海南紅粘土廢泥漿固化處理技術(shù)研究

陳 源，王加燦，韓建剛

(海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，海南?？?70228)

在鉆井和鉆孔灌注樁施工及石油天然氣的開采過程中，泥漿是鉆井作業(yè)的血液，是保證鉆井工作正常開展的不可缺少的物質(zhì)，它能起到平衡地層壓力、保護(hù)井壁、冷卻、攜帶懸浮鉆屑、潤滑鉆具等作用;但在鉆井作業(yè)完成后，作業(yè)現(xiàn)場會留下大量廢泥漿，這些廢泥漿的有害成分復(fù)雜，是由粘土、污水、污油、各種化學(xué)處理劑、加重材料及鉆屑等組成的多相膠體分散懸浮體系［1］.

海南地區(qū)紅粘土分布廣泛，它是一種富含鐵、鋁氧化物和較多粘粒，幾乎不含鹽基成分的紅色粘土［2］.在海南紅粘土土層進(jìn)行鉆井或鉆孔的過程中，破碎下來的紅粘土鉆屑混入泥漿，改變了原泥漿的密度和黏度.最后排出的廢泥漿中含有部分的紅粘土微粒，再加上原泥漿中各種添加劑和化學(xué)成分，使得廢泥漿長時間處于流體和半固體之間，且不變性，在自然條件下難于降解.所以必須對其進(jìn)行處理，以防止其對環(huán)境造成污染.

本文以海南三亞某鐵路施工段的紅粘土廢棄泥漿為研究對象，針對紅粘土的成分和性質(zhì)，以處理后的泥漿能有一定的強(qiáng)度、具有類似普通粘土的填筑性能、能指導(dǎo)現(xiàn)場施工、能為廢棄泥漿的再利用提供技術(shù)支持為研究目的，通過固化試驗篩選出適合處理此廢泥漿的固化劑，并確定了固化劑的最佳配合比，達(dá)到了較佳的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和工程效益.

1 室內(nèi)試驗

1.1 試驗材料與儀器 試驗采用就地或者就近取材，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)依據(jù)當(dāng)時的市場價格，詳見表1.

主要儀器:電子天平(精度0.1 g)、圓盤稱(精度10 g)、溫濕度計、恒溫烘箱、微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī).

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗方案設(shè)計 取適量廢棄泥漿，加入適當(dāng)?shù)墓袒瘎?，攪拌均勻后，制作成模，靜置養(yǎng)護(hù)3 d、7 d、28 d，脫模后測試其抗壓強(qiáng)度，分析并確定最終的固化劑種類和最佳配合比，固化過程的具體試驗方案見圖1.

1.2.2 固化劑的篩選 從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，首先選用無機(jī)固化劑作為固化劑，也可以適當(dāng)采用復(fù)合固化劑;再者，考慮到地域性的因素，宜采用當(dāng)?shù)氐募t粘土作為固化土，除粉煤灰在當(dāng)?shù)夭灰撰@得外，其他材料都可以獲得.經(jīng)綜合考慮，初步選用水泥、石灰、砂子、紅粘土4種材料作為固化主凝劑，助凝劑則選用水玻璃，催化劑則選用工業(yè)硫酸鋁.

表1 試驗所用材料主要技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

圖1 固化方案流程

1.2.3 固化配合比的確定 固化劑種類確定后，考慮到固化成本、試驗的可操作性和固化所需要的時間，初步確定了10組配合比，每次試驗都稱取2 000 g從現(xiàn)場取回的廢泥漿土樣，其他固化劑按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)稱量取用，見下表2.

