利用采石表層土制備免燒磚的試驗研究

王 鍇，趙 健，徐 萍，李 榮（.堯柏特種水泥技術研發有限公司，陜西 西安 7000；.陜西省建筑科學研究院有限公司，陜西 西安 7008）

0 前言

為保障水泥生產主要原材料充足供應，堯柏水泥集團在漢中洋縣建立了規模較大的石灰石礦產開采生產線，該礦山巖體主要為石灰石礦，開采石灰石需剝離掉礦山表層雜土。隨著開采量的增加，剝離所得的礦山表層土量迅速增加，目前已積累超過400萬m3表層雜土，表層土大量堆積不僅影響了開采效率，而且在水流和重力作用下，會形成坍塌或泥石流的地質災害，對礦區環境及人民生命財產造成威脅。

利用黏土制備燒結磚技術已有千年歷史，但燒結磚制備過程的高耗能、高碳排放已逐漸不適應環境優化發展理念，因此將采礦產出的表層雜土用非燒結的方式再利用，具有重要的研究意義。利用黏土制備非燒結類墻材具有原材料易得、工藝簡單、成本低廉、保溫性能良好等特點[1]，可以說是真正的零排放、零污染，很好響應了“碳達峰、碳中和”國家戰略，同時變廢為寶，拉動地方經濟，間接支持國家鄉村振興計劃?，F階段免燒磚原材料主要來源有工業廢渣、污泥等[2]。利用黏土直接制備免燒磚存在著抵抗水損害能力差的風險，需要采用物理及化學改性方式去改善磚體性能。張波等[3]研究表明，在素土中加入活性摻和料、增韌材料及激發劑材料可制備出抗壓強度≥15 MPa的免燒磚制品。

本文以洋縣石灰石礦表層雜土、水泥為主要原材料，以吸水率、7 d和28 d抗壓強度為控制指標，研究水泥用量、絮凝劑及增強劑摻量對免燒黏土磚固化效果的影響，得出免燒磚最佳配比，并對最佳配比的免燒磚的抗壓強度、干燥收縮率、吸水率、抗凍性能、碳化后強度、軟化系數Kf等性能進行了試驗檢測。

1 試驗

1.1 原材料

（1）石灰石礦山表層雜土:本次試驗所采用的雜土為土石混合物，其中0.1～2000mm粒徑的石灰石占65%左右，黏性紅土占35%左右；在使用之前需要對土、石進行人工分離破碎，得到的含砂土與細度模數3.0的機制砂，具體化學成分見表1，2。

表1 含砂土化學成分 %

由表 1 可見，含砂土中 SiO2、Al2O3、Fe2O3與 CaO含量較高（累加占比達95%以上），樣品燒失量為3.07%，有機質含量適中。

表2 破碎機制砂化學成分 %

由表1，2可見，破碎所得機制砂CaO含量超過50%，說明CaCO3為主要成分。

（2）水泥：堯柏特種水泥集團有限公司生產的P·O42.5水泥，滿足《通用硅酸鹽水泥》GB/T 175—2007[4]的要求。

（3）增強劑：本試驗采用自主研制的A/B雙組分液體增強劑，兩者按1∶1質量比協同使用，具有固化增強和防水作用，其主要組成見表3，4。

表3 增強劑A化學組成

表4 增強劑B化學組成

（4）水：自來水。

（5）絮凝劑：有機絮凝劑為陰離子型聚丙烯酰胺（PAM），白色粉末；無機絮凝劑為聚合氯化鋁（PAC），黃褐色粉末，兩種絮凝劑都是用于表皮土泡水后泥與砂石的加速分離。

1.2 免燒磚制備方法

將晾干破碎的含沙土、破碎機制砂、水泥、石灰等原材料混合均勻后倒入攪拌機，再將增強劑A,B按先后順序倒入，以150r/min的轉速攪拌120 s，再將水倒入后繼續攪拌120s。將拌和好的混合料裝入塑料袋，系緊袋口靜置20min，使水分充分分散，然后將靜置過的混合料倒入模具中并在50MPa靜壓荷載下穩壓2min成型后脫模，將免燒磚試件在25℃下標養得到不同齡期的免燒磚。

1.3 測試方法

抗壓強度測試參照《砌墻磚試驗方法》GB/T 2542—2012[5]與《非燒結垃圾尾礦磚》JC/T 422—2007[6]來執行指標控制?？箖鲂?、干燥收縮率、吸水率、碳化性能和軟化性能測試方法按照《混凝土砌塊和磚實驗方法》GB/T 4111—2013.2002[7]與《非燒結垃圾尾礦磚》JC/T 422—2007來執行指標控制。

