CN112745098B - 一种原状盾构渣土免烧路面砖及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种原状盾构渣土免烧路面砖及其制备方法，该免烧路面砖由面层和底层复合而成，面层由如下质量百分比原料组成：粒化高炉矿渣5‑30％、钢渣35‑70％、生石灰4‑15％、碳酸钠1‑15％、硅酸钠粉1‑15％、水10‑22％；底层由如下质量百分比原料组成：粒化高炉矿渣5‑30％、钢渣1‑15％、原状盾构渣土45‑80％、生石灰1‑10％、碳酸钠0.5‑8％、氢氧化钠0.1‑5％、硅酸钠粉0.2‑6％、纤维0‑0.3％、水1‑15％。本发明无需添加水泥，免烧结，免压制，所制备免烧路面砖体积密度小、抗压强度和抗折强度高、抗冻性好、表面耐磨性能好，保湿性好，具有重要的经济效益、环境效益和社会效益。
Description
技术领域
本发明属于建材材料技术和固废处理领域，具体涉及一种原状盾构渣土免烧路面砖及其制备方法。
背景技术
现阶段，我国城市轨道交通及其他基础设施建设(如城市综合管廊、管网、地下快速通道等)发展规模大、速度快、投资高，并且主要以盾构法施工为主，往往会产生数百万方的盾构渣土。目前，地铁渣土的处置已经成为困恼施工单位、建设单位等无法回避的痛点、难点问题。特别是土压平衡盾构渣土，其不同于泥水平衡盾构渣土的流态状，而主要表现为可塑、软塑状态，通常呈“膏体”状，导致脱水与筛分极为困难，使得资源化利用难度增加、附加值降低。
对于盾构渣土，现有的处置方式一般为露天弃置。从企业层面来看，首先，这将极大的增加施工成本，通常渣土处置费包括运输费和弃置费，占据地铁建设费用的10％左右，给施工企业带来很大的经济压力；其次，由于渣土消纳场库容严重不足，不能满足地铁施工产生的渣土弃置需求，导致施工现场不能及时出渣，进而延误施工工期；最后，渣土池及渣土运输会影响现场施工环境。从社会层面来看，由于盾构渣土含水率和含泥率较高，露天堆放极易产生滑坡等事故，存在极大地安全隐患，并且会占用大量土地资源，同时会污染周边水土环境。特别地，很多城市已面临着无地可堆的处境，渣土围城的现象将愈发显现。
因此，如何处置盾构渣土特别是土压平衡盾构渣土将是地铁施工不可回避的一个问题。
高炉矿渣是冶炼行业最主要的一种工业废渣，目前还有进一步充分资源化利用的空间。钢渣由于其处理工艺不同，导致钢渣的成分、性能有很大的差别，如游离氧化钙含量多导致稳定性不良，金属铁含量高导致不易粉磨等，制约了钢渣的大规模应用，使得其综合利用率不足20％。因此，还有很大的利用空间。目前，传统的路面砖都是由水泥等胶凝材料，石子、沙子等集料为主要原料，经加工、振动加压或其他成型工艺制成。而每生产1kg水泥约产生1kg 二氧化碳排放，同时还会产生有害气体、粉尘、污水排放，给环境造成很大的危害。
若将原状盾构渣土结合工业废渣不经脱水或筛分等处理而直接制备免烧路面砖，将降低生产成本，提高渣土制品附加值，通过“以废治废”达到“变废为宝”的目的。同时，将为施工企业节省巨额渣土处置费用，实现“土方式”银行，带动相关产业发展，取得显著的经济效益、环境效益和社会效益。
发明内容
本发明的目的在于解决盾构渣土难以处置及资源化利用，处置费用高、延误施工工期、增加施工成本，以及占用土地资源、安全风险高、污染生态环境的问题。
为实现上述目的，本发明提出了一种工艺简单、处理速度快、附加值高、大掺量处置并资源化利用盾构渣土的方法，通过利用原状盾构渣土与钢渣、高炉矿渣等废渣混合制备体积密度小、抗压强度和抗折强度高、抗冻性好、表面耐磨性能好，保湿性好，生产成本低的原状盾构渣土免烧路面砖，可合理有效利用资源，同时兼具良好的经济效益、环境效益和社会效益。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种原状盾构渣土免烧路面砖，所述原状盾构渣土免烧路面砖由面层和底层组成，底层厚度大于面层厚度，面层厚度为3mm及以上。
所述面层由如下质量百分比原料组成：粒化高炉矿渣5-30％、钢渣35-70％、生石灰4-15％、碳酸钠1-15％、硅酸钠粉1-15％、水10-22％；所述底层由如下质量百分比的原料组成：粒化高炉矿渣5-30％、钢渣 1-15％、原状盾构渣土45-80％、生石灰1-10％、碳酸钠0.5-8％、氢氧化钠0.1-5％、硅酸钠粉0.2-6％、纤维0-0.3％、水1-15％。