表2 室內(nèi)固化配合比

1.2.4 固化試驗 每次試驗操作均稱取等量廢泥漿，固化劑按質(zhì)量百分比稱量，將稱量好的固化劑勻速加入廢泥漿中，用切土刀攪拌均勻后裝入模具.其中，復(fù)合固化試驗是先向廢泥漿中加入催化劑硫酸鋁粉末，待其完全溶解后，再加入助凝劑硅酸鈉粉末，攪拌均勻，最后加入主凝劑水泥或砂.將做好的土樣靜置存放于實驗室內(nèi)，觀察測定前三天的稠度狀態(tài)變化，并記錄每天的室內(nèi)溫度和濕度.此外，還需要測定原廢泥漿和所加紅粘土的含水率，以此作為指導(dǎo)施工和選材的依據(jù).

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗第3 d固化土樣的稠度狀態(tài)和強(qiáng)度 根據(jù)《建筑工程地質(zhì)勘探與取樣技術(shù)規(guī)程》JGJ/T 87－2012，對固化試驗10組土樣的3 d稠度狀態(tài)和軟硬程度進(jìn)行描述，并比較各固化土樣的固化效果.10組土樣的3 d稠度狀態(tài)和軟硬程度及得出的強(qiáng)度大小關(guān)系見表3.

表3 試驗第3 d固化土樣的稠度狀態(tài)

一般情況下，達(dá)到軟塑狀態(tài)就可以開挖和運輸，可以再利用.經(jīng)過3 d，對10組固化土樣進(jìn)行觀察測定和比較，可以初步得出，影響固化稠度狀態(tài)和強(qiáng)度的所選固化主凝劑主次關(guān)系為:水泥＞石灰＞紅粘土＞砂.水泥的加入量對固化土稠度狀態(tài)和強(qiáng)度影響最大;石灰的加入量對固化土的稠度狀態(tài)和強(qiáng)度影響較大;紅粘土的加入量大，達(dá)到一半廢泥漿的用量時，固化效果明顯提升;砂對固化基本沒有作用;助凝劑和催化劑的加入對固化效果影響較大，固化土稠度狀態(tài)和強(qiáng)度顯著提高.通過對以上試驗結(jié)果的分析，水泥、石灰、紅粘土、硅酸鈉和硫酸鋁對廢泥漿的固化都起著積極的作用，因此，可以考慮幾種主凝劑摻合起來使用，加入適量助凝劑和催化劑，其固化效果也比較顯著.

2.2 水泥、硅酸鈉以及硫酸鋁固化試驗 對固化材料選水泥、硅酸鈉、硫酸鋁這組試驗，考慮到廢泥漿中的紅粘土微粒富含鐵、鋁氧化物，金屬氧化物一般顯堿性，但Al2O3為兩性氧化物，而硅酸鈉溶于水后(俗名水玻璃)顯堿性，會發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng):

從上式反應(yīng)可以看出，反應(yīng)后都有沉淀生成，且生成的Al(OH)3還具有吸附性，這有利于泥漿的有害成分的包裹和封閉，當(dāng)然也會提高固化的效果.

3 討論

實際上，研究的目的是對廢泥漿進(jìn)行固化，以達(dá)到再利用的目的，但所加紅粘土的含水量不易控制;固化劑為水泥和石灰的固化效果較好，但綜合單價較高;固化劑為w=3%的水泥的固化達(dá)到了堅硬的程度，不利于隨后的開挖和運輸.

由表3可以看出，水泥的固化效果較好，加w=1%的水泥的土樣就可以滿足工程的要求，若再加入適量的硅酸鈉和硫酸鋁，固化效果一定會更理想，3 d就能有一定的強(qiáng)度，有類似普通粘土的性能，能達(dá)到運輸和再利用的目的.

固化劑主凝劑選定為水泥后，為了進(jìn)一步研究固化土的抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，對固化劑為w=1%的水泥、w=3%的水泥、w=1%的水泥+w=0.5%的硅酸鈉和+w=0.1%的硫酸鋁、w=1%的水泥+w=1%的石灰、w=1%的水泥+w=30%的紅粘土的5組固化土樣進(jìn)行3 d、7 d、28 d的立方體抗壓強(qiáng)度試驗.將加入水泥的廢泥漿攪拌均勻后裝入工程立方體塑料試模中，裝樣時分3次進(jìn)行，每次裝1/3，必須使土樣裝滿整個試模，盡量將其壓實，不留空隙.靜置在實驗室內(nèi)養(yǎng)護(hù)3 d、7 d、28 d，記錄室內(nèi)溫度和濕度，測定其3 d、7 d、28 d立方體抗壓強(qiáng)度.

