侯逸青，肖建莊，高 琦，，沈劍羽，馬亞輝，柳 炎

（1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；2.許昌金科資源再生股份有限公司，河南 許昌 461001）

1 引言

中國城市化正在迅速推進(jìn)，已進(jìn)入高速增長期。隨著現(xiàn)代化工程的大量建設(shè)，在取得突破性進(jìn)展的同時(shí)，建筑垃圾排放量增長形勢嚴(yán)峻。據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑廢棄物的數(shù)量已占城市垃圾總量的30%～40%［1］。其中，在工程建設(shè)中開挖的工程棄土，就約占建筑垃圾的50%以上［2］。以北京為例，2014年北京全市清運(yùn)建筑垃圾3.9 ×107t，其中約85%為棄土［3］。大量的工程棄土直接造成了“棄土圍城”的現(xiàn)象，如果不對其進(jìn)行處理和再利用，就會(huì)造成環(huán)境污染、滑坡、泥石流等危害。目前，我國對棄土的處理方式仍以棄置堆積為主。然而，棄土堆是一種擾動(dòng)土地表面的特殊地貌，是加速土壤流失的最重要來源［4］。2015年，深圳光明新區(qū)鳳凰社區(qū)恒泰裕工業(yè)園發(fā)生山體滑坡的主要原因就是渣土的無序消納，造成了77人遇難［5］。同時(shí)，隨著棄土總量的激增，有限面積的棄土填埋場已然無法滿足堆填要求［6］。近年來，我國對工程棄土隨意棄置等違法行為監(jiān)管力度加大，沿海地區(qū)填海造地項(xiàng)目受到嚴(yán)格管控，渣土消納問題變得越發(fā)突出［7］。

土資源具有不可再生性，因此對棄土進(jìn)行再利用可以緩解自然資源短缺的問題，具有非常大的優(yōu)勢。Xiao等［8］對棄土的再利用提出了許多方法，包括常規(guī)填埋法、地基處理法、人工造山法等，還對利用建筑渣土生產(chǎn)水泥土和燒結(jié)磚的兩種新工藝進(jìn)行了評述和探討。將棄土作為原料，制成棄土燒結(jié)磚或棄土免燒磚，作為新型環(huán)保墻面或者路面材料，已被證明具有很好的可行性［9-11］。柏靜等［12］總結(jié)了利用棄土進(jìn)行燒結(jié)磚制備的特點(diǎn)和成本效益，目前的市場情景也推廣這種資源再利用方式。在制備過程中，合理的成型含水率是保證質(zhì)量的必要條件。成型時(shí)若含水率過低，則不易密實(shí)，難以成型。相反，若含水率過高，則會(huì)導(dǎo)致干燥過程易產(chǎn)生變形和開裂［13］。在GB/T 36495—2018燒結(jié)磚瓦原料物理性能試驗(yàn)方法［14］中，成型含水率為通過普氏成型水分試驗(yàn)確定的普氏成型含水率。然而，普氏成型實(shí)驗(yàn)依賴于普氏塑性儀，但普氏塑性儀在中國市場甚至沒有購買渠道，且實(shí)驗(yàn)操作繁瑣。同時(shí)，干燥敏感性系數(shù)的試驗(yàn)又基于成型含水率。普氏成型含水率的難以確定，使得其他試驗(yàn)也無法順利進(jìn)行，造成了諸多不便。一般而言，工程棄土以地表土為主，隨著區(qū)域和深度的變化，土壤的性質(zhì)會(huì)存在差異。不同礦物組成和含量的差異，特別是黏土礦物的含量，對土的物理性質(zhì)如塑性、干燥收縮影響明顯，從而決定了制品在成型階段和干燥階段的質(zhì)量。當(dāng)土的塑性指數(shù)過低時(shí)，會(huì)造成其成型困難；當(dāng)土的干燥敏感性系數(shù)過高時(shí)，會(huì)造成土坯在干燥過程中產(chǎn)生開裂［15-16］。因此，在成型階段，為保證土坯光滑平整，塑性指數(shù)不可過低，而在干燥階段，為保證坯體不產(chǎn)生裂紋，干燥敏感性系數(shù)不可過高，只有同時(shí)滿足上述條件的棄土才可作為磚原料。