优选地，所述原状盾构渣土为刀盘切削后进入土仓，经螺旋输送机、皮带输送机、轨道渣土车运输或泵送至地面渣土池中的未经脱水与筛分处理的原状渣土。
优选地，所述纤维为玄武岩纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维中的至少一种。
优选地，所述粒化高炉矿渣目数为200-400目；所述钢渣粒径小于9.5mm；所述生石灰含钙量大于90％，细度为100-200目；所述碳酸钠为粉末状，细度为100-200目；所述硅酸钠为粉末状，模数为2.0-3.2，细度为100-200目；所述氢氧化钠为固体片状分析纯，纯度大于99％；所述纤维长度大于6mm，直径大于9μm。
上述任一实施方式所述的原状盾构渣土免烧路面砖的制备方法，包括如下步骤：
(1)按质量百分比分别称取面层原料，将粒化高炉矿渣、钢渣、生石灰、碳酸钠、硅酸钠粉和水混合搅拌均匀，得面层物料S1；
(2)按质量百分比分别称取底层原料，将原料混合搅拌均匀，得底层物料S2；
(3)将面层物料S1平铺于模具底部，再将底层物料浇筑于面层物料S1之上，室温自然养护后脱模，得免烧路面砖Ⅰ；
(4)将免烧路面砖Ⅰ室温自然养护1-28d，然后放入水中或氢氧化钠溶液中浸泡养护0-28d，得免烧路面砖Ⅱ；
(5)对免烧路面砖Ⅱ采用自然风干或烘干的方式去除表面的水分，得最终的免烧路面砖。
优选地，在步骤(2)中，包括如下步骤：
步骤一：先将水加入原状盾构渣土中，搅拌均匀，得混合物a；
步骤二：将粒化高炉矿渣、钢渣、生石灰、碳酸钠、硅酸钠粉混合搅拌均匀，得混合物b；
步骤三：将混合物b加入混合物a中，混合搅拌均匀，得混合物c；
步骤四：将氢氧化钠加入混合物c中，混合搅拌均匀，得混合物d；
步骤五：将玄武岩纤维加入混合物d中，混合搅拌均匀，得底层物料S2；
或者：将氢氧化钠和纤维同时加入混合物c中，混合搅拌均匀，得底层物料S2。
优选地，在步骤(3)中，将面层物料S1平铺于模具底部后，采用振动模具的方式使面层物料均匀的填充于模具底部；然后将底层物料浇筑入面层物料S1之上，通过底层物料的自重将面层压实，使得面层和底层之间达到无缝粘结的效果。
优选地，底层厚度越大，效果越好。
优选地，在步骤(3)中，室温自然养护1-24h后脱模。
优选地，所述原状盾构渣土为没有经过脱水与筛分处理的盾构渣土，对于含粗颗粒较多的盾构渣土，搅拌前进行破碎处理。
特别地，所述原状盾构渣土的初始含水率可以高达40％及以上。
优选地，所述粒化高炉矿渣目数为200-400目。
优选地，所述钢渣粒径小于9.5mm；进一步地，所述钢渣粒径小于4.75mm。
优选地，所述生石灰含钙量大于90％，细度为100-200目。
优选地，所述碳酸钠为粉末状，细度为100-200目。
优选地，所述硅酸钠为粉末状，模数为2.0-3.2，细度为100-200 目。
优选地，所述氢氧化钠为固体片状分析纯，纯度大于99％。
优选地，所述纤维为玄武岩纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维中的一种或多种，长度大于6mm，直径大于9μm。
优选地，在步骤(4)中，所述水为自来水；所述氢氧化钠溶液的物质的量浓度小于1mol/L。
优选地，可以在面层原料中添加固体粉状颜料或在成型后的面层涂抹液体染色剂进行着色，以适应不同的应用场景需求。
本发明的所述免烧路面砖可以广泛应用于市政广场、小区公园、园林道路等，助力海绵城市建设。
本发明的有益效果为：
本发明采取面层与底层复合的形式，实现原状盾构渣土浇筑法制备免烧路面砖。其中，底层厚度大于面层厚度，面层厚度为3mm及以上，可以很好的粘结，实现无缝对接。底层厚度越大，效果越好，保证了路面砖整体的抗压及抗折性能，同时解决了表面耐磨的问题。
面层物料中，通过碱激发粒化高炉矿渣和钢渣产生胶凝物质来达到短时间内凝结的效果，形成均匀的网状结构，使得底层物料可以很好地浇筑于其表面，避免液固比过大导致面层物料被压实后向四周扩散或者不能与底层物料有效贴合。
生石灰与水反应生成氢氧化钙，再与碳酸钠反应生成氢氧化钠和碳酸钙。粒化高炉矿渣和钢渣在碱性环境下产生胶凝物质，充分利用钢渣自身的胶凝活性、耐磨性及集料属性，形成稳定的面层结构。特别地，钢渣及其水化产物可与空气中的二氧化碳发生反应，而掺入的碳酸钠可以促进碳化过程。此外，碳酸钠还可以减弱渣土中黏土颗粒间的连接，释放部分结合水，从而减小渣土的黏附性，起到分散渣土颗粒的效果。
