工程弃土真空挤出成型及干燥特性研究＊——以许昌市为例

侯逸青，肖建庄，高 琦，，沈剑羽，马亚辉，柳 炎

（1.同济大学 土木工程学院，上海 200092；2.许昌金科资源再生股份有限公司，河南 许昌 461001）

1 引言

中国城市化正在迅速推进，已进入高速增长期。随着现代化工程的大量建设，在取得突破性进展的同时，建筑垃圾排放量增长形势严峻。据统计，建筑废弃物的数量已占城市垃圾总量的30%～40%［1］。其中，在工程建设中开挖的工程弃土，就约占建筑垃圾的50%以上［2］。以北京为例，2014年北京全市清运建筑垃圾3.9 ×107t，其中约85%为弃土［3］。大量的工程弃土直接造成了“弃土围城”的现象，如果不对其进行处理和再利用，就会造成环境污染、滑坡、泥石流等危害。目前，我国对弃土的处理方式仍以弃置堆积为主。然而，弃土堆是一种扰动土地表面的特殊地貌，是加速土壤流失的最重要来源［4］。2015年，深圳光明新区凤凰社区恒泰裕工业园发生山体滑坡的主要原因就是渣土的无序消纳，造成了77人遇难［5］。同时，随着弃土总量的激增，有限面积的弃土填埋场已然无法满足堆填要求［6］。近年来，我国对工程弃土随意弃置等违法行为监管力度加大，沿海地区填海造地项目受到严格管控，渣土消纳问题变得越发突出［7］。

土资源具有不可再生性，因此对弃土进行再利用可以缓解自然资源短缺的问题，具有非常大的优势。Xiao等［8］对弃土的再利用提出了许多方法，包括常规填埋法、地基处理法、人工造山法等，还对利用建筑渣土生产水泥土和烧结砖的两种新工艺进行了评述和探讨。将弃土作为原料，制成弃土烧结砖或弃土免烧砖，作为新型环保墙面或者路面材料，已被证明具有很好的可行性［9-11］。柏静等［12］总结了利用弃土进行烧结砖制备的特点和成本效益，目前的市场情景也推广这种资源再利用方式。在制备过程中，合理的成型含水率是保证质量的必要条件。成型时若含水率过低，则不易密实，难以成型。相反，若含水率过高，则会导致干燥过程易产生变形和开裂［13］。在GB/T 36495—2018烧结砖瓦原料物理性能试验方法［14］中，成型含水率为通过普氏成型水分试验确定的普氏成型含水率。然而，普氏成型实验依赖于普氏塑性仪，但普氏塑性仪在中国市场甚至没有购买渠道，且实验操作繁琐。同时，干燥敏感性系数的试验又基于成型含水率。普氏成型含水率的难以确定，使得其他试验也无法顺利进行，造成了诸多不便。一般而言，工程弃土以地表土为主，随着区域和深度的变化，土壤的性质会存在差异。不同矿物组成和含量的差异，特别是黏土矿物的含量，对土的物理性质如塑性、干燥收缩影响明显，从而决定了制品在成型阶段和干燥阶段的质量。当土的塑性指数过低时，会造成其成型困难；当土的干燥敏感性系数过高时，会造成土坯在干燥过程中产生开裂［15-16］。因此，在成型阶段，为保证土坯光滑平整，塑性指数不可过低，而在干燥阶段，为保证坯体不产生裂纹，干燥敏感性系数不可过高，只有同时满足上述条件的弃土才可作为砖原料。

本研究基于真空挤出、干燥箱干燥的制砖工艺条件，探讨弃土制砖时较优的成型含水率以及土样所应满足的塑性指数和干燥敏感性系数条件。

2 挤出成型含水率

2.1 试验材料

弃土土样Y、弃土土样B均取自于河南省许昌市建筑工程地基开挖排放的弃土，其物理性质见表1、主要化学成分组成见表2、主要矿物成分含量见表3、级配曲线见图1。根据JTG 3430—2020公路土工试验规程［17］的试验方法“落锥法”，采用LP-100的数显式土壤液塑限联合测定仪，并选用100 g锥体对土样进行联合液塑限测定试验，根据3个试验点得到双对数坐标系下含水率同锥入深度的关系曲线（图2），并得到液塑限、塑性指数和土样类别，结果如表4所示。

