油基巖屑摻合料對混凝土力學性能的影響

張玉林 文 華 胡代淋 席 茜

（1.西南科技大學城市學院 四川綿陽 621000；2.西南科技大學土木工程與建筑學院 四川綿陽 621010）

混凝土作為一種重要的建筑材料，對其各項性能的評價就顯得尤為重要，混凝土的力學性能是其評價指標中最重要的一種［1］。我國油頁巖儲備位于世界第二［2］，隨著油頁巖資源的進一步開發(fā)，導致了大量的油基巖屑生成。頁巖氣開采后形成的油基巖屑含油率達到了15%～25%［3］，大于我國的排放規(guī)范標準，存在較大的危害，假如對其處置不夠合理，便會給周圍的環(huán)境帶來不利影響。目前，石油行業(yè)已對含油率高的初始油基巖屑進行技術(shù)處理（LRET技術(shù)［4］），處理之后的油基巖屑含油率0.6%左右［5］，滿足《陸上石油天然氣開采含油污泥處理處置及污染控制技術(shù)規(guī)范》SY／T 7300—2016［6］所要求的含油率低于2%的要求，可以進行資源化利用。

近幾年，人們開始逐漸關注將廢棄物加入到混凝土中形成“綠色混凝土”。本研究試圖將油基巖屑作為混凝土摻合料替代混凝土部分細集料，以解決油基巖屑在環(huán)保方面的難題，開發(fā)綠色新型建筑材料。

目前，國內(nèi)外對油基巖屑的關注較少，將油基巖屑作為廢棄材料進行資源化運用的研究也相對較少。姚曉等［7］進行了將經(jīng)過技術(shù)處理之后的油基巖屑替代部分水泥制作為鉆井區(qū)固井漿液的研究。童輝等［8］進行了將黏土與油田污泥應用于建筑墻體的燒磚試驗。陳忠等［9］探討了將油基巖屑與廢棄泥漿制作為煤的可能性。

上述研究主要集中在將油基巖屑應用于生產(chǎn)水泥、改善濕地環(huán)境、燒制磚塊等方面，未見用于混凝土工程的應用和研究報道。本文將經(jīng)過處理后的油基巖屑作為摻合料替代混凝土中的細集料，研究不同油基巖屑替代率對混凝土力學性能的影響。

1 試驗

1.1 試驗材料

水泥：P·I 42.5硅酸鹽水泥，水泥的物性指標見表1。

表1 水泥物性指標Table 1 Physical Property Index of Cement

粗骨料：選用粒徑為5～20 mm的連續(xù)天然碎石，為保證試驗數(shù)據(jù)的可靠性，對粗骨料進行了清洗、干燥，放置于干燥容器內(nèi)保存。

水：普通自來水，pH＝7，滿足試驗要求。

細集料：選用天然河沙，粒徑0.35～0.50 mm，表觀密度2 750 kg／m3、堆積密度1 480 kg／m3，含泥量2.7%，其余各項指標均符合規(guī)定限值。

油基巖屑：選用摻合料為經(jīng)過離心甩干技術(shù)、LRET技術(shù)處理之后的油基巖屑，含油率約0.6%。處理前后油基巖屑的物性指標見表2。

表2 處理前后油基巖屑物性指標Table 2 Physical properties of oil-based cuttings before and after treatment

經(jīng)過LRET技術(shù)預處理的油基巖屑含油率低于1%，呈現(xiàn)黑色干粉狀，局部存在的一些細小顆粒是由于其吸水結(jié)塊而成，加水拌和后呈現(xiàn)黑色漿體狀態(tài)，具有良好的拌和性能。圖1為LRET技術(shù)處理后的油基巖屑圖片。

圖1 LRET技術(shù)處理后的油基巖屑Fig.1 Oil-based cuttings treated by LRET technology

1.2 試驗設計

首先以C30強度標準設置一組基準組（A組），A組油基巖屑替代細集料比率為0%，然后采用油基巖屑替代同質(zhì)量的細集料，替代細集料比率分別為B組（5%）、C組（10%）、D組（20%）、E組（30%）、F組（40%），養(yǎng)護時間分別為7 d，28 d。各組詳細配合比見表3。

表3 混凝土配合比Table 3 Concrete Mix Ratio

1.3試驗方法

混凝土試塊制作與性能試驗依據(jù)《普通混凝土力學性能試驗方法標準》GB／T 550081—2002［10］執(zhí)行。依照表3配比進行試驗試塊制作?；炷翑嚢璨捎肏W－60單臥式混凝土攪拌機，制作成型后在標準狀態(tài)下分別養(yǎng)護7 d，28 d?；炷猎噳K的抗壓強度試驗采用WHY－2000型微機控制壓力試驗機完成測試；混凝土試塊劈裂抗拉試驗采用WES系列數(shù)顯萬能機測力儀測試；混凝土試塊的抗折試驗采用HYE型微機電液伺服壓力試驗機測試。