底层物料主要通过碱激发粒化高炉矿渣产生胶凝物质来获得强度，粒化高炉矿渣玻璃体中的硅氧键和铝氧键在强碱的作用下发生断裂，溶出四面体并向四周扩散，吸附在渣土颗粒表面，再与氧化钙水化后的氢氧化物发生缩聚反应，硅酸钠粉溶解后的水合硅离子同时加速了缩聚反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙和水化硅铝酸钙凝胶相物质，确保了路面砖的整体抗压强度。
由于粒化高炉矿渣颗粒细小，外形不规则，有效地与渣土颗粒贴合，原状渣土料在强碱环境下逐步生成凝胶相，并在渣土颗粒之间聚集，进而包络周围的渣土体，达到固化原状渣土的效果。在这个过程中，外加水主要以自由水的形式通过蒸发而散失，凝胶相进一步排出渣土颗粒之间的自由水以及部分弱结合水，填充并密实渣土料，最后硬化形成渣土固化体。
外加水主要起到分散原状渣土颗粒的效果，使其从“膏体”状调节为流态泥浆状，更好的与粉状外加剂混合搅拌均匀。生石灰消耗底层物料中的外加水，与水反应生成氢氧化钙，再与碳酸钠反应生成氢氧化钠和碳酸钙，提高了底层物料早期强度。
生成的碱性氢氧化物与外加的氢氧化钠为底层物料提供了强碱环境，激发粒化高炉矿渣和钢渣的活性，生成网状胶凝物质逐渐包络渣土颗粒，主导固化渣土体的强度。粒化高炉矿渣可保持氧化钙的含量，并提供硅离子和铝离子，维持胶凝体系的反应过程，不断填充并密实渣土固化体。
钢渣主要起到骨料及产生胶凝物质的作用，掺入适当钢渣可提高固化渣土体强度10％及以上。特别地，对于风化程度较高或土层类的含粗颗粒较少的渣土，钢渣的集料作用凸显，与盾构渣土中的黏粒具有很好的粘附性，再加上自身的胶凝活性，以及表面富集的铝离子和钙离子，进一步强化了固化渣土体的网状结构。钢渣水化膨胀还可以抵消原状盾构渣土中水分散失产生的干缩效应。
纤维在固化渣土体内部起到加筋强化的作用，并在水分散失产生裂纹之后起到侨联作用，适当掺量一定比例的纤维，既可增加固化渣土体的抗压强度和抗折强度，又可提高其韧性。
在养护过程中，通过将原状盾构渣土免烧路面砖放入水中或氢氧化钠溶液中浸泡养护的方式，一方面，可以促进其内部水化反应，进一步提高免烧路面砖的强度；另一方面，可以有效的降低或消除钢渣的膨胀率，增强体积稳定性。
本发明原状盾构渣土免烧路面砖的制备方法制成的免烧路面砖，具有体积密度小、抗压强度和抗折强度高、抗冻性好、表面耐磨性能好，保湿性好等优点，生产成本低，应用前景广阔。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1是本发明实施例1原状盾构渣土免烧路面砖单轴压缩应力-应变全曲线图。
图2是本发明实施例2原状盾构渣土免烧路面砖单轴压缩应力-应变全曲线图。
图3是本发明实施例3原状盾构渣土免烧路面砖单轴压缩应力-应变全曲线图。
图4是本发明实施例4原状盾构渣土免烧路面砖单轴压缩应力-应变全曲线图。
图5是本发明实施例5原状盾构渣土免烧路面砖单轴压缩应力-应变全曲线图。
图6是本发明实施例6原状盾构渣土免烧路面砖单轴压缩应力-应变全曲线图。
图7是本发明对比例1原状盾构渣土免烧路面砖单轴压缩应力-应变全曲线图。
图8是本发明实施例6原状盾构渣土免烧路面砖抗折试验后的截面图。
图9是本发明实施例6和对比例1原状盾构渣土免烧路面砖复合效果对比图。
图10是本发明对比例2原状盾构渣土免烧路面砖单轴压缩应力- 应变全曲线图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
本具体实施方式提出的原状盾构渣土免烧路面砖，所述原状盾构渣土免烧路面砖由面层和底层组成，底层厚度大于面层厚度，面层厚度为3mm及以上。其中，所述面层由如下质量百分比原料组成：粒化高炉矿渣5-30％、钢渣35-70％、生石灰4-15％、碳酸钠1-15％、硅酸钠粉1-15％、水10-22％；所述底层由如下质量百分比的原料组成：粒化高炉矿渣5-30％、钢渣1-15％、原状盾构渣土45-80％、生石灰1-10％、碳酸钠0.5-8％、氢氧化钠0.1-5％、硅酸钠粉0.2-6％、纤维0-0.3％、水 1-15％。
上述的原状盾构渣土免烧路面砖的制备方法，包括如下步骤：
(1)按质量百分比分别称取面层原料，将粒化高炉矿渣、钢渣、生石灰、碳酸钠、硅酸钠粉和水混合搅拌均匀，得面层物料S1；
(2)按质量百分比分别称取底层原料，将原料混合搅拌均匀，得底层物料S2；
(3)将面层物料S1平铺于模具底部，再将底层物料浇筑于面层物料S1之上，室温自然养护后脱模，得免烧路面砖Ⅰ；
