CN107056239A - 一种地铁盾构渣土烧结砖及生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地铁盾构渣土烧结砖及生产方法，至少由盾构干化土、盾构固渣、煤矸石原料压制成型烧结而成。本发明解决了地铁盾构渣土处理难题，实现资源的循环利用，使盾构渣土资源化、无害化、减少地铁施工固废的排放。产品质量完全满足GB/T5101‑2003《烧结普通砖》相关要求，特别是对于尺寸偏差与外观质量，和传统烧结砖、页岩砖对比，表面平整无弯曲变形，外形美观，尺寸规则，优等品率达95％以上；其中，强度可达18‑25MPa，冻融试验后，质量损失小于1％，无明显变形、泛霜情况发生。

Description

一种地铁盾构渣土烧结砖及生产方法

技术领域

本发明涉及地铁盾构渣土处理领域，特别涉及一种地铁盾构渣土烧结砖及 生产方法。

背景技术

在地铁建设过程中产生大量的盾构渣土，盾构机在开挖隧道施工过程中， 将排出大量盾构渣土。同时为保证土压平衡，将开挖面开挖下来的土体，依据 地下水及土壤含水率、塑性指数、粒度等不同，掺加一定量的矿物类膨润土(如 粘土、蒙脱土制浆)、表面活性剂(钠如AES)，在压力舱内调整成一种“塑性 流动状态”，以便于顺利输送至地面。盾构渣土因为添加了一定成份的活性材料 形成废土。一方面未经处理的大量盾构渣土无法安全填埋与应用，另一方面各 地均禁止随意开采利用粘土生产砖、陶瓷、陶粒等建筑材料。

目前，为了解决上述问题，需要对盾构渣土进行无害化处理。将盾构渣土 经渣浆分离、存池搅拌(陈化)、预处理、添加专用药剂并再行压滤后，形成达 排放标准的盾构干化土及可循环利用的中水，盾构干化土含水率可达40％以下， 表面活性剂等高分子聚合物去除率可达98％以上。盾构干化土及固体废渣一般 是输送至填埋场进行填埋处理。

由于盾构干化土不同于一般土壤，盾构干化土主要化学成份包括Sio2、 Ai2o3、Fe2o3、Cao、Mgo、So3及重金属如Cu、Pb、Cr及等，盾构干化土主 要化学成份矿物组成含量高低，决定了盾构干化土的应用方向、产品性能与生 产工艺。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种地铁盾构渣土烧结砖及生产方法，以解决了地 铁盾构渣土处理难题，实现资源的循环利用，使盾构渣土资源化、无害化、减 少地铁施工固废的排放。

一方面，本发明提供了一种地铁盾构渣土烧结砖，至少由盾构干化土、盾 构固渣、煤矸石原料压制成型烧结而成。

进一步地，各原料重量配比：盾构干化土65～80％、盾构固渣10～30％、 煤矸石15～25％。

另一方面，本发明提供了一种地铁盾构渣土烧结砖生产方法，包括以下步 骤：

步骤1：将盾构干化土65～80％、盾构固渣10～30％、煤矸石15～25％， 按重量配比搅拌均匀；

步骤2：将步骤1中的混合原料压制成砖坯；

步骤3：将步骤2中的砖坯入窑炉烧结，得到地铁盾构渣土烧结砖。

进一步地，在步骤1中，将盾构渣土进行无害化处理得到盾构干化土和盾 构固渣，盾构干化土利用自然摊铺晾晒的方式，降低含水率及塑性指数Ip，使 盾构干化土含水率控制在12～14％；盾构固渣经破碎形成机制砂，盾构固渣的 粒径不超过2mm；按重量配比搅拌均匀后，再进行机械碾压工艺形成混合原料。

进一步地，在步骤2中，制成砖坯后进行干燥处理。

本发明解决了地铁盾构渣土处理难题，实现资源的循环利用，使盾构渣土 资源化、无害化、减少地铁施工固废的排放。产品质量完全满足GB/T5101-2003 《烧结普通砖》相关要求，特别是对于尺寸偏差与外观质量，和传统烧结砖、 页岩砖对比，表面平整无弯曲变形，外形美观，尺寸规则，优等品率达95％以 上；其中，强度可达18-25MPa，冻融试验后，质量损失小于1％，无明显变形、 泛霜情况发生。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征 可以相互组合。下面结合实施例来详细说明本发明。

