第44卷第3期非金属矿Vol.44 No.3 2021年5月Non-M e t a l l i c M i ne s May, 2021
郭爱锋1* 魏小凡2 王 瑶2 房 杰2 曾 路2*
（1 苏州中材非金属矿工业设计研究院有限公司，江苏苏州 215151；2 重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400044）
摘 要为了有效提高建筑渣土的综合利用率和附加值，以工程渣土为主要原料，水泥、石灰和增强剂为无机结合料，通过压制成型制备渣土免烧砖，在80 ℃下蒸汽养护24 h，以抗压强度为指标，研究无机结合料配合比对免烧砖性能的影响。结果表明，无机结合料最佳配比为：水泥75.2%、生石灰18.8%、增强剂6%。采用最佳配比制备的渣土免烧砖7 d抗压强度为15.09 MPa，吸水率为9.8%，软化系数为0.85，冻后抗压强度为14.20 MPa，满足JC/T 422-2007《非烧结垃圾尾矿砖》MU15要求。 关键词渣土；免烧砖；无机结合料；抗压强度；物理性能
中图分类号：X705 文献标志码：A 文章编号：1000-8098(2021)03-0099-04
Study on Preparation and Properties of Unburned Brick by Building Waste
Guo Aifeng1*Wei Xiaofan2Wang Yao2Fang Jie2Zeng Lu2*
(1 Suzhou Sinoma Design and Research Institute of Non-metallic Minerals Industry Co., Ltd., Suzhou, Jiangsu 215151; 2 College of Materials
Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044)
Abstract Using building waste as the main raw materials, cement, lime and reinforcing agent as inorganic bonded materials, the unburned bricks were prepared by compression molding in order to effectively improve the comprehensive utilization rate and added value of building waste. Steam curing at 80 ℃ for 24 h, the compressive strength were tested to determine the influence of the mixing ratio of inorganic bonded materials such as cement, lime and silica fume on the performance of this unfired brick.The results show that the best mixing ratio of inorganic bonded materials is 75.2% of cement, 18.8% of lime and 6% of reinforcing agent. The 7 d compressive strength, water absorption rate, softening coefficient and frozen compressive strength after freezing of the unburned bricks prepared with the best ratio reach 15.09 MPa, 9.8%, 0.85 and 14.20 MPa respectively, which meet the requirements of JC/T 422-2007 “Non-fired rubbish gangue brick” MU15 standard.
Key words building waste; unburned brick; inorganic bonded material; compressive strength; physica
l property
建筑渣土是隧道、地铁、基坑及地下管廊等建筑工程中产生的废弃土。我国每年产出1.19亿t以上建筑渣土，但其资源化利用率不足1%[1]。目前建筑渣土一般直接运往郊区等偏远地方，通过露天堆放、焚烧和填埋的方式处理，为进一步提高渣土综合利用率和附加值，研究人员利用土壤固化技术生产渣土免烧砖，目前湖南、浙江、云南、广东、广西等十多个省市自治区渣土免烧砖已实现批量生产[2]。
