鉆井巖屑用于免燒砌墻磚資源化利用試驗(yàn)研究

張金輝

(1.四川省建材工業(yè)科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 610081； 2.四川省材科院檢驗(yàn)檢測(cè)有限公司，四川 成都 610081)

1 鉆井巖屑簡(jiǎn)述

在石油、天然氣開(kāi)采的鉆井過(guò)程中被鉆頭研磨或破碎了的巖石顆粒由循環(huán)沖洗液(鉆井液)從井內(nèi)帶出地面形成的鉆井液和巖石顆粒混合物經(jīng)固液分離等處理后會(huì)的干渣即為鉆井巖屑。鉆井巖屑一般分為水基鉆井巖屑和油基鉆井巖屑，其分別由油基鉆井液和水基鉆井液從井內(nèi)帶出地面。

鉆井巖屑的化學(xué)成分、礦物成分與鉆井所在地區(qū)和鉆井深度密切相關(guān)，其中還含有鉆井液配制時(shí)添加的成分(比如加重劑)，特別是油基鉆井液中還含有大量的油類(lèi)(如柴油、原油、煤焦油、植物油、動(dòng)物油、合成油、礦物油等)。油基鉆井巖屑屬于危廢，必須進(jìn)行無(wú)害化處理，厭氧熱脫附和焚燒技術(shù)是當(dāng)前含油污染物無(wú)害化處理的先進(jìn)技術(shù)。只有經(jīng)過(guò)無(wú)害化處理的鉆井巖屑才可以進(jìn)行資源化利用。

建筑材料由于市場(chǎng)需求量大面廣，材料消納容量大，企業(yè)數(shù)量多，區(qū)域分布廣，是廢棄物的資源化利用的主要行業(yè)。實(shí)際上，很多地方的鉆井巖屑目前已在水泥、墻材和混凝土制品中成功應(yīng)用。但是其他地方的鉆井巖屑可用，并不能說(shuō)明某地的同類(lèi)鉆井巖屑也可用于某類(lèi)產(chǎn)品，這是因?yàn)殂@井巖屑成分復(fù)雜，其與鉆井所在地的地質(zhì)特征、鉆井深度、鉆井液成分等相關(guān)，究竟能否利用以及適用于某類(lèi)產(chǎn)品，需要經(jīng)過(guò)科學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 鉆井巖屑分析

本次試驗(yàn)用水基和油基巖屑原料產(chǎn)地來(lái)自四川遂寧地區(qū)。水基巖屑和油基巖屑(焚燒)經(jīng)過(guò)105℃干燥后，其中油基巖屑顏色偏紅，且結(jié)塊不明顯；水基巖屑顏色偏暗，結(jié)塊嚴(yán)重。

2.1 細(xì) 度

水基巖屑和油基巖屑(焚燒)的0.08 mm篩余分別是14.58%和37.55%。

油基巖屑(焚燒)的篩余量相比水基巖屑更大，說(shuō)明油基巖屑在焚燒時(shí)，有部分材料產(chǎn)生了燒結(jié)現(xiàn)象。

2.2 成分分析

通過(guò)光譜分析，水基巖屑(編號(hào)S)和油基巖屑(焚燒，編號(hào)Y)的分析結(jié)果如表1。

表1 巖屑化學(xué)成分

2.3 燒失量

水基和油基巖屑(焚燒)在1 000℃的燒失量及燒結(jié)現(xiàn)象，水基巖屑燒失量10.6%，存在明顯燒結(jié)現(xiàn)象；油基巖屑(焚燒)燒失量3.51%，存在輕微燒結(jié)現(xiàn)象。油基巖屑(焚燒)由于之前已經(jīng)過(guò)高溫焚燒，故燒失量很低，且燒結(jié)現(xiàn)象十分輕微。

3 試 驗(yàn)

3.1 原料及其處理

油基鉆井巖屑：經(jīng)過(guò)焚燒等無(wú)害化預(yù)處理，其中含水率低于8%，含油率低于3‰。水基鉆井巖屑，含水率低于8%。

3.1.1 鉆井巖屑

為了便于計(jì)量，水基巖屑(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“水基”)和油基巖屑(焚燒)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“油基”)經(jīng)105℃干燥處理。鉆井巖屑(含油基和水基，以下簡(jiǎn)稱(chēng)“巖屑”)由于存在結(jié)塊現(xiàn)象且顆粒較細(xì)，結(jié)塊的塊體具有一定強(qiáng)度，不易與固結(jié)劑和水泥混合均勻，影響試塊強(qiáng)度，因此試驗(yàn)前進(jìn)行破碎處理，全部過(guò)2.36 mm篩。