本研究基于真空擠出、干燥箱干燥的制磚工藝條件，探討棄土制磚時(shí)較優(yōu)的成型含水率以及土樣所應(yīng)滿足的塑性指數(shù)和干燥敏感性系數(shù)條件。

2 擠出成型含水率

2.1 試驗(yàn)材料

棄土土樣Y、棄土土樣B均取自于河南省許昌市建筑工程地基開挖排放的棄土，其物理性質(zhì)見表1、主要化學(xué)成分組成見表2、主要礦物成分含量見表3、級配曲線見圖1。根據(jù)JTG 3430—2020公路土工試驗(yàn)規(guī)程［17］的試驗(yàn)方法“落錐法”，采用LP-100的數(shù)顯式土壤液塑限聯(lián)合測定儀，并選用100 g錐體對土樣進(jìn)行聯(lián)合液塑限測定試驗(yàn)，根據(jù)3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)得到雙對數(shù)坐標(biāo)系下含水率同錐入深度的關(guān)系曲線（圖2），并得到液塑限、塑性指數(shù)和土樣類別，結(jié)果如表4所示。

表4 工程棄土界限含水率Table 4 Limit moisture content of construction spoil

圖1 級配曲線Figure 1 Particle size distribution curve

圖2 雙對數(shù)坐標(biāo)系下含水率-錐入深度曲線Figure 2 Water content-depth curve in double logarithmic coordinate system

表1 工程棄土的物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of construction spoil

表2 工程棄土的主要化學(xué)成分Table 2 Main chemical composition of construction spoil

表3 工程棄土的主要礦物成分Table 3 Main mineral composition of construction spoil

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2.1 試驗(yàn)方法

主要包括直剪試驗(yàn)、真空擠出試驗(yàn)以及干燥處理。在進(jìn)行直剪試驗(yàn)時(shí)、擠出試驗(yàn)前，各試驗(yàn)組需在室內(nèi)陳化1 d，使水分在土體內(nèi)更加均勻。陳化結(jié)束后，對于擠出試驗(yàn)，還需要對土樣進(jìn)行練泥后再倒入真空擠出機(jī)進(jìn)行擠出。對擠出后無開裂現(xiàn)象或開裂較少的土樣，擠出后進(jìn)行切割處理，分別制備3塊147mm×29mm×17mm的磚坯，記錄實(shí)際尺寸后放入干燥箱進(jìn)行干燥處理。干燥結(jié)束后，再次進(jìn)行尺寸測量，計(jì)算干燥體積收縮率，并觀察開裂情況。

直剪試驗(yàn)采用南京土壤儀器廠ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀，速率為4 r/min。擠出試驗(yàn)采用CLEAR 050C真空擠出機(jī)，壓力量程為4MPa，為保證真空擠出機(jī)的正常工作和使用壽命，在本試驗(yàn)中成型壓力不得超過量程的3/4，否則視為不能擠出。在使用真空擠出機(jī)時(shí)，需在內(nèi)壁涂抹一層機(jī)油，真空度需達(dá)到80 kPa。干燥過程中采用的干燥箱為202型電熱恒溫干燥箱?？紤]含水量較高時(shí)，容易產(chǎn)生干燥裂縫，因此先以2.6 ℃/min的速率從室溫上升至40℃恒溫24 h，再以4.3 ℃/min的速率上升至105℃恒溫8 h，其中各階段的加熱速率為干燥箱默認(rèn)數(shù)值。