盾构渣土基本组成分为三相，即固相(土粒)、液相(含水)与气相(空隙)。 盾构渣土产生于地铁沿线地下深处挖掘(依据功能、地质不同，一般在地下20m 左右)，土壤没有经过污染，故重金属一般不会超过限值。由于地质情况、开工 方式(明挖或暗挖)、开挖深度不同，每个城市、每条线、每个区间标段甚至每 两车之间的盾构渣土，物理化学成份均不完全相同。经选取长沙地铁三号线某 两站点在开挖前原土物理性能对比如下表1：

表1：原土地勘报告主要物理力学指标表

经多轮次对不同时间、各站点渣土处理场所未经处理有害渣土进行固物成 份、基本物理性能分析，结果统计如下：

表2：未经处理渣土基本组成及主要物理指标(范围)分析

通过上述对比结论可知，同条线相同地质层之间数据差异非常大。具体到 实际施工过程中，由于开挖深度至不同地质层、施工方式决定了是否添加膨润 土、活性剂，场地二次转运与堆放方式，造成盾构渣土实际成份(物理及化学) 离散性极大。

由于在施工过程中，为确保渣土达到塑性状态，人为添加了膨润土、表面 活性剂等成份，水和土壤微粒形成化学键结合态，渣土自然存放，难以干化。 在长期范围内均保持较大塑性与流动性能。表面活性剂中的高分子聚合物，难 以自然消失与消化，形成的泡沫遇水起泡，无序倾倒将严重影响市政管道排水 效率及污水处理厂正常运行。盾构渣土随意倾倒还可能引发滑坡、坍方、泥石 流、破坏地下水等自然灾害。因此，盾构渣土资源循环利用必须进行盾构渣土 无害化处理形成盾构干化土和盾构固渣。

盾构土无害化处理以后形成的盾构干化土性能、特点及循环利用应用方向如 下；

盾构渣土经渣浆分离、存池搅拌(陈化)、预处理、添加专用药剂并再行压 滤后，形成达排放标准的盾构干化土和盾构固渣及可循环利用的中水，盾构干 化土含水率可达40％以下，表面活性剂等高分子聚合物去除率可达98％以上。

1、物理化学成份及土的分类判别：

为了实现对经处理干化土的循环利用，必须对其物理及化学成份进行科学 分析。由于盾构渣土本身成份的不稳定性，故分析结论每批次均不完全相同， 经权威部门科学检测，现提供干化土成份范围值如下表：

表3干化土主要化学成份分析

表4干化土主要物理性能成份分析

自然鉴别：经处理后的干化土，手摸有明显湿腻感，用手能搓成条，刀切 时切面光滑。

2、盾构干化土的特点:

2.1、出土率高：经统计，盾构渣土经无害化处理，干化土出土率可达30％， 如考虑处理过程中首先分离出来的直径超过60mm的废渣(主要表现为混凝土 块、砖块、粗粒径卵石等)，需要利用的土及渣所占盾构渣土比例可达40％。

2.2、化学组成及成份极不稳定：与一般土壤不同，由于本盾构土来源于地 铁沿线，受线路、所处地点、开挖深度等地质条件，及施工方式、施工组织等 因素影响，造成经无害化处理以后的干化土，其化学成份含量均不相同，离散 性较大，不便于后期利用与处理；

2.3、由于在渣土处理过程中，经过分、陈、添、滤等多道工序，生产出来 的盾构干化土颗粒偏细，颗粒级配较差，后期不作处理，无法直接应用。

2.4、含水率高，相对于一般土壤，含水率40％相对较低，但不适合直接 用于土壤回填，改良、材料生产应用等。

2.5、土壤粘性较好，塑性指数可达28％以上，经简单试验，经处理以后的 干化土可揉捻成团，自然干燥后形状不变，自由落地不碎，裂开成块。粘性过 高有利于提高后期材料强度，但不利于成批生产，如制坯与干燥，同样需要进 行处理。