土壤固化剂由无机材料或有机材料组成，可以改善渣土的组成结构，从而对其起到固化作用，是一种环保节能的新型工程材料[3-5]。自20世纪40年代以来，渣土固化技术开始发展并逐渐形成一个综合的跨领域学科。李琴等[6]以水泥为主要固化原料，对水泥基体系固化剂固化建筑渣土强度成因进行了探究，发现在一定的外部压力下，其强度来自两个方面，一方面是水泥与添加剂、渣土本身发生化学反应，反应生成的物质连接渣土颗粒成为一个整体；另一方面固化剂生成体积膨胀性物质，填充在土壤颗粒的孔隙中，降低试样孔隙率，在压力下使样品压实成为一体，强度提高。黄新等[7-9]进一步研究了水泥加固土硬化反应，发现水泥加固土中，孔隙水中的Ca(OH)2会被土壤消耗，导致Ca(OH)2不饱和，影响水化产物的形成，降低其强度。周富涛等[10]以水泥基固化剂为基础，加入磷石膏和粉煤灰，结果表明，粉煤灰的火山灰反应是形成强度的主要原因，加入磷石膏会生成钙矾石，从而进一步提高强度。
目前无机类土壤固化剂研究虽然已经取得了很多成果，但大多停留在室内试验，而且经济性缺乏考虑。本试验以实际工程应用为目的，采用工程渣土为主要原料，水泥、石灰和增强剂为胶凝材料，通过压制成型的方式制备渣土免烧砖，在80 ℃下蒸汽养护24 h后，以试件抗压强度为指标，研究固化剂配比对免烧砖力学性能的影响，在最佳配比下制备渣土免烧砖，对其7 d抗压强度、吸水率、软化系数和冻后抗压强度进行检测。 收稿日期：2021-03-20
*通信作者，E-mail：*********************；****************。
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第44卷第3期 非金属矿 2021年5月国营农场
1 试验部分
1.1 原料 工程渣土：
试验所用渣土为地铁建设过程中产生的盾构渣土，经全部风干后可用于试验。依据JTG E40-2007《公路土工试验规程》，对渣土进行
表1天然含水率 /%液限 /%塑限 /%最佳含水率 /%最大干密度 /
（g/cm 3）
塑性
指数pH 值4.26
41.1
25.7
10
1.98
15.4
7
图2 试验用土的X 射线衍射图
由图1计算试验所用渣土不均匀系数为4，曲率系数为1，表明土粒总体级配良好，分布较连续。
依据GB/T 50145-2007《土的工程分类标准》，结合表1数据可知，试验用土为低液限黏土，其pH 值为7，与水泥水化所需环境一致。
从图2可看出，渣土的主要矿物成分为原生矿物石英、伊利石、高岭石和蒙脱石。蒙脱石为三层晶格构造，具有很强的亲水性和可塑性，吸水时强烈膨胀，且存在非平衡同晶置换，使蒙脱土表现出很强
的阳离子交换能力，可大量吸附消耗水泥水化产生的Ca 2+和OH -
，影响水泥水化[11]，伊利石和高岭石对Ca 2+和OH -的吸收则较少。含高岭土和蒙脱土等黏性渣土固化不仅需要胶结性水化物，还要提供膨胀性水化物[12]。故在固化剂设计中至少要存在两种能发生水化反应的原料，本试验选择用水泥、石灰和增强剂制备土壤
固化剂，从而保障渣土免烧砖的强度。
水泥：重庆富皇水泥有限公司42.5R 级普通硅酸盐水泥，其性能见表2。
表2 水泥的性能
细度45 μm /% 标准稠度/% 初凝
时间/min 终凝时间/min 性
( 饼法 )抗压强度/MPa 抗折强度/MPa 3 d 28 d 3 d 28 d
10.0
26.8
150
210
未见裂纹，
未见翘曲
27.651.5 5.5
9.0宝珠砂
石灰：四川石灰厂石灰粉，钙含量（质量分数）大于85%，杂质小于5%，细度为25 μm ，有效钙含量为44%。
增强剂：成都明凌科技有限公司提供，深蓝粉末，主要化学组成(w /%)为：SiO 2，49；CaO ，46；Al 2O 3，0.5；烧失量，1.2。
1.2 试验方法 将渣土风干后，
经锤式破碎机破碎成粒径不大于5 mm 的渣土备用，称取一定量固化剂干料及备用渣土，均匀混合干料后按水固质量比0.1
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20 MPa 压力下一次压制成型，试块均为40 mm ×40 mm ×40 mm 的立方体，80 ℃蒸汽养护24 h 后测试其力学性能。渣土免烧砖生产工艺流程，见图3。
将成型的40 mm ×40 mm ×40 mm 的立方试块
按照GB/T 4111-2013《混凝土砌块和砖试验方法》进行力学性能测试。从压碎的样品中取样并用无水乙醇浸泡终止其水化，在45 ℃真空干燥箱中烘干24 h ，经喷金处理后在TESCAN VEGA3可变真空扫描电子显微镜下观察样品微观形貌。2 结果与讨论
2.1 固化剂最佳配合比确定
2.1.1 图4 水泥掺量对免烧砖强度的影响
0 10 20 30 40 50 60
2θ/(°)
-伊利石
-高岭石-石英-钾长石-钠长石-方解石-赤铁矿
- 101 - 渣土免烧砖的制备及性能研究
