本發(fā)明涉及地鐵盾構(gòu)渣土處理領(lǐng)域，特別涉及一種地鐵盾構(gòu)渣土燒結(jié)磚及生產(chǎn)方法。

背景技術(shù)：

在地鐵建設(shè)過程中產(chǎn)生大量的盾構(gòu)渣土，盾構(gòu)機(jī)在開挖隧道施工過程中，將排出大量盾構(gòu)渣土。同時為保證土壓平衡，將開挖面開挖下來的土體，依據(jù)地下水及土壤含水率、塑性指數(shù)、粒度等不同，摻加一定量的礦物類膨潤土(如粘土、蒙脫土制漿)、表面活性劑(鈉如aes)，在壓力艙內(nèi)調(diào)整成一種“塑性流動狀態(tài)”，以便于順利輸送至地面。盾構(gòu)渣土因為添加了一定成份的活性材料形成廢土。一方面未經(jīng)處理的大量盾構(gòu)渣土無法安全填埋與應(yīng)用，另一方面各地均禁止隨意開采利用粘土生產(chǎn)磚、陶瓷、陶粒等建筑材料。

目前，為了解決上述問題，需要對盾構(gòu)渣土進(jìn)行無害化處理。將盾構(gòu)渣土經(jīng)渣漿分離、存池攪拌(陳化)、預(yù)處理、添加專用藥劑并再行壓濾后，形成達(dá)排放標(biāo)準(zhǔn)的盾構(gòu)干化土及可循環(huán)利用的中水，盾構(gòu)干化土含水率可達(dá)40％以下，表面活性劑等高分子聚合物去除率可達(dá)98％以上。盾構(gòu)干化土及固體廢渣一般是輸送至填埋場進(jìn)行填埋處理。

由于盾構(gòu)干化土不同于一般土壤，盾構(gòu)干化土主要化學(xué)成份包括sio2、ai2o3、fe2o3、cao、mgo、so3及重金屬如cu、pb、cr及等，盾構(gòu)干化土主要化學(xué)成份礦物組成含量高低，決定了盾構(gòu)干化土的應(yīng)用方向、產(chǎn)品性能與生產(chǎn)工藝。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提出一種地鐵盾構(gòu)渣土燒結(jié)磚及生產(chǎn)方法，以解決了地鐵盾構(gòu)渣土處理難題，實現(xiàn)資源的循環(huán)利用，使盾構(gòu)渣土資源化、無害化、減少地鐵施工固廢的排放。

一方面，本發(fā)明提供了一種地鐵盾構(gòu)渣土燒結(jié)磚，至少由盾構(gòu)干化土、盾構(gòu)固渣、煤矸石原料壓制成型燒結(jié)而成。

進(jìn)一步地，各原料重量配比：盾構(gòu)干化土65～80％、盾構(gòu)固渣10～30％、煤矸石15～25％。

另一方面，本發(fā)明提供了一種地鐵盾構(gòu)渣土燒結(jié)磚生產(chǎn)方法，包括以下步驟：

步驟1：將盾構(gòu)干化土65～80％、盾構(gòu)固渣10～30％、煤矸石15～25％，按重量配比攪拌均勻；

步驟2：將步驟1中的混合原料壓制成磚坯；

步驟3：將步驟2中的磚坯入窯爐燒結(jié)，得到地鐵盾構(gòu)渣土燒結(jié)磚。

進(jìn)一步地，在步驟1中，將盾構(gòu)渣土進(jìn)行無害化處理得到盾構(gòu)干化土和盾構(gòu)固渣，盾構(gòu)干化土利用自然攤鋪晾曬的方式，降低含水率及塑性指數(shù)ip，使盾構(gòu)干化土含水率控制在12～14％；盾構(gòu)固渣經(jīng)破碎形成機(jī)制砂，盾構(gòu)固渣的粒徑不超過2mm；按重量配比攪拌均勻后，再進(jìn)行機(jī)械碾壓工藝形成混合原料。