2.6、失水较快：盾构渣土经无害化处理，所生成盾构干化土经机械破碎后， 自然松散摊铺，厚度不超过100mm，温度20℃条件下，8小时失水可达40％， 30℃可达70％，如添置干燥设备，失水干燥更快。

3、循环利用应用方向说明：

基于以上特点，经处理以后的无害盾构干化土实现循环利用，经改良后适 合作为种植绿化土、胶泥或陶土、免烧环保砖或高标准烧结砖。由于前几项市 场需求量有限或市场认可程度不高，经综合分析，生产高标准烧结粘土砖是相 对合理可行的应用方向。

为了实现盾构干化土及固体废渣资源的循环利用，减少地铁施工固废的排 放，本发明提出了一种地铁盾构渣土烧结砖及生产方法。

一种地铁盾构渣土烧结砖利用盾构干化土为主要原料，在原料中掺加盾构 固渣和煤矸石，首先压制成砖坯，最后入窑炉烧结，得到地铁盾构渣土烧结砖。

各原料重量配比如下：各原料重量配比：盾构干化土65～80％、盾构固渣 10～30％、煤矸石15～25％。

盾构干化土中的Sio2、Ai2o3、Fe2o3等化学成份，是原料中间的有益成份， 可影响到最终产品的外观质量、颜色、烧结时温度与时间、需热量与燃料添加、 强度、泛霜及抗冻性能等，需要进行重点控制，确保上述成份含量不低于设定 值水平。盾构干化土中的Cao、Mgo、So3及重金属如Cu、Pb、Cr及等，均为 有害成份，其含量直接影响到成品合格率(如Ca含量导致爆砖)、S排放超标 等(重金属本身含量低，经1000℃焙烧可基本全部分解，本处忽略)，故对于 有害化学元素与成份，需要加以控制，以保证成品合格率。

为确保原料中的化学成份满足生产及最终成品要求，需要对其矿物组成进 行充分识别，并加以控制，措施包括采取不同形式的检验与试验，并对结果进 行评价，为确保最终原料组成(掺加)与配比提供依据。经总结分析，针对盾 构干化土，原料矿物化学成份组成与主要指标见表5中相关规定：

表5烧结砖原料矿物化学成份组成要求

依据上述技术要求，结合盾构干化土成份及特点，需要对经处理后的盾构 干化土先行改良，基本思路如下：

1、化学指标控制，重点即Sio2、Cao含量水平，Sio2是构成生产烧结粘 土砖的主要材料，也是本项目需要消耗的重点对象，其掺量高低决定了制坯难 易程度、烧结后的外观质量与最终强度。Cao如含量过高，经烧结以后的成品 极容易造成爆砖情况发生。主要采取以下措施予以控制：

1.1、资料信息收集与数据评价：通过调阅建设方地勘报告，了解出土隧 道所处位置地质情况，加强与施工单位沟通，随时掌握渣土成份动态变化，对 所有进入处理场的渣土，进行检查，通过颜色、颗粒、气味、保水性能等经验 判断成份的变化。

1.2、通过检验试验测定原料中主要化学成份，如Si、Cao、S等主要数据。

2、物理指标控制，即极限粒度、级配、含水率与塑性：

2.1、由于本盾构干化土属于粘土，粒径偏小，表面积大，不利于制坯、干 燥与焙烧，前期处理过程中分离出来的其他固体渣土(混凝土块、砖块、粗粒 径卵石)同样需要消化利用，采取破碎的方式，将上述材料粉碎成粒径小于2mm 机制砂，备料掺加，改善原料的粒径与级配；

2.2、盾构干化土含水率远超过原料含水要求，考虑其易失水特点，计划采 取自然干燥结合窑炉热能再利用方式，利用鼓风机、干燥车间等设备设施，将 干化土含水率降低到18％左右待用(考虑后期掺加、陈化过程中水分损失与含 水率变化，在制坯前将原料含水率控制在13％左右即可)。

2.3、根据公式：IP＝WL-WP可知：降低液限参数WL，或提高塑限参数 WP，均可满足降低塑性指数的要求，上述思路中，降低干化土含水率，可同步 降低WL，而掺加粗粒径砂骨料，改善原料配合比，可提升原料塑限WP，前述 两项措施的实施，可达到降低塑性指数IP的预期目的。