(4)将免烧路面砖Ⅰ室温自然养护1-28d，然后放入水中或氢氧化钠溶液中浸泡养护0-28d，得免烧路面砖Ⅱ。
(5)对免烧路面砖Ⅱ采用自然风干或烘干的方式去除表面的水分，得最终的免烧路面砖。
具体地，在步骤(2)中，包括如下步骤：
步骤一：先将水加入原状盾构渣土中，搅拌均匀，得混合物a；
步骤二：将粒化高炉矿渣、钢渣、生石灰、碳酸钠、硅酸钠粉混合搅拌均匀，得混合物b；
步骤三：将混合物b加入混合物a中，混合搅拌均匀，得混合物c；
步骤四：将氢氧化钠加入混合物c中，混合搅拌均匀，得混合物d；
步骤五：将玄武岩纤维加入混合物d中，混合搅拌均匀，得底层物料S2。
或将氢氧化钠和纤维同时加入混合物c中，混合搅拌均匀，得底层物料S2。
下述实施例和对比例中，盾构渣土取自长沙地铁6号线三工区某区间的原状全风化板岩渣土料，测得其初始含水率为42％，5μm及以下的黏粒含量为38％，75μm以下粉粒含量为92％。粒化高炉矿渣目数为200；钢渣粒径全部在2.36mm以下；生石灰细度为150目，含钙量为91％；碳酸钠目数为150；硅酸钠粉模数为2.85，细度为200目；氢氧化钠为固体片状分析纯，纯度99％；纤维采用玄武岩纤维，其长度为6mm，直径为17μm；水为自来水。
实施例1
一种原状盾构渣土免烧路面砖，由面层和底层组成，面层厚度为 11mm，底层厚度为59mm；其中，按相应质量比称取原材料，面层原料质量百分比组成如下：粒化高炉矿渣18.34％、钢渣40.82％、生石灰 8.16％、碳酸钠12.25％、硅酸钠粉6.12％、水14.31％；底层原料质量百分比组成如下：粒化高炉矿渣19.29％、钢渣3.96％、原状盾构渣土 54.62％、生石灰5.14％、碳酸钠2.85％、氢氧化钠1.71％、硅酸钠粉 3.25％、纤维0.07％、水9.11％。
其制备步骤如下：
(1)按质量百分比称取面层原料，将粒化高炉矿渣、钢渣、生石灰、碳酸钠、硅酸钠粉和水混合搅拌均匀，得面层物料S1；
(2)按质量百分比分别称取底层原料，将原料混合搅拌均匀，得底层物料S2；
(3)将面层物料S1平铺于模具底部，再将底层物料浇筑于面层物料S1之上，室温自然养护12h后脱模，得免烧路面砖Ⅰ；
(4)将免烧路面砖Ⅰ室温自然养护28d，然后放入物质的量浓度为0.45mol/L的氢氧化钠溶液中浸泡7d，得免烧路面砖Ⅱ；
(5)对免烧路面砖Ⅱ采用自然风干的方式去除表面的水分，得最终的免烧路面砖。
其中，步骤(2)中的具体步骤如下：
步骤一：先将水加入原状盾构渣土中，搅拌5min至均匀，得混合物a；
步骤二：将粒化高炉矿渣、钢渣、生石灰、碳酸钠、硅酸钠粉混合搅拌均匀，得混合物b；
步骤三：将混合物b加入混合物a中，混合搅拌5min至均匀，得混合物c；
步骤四：将氢氧化钠和纤维同时加入混合物c中，混合搅拌10min 至均匀，得底层物料S2。
经测试，本实施例制成的免烧路面砖的体积密度为1822kg/m3；平均抗压强度为17.12MPa，图1为免烧路面砖的单轴压缩应力-应变全曲线图；平均抗折强度为3.6MPa；吸水率1.62％；冻融25次循环后的平均抗压强度为14.35MPa，即强度损失为16.2％，质量损失为0.4％；表面磨坑长度为24mm。
实施例2
一种原状盾构渣土免烧路面砖，由面层和底层组成，面层厚度为9mm，底层厚度为61mm；其中，按相应质量比称取原材料，面层原料质量百分比组成如下：粒化高炉矿渣17.04％、钢渣38.29％、生石灰 12.64％、碳酸钠6.51％、硅酸钠粉10.63％、水14.89％；底层原料质量百分比组成如下：粒化高炉矿渣20.13％、钢渣4.2％、原状盾构渣土 54.43％、生石灰5.12％、碳酸钠2.71％、氢氧化钠1.62％、硅酸钠粉 3.21％、纤维0.06％、水8.52％。
其制备步骤如下：
(1)按质量百分比称取面层原料，将粒化高炉矿渣、钢渣、生石灰、碳酸钠、硅酸钠粉和水混合搅拌均匀，得面层物料S1；
(2)按质量百分比分别称取底层原料，将原料混合搅拌均匀，得底层物料S2；
(3)将面层物料S1平铺于模具底部，再将底层物料浇筑于面层物料S1之上，室温自然养护12h后脱模，得免烧路面砖Ⅰ；
(4)将免烧路面砖Ⅰ室温自然养护28d，然后放入水中浸泡7d，得免烧路面砖Ⅱ。
(5)对免烧路面砖Ⅱ采用自然风干的方式去除表面的水分，得最终的免烧路面砖。
其中，步骤(2)中的具体步骤如下：
步骤一：先将水加入原状盾构渣土中，搅拌5min至均匀，得混合物a；
步骤二：将粒化高炉矿渣、钢渣、生石灰、碳酸钠、硅酸钠粉混合搅拌均匀，得混合物b；