表4 工程弃土界限含水率Table 4 Limit moisture content of construction spoil

图1 级配曲线Figure 1 Particle size distribution curve

图2 双对数坐标系下含水率-锥入深度曲线Figure 2 Water content-depth curve in double logarithmic coordinate system

表1 工程弃土的物理性质Table 1 Physical properties of construction spoil

表2 工程弃土的主要化学成分Table 2 Main chemical composition of construction spoil

表3 工程弃土的主要矿物成分Table 3 Main mineral composition of construction spoil

2.2 试验设计

2.2.1 试验方法

主要包括直剪试验、真空挤出试验以及干燥处理。在进行直剪试验时、挤出试验前，各试验组需在室内陈化1 d，使水分在土体内更加均匀。陈化结束后，对于挤出试验，还需要对土样进行练泥后再倒入真空挤出机进行挤出。对挤出后无开裂现象或开裂较少的土样，挤出后进行切割处理，分别制备3块147mm×29mm×17mm的砖坯，记录实际尺寸后放入干燥箱进行干燥处理。干燥结束后，再次进行尺寸测量，计算干燥体积收缩率，并观察开裂情况。

直剪试验采用南京土壤仪器厂ZJ型应变控制式直剪仪，速率为4 r/min。挤出试验采用CLEAR 050C真空挤出机，压力量程为4MPa，为保证真空挤出机的正常工作和使用寿命，在本试验中成型压力不得超过量程的3/4，否则视为不能挤出。在使用真空挤出机时，需在内壁涂抹一层机油，真空度需达到80 kPa。干燥过程中采用的干燥箱为202型电热恒温干燥箱。考虑含水量较高时，容易产生干燥裂缝，因此先以2.6 ℃/min的速率从室温上升至40℃恒温24 h，再以4.3 ℃/min的速率上升至105℃恒温8 h，其中各阶段的加热速率为干燥箱默认数值。

2.2.2 试验组设计的说明

图2为双对数坐标系下，土样Y、B的含水率-锥入深度曲线。落锥法通过圆锥的锥入深度反映土样在受力时的可塑性［18］，因此可以从锥入深度方面考虑成型含水率，且不应小于土样的可塑状态的下限即塑限。分别选取锥入深度hp、hp+2 mm、hp+4mm所对应的含水率作为成型含水率，其中hp的含义为塑限所对应的锥入深度。根据图2可知，土样Y、B的hp分别为4.05 、2.88 mm。如表5所示，每种工程弃土设计3组不同的成型含水率，Y-hp、Y-hp2、Y-hp4及B-hp、B-hp2、Bhp4分别代表土样Y、B的成型含水率为锥入深度hp、hp+2mm、hp+4mm所对应的含水率。

