Preparation and Performance Optimization of Shield Mud-Based Non-Sintered Ceramsite

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0739

Abstract

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

CLC Number:

WANG Panpan, SUN Jinjin, ZHANG Peiran, YANG Qi, WAN Xing, FENG Xu, WANG Zhihua, DING Jianwen. Preparation and Performance Optimization of Shield Mud-Based Non-Sintered Ceramsite[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(1): 237-245.

Figures/Tables 11

References 21

[1]	郭卫社，王百泉，李沿宗，等. 盾构渣土无害化处理、资源化利用现状与展望［J］. 隧道建设（中英文）， 2020， 40（8）： 1101-1112.
	GUO W S， WANG B Q， LI Y Z， et al. Status quo and prospect of harmless disposal and reclamation of shield muck in China［J］. Tunnel Construction， 2020， 40（8）： 1101-1112 （in Chinese）.
[2]	朱瑜星，卞　怡，闵凡路，等. 地铁盾构渣土改良为流动化土进行应用试验研究［J］. 土木工程学报， 2020， 53（增刊1）： 245-251.
	ZHU Y X， BIAN Y， MIN F L， et al. Experimental study on the application of improving subway shield muck into mobile soil［J］. China Civil Engineering Journal， 2020， 53（supplement 1）： 245-251 （in Chinese）.
[3]	朱　伟，钱勇进，王　璐，等. 盾构隧道渣土与泥浆的分类与处理利用技术及主要问题［J］. 隧道建设（中英文）， 2021， 41（增刊2）： 1-13.
	ZHU W， QIAN Y J， WANG L， et al. Classification， treatment and utilization technology and main problems of muck and mud in shield tunnel［J］. Tunnel Construction， 2021， 41（supplement 2）： 1-13 （in Chinese）.
[4]	OCAK I. Environmental problems caused by Istanbul subway excavation and suggestions for remediation［J］. Environmental Geology， 2009， 58（7）： 1557-1566. DOI URL
[5]	简永洲，易斌斌，李福东，等. 渣土浆液在盾构壁后注浆中的再利用及配比优化研究［J］. 隧道建设（中英文）， 2025， 45（4）： 740-748.
	JIAN Y Z， YI B B， LI F D， et al. Recycling and mixing proportion optimization of muck generated by shield tunneling in grouting behind lining［J］. Tunnel Construction， 2025， 45（4）： 740-748 （in Chinese）.
[6]	DALAL P H， PATIL M， IYER KK R， et al. Sustainable controlled low strength material from waste materials for infrastructure applications： state-of-the-art［J］. Journal of Environmental Management， 2023， 342： 118284. DOI URL
[7]	郝　彤，王　帅，冷发光. 利用地铁盾构渣土制备高流态充填材料［J］. 硅酸盐通报， 2020， 39（5）： 1525-1532.
	HAO T， WANG S， LENG F G. Preparation of high fluid filling materials by using subway shield muck［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2020， 39（5）： 1525-1532 （in Chinese）.
[8]	郭沁颖，李白云，丁建文，等. 工业废渣改良泥水盾构渣土的路用性能试验研究［J］. 土木与环境工程学报（中英文）， 2025， 47（2）： 66-75.
	GUO Q Y， LI B Y， DING J W， et al. Road performance investigation of slurry shield tunnel residue improved by industrial waste residues［J］. Journal of Civil and Environmental Engineering， 2025， 47（2）： 66-75 （in Chinese）.
[9]	JO B W， PARK S K， PARK J B. Properties of concrete made with alkali-activated fly ash lightweight aggregate （AFLA）［J］. Cement and Concrete Composites， 2007， 29（2）： 128-135. DOI URL
[10]	赵增丰，蒲紫盈，林　璨，等. 免烧陶粒及陶粒混凝土性能研究进展［J］. 材料导报， 2024， 38（20）： 88-100.
	ZHAO Z F， PU Z Y， LIN C， et al. Research progress of cold-bonded aggregate and application in concrete production［J］. Materials Reports， 2024， 38（20）： 88-100 （in Chinese）.