步骤三：将混合物b加入混合物a中，混合搅拌5min至均匀，得混合物c；
步骤四：将氢氧化钠和纤维同时加入混合物c中，混合搅拌10min 至均匀，得底层物料S2。
经测试，本实施例制成的免烧路面砖的体积密度为1810kg/m3；平均抗压强度为15.22MPa，图2为免烧路面砖的单轴压缩应力-应变全曲线图；平均抗折强度为3.5MPa；吸水率1.71％；冻融25次循环后的平均抗压强度为12.77MPa，即强度损失为16.1％，质量损失为0.4％；表面磨坑长度为26mm。
实施例3
一种原状盾构渣土免烧路面砖，由面层和底层组成，面层厚度为 7mm，底层厚度为53mm；其中，按相应质量比称取原材料，面层原料质量百分比组成如下：粒化高炉矿渣26.83％、钢渣43.91％、生石灰 7.32％、碳酸钠2.44％、硅酸钠粉2.44％、水17.06％；底层原料质量百分比组成如下：粒化高炉矿渣18.37％、钢渣4.4％、原状盾构渣土 57.18％、生石灰3.98％、碳酸钠2.65％、氢氧化钠1.59％、硅酸钠粉 3.24％、纤维0.1％、水8.49％。
其制备步骤如下：
(1)按质量百分比称取面层原料，将粒化高炉矿渣、钢渣、生石灰、碳酸钠、硅酸钠粉和水混合搅拌均匀，得面层物料S1；
(2)按质量百分比分别称取底层原料，将原料混合搅拌均匀，得底层物料S2；
(3)将面层物料S1平铺于模具底部，再将底层物料浇筑于面层物料S1之上，室温自然养护12h后脱模，得免烧路面砖Ⅰ；
(4)将免烧路面砖Ⅰ室温自然养护28d，然后放入水中浸泡3d，得免烧路面砖Ⅱ。
(5)对免烧路面砖Ⅱ采用自然风干的方式去除表面的水分，得最终的免烧路面砖。
其中，步骤(2)中的具体步骤如下：
步骤一：先将水加入原状盾构渣土中，搅拌5min至均匀，得混合物a；
步骤二：将粒化高炉矿渣、钢渣、生石灰、碳酸钠、硅酸钠粉混合搅拌均匀，得混合物b；
步骤三：将混合物b加入混合物a中，混合搅拌5min至均匀，得混合物c；
步骤四：将氢氧化钠和纤维同时加入混合物c中，混合搅拌10min 至均匀，得底层物料S2。
经测试，本实施例制成的免烧路面砖的体积密度为1808kg/m3；平均抗压强度为14.01MPa，图3为免烧路面砖的单轴压缩应力-应变全曲线图；平均抗折强度为3.3MPa；吸水率1.76％；冻融25次循环后的平均抗压强度为11.59MPa，即强度损失为17.3％，质量损失为0.42％；表面磨坑长度为28mm。
实施例4
一种原状盾构渣土免烧路面砖，由面层和底层组成，面层厚度 5mm，底层厚度为55mm；其中，按相应质量比称取原材料，面层原料质量百分比组成如下：粒化高炉矿渣11.89％、钢渣57.14％、生石灰 7.14％、碳酸钠4.76％、硅酸钠粉4.76％、水14.31％；底层原料质量百分比组成如下：粒化高炉矿渣11.25％、钢渣4.21％、原状盾构渣土 70.1％、生石灰1.73％、碳酸钠1.01％、氢氧化钠0.43％、硅酸钠粉1.15％、纤维0.05％、水10.07％。
其制备步骤如下：
(1)按质量百分比称取面层原料，将粒化高炉矿渣、钢渣、生石灰、碳酸钠、硅酸钠粉和水混合搅拌均匀，得面层物料S1；
(2)按质量百分比分别称取底层原料，将原料混合搅拌均匀，得底层物料S2；
(3)将面层物料S1平铺于模具底部，再将底层物料浇筑于面层物料S1之上，室温自然养护24h后脱模，得免烧路面砖Ⅰ；
(4)将免烧路面砖Ⅰ室温自然养护28d，得最终的免烧路面砖。
其中，步骤(2)中的具体步骤如下：
步骤一：先将水加入原状盾构渣土中，搅拌5min至均匀，得混合物a；
步骤二：将粒化高炉矿渣、钢渣、生石灰、碳酸钠、硅酸钠粉混合搅拌均匀，得混合物b；
步骤三：将混合物b加入混合物a中，混合搅拌5min至均匀，得混合物c；
步骤四：将氢氧化钠和纤维同时加入混合物c中，混合搅拌10min 及以上至均匀，得底层物料S2。
经测试，本实施例制成的免烧路面砖的体积密度为1801kg/m3；平均抗压强度为12.89MPa，图4为免烧路面砖的单轴压缩应力-应变全曲线图；平均抗折强度为3.4MPa；吸水率1.81％；冻融25次循环后的平均抗压强度为10.76MPa，即强度损失为16.5％，质量损失为0.4％；表面磨坑长度为30mm。
实施例5