表5 成型含水率试验组Table 5 Molding water content test group

2.3 试验结果分析与讨论

2.3.1 不同成型含水率对抗剪强度参数的影响

对于黏性土而言，抗剪强度可用摩尔库伦公式表达为：

式中：τ为抗剪强度（kPa），c为黏聚力（kPa），σ为施加在土样上的垂直应力（kPa），φ为内摩擦角（°）。土样Y、B的直剪试验结果如图3所示。

图3 抗剪强度参数Figure3 Shear strength parameters

由图3可知，随着成型含水率的增加，土样Y和土样B的黏聚力均呈下降的趋势，土样Y的摩擦角变化趋势不明显，土样B的摩擦角仍呈下降趋势。当锥入深度与各自的hp关系一定时，土样B的黏聚力高于土样Y，而摩擦角低于土样Y。此结果与胡世丽等［19］的研究结果一致，塑性指数越大，黏聚力越大，内摩擦角越小。Khanlari等［20］从统计学角度研究了塑性指数与黏聚力和内摩擦角的关系，同样证实了塑性指数与黏聚力呈正相关，而与内摩擦角呈负相关。根据表3，可得知土样B的黏土矿物含量高于土样Y，而黏土矿物的比表面积较大，可大量吸附结合水，结合水受颗粒间引力的吸附作用，土颗粒之间的胶结作用较大。而黏聚力是由土颗粒之间的胶结作用和静力引力效应等作用的结果，是土壤颗粒之间的化学结合和水膜表面张力的结果［21］，此外，黏土矿物存在于黏粒中（＜0.002 mm），黏粒占比越大，黏土矿物含量越多。根据图1可知，土样B的整体粒径小于土样Y，黏粒含量高于土样Y，比表面积较大，黏聚力也较大。而土的粒径越大，颗粒间的嵌入和连锁作用产生的咬合力越大，故内摩擦角越大。因此，当锥入深度与各自hp的关系一定时，土样B的黏聚力高于土样Y，而摩擦角低于土样Y。对于土样真空挤出的过程，黏聚力可以影响土样的成型效果，而摩擦角可以反映在出现扰动时土坯抵抗变形的能力。

含水率越高，土体颗粒之间距离越大，相互作用力就越小，因此随着含水率增加，抗剪强度降低。在本试验中，选取的含水率分别为锥入深度hp、hp+2mm、hp+4mm所对应的含水率，均不小于土样的塑限，在保证可塑性的同时，随着含水率的增加，土中自由水的含量增加，造成锥入深度为hp时所对应的含水率下，土的抗剪强度最高。当含水率从锥入深度hp增加到hp+2mm所对应的含水率，Y与B的黏聚力分别降低了32.3%和60.6%。当含水率从锥入深度hp+2mm增加到hp+4 mm所对应的含水率，Y与B的黏聚力分别降低了75.3%和47.2%。对于Y来说，含水率在上述范围内的变化对摩擦角的影响很小，而B的摩擦角分别降低了56.0%和64.1%。

2.3.2 不同成型含水率对挤出效果的影响

对于土样Y，在挤出Y-hp时，由于抗剪强度过高，不易成型，挤出压力已超过真空挤出机量程，视为不能挤出。图4为Y-hp2、Y-hp4的挤出情况。由图4可以看出，Y-hp2开裂情况优于Yhp4，但是角部都布有较明显开裂。Y-hp2边缘较为竖直，而Y-hp4边缘比较曲折，这是由于Y-hp4的抗剪强度过低，容易变形。由于Y-hp2、Y-hp4开裂均较为明显，故不进行砖坯制备及干燥处理。

图4 土样Y的挤出情况Figure4 Extrusion of construction spoil Y

角部裂缝产生的原因是由于挤出口与土体之间存在摩擦力，造成土体间的拉裂。相关研究表明［22］，土的抗拉强度与土体内含水率有关。当土体含水率低于毛细冷凝作用的临界值时，土颗粒之间的拉力主要为黏土颗粒与水分子之间的交换阳离子作用所形成的短程吸附力。随着含水率的增加，由毛细作用引起的气-水交界面吸力逐渐增加并占据主导地位，相应抗拉强度不断增加。达到峰值强度后，随着含水率的继续增加，毛细作用引起的气-水交界面吸力开始减小，土体的抗拉强度也开始减小［23］。由此可推知，Y-hp4的含水率太高，导致土体之间的抗拉强度低于Y-hp2。

对于土样B，在挤出B-hp时，由于抗剪强度过高，不易成型，挤出压力为3.8 MPa，超过真空挤出机量程的3/4，视为不能挤出。B-hp2、B-hp4可以挤出，且表面完整光洁，无开裂情况，分别制备3个砖坯，进行尺寸测量后，放入干燥箱进行干燥。图5为B-hp2、B-hp4的挤出情况。

图5 土样B的挤出情况Figure 5 Extrusion of construction spoil B

因此，考虑挤出效果时，土样Y的较优成型含水率为锥入深度hp+2mm所对应的含水率，而对于土样B来说，锥入深度hp+2mm和hp+4mm所对应的含水率均能达到较为良好的挤出效果。