為保證試驗數(shù)據(jù)的可靠性，油基巖屑摻合料混凝土的抗壓強度試驗與劈裂強度試驗所制作的標準試件的尺寸均為150 mm×150 mm×150 mm，每組試驗分別制作5塊標準試件；油基巖屑摻合料混凝土抗折強度試驗標準試塊的制作尺寸為150 mm×150 mm×550 mm，每一組試驗分別制作5塊標準試塊。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 抗壓強度試驗

7 d和28 d養(yǎng)護的油基巖屑摻合料混凝土試件的抗壓強度與油基巖屑摻入量的變化曲線見圖2。

從圖2可以看出，隨著油基巖屑替代率的逐漸加大，油基巖屑摻合料混凝土抗壓強度總體呈減小趨勢。在相同養(yǎng)護時間下，替代率40%相較30%的抗壓強度并未出現(xiàn)較為明顯的下降；相同油基巖屑摻入量情況下，養(yǎng)護時間28 d的試塊抗壓強度大于養(yǎng)護7 d的試塊抗壓強度，說明油基巖屑的摻入并未影響混凝土強度隨時間逐漸增長的規(guī)律；當油基巖屑摻合料替代率超過30%時，油基巖屑摻合料混凝土試塊強度降低幅度減小，說明當油基巖屑摻入到一定比值時混凝土抗壓強度降低幅度趨緩。

圖2 油基巖屑摻合料對混凝土抗壓強度的影響Fig.2 Effects of oil-based cuttings admixture on compressive strength of concrete

當養(yǎng)護時間分別為7 d與28 d時，B，C，D，E，F(xiàn)組的油基巖屑摻合料混凝土抗壓強度占基準強度百分比如表4所示。

表4 抗壓強度表Table 4 Compressive strength table

從表4可知，當油基巖屑替代率為10%，40%時，油基巖屑摻合料混凝土28 d養(yǎng)護時間的抗壓強度占基準強度百分比小于7 d的抗壓強度占基準強度百分比，當油基巖屑替代率為5%，20%，30%時，油基巖屑摻合料混凝土在28 d養(yǎng)護時間的抗壓強度占基準強度百分比大于所對應的相同配比下養(yǎng)護時間為7 d的抗壓強度占基準強度百分比。當摻入比由0%增大到40%時，養(yǎng)護7 d的混凝土抗壓強度由25.2 MPa降低到9.8 MPa，占基準強度百分比總體降低61.1%；養(yǎng)護28 d的混凝土抗壓強度由32.1 MPa降低到9.8 MPa，占基準強度百分比總體降低61.8%。

從上述試驗結(jié)果可以看出，混凝土抗壓強度隨著油基巖屑替代率的加大而逐步降低。當油基巖屑替代率在30%以內(nèi)時，油基巖屑的替代率越大，混凝土的抗壓強度就會越低；當油基巖屑替代率超過30%時，油基巖屑摻合料混凝土抗壓強度降低趨勢變緩。油基巖屑摻合料并不會影響混凝土抗壓強度隨時間逐步增長的規(guī)律。

2.2 抗折強度試驗

7 d和28 d養(yǎng)護的油基巖屑摻合料混凝土試件的抗折強度與油基巖屑摻入量的變化曲線如圖3所示。

從圖3可以明顯看出，隨著油基巖屑摻入量的增大，油基巖屑摻合料混凝土抗折強度總體呈減小趨勢。當養(yǎng)護期限都為7 d時，細集料替代率為20%的混凝土試塊抗折強度大于替代率為10%的混凝土試塊抗折強度；相同油基巖屑摻入量情況下油基巖屑摻合料混凝土28 d抗折強度都大于相同配比7 d抗折強度，說明油基巖屑的摻入并未影響混凝土抗折強度隨養(yǎng)護時間逐漸增大的規(guī)律。

圖3 油基巖屑摻合料對混凝土抗折強度的影響Fig.3 Effects of oil-based cuttings admixture on flexural strength of concrete

當養(yǎng)護時間分別為7 d與28 d時，B，C，D，E，F(xiàn)組的油基巖屑摻合料混凝土抗折強度占基準強度百分比如表5所示。

表5 抗折強度表Table 5 Flexural strength table

從表5可知，當油基巖屑替代率小于30%時，油基巖屑摻合料混凝土28 d抗折強度占基準強度百分比小于7 d抗折強度占基準強度百分比；當油基巖屑替代率大于30%時，油基巖屑摻合料混凝土28 d抗折強度占基準強度百分比大于所對應的相同配比下7 d抗折強度占基準強度百分比。當摻入比由0%增大到40%時，養(yǎng)護7 d的混凝土抗折強度由2.70 MPa降低到1.19 MPa，占基準強度百分比總體降低55.9%；養(yǎng)護28 d的混凝土抗折強度由4.16 MPa降低到2.18 MPa，占基準強度百分比總體降低47.6%。