2.2.2 試驗(yàn)組設(shè)計(jì)的說明

圖2為雙對數(shù)坐標(biāo)系下，土樣Y、B的含水率-錐入深度曲線。落錐法通過圓錐的錐入深度反映土樣在受力時(shí)的可塑性［18］，因此可以從錐入深度方面考慮成型含水率，且不應(yīng)小于土樣的可塑狀態(tài)的下限即塑限。分別選取錐入深度hp、hp+2 mm、hp+4mm所對應(yīng)的含水率作為成型含水率，其中hp的含義為塑限所對應(yīng)的錐入深度。根據(jù)圖2可知，土樣Y、B的hp分別為4.05 、2.88 mm。如表5所示，每種工程棄土設(shè)計(jì)3組不同的成型含水率，Y-hp、Y-hp2、Y-hp4及B-hp、B-hp2、Bhp4分別代表土樣Y、B的成型含水率為錐入深度hp、hp+2mm、hp+4mm所對應(yīng)的含水率。

表5 成型含水率試驗(yàn)組Table 5 Molding water content test group

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.3.1 不同成型含水率對抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響

對于黏性土而言，抗剪強(qiáng)度可用摩爾庫倫公式表達(dá)為：

式中：τ為抗剪強(qiáng)度（kPa），c為黏聚力（kPa），σ為施加在土樣上的垂直應(yīng)力（kPa），φ為內(nèi)摩擦角（°）。土樣Y、B的直剪試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 抗剪強(qiáng)度參數(shù)Figure3 Shear strength parameters

由圖3可知，隨著成型含水率的增加，土樣Y和土樣B的黏聚力均呈下降的趨勢，土樣Y的摩擦角變化趨勢不明顯，土樣B的摩擦角仍呈下降趨勢。當(dāng)錐入深度與各自的hp關(guān)系一定時(shí)，土樣B的黏聚力高于土樣Y，而摩擦角低于土樣Y。此結(jié)果與胡世麗等［19］的研究結(jié)果一致，塑性指數(shù)越大，黏聚力越大，內(nèi)摩擦角越小。Khanlari等［20］從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度研究了塑性指數(shù)與黏聚力和內(nèi)摩擦角的關(guān)系，同樣證實(shí)了塑性指數(shù)與黏聚力呈正相關(guān)，而與內(nèi)摩擦角呈負(fù)相關(guān)。根據(jù)表3，可得知土樣B的黏土礦物含量高于土樣Y，而黏土礦物的比表面積較大，可大量吸附結(jié)合水，結(jié)合水受顆粒間引力的吸附作用，土顆粒之間的膠結(jié)作用較大。而黏聚力是由土顆粒之間的膠結(jié)作用和靜力引力效應(yīng)等作用的結(jié)果，是土壤顆粒之間的化學(xué)結(jié)合和水膜表面張力的結(jié)果［21］，此外，黏土礦物存在于黏粒中（＜0.002 mm），黏粒占比越大，黏土礦物含量越多。根據(jù)圖1可知，土樣B的整體粒徑小于土樣Y，黏粒含量高于土樣Y，比表面積較大，黏聚力也較大。而土的粒徑越大，顆粒間的嵌入和連鎖作用產(chǎn)生的咬合力越大，故內(nèi)摩擦角越大。因此，當(dāng)錐入深度與各自hp的關(guān)系一定時(shí)，土樣B的黏聚力高于土樣Y，而摩擦角低于土樣Y。對于土樣真空擠出的過程，黏聚力可以影響土樣的成型效果，而摩擦角可以反映在出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)土坯抵抗變形的能力。