進(jìn)一步地，在步驟2中，制成磚坯后進(jìn)行干燥處理。

本發(fā)明解決了地鐵盾構(gòu)渣土處理難題，實現(xiàn)資源的循環(huán)利用，使盾構(gòu)渣土資源化、無害化、減少地鐵施工固廢的排放。產(chǎn)品質(zhì)量完全滿足gb/t5101-2003《燒結(jié)普通磚》相關(guān)要求，特別是對于尺寸偏差與外觀質(zhì)量，和傳統(tǒng)燒結(jié)磚、頁巖磚對比，表面平整無彎曲變形，外形美觀，尺寸規(guī)則，優(yōu)等品率達(dá)95％以上；其中，強(qiáng)度可達(dá)18-25mpa，凍融試驗后，質(zhì)量損失小于1％，無明顯變形、泛霜情況發(fā)生。

具體實施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面結(jié)合實施例來詳細(xì)說明本發(fā)明。

盾構(gòu)渣土基本組成分為三相，即固相(土粒)、液相(含水)與氣相(空隙)。盾構(gòu)渣土產(chǎn)生于地鐵沿線地下深處挖掘(依據(jù)功能、地質(zhì)不同，一般在地下20m左右)，土壤沒有經(jīng)過污染，故重金屬一般不會超過限值。由于地質(zhì)情況、開工方式(明挖或暗挖)、開挖深度不同，每個城市、每條線、每個區(qū)間標(biāo)段甚至每兩車之間的盾構(gòu)渣土，物理化學(xué)成份均不完全相同。經(jīng)選取長沙地鐵三號線某兩站點在開挖前原土物理性能對比如下表1：

表1：原土地勘報告主要物理力學(xué)指標(biāo)表

經(jīng)多輪次對不同時間、各站點渣土處理場所未經(jīng)處理有害渣土進(jìn)行固物成份、基本物理性能分析，結(jié)果統(tǒng)計如下：

表2：未經(jīng)處理渣土基本組成及主要物理指標(biāo)(范圍)分析

通過上述對比結(jié)論可知，同條線相同地質(zhì)層之間數(shù)據(jù)差異非常大。具體到實際施工過程中，由于開挖深度至不同地質(zhì)層、施工方式?jīng)Q定了是否添加膨潤土、活性劑，場地二次轉(zhuǎn)運(yùn)與堆放方式，造成盾構(gòu)渣土實際成份(物理及化學(xué))離散性極大。

由于在施工過程中，為確保渣土達(dá)到塑性狀態(tài)，人為添加了膨潤土、表面活性劑等成份，水和土壤微粒形成化學(xué)鍵結(jié)合態(tài)，渣土自然存放，難以干化。在長期范圍內(nèi)均保持較大塑性與流動性能。表面活性劑中的高分子聚合物，難以自然消失與消化，形成的泡沫遇水起泡，無序傾倒將嚴(yán)重影響市政管道排水效率及污水處理廠正常運(yùn)行。盾構(gòu)渣土隨意傾倒還可能引發(fā)滑坡、坍方、泥石流、破壞地下水等自然災(zāi)害。因此，盾構(gòu)渣土資源循環(huán)利用必須進(jìn)行盾構(gòu)渣土無害化處理形成盾構(gòu)干化土和盾構(gòu)固渣。

盾構(gòu)土無害化處理以后形成的盾構(gòu)干化土性能、特點及循環(huán)利用應(yīng)用方向如下；

盾構(gòu)渣土經(jīng)渣漿分離、存池攪拌(陳化)、預(yù)處理、添加專用藥劑并再行壓濾后，形成達(dá)排放標(biāo)準(zhǔn)的盾構(gòu)干化土和盾構(gòu)固渣及可循環(huán)利用的中水，盾構(gòu)干化土含水率可達(dá)40％以下，表面活性劑等高分子聚合物去除率可達(dá)98％以上。