3.1.2 固結(jié)劑

采用山東“雙碩”GQ型(高強(qiáng)型)固結(jié)劑，直接使用。

3.1.3 水泥、集料(砂)

為了限制其他因素的影響和具有可比性，采用42.5R基準(zhǔn)硅酸鹽水泥，采用顆粒級(jí)配固定的標(biāo)準(zhǔn)砂。水泥和砂直接使用。

3.2 試驗(yàn)方案

由于影響因素較多，為盡快掌握基本數(shù)據(jù)，故初步試驗(yàn)采用正交法。

3.2.1 影響因素分析

在水泥制品中，水泥的摻入量對(duì)強(qiáng)度影響很大，摻量越大強(qiáng)度越高，但過(guò)高的摻入量對(duì)制品的干燥收縮不利，且經(jīng)濟(jì)性較差；集料的摻量有助于提高制品強(qiáng)度，同時(shí)較低制品收縮，改善耐久性能，一般來(lái)說(shuō)，集料強(qiáng)度越高，制品強(qiáng)度越高，集料摻量越大，制品干燥收縮越小。

鑒于委托方存在水基和油基兩種巖屑，為了實(shí)際生產(chǎn)中合理搭配兩種巖屑，將兩種巖屑的摻量并作一個(gè)因素，用水巖比表示：

(1)

3.2.2 影響因素和水平

影響因素和水平見(jiàn)表2。

表2 影響因素和水平 %

水巖比80%、50%和20%相當(dāng)于水基：油基分別為4∶1、1∶1和1∶4。

3.2.3 正交試驗(yàn)表

試驗(yàn)所用材料為固結(jié)劑、水泥、砂和巖屑，總量為100%，前三種材料摻量確定后，巖屑摻量可以計(jì)算：

巖屑摻量=100%-固結(jié)劑摻量-水泥摻量-砂摻量

(2)

巖屑是由水基和油基組合的，按水巖比可分別計(jì)算出水基和油基摻量：

水基摻量=巖屑摻量×水巖比

(3)

油基摻量=水巖比-水基摻量

(4)

對(duì)照正交試驗(yàn)表列出的具體試驗(yàn)配比見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)配比 %

3.3 成型和養(yǎng)護(hù)

為盡可能接近實(shí)際生產(chǎn)，采用強(qiáng)力震動(dòng)成型，成型的試塊尺寸為160 mm×40 mm×40 mm。

養(yǎng)護(hù)分自然養(yǎng)護(hù)、蒸汽養(yǎng)護(hù)和蒸壓養(yǎng)護(hù)，混凝土制品普遍采用前兩種養(yǎng)護(hù)方式，其中蒸汽養(yǎng)護(hù)可以大大縮短養(yǎng)護(hù)時(shí)間。鑒于自然養(yǎng)護(hù)受環(huán)境溫度、濕度影響較大，本試驗(yàn)采用蒸汽養(yǎng)護(hù)(45℃蒸汽環(huán)境下，連續(xù)養(yǎng)護(hù)7 d)。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

將養(yǎng)護(hù)后的試塊在室內(nèi)放置2 d，冷卻至常溫，同時(shí)自然排除試塊中的部分水分，隨后按免燒砌墻磚的性能指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)，其中凍融試驗(yàn)統(tǒng)一采用25次凍融循環(huán)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 性能試驗(yàn)結(jié)果

3.5 原料影響分析

3.5.1 固結(jié)劑摻量的影響

總體趨勢(shì)，隨固結(jié)劑摻量增大，試塊強(qiáng)度上升，凍后強(qiáng)度也上升；隨固結(jié)劑摻量增大，密度降低，干燥收縮下降，吸水率下降。

3.5.2 水泥摻量的影響

隨水泥摻量增大，試塊強(qiáng)度明顯上升，凍后強(qiáng)度亦然；隨水泥摻量增大，密度增大，干燥收縮下降，吸水率明顯下降。

3.5.3 集料(砂)摻量的影響

隨砂摻量增大，試塊強(qiáng)度明顯上升，凍后強(qiáng)度亦然；隨砂摻量增大，密度增大，干燥收縮明顯下降，吸水率顯著下降。

3.5.4 水巖比的影響

隨水巖比增大(水基占比增大)，試塊強(qiáng)度下降，凍后強(qiáng)度亦然；隨水巖比增大，密度增大，干燥收縮明顯增大，吸水率有下降趨勢(shì)。

3.5.5 巖屑摻量的影響

隨巖屑摻量增大，試塊強(qiáng)度下降非常明顯，凍后強(qiáng)度亦然；隨巖屑摻量增大，密度下降，干燥收縮明顯增大，吸水率明顯增大。詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 巖屑摻量的影響