2 試驗結果與分析

2.1 水泥摻量對固化效果影響

將人工分離的含砂土與砂石破碎得到沙土與機制砂，沙土與機制砂按質量比2∶3混合并摻入水泥，調整水泥用量為占總質量13%、15%、17%、19%。由圖2可見，隨著水泥摻入量增大，免燒磚的7d與28d抗壓強度呈顯著上升趨勢，這是由于水泥量增多水化產物生成量增加，有效提高免燒磚致密程度，促使強度提升。當水泥用量占比達到15%以后，免燒磚28 d抗壓強度已達到15 MPa以上，滿足JC/T 422—2007對MU15強度等級的要求?？紤]到成本及經濟性，將水泥用量確定為15%，并展開后續開發研究。

圖2 水泥摻量對免燒磚固化效果影響

2.2 絮凝劑對固化效果的影響

將泥石未分離的表皮土用足量水浸泡24h后得到泥石漿，人工篩出粒徑2.5mm以上的塊狀砂石。隨后在泥石漿水中加入絮凝劑，促使始終懸浮顆粒失去穩定性，加速泥漿中沙土的沉淀分離，再將沉淀層以上的水自然蒸發獲得沙土塊，分別將沙土塊與石塊破碎，獲得沙土與機制砂?？刂扑嗟膿搅坎蛔?，設置3組試驗分別為：不含絮凝劑空白組、有機絮凝劑組、無機絮凝劑組，編號分別為XU-K、XU-Y和XU-W，結果見圖3，4。

圖3 不同絮凝劑對免燒磚固化效果影響

圖4 不同絮凝劑對免燒磚吸水率影響

由圖3，4可知，成型測試各組免燒磚28d強度可知，空白組的抗壓強度最高，吸水率最低。因為加入絮凝劑后，絮凝劑會殘留在免燒磚試件中，其保水能力依舊存在，導致靜壓成型的需水量增大，從而降低抗壓強度。同時絮凝劑的吸水、保水作用會導致免燒磚吸水率上升。因此，考慮到性能損失問題，在對表層土泥漿中泥石分離效率無特殊要求條件下，不推薦使用絮凝劑加速分離。

2.3 增強劑的效果評價

選取不含絮凝劑成分的沙土和機制砂，控制水泥摻量為15%為定值，增強劑用量為變量。增強劑使用方法為：增強劑A組分與增強劑B組分按1∶1質量比先后加入。增強劑A、B組分合計摻入量變化控制為：0%、4.0%、5.0%、6.0%、7.0%。發現隨著增強劑摻量的增大，壓制成型過程中模具底部壓濾出的水分增多；測試7 d、28 d抗壓強度及免燒磚吸水率見圖5，6。

圖5 增強劑摻量對免燒磚固化效果影響

圖6 增強劑摻量對免燒磚吸水率影響

由圖5，6可知，隨著增強劑的加入，增強劑中的早強成分發揮作用，促使7d強度抗壓強度持續增長，但無機早強劑的加入會導致28d強度呈降低趨勢。另外，吸水率隨著增強劑的增加持續降低。增強劑主要是由早強組分、成膜防水組分及減水組分組成，因此能促進免燒磚早期強度形成；增強劑A中含有硅酸鈉，增強劑B中含有大量氯化鈣，兩組增強劑的先后加入會在攪拌過程中迅速反應生成硅膠和硅酸鈣凝膠，起到很好的膠結與填充作用，也起到有效的防水作用，因此增強劑用量越大，免燒磚的吸水率越低。綜合考慮固化強度效果、防水能力及經濟因素，增強劑A、B合計摻量確定為總質量的5.0%。

2.4 免燒磚性能測試

結合前期各階段研究結果，形成最佳質量配比為：水泥∶砂土∶機制砂∶水∶增強劑A∶增強劑B=15∶30∶45∶5∶2.5∶2.5，按該配比制備免燒磚并測試一系列性能，測試結果見表5。

表5 采石表層土制備免燒磚性能測試結果

通過結果測試可知，所制備的免燒磚28d強度超過規范要求值10.7%，強度理想。其吸水率只有規范最低要求的27%，干燥收縮率、抗凍性能以及抗碳化性能也均在規范要求合理范圍內。因此所研究制備出的免燒磚各項性能均能達到JC/T422—2007《非燒結垃圾尾礦磚》對MU15強度等級免燒磚的最低要求，具有一定的應用推廣價值。

3 結語

（1）利用漢中某地區的礦山扒皮土為原料制備免燒磚，最佳配比為：水泥∶砂土∶機制砂∶水∶增強劑A∶增強劑B=15∶30∶45∶5∶2.5∶2.5，在50MPa靜壓成型條件下所制備出的各項性能免燒磚滿足JC/T 422—2007《非燒結垃圾尾礦磚》對MU15強度等級的要求。

（2）隨著水泥用量的增加，采石表層土免燒磚的固化效果呈上升趨勢，當水泥用量占比達到15%時，可達到預計固化效果。

（3）促進采石表皮土泥石分離的絮凝劑對免燒磚的性能有負面影響，會導致強度的降低和吸水率的增大。

（4）隨著增強劑用量的增加，采石表皮土免燒磚的早期強度有所提升，28d強度有一定的降低，但吸水率會有持續改善，綜合考慮經濟與性能的改善效果，推薦增強劑總摻量占原材料總質量5%。