1、物理化學(xué)成份及土的分類判別：

為了實現(xiàn)對經(jīng)處理干化土的循環(huán)利用，必須對其物理及化學(xué)成份進(jìn)行科學(xué)分析。由于盾構(gòu)渣土本身成份的不穩(wěn)定性，故分析結(jié)論每批次均不完全相同，經(jīng)權(quán)威部門科學(xué)檢測，現(xiàn)提供干化土成份范圍值如下表：

表3干化土主要化學(xué)成份分析

表4干化土主要物理性能成份分析

自然鑒別：經(jīng)處理后的干化土，手摸有明顯濕膩感，用手能搓成條，刀切時切面光滑。

2、盾構(gòu)干化土的特點:

2.1、出土率高：經(jīng)統(tǒng)計，盾構(gòu)渣土經(jīng)無害化處理，干化土出土率可達(dá)30％，如考慮處理過程中首先分離出來的直徑超過60mm的廢渣(主要表現(xiàn)為混凝土塊、磚塊、粗粒徑卵石等)，需要利用的土及渣所占盾構(gòu)渣土比例可達(dá)40％。

2.2、化學(xué)組成及成份極不穩(wěn)定：與一般土壤不同，由于本盾構(gòu)土來源于地鐵沿線，受線路、所處地點、開挖深度等地質(zhì)條件，及施工方式、施工組織等因素影響，造成經(jīng)無害化處理以后的干化土，其化學(xué)成份含量均不相同，離散性較大，不便于后期利用與處理；

2.3、由于在渣土處理過程中，經(jīng)過分、陳、添、濾等多道工序，生產(chǎn)出來的盾構(gòu)干化土顆粒偏細(xì)，顆粒級配較差，后期不作處理，無法直接應(yīng)用。

2.4、含水率高，相對于一般土壤，含水率40％相對較低，但不適合直接用于土壤回填，改良、材料生產(chǎn)應(yīng)用等。

2.5、土壤粘性較好，塑性指數(shù)可達(dá)28％以上，經(jīng)簡單試驗，經(jīng)處理以后的干化土可揉捻成團(tuán)，自然干燥后形狀不變，自由落地不碎，裂開成塊。粘性過高有利于提高后期材料強(qiáng)度，但不利于成批生產(chǎn)，如制坯與干燥，同樣需要進(jìn)行處理。

2.6、失水較快：盾構(gòu)渣土經(jīng)無害化處理，所生成盾構(gòu)干化土經(jīng)機(jī)械破碎后，自然松散攤鋪，厚度不超過100mm，溫度20℃條件下，8小時失水可達(dá)40％，30℃可達(dá)70％，如添置干燥設(shè)備，失水干燥更快。

3、循環(huán)利用應(yīng)用方向說明：

基于以上特點，經(jīng)處理以后的無害盾構(gòu)干化土實現(xiàn)循環(huán)利用，經(jīng)改良后適合作為種植綠化土、膠泥或陶土、免燒環(huán)保磚或高標(biāo)準(zhǔn)燒結(jié)磚。由于前幾項市場需求量有限或市場認(rèn)可程度不高，經(jīng)綜合分析，生產(chǎn)高標(biāo)準(zhǔn)燒結(jié)粘土磚是相對合理可行的應(yīng)用方向。

為了實現(xiàn)盾構(gòu)干化土及固體廢渣資源的循環(huán)利用，減少地鐵施工固廢的排放，本發(fā)明提出了一種地鐵盾構(gòu)渣土燒結(jié)磚及生產(chǎn)方法。

一種地鐵盾構(gòu)渣土燒結(jié)磚利用盾構(gòu)干化土為主要原料，在原料中摻加盾構(gòu)固渣和煤矸石，首先壓制成磚坯，最后入窯爐燒結(jié)，得到地鐵盾構(gòu)渣土燒結(jié)磚。