3、原料中重金属、有机物残余，后期经高温焙烧后，全部质变或消解。

4、在确定坯体烧成需热总量时，建议采用重量比计算法：

式中，B为烧成一块砖需要的热量(Kcal/块)，一般其取值受窑炉结构、 季节温度影响，参考推荐取值如下：

表6标准砖烧成需热量推荐值(大卡：Kcal)

注：粘土砖坯焙烧方式采取内燃法。

5、配料

由于盾构干化土化学成份不稳定，故循环利用盾构干化土生产烧结粘土 砖，与常用的原料配料方式不同，在进行配料计算时，需要坚持以下原则：

5.1、所有物理指标，均通过生产过程予以控制，确保原料物理性能满足规 定的数据范围值要求；

5.2、配料计算重点平衡化学成份(矿物含量)的高低，关键指标依据试验 结论，考核sio2的含量水平，由于盾构固渣中约占总量10％的粗粒径卵石、混 凝土、砖块需要消化使用，而卵石可作为sio2主要供应来源，配合混凝土块与 砖块，最终满足Si含量平衡。对于原料中间S、Cao分子含量超标，可分开使 用或不使用，注意S的含量，避免排放超标。

5.3、原料添加配比工作流程：

试验确定各组份化学成份含量水平；

依据要求计算Si元素平衡需要添加的盾构固渣量；

计算煤矸石(燃料)添加值及添加量；

推算添加后原料的各主要物理成份，制订措施予以控制，以满足本文表6 相关要求。

本发明还提供了一种地铁盾构渣土烧结砖生产方法，包括以下步骤：

步骤1：将盾构渣土进行无害化处理得到盾构干化土和盾构固渣，盾构干 化土利用自然摊铺晾晒的方式，降低含水率及塑性指数Ip，使盾构干化土含水 率控制在12～14％；盾构固渣经破碎形成机制砂，盾构固渣的粒径不超过2mm； 按盾构干化土65～80％、盾构固渣10～30％、煤矸石15～25％，按重量配比搅 拌均匀。按重量配比搅拌均匀后，再进行机械碾压工艺形成混合原料。

步骤2：将步骤1中的混合原料压制成砖坯；制成砖坯后进行干燥处理。

步骤3：将步骤2中的砖坯入窑炉烧结，得到地铁盾构渣土烧结砖。

采用上述方法烧结而成的地铁盾构渣土烧结砖质量完全满足 GB/T5101-2003《烧结普通砖》相关要求，特别是对于尺寸偏差与外观质量， 和传统烧结砖、页岩砖对比，表面平整无弯曲变形，外形美观，尺寸规则，优 等品率达95％以上；其中，强度可达18-25MPa，冻融试验后，质量损失小于 1％，无明显变形、泛霜情况发生。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种地铁盾构渣土烧结砖，其特征在于，至少由盾构干化土、盾构固渣、煤矸石原料压制成型烧结而成。

2.根据权利要求1所述的地铁盾构渣土烧结砖，其特征在于，各原料重量配比：盾构干化土65～80％、盾构固渣10～30％、煤矸石15～25％。

3.一种地铁盾构渣土烧结砖生产方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将盾构干化土65～80％、盾构固渣10～30％、煤矸石15～25％，按重量配比搅拌均匀；

步骤2：将步骤1中的混合原料压制成砖坯；

步骤3：将步骤2中的砖坯入窑炉烧结，得到地铁盾构渣土烧结砖。

4.根据权利要求3所述的地铁盾构渣土烧结砖生产方法，其特征在于，在步骤1中，将盾构渣土进行无害化处理得到盾构干化土和盾构固渣，盾构干化土利用自然摊铺晾晒的方式，降低含水率及塑性指数Ip，使盾构干化土含水率控制在12～14％；盾构固渣经破碎形成机制砂，盾构固渣的粒径不超过2mm；按重量配比搅拌均匀后，再进行机械碾压工艺形成混合原料。

5.根据权利要求4所述的地铁盾构渣土烧结砖生产方法，其特征在于，在步骤2中，制成砖坯后进行干燥处理。