含水率越高，土體顆粒之間距離越大，相互作用力就越小，因此隨著含水率增加，抗剪強(qiáng)度降低。在本試驗(yàn)中，選取的含水率分別為錐入深度hp、hp+2mm、hp+4mm所對應(yīng)的含水率，均不小于土樣的塑限，在保證可塑性的同時(shí)，隨著含水率的增加，土中自由水的含量增加，造成錐入深度為hp時(shí)所對應(yīng)的含水率下，土的抗剪強(qiáng)度最高。當(dāng)含水率從錐入深度hp增加到hp+2mm所對應(yīng)的含水率，Y與B的黏聚力分別降低了32.3%和60.6%。當(dāng)含水率從錐入深度hp+2mm增加到hp+4 mm所對應(yīng)的含水率，Y與B的黏聚力分別降低了75.3%和47.2%。對于Y來說，含水率在上述范圍內(nèi)的變化對摩擦角的影響很小，而B的摩擦角分別降低了56.0%和64.1%。

2.3.2 不同成型含水率對擠出效果的影響

對于土樣Y，在擠出Y-hp時(shí)，由于抗剪強(qiáng)度過高，不易成型，擠出壓力已超過真空擠出機(jī)量程，視為不能擠出。圖4為Y-hp2、Y-hp4的擠出情況。由圖4可以看出，Y-hp2開裂情況優(yōu)于Yhp4，但是角部都布有較明顯開裂。Y-hp2邊緣較為豎直，而Y-hp4邊緣比較曲折，這是由于Y-hp4的抗剪強(qiáng)度過低，容易變形。由于Y-hp2、Y-hp4開裂均較為明顯，故不進(jìn)行磚坯制備及干燥處理。

圖4 土樣Y的擠出情況Figure4 Extrusion of construction spoil Y

角部裂縫產(chǎn)生的原因是由于擠出口與土體之間存在摩擦力，造成土體間的拉裂。相關(guān)研究表明［22］，土的抗拉強(qiáng)度與土體內(nèi)含水率有關(guān)。當(dāng)土體含水率低于毛細(xì)冷凝作用的臨界值時(shí)，土顆粒之間的拉力主要為黏土顆粒與水分子之間的交換陽離子作用所形成的短程吸附力。隨著含水率的增加，由毛細(xì)作用引起的氣-水交界面吸力逐漸增加并占據(jù)主導(dǎo)地位，相應(yīng)抗拉強(qiáng)度不斷增加。達(dá)到峰值強(qiáng)度后，隨著含水率的繼續(xù)增加，毛細(xì)作用引起的氣-水交界面吸力開始減小，土體的抗拉強(qiáng)度也開始減?。?3］。由此可推知，Y-hp4的含水率太高，導(dǎo)致土體之間的抗拉強(qiáng)度低于Y-hp2。

對于土樣B，在擠出B-hp時(shí)，由于抗剪強(qiáng)度過高，不易成型，擠出壓力為3.8 MPa，超過真空擠出機(jī)量程的3/4，視為不能擠出。B-hp2、B-hp4可以擠出，且表面完整光潔，無開裂情況，分別制備3個(gè)磚坯，進(jìn)行尺寸測量后，放入干燥箱進(jìn)行干燥。圖5為B-hp2、B-hp4的擠出情況。

圖5 土樣B的擠出情況Figure 5 Extrusion of construction spoil B

因此，考慮擠出效果時(shí)，土樣Y的較優(yōu)成型含水率為錐入深度hp+2mm所對應(yīng)的含水率，而對于土樣B來說，錐入深度hp+2mm和hp+4mm所對應(yīng)的含水率均能達(dá)到較為良好的擠出效果。

2.3.3不同成型含水率對干燥效果的影響

Y-hp、B-hp的擠出成型壓力過大，視為不能擠出，而Y-hp2、Y-hp4開裂均較為明顯，故不進(jìn)行磚坯制備及干燥處理。將B-hp2、B-hp4的磚坯放入干燥箱進(jìn)行干燥，干燥結(jié)束后，對磚塊進(jìn)行尺寸測量，得到B-hp2、B-hp4的平均體積干燥收縮率分別為16.5 2%和19.0 6%。圖6顯示出干燥后磚塊的開裂情況，可以明顯看出B-hp2的整體開裂情況優(yōu)于B-hp4，與體積收縮率的結(jié)果一致。