3.5.6 水基和油基摻量的影響

隨水基摻量增大，試塊強(qiáng)度下降非常明顯，凍后強(qiáng)度亦然，相對(duì)而言，油基摻量的增大，試塊強(qiáng)度下降程度小于水基；其他性能指標(biāo)(密度、干燥收縮和吸水率)也大致相同。

總體來(lái)說(shuō)，水基摻量的增大，產(chǎn)品性能下降非常明顯，油基的不利影響更小。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表6～7。

表6 水基摻量影響

表7 油基摻量影響

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

鉆井巖屑的資源化利用的理想目標(biāo)是增加巖屑用量，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下減少高價(jià)值原料用量。本驗(yàn)證試驗(yàn)采用全數(shù)試驗(yàn)方法，根據(jù)初步試驗(yàn)結(jié)果，固定水泥、砂和固結(jié)劑的用量，拉開(kāi)巖屑摻量范圍。

本次驗(yàn)證試驗(yàn)的成型方式與初步試驗(yàn)相同，主要考察強(qiáng)度指標(biāo)，同時(shí)考察蒸汽養(yǎng)護(hù)和自然養(yǎng)護(hù)的差異。

4.1 試驗(yàn)配比

固定固結(jié)劑、水泥和砂的摻量分別為3%、15%和10%，將水巖比的范圍擴(kuò)大為0、20%、40%、60%、80%和100%，詳細(xì)配比見(jiàn)表8。

表8 驗(yàn)證試驗(yàn)配比 %

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

蒸汽養(yǎng)護(hù)后的抗折、抗壓強(qiáng)度值見(jiàn)表9

表9 蒸汽養(yǎng)護(hù)后的抗折、抗壓強(qiáng)度值

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)隨著油基摻入量的增大，強(qiáng)度增大，隨著水基摻入量的增大，強(qiáng)度降低。這是由于油基巖屑經(jīng)過(guò)高溫焚燒，去除了其中的有機(jī)質(zhì)，同時(shí)產(chǎn)生了一定的燒結(jié)成分。

2)完全使用油基巖屑，摻入量72%的情況下，抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到27.92 MPa，在水巖比達(dá)到60%(水基43.2%，油基28.8%)的情況下，抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到18.04 MPa。

3)在建筑材料中，力學(xué)性能(強(qiáng)度)是材料的靈魂，隨著強(qiáng)度的提高，其他性能指標(biāo)總是隨之得到改善。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)水基巖屑和經(jīng)焚燒處理的油基巖屑的原料分析，以及與固結(jié)劑、水泥和砂的配比試驗(yàn)驗(yàn)證后，可以得出如下結(jié)論：水基鉆井巖屑和油基鉆井巖屑用于免燒砌墻磚是完全可行的。

1)在免燒砌墻磚中，水基巖屑和經(jīng)焚燒處理的油基巖屑摻入總量為72%時(shí)，產(chǎn)品質(zhì)量滿(mǎn)足《混凝土普通磚和裝飾裝磚》(NY/T 671—2003)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2)針對(duì)兩種鉆井巖屑，經(jīng)焚燒處理的油基巖屑用于免燒砌墻磚的性能優(yōu)于水基巖屑。

3)本試驗(yàn)中，經(jīng)驗(yàn)證的最大摻入量為72%(其中水基巖屑摻量不大于43.2%，經(jīng)焚燒處理的油基巖屑摻量不低于28.8%)，其他材料：固結(jié)劑摻量不低于3%，水泥摻量不低于15%，砂摻量不低于10%制成的制品抗壓強(qiáng)度不低于15.0 MPa。

4)考慮到試驗(yàn)布點(diǎn)的局限性以及鉆井巖屑的差異性，不排除在實(shí)際生產(chǎn)中，鉆井巖屑的摻入總量會(huì)更大。

5.2 建 議

在實(shí)際生產(chǎn)中，針對(duì)兩種鉆井巖屑的特性，提供如下建議。

1)鉆井巖屑本身細(xì)度較細(xì)(尤其是水基巖屑)，會(huì)結(jié)成有一定強(qiáng)度的塊體，生產(chǎn)中應(yīng)充分粉碎，確保與其他原料混合均勻。

2)由于經(jīng)焚燒處理的油基巖屑性能優(yōu)于水基巖屑，在固定巖屑摻入總量的條件下，可以調(diào)節(jié)兩種巖屑的比例來(lái)控制強(qiáng)度。

3)在條件允許前提下，可見(jiàn)水基巖屑與油基巖屑一起進(jìn)行焚燒處置后再利用。

4)鑒于鉆井巖屑的成分變動(dòng)較大，在生產(chǎn)中應(yīng)采取勻化措施，并嚴(yán)格進(jìn)行及時(shí)分析。

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