2.3.3不同成型含水率对干燥效果的影响

Y-hp、B-hp的挤出成型压力过大，视为不能挤出，而Y-hp2、Y-hp4开裂均较为明显，故不进行砖坯制备及干燥处理。将B-hp2、B-hp4的砖坯放入干燥箱进行干燥，干燥结束后，对砖块进行尺寸测量，得到B-hp2、B-hp4的平均体积干燥收缩率分别为16.5 2%和19.0 6%。图6显示出干燥后砖块的开裂情况，可以明显看出B-hp2的整体开裂情况优于B-hp4，与体积收缩率的结果一致。

图6 土样B的干燥情况Figure 6 Drying condition of construction spoil B

因此，考虑干燥效果时，土样B的较优成型含水率为锥入深度hp+2mm所对应的含水率。

综上所述，同时考虑挤出效果和干燥效果时，性质相差较大的土样Y、土样B的较优成型含水率均为锥入深度hp+2mm所对应的含水率，说明此结果具有一定普适性，以下其余试验的成型含水率均采用锥入深度hp+2mm所对应的含水率。

3 塑性指数及干燥敏感性系数

3.1 试验材料

与成型含水率试验相同的土样Y、土样B。

3.2 试验设计

3.2.1 试验方法

主要包括液塑限联合测定试验、干燥敏感性系数试验、真空挤出试验以及干燥处理。

在较优成型含水率即锥入深度hp+2mm所对应的含水率作为拌合水依据的条件下，进行干燥敏感性系数试验。取适量的土样，加水拌合均匀，陈化1 d。

将陈化后的土样置于铺有湿布的平台上，在土样上再铺一块湿布，用如图7所示的擀泥辊呈90°方向交替碾压，用力均匀，直至泥块面积不再增加时停止。经过碾压后，泥片厚度为8mm，对泥片进行切割，制备4个50mm×50mm×8mm的试块，分别命名为a、b、c、d（图8）。取a、b试块，放置于抹过一层凡士林的玻璃板上，如图9所示，用小刀划两条对角线，并在其对角线上用钉子标记间距为50mm的线段，将这两个试块放于工业相机的垂直下方（图10），立即进行第1张照片的拍摄，并确保两个试块的位置之后不能发生任何变动。在拍摄的同时，将c、d试块分别连同托盘一起称质量，精确至0.01 g，此时的试件含水率作为成型含水率Wt。根据试块收缩逐渐减小的特点，第1张照片与第2张照片的拍摄时间间隔为3 h，其余照片拍摄时间间隔均为1 h。每次对a、b试块进行拍摄的同时，均需要对c、d试块称质量，以得到对应时刻试件的含水率，直至连续两次测量出的a、b试块4条线段长度平均值之差小于0.05 mm为止，此时视为收缩停止。收缩停止后，将c、d试块放入干燥箱，在105℃下烘至质量恒定，连同托盘一起称干质量。试件c、d的含水率计算公式按式（2）计算，精确至0.1%。

图7 擀泥辊Figure 7 Rolling pin

图8 干燥敏感性系数试验试块Figure8 Test specimens for drying sensitivity coefficient

图9 嵌入标记的a、b试块Figure 9 Test specimen a and b with embedded marks

图10 设备装置Figure10 Equipment

式中：W为试件含水率（%）；m2为干燥过程中，试件连同托盘的湿质量（g）；m0为试件连同托盘的干质量（g）；m1为托盘的质量（g）。

使用钉子作为标记不会改变土的蒸发，由于钉子钉入内部，故可表达土层的内部变形［24］。本试验工业相机的焦距为16 mm，图像分辨率为1 920×1 200，像素大小为0.185 mm×0.185 mm，钉子表面如图11所示。

图11 图像处理标记Figure11 Mark for image processing

通过基于Matlab的图像处理，先将照片转为灰度图像，再转成二值图像。每个标记的形心即为5个圆点圆心的平均值。通过计算对角线方向上标记形心间的距离，并与初始距离作差，即可得到收缩值。通过计算a、b两块试块4条对角线上收缩值的平均值，可得到土样的线收缩值。