3.1 5組減少水泥用量的固化土樣的抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果(表4～表8)

表4 w=1%的水泥的強(qiáng)度試驗結(jié)果

表5 w=3%的水泥的強(qiáng)度試驗結(jié)果

表6 w=1%的水泥+w=0.5%的硅酸鈉+w=0.1%的硫酸鋁的強(qiáng)度試驗結(jié)果

表7 w=1%的水泥+w=1%的石灰的強(qiáng)度試驗結(jié)果

表8 w=1%的水泥+w=30%的紅粘土的強(qiáng)度試驗結(jié)果

從以上表中可以得出:水泥的摻加量直接決定固化土樣的抗壓強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度隨著時間逐漸增強(qiáng);固定水泥的用量同時替代部分水泥后，硅酸鈉和硫酸鋁的加入對固化強(qiáng)度影響較大，其次為石灰，最后為紅粘土;固化時間至少應(yīng)為7 d，在溫度和濕度無太大波動時，僅有3 d的固化土樣基本沒有強(qiáng)度(w=3%的水泥固化除外).要達(dá)到運輸和開挖的目的，抗壓強(qiáng)度基本要達(dá)到0.2 Mpa.考慮到在實際固化處理工作中，由于固化的量和體積都很大，且水分不易散失，因此可以調(diào)整固化劑的種類和加入量，以達(dá)到最佳的固化效果.

由表6得出:w=1%的水泥+w=0.5%的硅酸鈉+w=0.1%的硫酸鋁固化7 d的強(qiáng)度沒有達(dá)到0.2 Mpa，本工程建議采用加入w=2%的水泥+w=0.5%的硅酸鈉+w=0.1%的硫酸鋁固化7 d，其他工程也可參考此配比進(jìn)行廢泥漿固化處理.

3.2 施工工藝

1)根據(jù)現(xiàn)場情況確定固化劑的用量.

2)根據(jù)泥漿池的現(xiàn)狀，利用現(xiàn)有泥漿池進(jìn)行處理，清除表面硬土層.

3)確定攪拌深度及固化劑的計量，將配置好的固化劑均勻撒入泥漿池中，使用挖掘機(jī)沿周邊從上到下反復(fù)攪拌，直至攪拌均勻，挖掘機(jī)的臂越長，每次處理的范圍就越大，每次處理厚度為1 m.

4)待泥漿固化后，用挖掘機(jī)將拌合好后的固化物從反應(yīng)池中挖出，放置于附近場地.

5)重復(fù)以上施工過程，直至將泥漿池中的泥漿處理完畢.

6)泥漿固化完畢后，對其進(jìn)行覆土填埋，埋土深度約為50 cm以上.

4 結(jié)論

(1)固化劑原材料宜就地就近取材，經(jīng)過對比試驗，篩選出固化效果最好的水泥、石灰、紅粘土以及硅酸鈉和硫酸鋁，作為固化處理廢泥漿的固化劑原材料.

(2)針對海南紅粘土泥漿的固化，常規(guī)固化方法亦適用.考慮到紅粘土富含鐵和鋁氧化物，故可加入適量硅酸鈉和工業(yè)硫酸鋁，這樣固化效果會顯著提高.建議對海南紅粘土泥漿宜采用w=2%的水泥+w=0.5%的硅酸鈉+w=0.1%的硫酸鋁的固化處理，建議固化時間為7 d.

(3)水泥固化效果好，但是水泥生產(chǎn)耗能巨大，因此可以替換掉部分水泥，改用耗能少的石灰以及天然的紅粘土等，兩種或者幾種固化劑正交組合同樣能達(dá)到環(huán)保、固化和再利用的目的.

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