一种原状盾构渣土免烧路面砖，由面层和底层组成，面层厚度为 5mm，底层厚度为55mm；其中，按相应质量比称取原材料，面层原料质量百分比组成如下：粒化高炉矿渣11.89％、钢渣57.14％、生石灰 7.14％、碳酸钠4.76％、硅酸钠粉4.76％、水14.31％；底层原料质量百分比组成如下：粒化高炉矿渣9.83％、钢渣11.82％、原状盾构渣土 61.11％、生石灰2.13％、碳酸钠0.72％、氢氧化钠0.55％、硅酸钠粉 0.91％、纤维0.04％、水12.89％。
其制备步骤如下：
(1)按质量百分比称取面层原料，将粒化高炉矿渣、钢渣、生石灰、碳酸钠、硅酸钠粉和水混合搅拌均匀，得面层物料S1；
(2)按质量百分比分别称取底层原料，将原料混合搅拌均匀，得底层物料S2；
(3)将面层物料S1平铺于模具底部，再将底层物料浇筑于面层物料S1之上，室温自然养护24h后脱模，得免烧路面砖Ⅰ；
(4)将免烧路面砖Ⅰ室温自然养护28d，得最终的免烧路面砖。
其中，步骤(2)中的具体步骤如下：
步骤一：先将水加入原状盾构渣土中，搅拌5min至均匀，得混合物a；
步骤二：将粒化高炉矿渣、钢渣、生石灰、碳酸钠、硅酸钠粉混合搅拌均匀，得混合物b；
步骤三：将混合物b加入混合物a中，混合搅拌5min至均匀，得混合物c；
步骤四：将氢氧化钠和纤维同时加入混合物c中，混合搅拌10min 至均匀，得底层物料S2。
经测试，本实施例制成的免烧路面砖的体积密度为1854kg/m3；平均抗压强度为11.35MPa，图5为免烧路面砖的单轴压缩应力-应变全曲线图；平均抗折强度为3.2MPa；吸水率1.85％；冻融25次循环后的平均抗压强度为9.5MPa，即强度损失为16.3％，质量损失为0.4％；表面磨坑长度为30mm。
实施例6
一种原状盾构渣土免烧路面砖，由面层和底层组成，面层厚度为 3mm，底层厚度为57mm；其中，按相应质量比称取原材料，面层原料质量百分比组成如下：粒化高炉矿渣9.53％、钢渣63.16％、生石灰 6.26％、碳酸钠2.63％、硅酸钠粉2.63％、水15.79％；底层原料质量百分比组成如下：粒化高炉矿渣16.22％、钢渣6.82％、原状盾构渣土 62.33％、生石灰1.36％、碳酸钠0.68％、氢氧化钠0.44％、硅酸钠粉 0.81％、纤维0.03％、水11.31％。
其制备步骤如下：
(1)按质量百分比称取面层原料，将粒化高炉矿渣、钢渣、生石灰、碳酸钠、硅酸钠粉和水混合搅拌均匀，得面层物料S1；
(2)按质量百分比分别称取底层原料，将原料混合搅拌均匀，得底层物料S2；
(3)将面层物料S1平铺于模具底部，再将底层物料浇筑于面层物料S1之上，室温自然养护24h后脱模，得免烧路面砖Ⅰ；
(4)将免烧路面砖Ⅰ室温自然养护28d，得最终的免烧路面砖。
其中，步骤(2)中的具体步骤如下：
步骤一：先将水加入原状盾构渣土中，搅拌5min至均匀，得混合物a；
步骤二：将粒化高炉矿渣、钢渣、生石灰、碳酸钠、硅酸钠粉混合搅拌均匀，得混合物b；
步骤三：将混合物b加入混合物a中，混合搅拌5min至均匀，得混合物c；
步骤四：将氢氧化钠加入混合物c中，混合搅拌5min至均匀，得混合物d；
步骤五：将玄武岩纤维加入混合物d中，混合搅拌5min至均匀，得底层物料S2。
经测试，本实施例制成的免烧路面砖的体积密度为1790kg/m3；平均抗压强度为10.48MPa，图6为免烧路面砖的单轴压缩应力-应变全曲线图；平均抗折强度为3.0MPa；吸水率1.87％；冻融15次循环后的平均抗压强度为9.47MPa，即强度损失为9.6％，质量损失为0.2％；表面磨坑长度为34mm。
如图8所示，图8为免烧路面砖经过抗折强度试验后从中间折断为两半的截面图，从截面可以看出，路面砖的面层和底层粘结牢固，在不影响其他性能指标的情况下，保证了路面砖的表面耐磨性。
进一步，对本发明原状盾构渣土免烧路面砖的双层复合效果作详细说明。
对比例1
一种免烧路面砖，由面层和底层组成，面层厚度为3mm，底层厚度为57mm；其中，按相应质量比称取原材料，面层原料质量百分比组成如下：PO42.5水泥21.05％、钢渣63.16％、水15.79％；底层原料质量百分比组成如下：粒化高炉矿渣16.22％、钢渣6.82％、原状盾构渣土62.33％、生石灰1.36％、碳酸钠0.68％、氢氧化钠0.44％、硅酸钠粉0.81％、纤维0.03％、水11.31％。
其制备步骤如下：
(1)按质量百分比称取面层原料，将PO42.5水泥、钢渣、水混合搅拌均匀，得面层物料S1；
(2)按质量百分比分别称取底层原料，将原料混合搅拌均匀，得底层物料S2；