[11]	TAJRA F， ELRAHMAN M A， STEPHAN D. The production and properties of cold-bonded aggregate and its applications in concrete： a review［J］. Construction and Building Materials， 2019， 225： 29-43. DOI URL
[12]	朱万旭，酆　磊，周红梅，等. 新型免烧粉煤灰陶粒的研制及应用浅析［J］. 混凝土， 2017（5）： 59-62.
	ZHU W X， FENG L， ZHOU H M， et al. Analysis on the development and application of a new type of ash haydite［J］. Concrete， 2017（5）： 59-62 （in Chinese）.
[13]	PAN H M， SI X Y， WANG S， et al. Preparation of low-carbon and environmentally friendly non-sintered ceramsite （NSC） employing steel slag， GGBS and fly ash： experiment and performance regulation［J］. Construction and Building Materials， 2024， 411： 134438. DOI URL
[14]	高　鹏，徐悦清，曹　云，等. 淤泥基免烧陶粒的制备及性能影响因素［J］. 硅酸盐通报， 2021， 40（3）： 889-899.
	GAO P， XU Y Q， CAO Y， et al. Preparation and performance influencing factors of silt-based non-sintered ceramsite［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2021， 40（3）： 889-899 （in Chinese）.
[15]	李　沧，程霄智，矫　辰，等. 赤泥-钢渣基免烧陶粒的制备及除磷特性研究［J］. 水处理技术， 2024， 50（10）： 38-43.
	LI C， CHENG X Z， JIAO C， et al. Study on preparation and phosphorus removal characteristics of red mud and steel slag based non-sintered ceramsite［J］. Technology of Water Treatment， 2024， 50（10）： 38-43 （in Chinese）. DOI
[16]	WANG J H， CHIAN S C， MA T， et al. Stabilization of dredged clays with ternary alkali-activated materials： towards sustainable solid wastes recycling［J］. Journal of Cleaner Production， 2023， 426： 139086. DOI URL
[17]	陈　佳，陈铁军，张一敏，等. 利用石煤提钒尾矿制备免烧陶粒［J］. 金属矿山， 2013（1）： 164-167.
	CHEN J， CHEN T J， ZHANG Y M， et al. Preparation of burn-free ceramsite with stone-coal vanadium tailings［J］. Metal Mine， 2013（1）： 164-167 （in Chinese）.
[18]	陈柏琪，李振宝，石南南，等. 掺合料对陶粒泡沫混凝土流动性及强度影响［J］. 混凝土， 2024（10）： 69-73.
	CHEN B Q， LI Z B， SHI N N， et al. Effects of admixtures on fluidity and strength of ceramsite foam concrete［J］. Concrete， 2024（10）： 69-73 （in Chinese）.
[19]	中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. 轻集料及其试验方法： GB/T 17431—2010［S］. 北京：中国标准出版社， 2010.
	General Administration of Quality Supervision， Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China， AdministrationStandardization. Lightweight aggregates and its test methods： GB/T 17431—2010［S］. Beijing： Standards Press of China， 2010 （in Chinese）.
[20]	钱觉时，余金城，孙化强，等. 钙矾石的形成与作用［J］. 硅酸盐学报， 2017， 45（11）： 1569-1581.
	QIAN J S， YU J C， SUN H Q， et al. Formation and function of ettringite in cement hydrates［J］. Journal of the Chinese Ceramic Society， 2017， 45（11）： 1569-1581 （in Chinese）.
[21]	宁建国，黄　新，许　晟. 土样pH值对固化土抗压强度增长的影响研究［J］. 岩土工程学报， 2007， 29（1）： 98-102.
	NING J G， HUANG X， XU S. Effect of pH value of soil on strength increasing of the stabilized soil［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2007， 29（1）： 98-102 （in Chinese）.

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）

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）