油泥砂制備加氣混凝土砌塊試驗(yàn)研究

李文浩 任京成

（山東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院）

油泥砂制備加氣混凝土砌塊試驗(yàn)研究

李文浩 任京成

（山東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院）

對(duì)山東某油田油泥砂物理性質(zhì)及組成進(jìn)行分析，通過制備加氣混凝土砌塊試驗(yàn)達(dá)到油泥砂資源化利用的目的。試驗(yàn)結(jié)果表明：以經(jīng)過預(yù)處理后的油泥砂作為硅質(zhì)材料制備成的加氣混凝土砌塊，其外觀性能可達(dá)到GB／T 11968—2006《蒸壓加氣混凝土砌塊》標(biāo)準(zhǔn)中密度等級(jí)B06，強(qiáng)度等級(jí)A5.0的要求。

油泥砂；預(yù)處理；硅質(zhì)材料；蒸壓加氣混凝土砌塊

0 引 言

油泥砂是在油田生產(chǎn)活動(dòng)中產(chǎn)生的，主要來源于原油集輸及處理過程的各個(gè)環(huán)節(jié)，被原油及其他有機(jī)物污染了的泥、砂、水的混合物［1］。由于其所含的烴類物質(zhì)對(duì)環(huán)境危害較大，被列入《國家危險(xiǎn)廢物名錄》中的危險(xiǎn)廢物（HW08項(xiàng)），如果不加以處理直接排放，會(huì)對(duì)周圍土壤、水體、空氣造成嚴(yán)重污染和危害［2］。油泥砂的處理技術(shù)雖然已有大量的研究實(shí)踐，但都局限于油泥砂的無害化處理，目前仍沒有經(jīng)濟(jì)有效的資源化利用油泥砂的方法［3］。

油泥砂作為一種含高硅、高鋁的硅質(zhì)材料，理論上可以制備加氣混凝土砌塊，但由于粒度較大、含烴類油包裹于顆粒表面，阻礙顆粒與鈣質(zhì)材料的水化反應(yīng)，從而影響制品質(zhì)量，所以必須加以處理才能用于制備加氣混凝土砌塊。本文擬通過試驗(yàn)研究粒度、烴類油對(duì)制備加氣混凝土砌塊質(zhì)量的影響，實(shí)現(xiàn)油泥砂的資源化利用。

1 油泥砂性質(zhì)及組成

1.1 油泥砂的一般物理性質(zhì)

試驗(yàn)用油泥砂取自山東某油田，經(jīng)油、泥、水、砂四項(xiàng)分離后外觀呈深褐色，自然含水率為1.3%，含油率約為0.8%，測(cè)試方法參照GB／T 16488—1996《水質(zhì)石油類和動(dòng)植物油的測(cè)定紅外光度法》進(jìn)行，其中烴類油約為0.65%。

1.2 油泥砂的粒度組成

將油泥砂樣品在鼓風(fēng)干燥箱105℃進(jìn)行干燥處理后，選取代表性礦樣進(jìn)行篩分分析，結(jié)果見圖1。

圖1 累積粒度特性曲線

篩析結(jié)果表明油泥砂平均粒度d50約為0.25 mm，200目篩下產(chǎn)物含量約為1.74%。20目篩上產(chǎn)物大多數(shù)為大顆粒油團(tuán)，其含油率為6.8%，篩除后樣品含油率約為0.80%，含油率顯著降低，故先進(jìn)行預(yù)先篩分后再作試驗(yàn)使用。

1.3 油泥砂的礦物組成

通過對(duì)油泥砂的XRD測(cè)試及巖礦分析，測(cè)得主要礦物組成為石英石，其次為長(zhǎng)石和紅金石等，油泥砂的XRD見圖2。

圖2 油泥砂XRD

1.4 油泥砂的化學(xué)組成

對(duì)油泥砂的化學(xué)組成進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。

表1 油泥砂的化學(xué)組成

從化學(xué)成分上分析，該原料含有較高的SiO2和Al2O3，是較為理想的硅質(zhì)材料，滿足制備加氣混凝土對(duì)硅、鋁成分的要求。

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

油泥砂：取自山東某油田，已經(jīng)過油、泥、水、砂四項(xiàng)分離處理。

水泥：采用山東鋁業(yè)水泥廠的42.5 R級(jí)硅酸鹽水泥。

石灰：采用淄博產(chǎn)中活性生石灰，含活性CaO約為80%，消化時(shí)間為13 min，消化溫度為90℃左右。

石膏：采用二水磷石膏。

發(fā)氣材料：鋁粉膏作為發(fā)氣材料，符合JC／T 407—2008《加氣混凝土用鋁粉膏》的技術(shù)要求。

2.2 油泥砂預(yù)處理

2.2.1 油泥砂脫泥去油處理

油泥砂在污泥砂池內(nèi)經(jīng)泥砂泵進(jìn)入洗砂器，經(jīng)洗砂器離心分離后，砂子排放至洗砂罐，洗砂器溢流的污水、污油和污泥回污泥砂池進(jìn)行回收。洗砂罐內(nèi)加入聯(lián)合站采油污水混合，開啟攪拌器邊沖洗邊攪拌，混合后的砂水液提升至濃縮器進(jìn)行二次清洗濃縮，濃縮器溢流液回流污泥砂池。濃縮罐內(nèi)積砂定期排放至振動(dòng)篩進(jìn)行砂水分離［4］。