(3)将面层物料S1平铺于模具底部，再将底层物料浇筑于面层物料S1之上，室温自然养护24h后脱模，得免烧路面砖Ⅰ；
(4)将免烧路面砖Ⅰ室温自然养护28d，得最终的免烧路面砖。
其中，步骤(2)中的具体步骤如下：
步骤一：先将水加入原状盾构渣土中，搅拌5min至均匀，得混合物a；
步骤二：将粒化高炉矿渣、钢渣、生石灰、碳酸钠、硅酸钠粉混合搅拌均匀，得混合物b；
步骤三：将混合物b加入混合物a中，混合搅拌5min至均匀，得混合物c；
步骤四：将氢氧化钠加入混合物c中，混合搅拌5min至均匀，得混合物d；
步骤五：将玄武岩纤维加入混合物d中，混合搅拌5min至均匀，得底层物料S2。
经测试，本对比例制成的免烧路面砖的体积密度为1796kg/m3；平均抗压强度为9.52MPa，图7为免烧路面砖的单轴压缩应力-应变全曲线图；平均抗折强度为2.8MPa；吸水率1.87％；冻融15次循环后的平均抗压强度为8.59MPa，即强度损失为9.8％，质量损失为0.2％；表面磨坑长度为36mm。
图9为对比例1和实施例6制成的免烧路面砖的侧面图，侧面(a) 为对比例1制成的免烧路面砖的侧面，侧面(b)为实施例6制成的免烧路面砖的侧面。由图9可以看出，对比例1所制备的路面砖的面层与底层之间粘结不牢固，顺着两个面的分界面处有一条明显可见的裂缝，而实施例6所制备的路面砖的面层和底层之间实现了无缝粘结的效果。
对比例2
一种原状盾构渣土免烧路面砖，由面层和底层组成，面层厚度为 3mm，底层厚度为57mm；其中，按相应质量比称取原材料，面层原料质量百分比组成如下：粒化高炉矿渣9.53％、钢渣63.16％、生石灰 6.26％、碳酸钠2.63％、硅酸钠粉2.63％、水15.79％；底层原料质量百分比组成如下：粒化高炉矿渣16.22％、钢渣0％、原状盾构渣土69.15％、生石灰1.36％、碳酸钠0.68％、氢氧化钠0.44％、硅酸钠粉0.81％、纤维0.03％、水11.31％。
其制备步骤如下：
(1)按质量百分比称取面层原料，将粒化高炉矿渣、钢渣、生石灰、碳酸钠、硅酸钠粉和水混合搅拌均匀，得面层物料S1；
(2)按质量百分比分别称取底层原料，将原料混合搅拌均匀，得底层物料S2；
(3)将面层物料S1平铺于模具底部，再将底层物料浇筑于面层物料S1之上，室温自然养护24h后脱模，得免烧路面砖Ⅰ；
(4)将免烧路面砖Ⅰ室温自然养护28d，得最终的免烧路面砖。
其中，步骤(2)中的具体步骤如下：
步骤一：先将水加入原状盾构渣土中，搅拌5min至均匀，得混合物a；
步骤二：将粒化高炉矿渣、生石灰、碳酸钠、硅酸钠粉混合搅拌均匀，得混合物b；
步骤三：将混合物b加入混合物a中，混合搅拌5min至均匀，得混合物c；
步骤四：将氢氧化钠加入混合物c中，混合搅拌5min至均匀，得混合物d；
步骤五：将玄武岩纤维加入混合物d中，混合搅拌5min至均匀，得底层物料S2。
经测试，本对比例制成免烧路面砖的体积密度为1781kg/m3；平均抗压强度为9.14MPa(如图10所示)，相比实施例6，其平均抗压强度减少了14.7％；平均抗折强度为2.9MPa；吸水率1.86％；冻融15次循环后的平均抗压强度为8.21MPa，即强度损失为10.2％，质量损失为0.3％；表面磨坑长度为34mm。
本发明的其他有益效果：
(1)不需要使用水泥等传统胶凝材料，以及机制砂或天然砂石等骨料，免烧制，无需振动或加压成型，相比传统的路面砖，避免了有害气体、粉尘、污水、碳排放、砂石开采等对环境的影响。
(2)原状盾构渣土无需脱水与筛分处理，极大的简化了处置工艺与流程，降低生产成本。处理过程简单，脱模时间短，周转快，在施工现场即可推广、可复制。
(3)针对不同类型的盾构渣土具有普遍适用性，无需考虑其表观密度、含水率、孔隙率、颗粒级配、渗透性等差异性，可通过加水调节硬塑、软塑状态的渣土，达到浇筑成型与资源化利用的目的。
(4)采用工业废渣与原状盾构渣土结合的方式，大掺量处置并资源化利用盾构渣土，通过“以废治废”实现“变废为宝”，极大地提高了盾构渣土的附加值。
(5)浇筑法制备的免烧路面砖体积密度小，抗压强度和抗折强度高、抗冻性好、表面耐磨性能好，可以广泛应用于市政广场、小区公园、园林道路等，助力海绵城市建设。
(6)节省渣土运输费和弃置费，降低施工成本，改善现场施工环境，避免了渣土堆存带来的安全风险及隐患，可以获得很好的经济效益、环境效益和社会效益。