各原料重量配比如下：各原料重量配比：盾構(gòu)干化土65～80％、盾構(gòu)固渣10～30％、煤矸石15～25％。

盾構(gòu)干化土中的sio2、ai2o3、fe2o3等化學(xué)成份，是原料中間的有益成份，可影響到最終產(chǎn)品的外觀質(zhì)量、顏色、燒結(jié)時溫度與時間、需熱量與燃料添加、強(qiáng)度、泛霜及抗凍性能等，需要進(jìn)行重點控制，確保上述成份含量不低于設(shè)定值水平。盾構(gòu)干化土中的cao、mgo、so3及重金屬如cu、pb、cr及等，均為有害成份，其含量直接影響到成品合格率(如ca含量導(dǎo)致爆磚)、s排放超標(biāo)等(重金屬本身含量低，經(jīng)1000℃焙燒可基本全部分解，本處忽略)，故對于有害化學(xué)元素與成份，需要加以控制，以保證成品合格率。

為確保原料中的化學(xué)成份滿足生產(chǎn)及最終成品要求，需要對其礦物組成進(jìn)行充分識別，并加以控制，措施包括采取不同形式的檢驗與試驗，并對結(jié)果進(jìn)行評價，為確保最終原料組成(摻加)與配比提供依據(jù)。經(jīng)總結(jié)分析，針對盾構(gòu)干化土，原料礦物化學(xué)成份組成與主要指標(biāo)見表5中相關(guān)規(guī)定：

表5燒結(jié)磚原料礦物化學(xué)成份組成要求

依據(jù)上述技術(shù)要求，結(jié)合盾構(gòu)干化土成份及特點，需要對經(jīng)處理后的盾構(gòu)干化土先行改良，基本思路如下：

1、化學(xué)指標(biāo)控制，重點即sio2、cao含量水平，sio2是構(gòu)成生產(chǎn)燒結(jié)粘土磚的主要材料，也是本項目需要消耗的重點對象，其摻量高低決定了制坯難易程度、燒結(jié)后的外觀質(zhì)量與最終強(qiáng)度。cao如含量過高，經(jīng)燒結(jié)以后的成品極容易造成爆磚情況發(fā)生。主要采取以下措施予以控制：

1.1、資料信息收集與數(shù)據(jù)評價：通過調(diào)閱建設(shè)方地勘報告，了解出土隧道所處位置地質(zhì)情況，加強(qiáng)與施工單位溝通，隨時掌握渣土成份動態(tài)變化，對所有進(jìn)入處理場的渣土，進(jìn)行檢查，通過顏色、顆粒、氣味、保水性能等經(jīng)驗判斷成份的變化。

1.2、通過檢驗試驗測定原料中主要化學(xué)成份，如si、cao、s等主要數(shù)據(jù)。

2、物理指標(biāo)控制，即極限粒度、級配、含水率與塑性：

2.1、由于本盾構(gòu)干化土屬于粘土，粒徑偏小，表面積大，不利于制坯、干燥與焙燒，前期處理過程中分離出來的其他固體渣土(混凝土塊、磚塊、粗粒徑卵石)同樣需要消化利用，采取破碎的方式，將上述材料粉碎成粒徑小于2mm機(jī)制砂，備料摻加，改善原料的粒徑與級配；

2.2、盾構(gòu)干化土含水率遠(yuǎn)超過原料含水要求，考慮其易失水特點，計劃采取自然干燥結(jié)合窯爐熱能再利用方式，利用鼓風(fēng)機(jī)、干燥車間等設(shè)備設(shè)施，將干化土含水率降低到18％左右待用(考慮后期摻加、陳化過程中水分損失與含水率變化，在制坯前將原料含水率控制在13％左右即可)。