2.2.2 油泥砂二次處理

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，油泥砂中含有部分大顆粒，含量在2%左右，其主要為油團(tuán)聚油泥砂顆粒，含油率為6．8%，所以用1 mm篩子對(duì)其進(jìn)行篩除，另作能源物質(zhì)資源利用，然后對(duì)篩下產(chǎn)品用快速磨進(jìn)行粉磨。

2.3 制備工藝流程

油泥砂加氣混凝土砌塊的制備工藝流程見圖3。

圖3 油泥砂加氣混凝土砌塊制備工藝流程

2.4 配合比設(shè)計(jì)

在加氣混凝土中，主要由CaO，SiO2和H2O進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，其次為CaSO3，Al2O3，CaO和H2O的反應(yīng)。生石灰是體系中主要的鈣質(zhì)材料提供者，生石灰消化發(fā)熱提供的堿性環(huán)境為發(fā)氣提供條件，并促進(jìn)料漿稠化；石膏可以調(diào)節(jié)凝結(jié)速度抑制水化消化，在生產(chǎn)加氣混凝土中，料漿稠化速度必須和鋁粉的發(fā)氣速度相協(xié)調(diào)，反應(yīng)生成硫鋁酸鈣。工業(yè)上一般石灰與石膏摻量為10∶1；適當(dāng)?shù)募尤胨嗫梢蕴岣吲黧w的早期強(qiáng)度，減少干燥收縮［5］。

根據(jù)油泥砂中SiO2和Al2O3的含量和含水率以及生石灰、水泥中活性CaO的含量。結(jié)合工業(yè)實(shí)踐初步確定油泥砂添加量（質(zhì)量比）為66.9%，水泥10%，生石灰20%，石膏3%，鋁粉膏0.1%，水料比為0.6。

3 結(jié)果討論

3.1 油泥砂粉磨時(shí)間對(duì)制品影響

所用尾礦分別用快速磨粉磨0，10，20，30，40 min，即粒度在200目以下分別占1.7%，21.3%，40.2%，72.8%，88.4%的油泥砂。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪得油泥砂粉磨時(shí)間與抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線，見圖4。

圖4 粉磨時(shí)間與抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

由圖4可知，在相同的條件下，經(jīng)過粉磨后的油泥砂符合制備加氣混凝土的條件，粉磨時(shí)間越長(zhǎng)，粒度越小，制品強(qiáng)度越高，成本也越高。在粉磨時(shí)間為30 min，即粒度在200目以下占72.8%時(shí)，其試塊抗壓強(qiáng)度超過3.5 MPa，已達(dá)到GB／T 11968—2006《蒸壓加氣混凝土砌塊》B06、A3.5的基本要求。

3.2 優(yōu)化水料比試驗(yàn)

在水泥添加量為10%，生石灰20%，石膏3%，鋁粉膏0.1%配比下，加入不同比例的水，混合、攪拌、注模、養(yǎng)護(hù)、蒸壓并測(cè)定制品強(qiáng)度性能。結(jié)果見表2。

水料比直接影響料漿稠度，從而影響氣泡大小和氣泡間隔數(shù)，同時(shí)對(duì)孔壁強(qiáng)度產(chǎn)生影響［6］。由表2可以看出，隨著水料比的增加，砌塊的干密度隨之降低，當(dāng)水料比增加到一定程度時(shí)干密度又會(huì)上升。水料比過小時(shí)，出現(xiàn)“憋氣”現(xiàn)象，發(fā)氣不充分，砌塊中的氣泡不是圓形，而是與其他兼并成長(zhǎng)條，形成裂縫［7］。當(dāng)水料比過大時(shí)，發(fā)氣速度大于膠凝速度，有氣泡溢出。綜合以上分析，最佳水料比為0.55。

3.3 優(yōu)化生石灰、石膏添加量試驗(yàn)

料漿澆注初期時(shí)，鋁粉開始發(fā)氣，為保證發(fā)氣順利，要求料漿稠化緩慢；后期發(fā)氣結(jié)束時(shí)，為生成穩(wěn)定的孔結(jié)構(gòu)需要料漿迅速稠化。石灰和石膏的添加量對(duì)鋁粉發(fā)氣和稠化速度有直接影響，詳見表3。