以试件含水率W为横坐标，线收缩值为纵坐标绘图。一般来说，土体干燥收缩的过程可以分为4个，即结构收缩、常态收缩、残余收缩和零收缩［25-26］。有不少学者对土壤收缩曲线进行了研究［27-29］。然而，这些研究的主要关注点为土壤特征收缩曲线，且需要大量参数，易产生试验误差，而本试验的主要关注点为临界含水率Wc，而非土壤特征收缩曲线。因此，本试验将采取以下方法得到土样的临界含水率Wc：基于散点数据，作3次样条插值函数，以最后一次线收缩值作水平直线，与前一次散点的切线相交于一点，此点所对应的含水率即为临界含水率Wc，精确至0.1%。干燥敏感性系数按式（3）［30-31］计算。

式中：DSI-B为Bigot干燥敏感性系数；Wi为成型含水率（%）；Wc为临界含水率（%）；DS为收缩率（%）。

进行挤出试验时，土样含水率采用较优成型含水率即锥入深度hp+2mm所对应的含水率。挤出试验、干燥试验步骤与2.2.1 相同。

观察各试验组的挤出和干燥效果，若两个连续试验组的挤出或干燥效果有较明显差异，则在两个试验组中间加设1组。

3.2.2 试验组设计的说明

设计8种复配方案，如表6所示。其中F3和F5为附加设组。

表6 塑性指数及干燥敏感性系数试验组Table 6 Test groups of plasticity index and drying sensitivity coefficient

3.3 试验结果及分析

试验结果见表7和图12～图15。

表7 挤出及干燥结果Table7 Extrusion and drying results

图12 线收缩值与含水率的关系曲线Figure12 Curves between linear shrinkage and water content

图15 干燥效果Figure 15 Drying effect

根据表7可知，随着复配土样中土样B掺量的增加，塑性指数也随之增大，干燥敏感性系数也随之增大。根据图1可知，土样B的整体粒径小于土样Y，而黏土矿物存在于黏粒中（＜0.002 mm），故土样B的黏土矿物含量较多（表3），因此B的掺量越大，复配土的塑性指数越大。复配土的塑性指数越小，挤出效果越不理想。由图13可得，干燥收缩率与干燥敏感性系数趋势基本一致，干燥敏感性系数越大，干燥收缩率越大，越容易产生收缩裂缝。

图13 体积收缩率、干燥敏感性系数Figure 13 Volume shrinkage and drying sensitivity coefficient

值得注意的是，通过观察各组干燥效果，可发现F3产生的干燥裂缝出现于角部，而非表层竖向裂缝，说明其产生裂缝的原因并非由于干燥收缩，见图15（a）。如图14（c）所示，F3挤出后，棱角处有细小裂缝，可推知干燥后F3的角部裂缝是由于挤出裂缝在干燥过程中进一步扩大，形成了干燥裂缝，表明F3的干燥裂缝是挤出时的缺陷所致，其塑性指数不满足挤出要求。

图14 挤出效果Figure14 Extrusion effect

在8种土样中，F4的塑性指数是所有满足挤出要求的土样中的最小值，F3的塑性指数是所有不满足挤出要求的土样中的最大值，可以得出在采用真空挤出机进行挤出时，当土样的塑性指数不小于14.73 时，即可实现良好的挤出效果，而当土样的塑性指数不大于13.02 时，则不满足挤出要求。同样，在8种土样中，F5的干燥敏感性系数是所有满足干燥要求的土样中的最大值，F6的干燥敏感性系数是所有不满足干燥要求的土样中的最小值（虽然F0、F2未进行干燥，但从干燥敏感性系数与收缩率之间的关系亦可得到同样的结论），可以得出在“40℃下干燥24 h以及100℃下干燥8 h”的干燥制度下，当土样的干燥敏感性系数不大于0.81 时，即可实现良好的干燥效果，而当土样的干燥敏感性系数不小于0.93 时，则不满足干燥要求。根据上述结论，可以根据“Ip=14.73 ”、“Ip=13.02 ”和“DSI-B=0.81 ”、“DSI-B=0.93”建立土样分类制度。如图16所示，土样的类别主要为A、B、C类，A类土的主要特征为塑性指数不大于13.02 ，B类土的主要特征为塑性指数不小于14.73 且干燥敏感性系数不大于0.8 1 ，C类土的主要特征为干燥敏感性系数不小于0.93 。其中，A类土不满足挤出要求，B类土可以同时满足挤出要求和干燥要求，C类土可以满足挤出要求但不满足干燥要求。图中虽存在A类土与C类土的交集区域，本次试验并未出现同时满足A类与C类要求的土样，但是从图中可以发现，随着塑性指数的增大，干燥敏感性系数同样会增大，但二者之间是否存在定量关系还有待研究。图中空白区域为未知区域，暂时无法判断空白区域内土样的挤出效果和干燥效果，而随着今后试验数据的不断扩充，区域将被划分得更加精细。