2.3、根據(jù)公式：ip＝wl-wp可知：降低液限參數(shù)wl，或提高塑限參數(shù)wp，均可滿足降低塑性指數(shù)的要求，上述思路中，降低干化土含水率，可同步降低wl，而摻加粗粒徑砂骨料，改善原料配合比，可提升原料塑限wp，前述兩項措施的實施，可達(dá)到降低塑性指數(shù)ip的預(yù)期目的。

3、原料中重金屬、有機(jī)物殘余，后期經(jīng)高溫焙燒后，全部質(zhì)變或消解。

4、在確定坯體燒成需熱總量時，建議采用重量比計算法：

式中，b為燒成一塊磚需要的熱量(kcal/塊)，一般其取值受窯爐結(jié)構(gòu)、季節(jié)溫度影響，參考推薦取值如下：

表6標(biāo)準(zhǔn)磚燒成需熱量推薦值(大卡：kcal)

注：粘土磚坯焙燒方式采取內(nèi)燃法。

5、配料

由于盾構(gòu)干化土化學(xué)成份不穩(wěn)定，故循環(huán)利用盾構(gòu)干化土生產(chǎn)燒結(jié)粘土磚，與常用的原料配料方式不同，在進(jìn)行配料計算時，需要堅持以下原則：

5.1、所有物理指標(biāo)，均通過生產(chǎn)過程予以控制，確保原料物理性能滿足規(guī)定的數(shù)據(jù)范圍值要求；

5.2、配料計算重點平衡化學(xué)成份(礦物含量)的高低，關(guān)鍵指標(biāo)依據(jù)試驗結(jié)論，考核sio2的含量水平，由于盾構(gòu)固渣中約占總量10％的粗粒徑卵石、混凝土、磚塊需要消化使用，而卵石可作為sio2主要供應(yīng)來源，配合混凝土塊與磚塊，最終滿足si含量平衡。對于原料中間s、cao分子含量超標(biāo)，可分開使用或不使用，注意s的含量，避免排放超標(biāo)。

5.3、原料添加配比工作流程：

試驗確定各組份化學(xué)成份含量水平；

依據(jù)要求計算si元素平衡需要添加的盾構(gòu)固渣量；

計算煤矸石(燃料)添加值及添加量；

推算添加后原料的各主要物理成份，制訂措施予以控制，以滿足本文表6相關(guān)要求。

本發(fā)明還提供了一種地鐵盾構(gòu)渣土燒結(jié)磚生產(chǎn)方法，包括以下步驟：

步驟1：將盾構(gòu)渣土進(jìn)行無害化處理得到盾構(gòu)干化土和盾構(gòu)固渣，盾構(gòu)干化土利用自然攤鋪晾曬的方式，降低含水率及塑性指數(shù)ip，使盾構(gòu)干化土含水率控制在12～14％；盾構(gòu)固渣經(jīng)破碎形成機(jī)制砂，盾構(gòu)固渣的粒徑不超過2mm；按盾構(gòu)干化土65～80％、盾構(gòu)固渣10～30％、煤矸石15～25％，按重量配比攪拌均勻。按重量配比攪拌均勻后，再進(jìn)行機(jī)械碾壓工藝形成混合原料。

步驟2：將步驟1中的混合原料壓制成磚坯；制成磚坯后進(jìn)行干燥處理。

步驟3：將步驟2中的磚坯入窯爐燒結(jié)，得到地鐵盾構(gòu)渣土燒結(jié)磚。

采用上述方法燒結(jié)而成的地鐵盾構(gòu)渣土燒結(jié)磚質(zhì)量完全滿足gb/t5101-2003《燒結(jié)普通磚》相關(guān)要求，特別是對于尺寸偏差與外觀質(zhì)量，和傳統(tǒng)燒結(jié)磚、頁巖磚對比，表面平整無彎曲變形，外形美觀，尺寸規(guī)則，優(yōu)等品率達(dá)95％以上；其中，強(qiáng)度可達(dá)18-25mpa，凍融試驗后，質(zhì)量損失小于1％，無明顯變形、泛霜情況發(fā)生。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。