圖6 土樣B的干燥情況Figure 6 Drying condition of construction spoil B

因此，考慮干燥效果時(shí)，土樣B的較優(yōu)成型含水率為錐入深度hp+2mm所對應(yīng)的含水率。

綜上所述，同時(shí)考慮擠出效果和干燥效果時(shí)，性質(zhì)相差較大的土樣Y、土樣B的較優(yōu)成型含水率均為錐入深度hp+2mm所對應(yīng)的含水率，說明此結(jié)果具有一定普適性，以下其余試驗(yàn)的成型含水率均采用錐入深度hp+2mm所對應(yīng)的含水率。

3 塑性指數(shù)及干燥敏感性系數(shù)

3.1 試驗(yàn)材料

與成型含水率試驗(yàn)相同的土樣Y、土樣B。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.2.1 試驗(yàn)方法

主要包括液塑限聯(lián)合測定試驗(yàn)、干燥敏感性系數(shù)試驗(yàn)、真空擠出試驗(yàn)以及干燥處理。

在較優(yōu)成型含水率即錐入深度hp+2mm所對應(yīng)的含水率作為拌合水依據(jù)的條件下，進(jìn)行干燥敏感性系數(shù)試驗(yàn)。取適量的土樣，加水拌合均勻，陳化1 d。

將陳化后的土樣置于鋪有濕布的平臺(tái)上，在土樣上再鋪一塊濕布，用如圖7所示的搟泥輥呈90°方向交替碾壓，用力均勻，直至泥塊面積不再增加時(shí)停止。經(jīng)過碾壓后，泥片厚度為8mm，對泥片進(jìn)行切割，制備4個(gè)50mm×50mm×8mm的試塊，分別命名為a、b、c、d（圖8）。取a、b試塊，放置于抹過一層凡士林的玻璃板上，如圖9所示，用小刀劃兩條對角線，并在其對角線上用釘子標(biāo)記間距為50mm的線段，將這兩個(gè)試塊放于工業(yè)相機(jī)的垂直下方（圖10），立即進(jìn)行第1張照片的拍攝，并確保兩個(gè)試塊的位置之后不能發(fā)生任何變動(dòng)。在拍攝的同時(shí)，將c、d試塊分別連同托盤一起稱質(zhì)量，精確至0.01 g，此時(shí)的試件含水率作為成型含水率Wt。根據(jù)試塊收縮逐漸減小的特點(diǎn)，第1張照片與第2張照片的拍攝時(shí)間間隔為3 h，其余照片拍攝時(shí)間間隔均為1 h。每次對a、b試塊進(jìn)行拍攝的同時(shí)，均需要對c、d試塊稱質(zhì)量，以得到對應(yīng)時(shí)刻試件的含水率，直至連續(xù)兩次測量出的a、b試塊4條線段長度平均值之差小于0.05 mm為止，此時(shí)視為收縮停止。收縮停止后，將c、d試塊放入干燥箱，在105℃下烘至質(zhì)量恒定，連同托盤一起稱干質(zhì)量。試件c、d的含水率計(jì)算公式按式（2）計(jì)算，精確至0.1%。

圖7 搟泥輥Figure 7 Rolling pin

圖8 干燥敏感性系數(shù)試驗(yàn)試塊Figure8 Test specimens for drying sensitivity coefficient

圖9 嵌入標(biāo)記的a、b試塊Figure 9 Test specimen a and b with embedded marks

圖10 設(shè)備裝置Figure10 Equipment

式中：W為試件含水率（%）；m2為干燥過程中，試件連同托盤的濕質(zhì)量（g）；m0為試件連同托盤的干質(zhì)量（g）；m1為托盤的質(zhì)量（g）。

使用釘子作為標(biāo)記不會(huì)改變土的蒸發(fā)，由于釘子釘入內(nèi)部，故可表達(dá)土層的內(nèi)部變形［24］。本試驗(yàn)工業(yè)相機(jī)的焦距為16 mm，圖像分辨率為1 920×1 200，像素大小為0.185 mm×0.185 mm，釘子表面如圖11所示。