图16 土样分类Figure 16 Classification of construction spoil

如图17所示，以Y土样（F0）、B土样（F10）的试验结果建立线性模型，并与复配土的实际结果进行对比。

对塑性指数而言，复配土的试验结果与线性模型结果的平均差值为5.1%，其中F3最大，达到11.3%；对干燥敏感性系数而言，复配土的试验结果与线性模型结果的平均差值为5.1%，其中F2最大，达到12.0%。综上所述，复配土的塑性指数、干燥敏感性系数基本符合原种土样构成的线性模型，可以用线性模型结果对复配土进行预测，粗略制定符合挤出、干燥要求的复配方案。假若已知一种A类土样x、一种C类土样y，现需将二者进行配比形成一种B类土。土样x、y的塑性指数分别为Ip1、Ip2，干燥敏感性系数分别为DSI-B1、DSI-B2，且Ip1＜Ip2，DSI-B1＜DSI-B2，则土样x的含量a应在图18中所标识的范围内，才可通过复配成为B类土。

为实践和检测上述分类方法和复配方法，选用两种新的土样S、X。已知S、X的塑性指数分别为17.27 、10.51 ，干燥敏感性系数分别为0.56 、0.11 ，按照上述分类制度，应分别为B类和A类（图19）。因为B类土性质优良，较为珍贵，故在复配土样S、X时应尽量降低S的占比。按照上述复配方法，确定复配比例的范围（图20）。考虑降低土样S的占比，最终选择S∶X=3∶7为复配方案。按照上述复配方案，按照线性模型得出的结果与实际试验结果如表8所示，可以看出二者之间的误差较小，表明线性模型较为准确。此外，复配土的挤出效果、干燥效果均良好，如图21所示，表明上述分类方法和复配方法较为合理。

图20 土样S、X的复配方法Figure 20 Compound method of construction spoil S and X

表8 复配土的线性模型结果及试验结果Table8 The linear and experimental results of compound spoil

图21 复配土的挤出、干燥效果Figure21 The extrusion and drying effect of compound spoil

4 结论

1）通过试验确定了工程弃土制砖过程中较优的成型含水率，替代了传统的普氏成型含水率。试验选取了性质相差较大的土样Y、土样B，在同时满足真空挤出要求和干燥要求的情况下，得出二者的较优成型含水率均为锥入深度hp+2mm所对应的含水率，从而确定了含水率-锥入深度曲线上锥入深度hp+2mm所对应的含水率为较优成型含水率。

2）通过液塑限联合测定试验、干燥敏感性系数试验、真空挤出试验以及干燥处理，得出当土样的塑性指数大于14.73 且干燥敏感性系数小于0.81 时，可达到较为良好的挤出及干燥效果。而当塑性指数小于13.02 时，挤出效果较差，当干燥敏感性系数大于0.93 时，干燥易开裂。

3）弃土土样可以根据塑性指数、干燥敏感性系数分为A、B、C 3类。其中，A类土不满足挤出效果要求，B类土可以同时满足挤出、干燥效果要求，C类土不满足干燥效果要求。当原料土不满足B类土的要求时，可通过复配技术得到B类复配土。复配土的塑性指数、干燥敏感性系数基本符合原土样构成的线性模型。

致谢：感谢许昌金科资源再生股份有限公司的李福安提供实验室及设备，感谢同济大学土木工程学院的张航华在试验方法上给予的帮助，在此深表感谢！