盾构渣土基免烧陶粒的制备与性能优化研究

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0739

摘要/Abstract

摘要：

以南京某渣土处理场的盾构渣土为基材，采用全流程“湿料湿作”模式，结合注浆成型与标准养护技术制备了盾构渣土基免烧陶粒。通过堆积密度、吸水率、筒压强度试验，研究了硫酸盐激发剂（石膏）、碱性激发剂（水玻璃）及改性剂（硫酸钠+三乙醇胺、硫铝酸钙、聚丙烯纤维）等外加剂对免烧陶粒物理力学性能的影响规律。试验表明，石膏与水玻璃的最优掺量（质量分数）分别为2%~6%与5%~7%，改性剂最优配比（质量分数）为1.0%硫酸钠+0.050%三乙醇胺。通过减小土灰比与泡沫体积比，并采用优化后的外加剂配比（7%石膏、4%水玻璃、1.0%硫酸钠+0.050%三乙醇胺）制备了高强盾构渣土基免烧陶粒，高强免烧陶粒的堆积密度为821 kg/m³，筒压强度可达9.6 MPa，1 h吸水率仅为4.2%，符合900密度等级高强轻粗集料标准。微观测试结果表明，高强免烧陶粒内部生成了水化硅酸钙/水化硅铝酸钙凝胶与膨胀性的钙矾石，它们是免烧陶粒强度的主要来源。研究可为盾构渣土的资源化利用提供理论与技术参考。

关键词: 盾构渣土, 免烧陶粒, 外加剂, 性能优化, 微观分析

Abstract:

Based on the shield mud sampled from landfill yard in Nanjing， the shield mud-based non-sintered ceramsite was prepared using the full-process wet materials and wet operation modes， where the injection molding and standard curing technology were adopted. Through the bulk density， water absorption rate and cylinder pressure strength tests， the influence laws of sulfate activator （gypsum）， alkaline activator （sodium silicate） and modifier （sodium sulfate + triethanolamine， calcium sulfoaluminate， polypropylene fiber） on the physical and mechanical properties of non-sintered ceramsite were investigated. The results indicate that the optimal proportion （mass fraction） of gypsum and sodium silicate is 2%~6% and 5%~7%， respectively， and the optimal modifier proportion （mass fraction） is 1.0% sodium sulfate + 0.050% triethanolamine. The high-strength shield mud-based non-sintered ceramsite is prepared by reducing the soil-to-cement ratio and foam volume ratio with the optimal proportion of additives （7% gypsum， 4% sodium silicate， and 1.0% sodium sulfate + 0.050% triethanolamine）. The bulk density of the high-strength non-sintered ceramsite is 821 kg/m³， the cylinder pressure strength approaches 9.6 MPa， and the water absorption rate within 1 h is only 4.2%， which meets the standard of high-strength lightweight coarse aggregate with a density grade of 900. The microscopic analysis shows that calcium silicate hydrate/calcium aluminosilicate hydrate gels and expansive ettringite are generated inside the high-strength non-sintered ceramsite， which are the main source of the strength. This study can provide theoretical and technical support for the resource utilization of shield mud.

Key words: shield mud, non-sintered ceramsite, additive, performance optimization, microscopic analysis

中图分类号:

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图/表 11

表1 预处理盾构渣土的基本物理性能

Table 1 Basic physical properties of pretreating shield mud

Density/（g·cm^-3）	Water content/%	Specific gravity	Liquid limit/%	Plastic limit/%	Organic matters content/%
2.19	34.5	2.82	31.9	18.9	4.96

表2 预处理盾构渣土的主要矿物成分

Table 2 Main mineral composition of pretreating shield mud

Mineral composition	Quartz	Albite	Muscovite	Montmorillonite	Calcite	Serpentine
Mass fraction/%	46.2	24.3	20.0	4.3	4.3	0.9

表3 预处理盾构渣土的主要化学成分

Table 3 Main chemical composition of pretreating shield mud

Chemical composition	Al₂O₃	SiO₂	Fe₂O₃	K₂O	MgO	Na₂O	TiO₂
Mass fraction/%	14.77	60.56	5.24	2.30	2.47	1.40	0.87

表4 改性剂配比

Table 4 Mix proportion of modifier

No.	Modifier	Modifier proportion
1	Sodium sulfate +triethanolamine （chemical modifier）	0.5% sodium sulfate+0.025% triethanolamine （S0.5T0.025）
2		1.0% sodium sulfate+0.050% triethanolamine （S1.0T0.050）
3		1.5% sodium sulfate +0.075% triethanolamine （S1.5T0.075）
4	Calcium sulfoaluminate （chemical modifier）	1% calcium sulfoaluminate （CS1）
5	Calcium sulfoaluminate （chemical modifier）	2% calcium sulfoaluminate （CS2）
6	Polypropylene fiber （mechanical modifier）	1% polypropylene fiber （PF1）
7	Polypropylene fiber （mechanical modifier）	2% polypropylene fiber （PF2）

图1 盾构渣土基免烧陶粒的制备流程

Fig.1 Preparing process of shield mud-based non-sintered ceramsite

图2 成型免烧陶粒照片

Fig.2 Pictures of hardened non-sintered ceramsite

图3 石膏掺量对免烧陶粒性能的影响

Fig.3 Effect of gypsum content on properties of non-sintered ceramsite

图4 水玻璃掺量对免烧陶粒性能的影响

Fig.4 Effect of sodium silicate content on properties of non-sintered ceramsite

图5 改性剂对免烧陶粒性能的影响

Fig.5 Effect of modifier on properties of non-sintered ceramsite

图6 高强盾构渣土基免烧陶粒的XRD谱

Fig.6 XRD patterns of high-strength shield mud-based non-sintered ceramsite

图7 高强盾构渣土基免烧陶粒的微观形貌

Fig.7 Microtopography of high-strength shield mud-based non-sintered ceramsite

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