng)度損失為16.5%，質(zhì)量損失為0.8%.

圖5 細(xì)粒盾構(gòu)渣土免燒磚指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

2.2 力學(xué)性能

圖6 （a）為FA-UB 的抗壓強(qiáng)度測(cè)試照片；圖6（b）為其破壞后照片，可以看出基本為整體劈裂破壞；圖6（c）為抗折強(qiáng)度測(cè)試破壞后的照片，試樣都是從中間對(duì)折開(kāi)裂，表明試樣內(nèi)部具有均質(zhì)性.FA-UB 和 GGBS-UB 分 別 滿 足 JGT505-2016《建筑垃圾再生骨料實(shí)心磚》的MU15 和MU20 抗壓強(qiáng)度等級(jí)以及JC239-2001《粉煤灰磚》相應(yīng)的抗折強(qiáng)度要求.免燒磚的抗壓強(qiáng)度來(lái)源于堿性激發(fā)粉煤灰或?；郀t礦渣生成的膠凝物質(zhì)和細(xì)粒盾構(gòu)渣土中的砂粒構(gòu)成的骨架結(jié)構(gòu).混合料漿中的物料中的鋁硅酸鹽玻璃相在堿性激發(fā)劑作用下發(fā)生溶解，部分Si-O-Si、Al-O-Al 鍵發(fā)生斷裂，形成分散的［SiO4］4-和［AlO4］5-絮凝狀產(chǎn)物，并向顆粒間隙擴(kuò)散，發(fā)生縮聚反應(yīng)，硅酸鈉溶液的復(fù)合使用加速了膠凝相的形成，生成水化硅酸鈣（C-S-H）和水化硅鋁酸鈣（C-A-S-H）凝膠，使免燒磚獲得很好的強(qiáng)度.同時(shí)，細(xì)粒盾構(gòu)渣土中21%的0.075～2 mm 的砂粒構(gòu)成了免燒磚的骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度.

圖6 免燒磚強(qiáng)度測(cè)試

GGBS-UB 的液固比較 FA-UB 大 0.2，但強(qiáng)度大幅增加，這主要是因?yàn)榉勖夯抑卸趸韬脱趸X主要以石英、莫來(lái)石等結(jié)晶相為主，氧化鈣含量為8.36%，而?；郀t礦渣的氧化鈣含量為46.31%，粒化高爐礦渣的非晶部分比粉煤灰多，粉煤灰的活性較粒化高爐礦渣低，在常溫養(yǎng)護(hù)環(huán)境下其活性難以被激發(fā)從而凝結(jié)［15］，使得生成的膠凝物質(zhì)少，導(dǎo)致FA-UB 的抗壓強(qiáng)度比GGBS-UB 的低.因此，可以通過(guò)減少?；郀t礦渣或液體激發(fā)劑用量，摻量部分粉煤灰或其他工業(yè)廢渣（鋼渣、鎳鐵渣等）來(lái)降低細(xì)粒盾構(gòu)渣土免燒磚的制備成本.GGBS-UB 的抗折強(qiáng)度比 FA-UB 的大 0.5 MPa，這主要因?yàn)榱；郀t礦渣顆粒粒徑整體比粉煤灰的小，且?；郀t礦渣顆粒形狀不規(guī)則，與細(xì)粒渣土顆粒貼合得更為緊密.因此，GGBS-UB 的抗折強(qiáng)度相對(duì)較高.

2.3 耐久性能

FA-UB 和GGBS-UB 的軟化性能、抗凍性和質(zhì)量損失都符合JGT505-2016《建筑垃圾再生骨料實(shí)心磚》的要求.FA-UB 和GGBS-UB 的軟化系數(shù)分別為0.90 和0.95，均大于0.85，屬耐水性材料.說(shuō)明細(xì)粒盾構(gòu)渣土、粉煤灰或粒化高爐礦渣與液體堿性激發(fā)劑溶液混合攪拌較均勻，通過(guò)澆筑法成型以及在振動(dòng)臺(tái)上震搗密實(shí)，避免了壓制成型法人為造成孔隙的情況，加上地質(zhì)聚合物凝膠形成的致密結(jié)構(gòu)，填充并密實(shí)了混合料漿內(nèi)部的微孔隙，提高了免燒磚的耐水性能.圖7（a）和圖7（b）分別為FAUB 和GGBS-UB 凍融25 次循環(huán)后的外觀形貌圖.可以看出，經(jīng)凍融循環(huán)損傷后免燒磚外觀形貌基本完整.同時(shí)，F(xiàn)A-UB 比GGBS-UB 的質(zhì)量損失大，這是因?yàn)榉勖夯翌w粒表面光滑、呈球狀，使得FAUB 的界面結(jié)合能力相比GGBS-UB 更弱，經(jīng)同樣的凍融循環(huán)損傷后，表面剝落較多，造成質(zhì)量損失偏大.而GGBS-UB 凍融后的強(qiáng)度損失比FA-UB大，這可能是由于GGBS-UB 的液體激發(fā)劑用量更多，混合料漿內(nèi)部殘留的水分也因此增加，并且液體激發(fā)劑帶入了更多的微小氣泡，在凍融循環(huán)過(guò)程中受水結(jié)冰的凍脹損傷作用相對(duì)較大，導(dǎo)致其強(qiáng)度損失偏大.

圖7 免燒磚凍融后形貌圖

3 結(jié)論

（1）FA-UB 和 GGBS-UB 的抗壓強(qiáng)度分別為15.7 MPa、41.8 MPa；抗折強(qiáng)度分別為4.4 MPa、4.9 MPa；軟化系數(shù)分別為 0.90、0.95；25 次凍融循環(huán)后的強(qiáng)度損失分別為15.3%、16.5%，質(zhì)量損失為1.8%、0.8%.

（2）在自然養(yǎng)護(hù)條件下，GGBS-UB 的抗壓強(qiáng)度較FA-UB 大幅提升，可以通過(guò)減少粒化高爐礦渣或液體激發(fā)劑用量，摻量部分粉煤灰或其他工業(yè)廢渣（鋼渣、鎳鐵渣等）來(lái)降低免燒磚的制備成本.

（3）采用澆筑法制備細(xì)粒盾構(gòu)渣土免燒磚是可行的，相對(duì)壓制成型法來(lái)說(shuō)，具有工藝簡(jiǎn)便、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，且抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、軟化性能以及抗凍性滿足免燒磚標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求.