圖11 圖像處理標(biāo)記Figure11 Mark for image processing

通過基于Matlab的圖像處理，先將照片轉(zhuǎn)為灰度圖像，再轉(zhuǎn)成二值圖像。每個(gè)標(biāo)記的形心即為5個(gè)圓點(diǎn)圓心的平均值。通過計(jì)算對角線方向上標(biāo)記形心間的距離，并與初始距離作差，即可得到收縮值。通過計(jì)算a、b兩塊試塊4條對角線上收縮值的平均值，可得到土樣的線收縮值。

以試件含水率W為橫坐標(biāo)，線收縮值為縱坐標(biāo)繪圖。一般來說，土體干燥收縮的過程可以分為4個(gè)，即結(jié)構(gòu)收縮、常態(tài)收縮、殘余收縮和零收縮［25-26］。有不少學(xué)者對土壤收縮曲線進(jìn)行了研究［27-29］。然而，這些研究的主要關(guān)注點(diǎn)為土壤特征收縮曲線，且需要大量參數(shù)，易產(chǎn)生試驗(yàn)誤差，而本試驗(yàn)的主要關(guān)注點(diǎn)為臨界含水率Wc，而非土壤特征收縮曲線。因此，本試驗(yàn)將采取以下方法得到土樣的臨界含水率Wc：基于散點(diǎn)數(shù)據(jù)，作3次樣條插值函數(shù)，以最后一次線收縮值作水平直線，與前一次散點(diǎn)的切線相交于一點(diǎn)，此點(diǎn)所對應(yīng)的含水率即為臨界含水率Wc，精確至0.1%。干燥敏感性系數(shù)按式（3）［30-31］計(jì)算。

式中：DSI-B為Bigot干燥敏感性系數(shù)；Wi為成型含水率（%）；Wc為臨界含水率（%）；DS為收縮率（%）。

進(jìn)行擠出試驗(yàn)時(shí)，土樣含水率采用較優(yōu)成型含水率即錐入深度hp+2mm所對應(yīng)的含水率。擠出試驗(yàn)、干燥試驗(yàn)步驟與2.2.1 相同。

觀察各試驗(yàn)組的擠出和干燥效果，若兩個(gè)連續(xù)試驗(yàn)組的擠出或干燥效果有較明顯差異，則在兩個(gè)試驗(yàn)組中間加設(shè)1組。

3.2.2 試驗(yàn)組設(shè)計(jì)的說明

設(shè)計(jì)8種復(fù)配方案，如表6所示。其中F3和F5為附加設(shè)組。

表6 塑性指數(shù)及干燥敏感性系數(shù)試驗(yàn)組Table 6 Test groups of plasticity index and drying sensitivity coefficient

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)結(jié)果見表7和圖12～圖15。

表7 擠出及干燥結(jié)果Table7 Extrusion and drying results

圖12 線收縮值與含水率的關(guān)系曲線Figure12 Curves between linear shrinkage and water content

圖15 干燥效果Figure 15 Drying effect

根據(jù)表7可知，隨著復(fù)配土樣中土樣B摻量的增加，塑性指數(shù)也隨之增大，干燥敏感性系數(shù)也隨之增大。根據(jù)圖1可知，土樣B的整體粒徑小于土樣Y，而黏土礦物存在于黏粒中（＜0.002 mm），故土樣B的黏土礦物含量較多（表3），因此B的摻量越大，復(fù)配土的塑性指數(shù)越大。復(fù)配土的塑性指數(shù)越小，擠出效果越不理想。由圖13可得，干燥收縮率與干燥敏感性系數(shù)趨勢基本一致，干燥敏感性系數(shù)越大，干燥收縮率越大，越容易產(chǎn)生收縮裂縫。

圖13 體積收縮率、干燥敏感性系數(shù)Figure 13 Volume shrinkage and drying sensitivity coefficient