表2 水料比對(duì)試驗(yàn)的影響

表3 生石灰、石膏添加量對(duì)制品的影響

由表3可知，當(dāng)石灰和石膏摻量分別為255 g和25 g，即為總摻量的28%時(shí)，油泥砂加氣混凝土砌塊性能最佳，該制品外觀性能達(dá)到GB／T 11968—2006《蒸壓加氣混凝土砌塊》標(biāo)準(zhǔn)中密度等級(jí)為B06，強(qiáng)度等級(jí)為A5.0的要求。但當(dāng)石灰和石膏摻量過大時(shí)，消化速度快，導(dǎo)致發(fā)氣不充分，表面有細(xì)小裂紋影響制品強(qiáng)度。

3.4 油泥砂加氣混凝土砌塊浸出液分析

選取五組滿足抗壓強(qiáng)度要求的不同配合比的砌塊，放入25℃水中做浸泡試驗(yàn)，分別測(cè)定1，2，3，4，5 d后浸出液的含油量，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 砌塊浸出液含油量與浸泡時(shí)間的關(guān)系mg／L

從表4可看出，經(jīng)過5 d的浸泡，砌塊浸出液的含油量已經(jīng)基本穩(wěn)定，濃度符合GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中石油類10 mg／L的標(biāo)準(zhǔn)。這是由于油泥砂加氣混凝土砌塊內(nèi)部的水熱合成反應(yīng)，形成的水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)致密，對(duì)油類物質(zhì)起密封作用，使得其浸出性能差。同時(shí)，也解決了砌塊的環(huán)境污染問題。

3.5 樣品形貌及結(jié)構(gòu)分析

對(duì)密度615 kg／m3，抗壓強(qiáng)度4.93 MPa的樣品掃描電鏡結(jié)果，見圖5。

圖5 樣品的SEM圖譜

從圖5（a）中可看出，樣品中有葉片狀的托勃莫來石和針棒狀的鈣礬石生成。圖5（b）中可看出，樣品表面已經(jīng)充分水化，水化產(chǎn)物以葉片狀的托勃莫來石和針棒狀的鈣礬石為主，伴隨著有堆狀的水化石榴子石及C-S-H膠凝。其水化產(chǎn)物相互交叉，結(jié)構(gòu)致密。

3.6 強(qiáng)度機(jī)理分析

對(duì)密度615 kg／m3，抗壓強(qiáng)度4.93 MPa的樣品進(jìn)行XRD分析結(jié)果見圖6。

圖6 樣品XRD圖譜

石灰和水泥水化后的Ca（OH）2和SiO2反應(yīng)，生成少量的水化硅酸鈣，水化物溶解度低，很容易析出水化硅酸鈣晶粒。這些微小的晶體通過分子力使水分子膜彼此連接形成最初的初凝狀態(tài)，此時(shí)制品形成一定強(qiáng)度。在高溫高壓下，隨著晶體體積增長(zhǎng)，晶體和晶體之間的連接點(diǎn)增多形成晶體連生體［8］，使制品強(qiáng)度達(dá)到較高水平。由圖6可看出，制品經(jīng)過一系列成型反應(yīng)和蒸壓養(yǎng)護(hù)的水熱合成反應(yīng)后，生成了大量水化硅酸鈣（C-S-H）、水化鋁酸鈣（C-S-A）。

4 結(jié) 論

◆油泥砂中SiO2和Al2O3含量高，可制備符合條件的蒸壓加氣混凝土砌塊。

◆制備油泥砂加氣混凝土砌塊最佳水料比為0.55。◆油泥砂顆粒偏大，其含有烴類油會(huì)阻礙水化反應(yīng)，同時(shí)也會(huì)污染環(huán)境。經(jīng)粉磨處理后，油泥砂制備的加氣混凝土砌塊，其性能可達(dá)到GB／T 11968—2006《蒸壓加氣混凝土砌塊》標(biāo)準(zhǔn)中密度等級(jí)為B06，強(qiáng)度等級(jí)為A5.0的要求。

◆油泥砂加氣混凝土砌塊添加油泥砂在50%以上，且砌塊浸出液含油量符合GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中石油類10 mg／L的要求。既可以解決企業(yè)負(fù)擔(dān)、減少環(huán)境污染，又可以創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，變廢為寶，解決了油泥砂資源化利用的問題。

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1005-3158（2014）02-0030-04

2013-11-27）

（編輯 王蕊）

10.3969／j.issn.1005-3158.2014.02.010

李文浩，山東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院在讀碩士，研究方向：礦物加工工程資源綜合利用。通信地址：山東省淄博市山東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，255049