需要说明的是，上述实施例中所使用的原状全风化板岩盾构渣土，由于风化程度高，黏粒含量和含水量都比较大，粗颗粒含量少，制成的免烧路面砖的性能还不是最佳的，若选用其他类型的土压平衡盾构渣土(如砂土、粉土、粉砂层、中风化和强风化各类岩层盾构渣土等)，所制成的免烧路面砖的性能更优异，比如强度可超过20MPa。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
Claims (10)
1.一种原状盾构渣土免烧路面砖，其特征在于，所述原状盾构渣土免烧路面砖由面层和底层组成，底层厚度大于面层厚度，面层厚度为3mm及以上，面层由如下质量百分比原料组成：粒化高炉矿渣5-30％、钢渣35-70％、生石灰4-15％、碳酸钠1-15％、硅酸钠粉1-15％、水10-22％；底层由如下质量百分比的原料组成：粒化高炉矿渣5-30％、钢渣1-15％、原状盾构渣土45-80％、生石灰1-10％、碳酸钠0.5-8％、氢氧化钠0.1-5％、硅酸钠粉0.2-6％、纤维0-0.3％、水1-15％。
2.根据权利要求1所述的原状盾构渣土免烧路面砖，其特征在于，所述原状盾构渣土为刀盘切削后进入土仓，经螺旋输送机、皮带输送机、轨道渣土车运输或泵送至地面渣土池中的未经脱水与筛分处理的原状渣土。
3.根据权利要求1所述的原状盾构渣土免烧路面砖，其特征在于，所述纤维为玄武岩纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的原状盾构渣土免烧路面砖，其特征在于，所述粒化高炉矿渣目数为200-400目；所述钢渣粒径小于9.5mm；所述生石灰含钙量大于90％，细度为100-200目；所述碳酸钠为粉末状，细度为100-200目；所述硅酸钠为粉末状，模数为2.0-3.2，细度为100-200目；所述氢氧化钠为固体片状分析纯，纯度大于99％；所述纤维长度大于6mm，直径大于9μm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的原状盾构渣土免烧路面砖的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按质量百分比分别称取面层原料，将粒化高炉矿渣、钢渣、生石灰、碳酸钠、硅酸钠粉和水混合搅拌均匀，得面层物料S1；
(2)按质量百分比分别称取底层原料，将原料混合搅拌均匀，得底层物料S2；
(3)将面层物料S1平铺于模具底部，再将底层物料浇筑于面层物料S1之上，室温自然养护后脱模，得免烧路面砖Ⅰ；
(4)将免烧路面砖Ⅰ室温自然养护1-28d，然后放入水中或氢氧化钠溶液中浸泡养护0-28d，得免烧路面砖Ⅱ；
(5)对免烧路面砖Ⅱ采用自然风干或烘干的方式去除表面的水分，得最终的免烧路面砖。
6.根据权利要求5所述的原状盾构渣土免烧路面砖的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，先将水加入原状盾构渣土中，搅拌均匀，得混合物a；将粒化高炉矿渣、钢渣、生石灰、碳酸钠、硅酸钠粉混合搅拌均匀，得混合物b；将混合物b加入混合物a中，混合搅拌均匀，得混合物c；将氢氧化钠加入混合物c中，混合搅拌均匀，得混合物d；将纤维加入混合物d中，混合搅拌均匀，得底层物料S2；或者：将氢氧化钠和纤维同时加入混合物c中，混合搅拌均匀，得底层物料S2。
7.根据权利要求5所述的原状盾构渣土免烧路面砖的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，将面层物料S1平铺于模具底部后，采用振动模具的方式使面层物料均匀的填充于模具底部；然后将底层物料浇筑入面层物料S1之上，通过底层物料的自重将面层压实，使得面层和底层之间达到无缝粘结的效果。
8.根据权利要求5所述的原状盾构渣土免烧路面砖的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，室温自然养护1-24h后脱模。
9.根据权利要求5所述的原状盾构渣土免烧路面砖的制备方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述水为自来水；所述氢氧化钠溶液的物质的量浓度小于1mol/L。
10.根据权利要求5所述的原状盾构渣土免烧路面砖的制备方法，其特征在于，在面层原料中添加固体粉状颜料或在成型后的面层涂抹液体染色剂进行着色，以适应不同的应用场景需求。
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