值得注意的是，通過觀察各組干燥效果，可發(fā)現(xiàn)F3產(chǎn)生的干燥裂縫出現(xiàn)于角部，而非表層豎向裂縫，說明其產(chǎn)生裂縫的原因并非由于干燥收縮，見圖15（a）。如圖14（c）所示，F(xiàn)3擠出后，棱角處有細(xì)小裂縫，可推知干燥后F3的角部裂縫是由于擠出裂縫在干燥過程中進(jìn)一步擴(kuò)大，形成了干燥裂縫，表明F3的干燥裂縫是擠出時(shí)的缺陷所致，其塑性指數(shù)不滿足擠出要求。

圖14 擠出效果Figure14 Extrusion effect

在8種土樣中，F(xiàn)4的塑性指數(shù)是所有滿足擠出要求的土樣中的最小值，F(xiàn)3的塑性指數(shù)是所有不滿足擠出要求的土樣中的最大值，可以得出在采用真空擠出機(jī)進(jìn)行擠出時(shí)，當(dāng)土樣的塑性指數(shù)不小于14.73 時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)良好的擠出效果，而當(dāng)土樣的塑性指數(shù)不大于13.02 時(shí)，則不滿足擠出要求。同樣，在8種土樣中，F(xiàn)5的干燥敏感性系數(shù)是所有滿足干燥要求的土樣中的最大值，F(xiàn)6的干燥敏感性系數(shù)是所有不滿足干燥要求的土樣中的最小值（雖然F0、F2未進(jìn)行干燥，但從干燥敏感性系數(shù)與收縮率之間的關(guān)系亦可得到同樣的結(jié)論），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，當(dāng)土樣的干燥敏感性系數(shù)不大于0.81 時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)良好的干燥效果，而當(dāng)土樣的干燥敏感性系數(shù)不小于0.93 時(shí)，則不滿足干燥要求。根據(jù)上述結(jié)論，可以根據(jù)“Ip=14.73 ”、“Ip=13.02 ”和“DSI-B=0.81 ”、“DSI-B=0.93”建立土樣分類制度。如圖16所示，土樣的類別主要為A、B、C類，A類土的主要特征為塑性指數(shù)不大于13.02 ，B類土的主要特征為塑性指數(shù)不小于14.73 且干燥敏感性系數(shù)不大于0.8 1 ，C類土的主要特征為干燥敏感性系數(shù)不小于0.93 。其中，A類土不滿足擠出要求，B類土可以同時(shí)滿足擠出要求和干燥要求，C類土可以滿足擠出要求但不滿足干燥要求。圖中雖存在A類土與C類土的交集區(qū)域，本次試驗(yàn)并未出現(xiàn)同時(shí)滿足A類與C類要求的土樣，但是從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著塑性指數(shù)的增大，干燥敏感性系數(shù)同樣會(huì)增大，但二者之間是否存在定量關(guān)系還有待研究。圖中空白區(qū)域?yàn)槲粗獏^(qū)域，暫時(shí)無法判斷空白區(qū)域內(nèi)土樣的擠出效果和干燥效果，而隨著今后試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不斷擴(kuò)充，區(qū)域?qū)⒈粍澐值酶泳?xì)。

圖16 土樣分類Figure 16 Classification of construction spoil

如圖17所示，以Y土樣（F0）、B土樣（F10）的試驗(yàn)結(jié)果建立線性模型，并與復(fù)配土的實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對比。