郭爱锋，魏小凡，王 瑶，等从图4可看出，水泥掺量和砖的强度几乎呈直线相关，拟合直线方程为y =78.06x +1.78，其中x 为水泥掺量，y 为抗压强度。水泥加入量增加，成本随之增加[13]，当水泥掺量为10%时，渣土免烧砖的抗压强度为9.71 MPa ，JC/T 422-2007《非烧结垃圾尾矿砖》要求强度等级为MU15尾矿砖抗压强度大于15.0 MPa ，此时渣土免烧砖的抗压强度小于规范要求强度，但随着固化剂配合比的优化，强度将会大幅度提升，综合考虑经济性和力学性能，本试验固定固化剂掺量为渣土质量的10%，以水泥掺量10%为基准对照组，进行后续试验。
2.1.2 石灰对免烧砖强度的影响：固定固化剂掺量为试验用土
5。
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图5 生石灰或熟石灰掺量对免烧砖强度的影响
由图5可知，随着生石灰或熟石灰掺量的增加，免烧砖强度均呈现先升高后下降趋势，当生石灰掺量占固化剂的20%时，渣土免烧砖强度最高，为11.46 MPa 。故确定水泥和生石灰最佳配合比为80%∶20%。
渣土颗粒对Ca 2+存在物理吸附，同时黏土颗粒表面K +、Na +等与水泥水化产生的Ca 2+发生交换吸附作用，影响水泥水化产物生成。Ca 2+含量降低，导致钙硅比降低，则水泥水化生成水化硅酸钙（C-S-H ）凝胶的量也会降低，使固化剂的胶结力减弱。故加入一定量生石灰可以保证生成C-S-H 凝胶所需的Ca 2+，同时水化过程中生石灰体积略微膨胀，适量生石灰具有一定补偿收缩的作用，生石一氧化锰
灰掺量超过20%后，水泥用量相对偏少，试块抗压强度明显下降。
2.1.3 增强剂对免烧砖强度的影响：固定固化剂掺量为10%，其中水泥和生石灰的比例为80%
∶20%
，调整增强剂掺量，研究不同掺量增强剂对免烧砖7 d 强度的影响，结果见图6。由图6可知，随着增强剂掺量增加，免烧砖抗压强度呈现先升高后下降的趋势，当增强剂掺量为6%时，免烧砖强度达到最高，为15.09 MPa ，抗压强度较未添加增强剂时明显提高。因此确定固化剂最佳配合比为：75.2%水泥、18.8%生石灰和
6%增强剂。
增强剂比表面积为水泥50~100倍，其需水量较大，约为水泥的130% [14]，而且增强剂具有很高的火山灰活性，能与水泥水化产物氢氧化钙反应，生成水化增加2.2 渣土免烧砖性能表征
2.2.1 渣土免烧砖物理力学性能：在最佳配比下制备渣土免烧砖，根据GB/T 4111-2013《混凝土砌块和砖试验方法》测试其物理性能，并与JC/T 422-2007《非烧结垃圾尾矿砖》中强度等级为MU15尾矿砖的性能进行对比，结果见表3。
表3 免烧砖物理力学性能测试结果比较
类别抗压强度 /MPa 吸水率 /%软化系数
冻后抗压
强度 /MPa 测试值
15.09
9.80.8514.20JC/T 422-2007中MU15≥15.0
≤18
≥0.8
≥12.0
由表3可知，渣土免烧砖的抗压强度、吸水率、软化系数和冻后抗压强度均符合JC/T 422-2007《非烧结垃圾尾矿砖》MU15的要求。
2.2.2 渣土免烧砖的微观形貌：使用扫描电镜检测渣土免烧砖的微观形貌，结果见图7。对图7中区域1、2、3进行X 射线能谱（EDS ）分析，各部分组成元素见表4。
图7 7 d 免烧砖的SEM 图
表4 免烧砖电镜图中不同位置EDS 分析结果（w /%）
位置CO 2Na 2O MgO Al 2O 3SiO 2K 2O CaO Fe 2O 3区域10.120.150.20 1.8994.050.400.53 2.52区域20.100.190.47 5.7117.96 1.9621.0951.65区域3
0.000.23
1.74
22.86
56.10
2.04
8.78
7.12
第44卷第3期非金属矿2021年5月
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由图7可知，免烧砖内部结构较密实，在样品孔隙及渣土颗粒表面生成大量絮状水化硅酸钙产物，黏结在渣土颗粒周围，使得免烧砖孔隙率降低，强度增加。
由表4可知，固化剂水化后不仅生成大量水化硅酸钙，将渣土颗粒黏结成为整体，同时存在部分未水化的固化剂，其填充渣土颗粒之间的空隙，使渣土免烧砖形成较致密结构，且固化剂可以继续水化，为免烧砖后期强度增长提供保证。
3 结论
1.以渣土为主要原料，水泥、生石灰和增强剂为固化剂制备性能稳定的渣土免烧砖试样。固化剂的最佳配合比为75.2%水泥、18.8%生石灰和6%增强剂，按照最佳配合比制备的渣土免烧砖7 d抗压强度、吸水率、软化系数和冻后抗压强度均满足JC/T 422-2007《非烧结垃圾尾矿砖》MU15要求。
2.渣土免烧砖在80 ℃蒸汽养护至24 h时，渣土颗粒之间生成了大量C-S-H凝胶，将渣土颗粒胶结为整体，使得免烧砖具有较密实的结构，提高其强度。参考文献：
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