對塑性指數(shù)而言，復(fù)配土的試驗(yàn)結(jié)果與線性模型結(jié)果的平均差值為5.1%，其中F3最大，達(dá)到11.3%；對干燥敏感性系數(shù)而言，復(fù)配土的試驗(yàn)結(jié)果與線性模型結(jié)果的平均差值為5.1%，其中F2最大，達(dá)到12.0%。綜上所述，復(fù)配土的塑性指數(shù)、干燥敏感性系數(shù)基本符合原種土樣構(gòu)成的線性模型，可以用線性模型結(jié)果對復(fù)配土進(jìn)行預(yù)測，粗略制定符合擠出、干燥要求的復(fù)配方案。假若已知一種A類土樣x、一種C類土樣y，現(xiàn)需將二者進(jìn)行配比形成一種B類土。土樣x、y的塑性指數(shù)分別為Ip1、Ip2，干燥敏感性系數(shù)分別為DSI-B1、DSI-B2，且Ip1＜Ip2，DSI-B1＜DSI-B2，則土樣x的含量a應(yīng)在圖18中所標(biāo)識(shí)的范圍內(nèi)，才可通過復(fù)配成為B類土。

為實(shí)踐和檢測上述分類方法和復(fù)配方法，選用兩種新的土樣S、X。已知S、X的塑性指數(shù)分別為17.27 、10.51 ，干燥敏感性系數(shù)分別為0.56 、0.11 ，按照上述分類制度，應(yīng)分別為B類和A類（圖19）。因?yàn)锽類土性質(zhì)優(yōu)良，較為珍貴，故在復(fù)配土樣S、X時(shí)應(yīng)盡量降低S的占比。按照上述復(fù)配方法，確定復(fù)配比例的范圍（圖20）?？紤]降低土樣S的占比，最終選擇S∶X=3∶7為復(fù)配方案。按照上述復(fù)配方案，按照線性模型得出的結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果如表8所示，可以看出二者之間的誤差較小，表明線性模型較為準(zhǔn)確。此外，復(fù)配土的擠出效果、干燥效果均良好，如圖21所示，表明上述分類方法和復(fù)配方法較為合理。

圖20 土樣S、X的復(fù)配方法Figure 20 Compound method of construction spoil S and X

表8 復(fù)配土的線性模型結(jié)果及試驗(yàn)結(jié)果Table8 The linear and experimental results of compound spoil

圖21 復(fù)配土的擠出、干燥效果Figure21 The extrusion and drying effect of compound spoil

4 結(jié)論

1）通過試驗(yàn)確定了工程棄土制磚過程中較優(yōu)的成型含水率，替代了傳統(tǒng)的普氏成型含水率。試驗(yàn)選取了性質(zhì)相差較大的土樣Y、土樣B，在同時(shí)滿足真空擠出要求和干燥要求的情況下，得出二者的較優(yōu)成型含水率均為錐入深度hp+2mm所對應(yīng)的含水率，從而確定了含水率-錐入深度曲線上錐入深度hp+2mm所對應(yīng)的含水率為較優(yōu)成型含水率。

2）通過液塑限聯(lián)合測定試驗(yàn)、干燥敏感性系數(shù)試驗(yàn)、真空擠出試驗(yàn)以及干燥處理，得出當(dāng)土樣的塑性指數(shù)大于14.73 且干燥敏感性系數(shù)小于0.81 時(shí)，可達(dá)到較為良好的擠出及干燥效果。而當(dāng)塑性指數(shù)小于13.02 時(shí)，擠出效果較差，當(dāng)干燥敏感性系數(shù)大于0.93 時(shí)，干燥易開裂。

3）棄土土樣可以根據(jù)塑性指數(shù)、干燥敏感性系數(shù)分為A、B、C 3類。其中，A類土不滿足擠出效果要求，B類土可以同時(shí)滿足擠出、干燥效果要求，C類土不滿足干燥效果要求。當(dāng)原料土不滿足B類土的要求時(shí)，可通過復(fù)配技術(shù)得到B類復(fù)配土。復(fù)配土的塑性指數(shù)、干燥敏感性系數(shù)基本符合原土樣構(gòu)成的線性模型。

致謝：感謝許昌金科資源再生股份有限公司的李福安提供實(shí)驗(yàn)室及設(shè)備，感謝同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院的張航華在試驗(yàn)方法上給予的幫助，在此深表感謝！