分析上述試驗結(jié)果可知，隨著油基巖屑摻入量的增大，油基巖屑摻合料混凝土抗折強度呈減小趨勢。不同養(yǎng)護期趨勢一致，油基巖屑摻合料并不會影響混凝土的抗折強度隨養(yǎng)護時間逐漸增大的規(guī)律。

2.3 劈裂抗拉強度試驗

7 d和28 d養(yǎng)護的油基巖屑摻合料混凝土試件的劈裂抗拉強度與油基巖屑摻入量的變化曲線如圖4所示。

從圖4可以看出，隨著油基巖屑替代率的逐步加大，油基巖屑摻合料混凝土劈裂抗拉強度逐漸減小。在相同養(yǎng)護時間下，替代率40%相較30%的劈裂抗拉強度并未出現(xiàn)較為明顯的下降；相同油基巖屑摻入量情況下，養(yǎng)護時間28 d的劈裂抗拉強度大于養(yǎng)護7 d的劈裂抗拉強度，說明油基巖屑的摻入并未影響混凝土劈裂抗拉強度隨時間逐漸增長的規(guī)律；當油基巖屑摻合料替代率超過30%時，油基巖屑摻合料混凝土試塊劈裂抗拉強度降低幅度減小，說明當油基巖屑摻入到一定比值時混凝土劈裂抗拉強度降幅趨緩。

圖4 油基巖屑摻合料對混凝土劈裂抗拉強度的影響Fig.4 Effects of oil-based cuttings admixture on splitting tensile strength of concrete

當養(yǎng)護時間分別為7 d與28 d時，B，C，D，E，F(xiàn)組的油基巖屑摻合料混凝土劈裂抗拉強度占基準強度百分比如表6所示。

表6 劈裂抗拉強度表Table 6 Splitting tensile strength table

從表6可知，油基巖屑摻合料混凝土28 d養(yǎng)護時間的劈裂抗拉強度占基準強度百分比大于所對應的7 d劈裂抗拉強度占基準強度百分比。當摻入比由0%增大到40%時，養(yǎng)護7 d的混凝土劈裂抗拉強度由1.58 MPa降低到0.97 MPa，占基準強度百分比總體降低38.6%，養(yǎng)護28 d的混凝土劈裂抗拉強度由2.61 MPa降低到1.67 MPa，占基準強度百分比總體降低36.0%。

分析上述試驗結(jié)果可以得出，混凝土劈裂抗拉強度隨著油基巖屑摻入量變多而減小，當油基巖屑替代率在30%以內(nèi)時，油基巖屑的替代率越大，混凝土的劈裂抗拉強度越小，當油基巖屑替代率超過30%時，油基巖屑摻合料混凝土劈裂抗拉強度不再出現(xiàn)大幅度減小。油基巖屑摻合料并不會影響混凝土的劈裂抗拉強度隨養(yǎng)護時間逐步增長的規(guī)律。

混凝土拉壓比是相同狀態(tài)下的混凝土劈裂抗拉強度除以其抗壓強度所得到的值，圖5為不同養(yǎng)護時間（7 d，28 d）的油基巖屑摻合料混凝土試件的拉壓比隨油基巖屑摻入量的變化曲線。

從圖5可以看出，隨著油基巖屑替代率逐步加大，混凝土拉壓比總體呈增大態(tài)勢，表明油基巖屑摻合料混凝土的抗拉強度能夠隨著混凝土的抗壓強度逐步增大，混凝土延性增加。當養(yǎng)護時間為28 d時，A配比組的拉壓比最小，D配比組的拉壓比最大，B組、C組、E組、F組的拉壓比略小于D組；當養(yǎng)護時間為7 d時，A配比組的拉壓比最小，C組、E組、F組的拉壓比略大于D組。

圖5 油基巖屑摻合料對混凝土拉壓比的影響Fig.5 Effects of oil-based cuttings admixture on concrete tension-compression ratio

3 結(jié)論

（1）混凝土抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度隨著油基巖屑替代率的加大而逐步減小，油基巖屑的替代率越大，混凝土的力學性能參數(shù)越低，當油基巖屑替代率超過30%時，油基巖屑摻合料混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度降幅趨緩。

（2）研究表明油基巖屑摻合料對混凝土的力學性能影響較大，為了更好地將油基巖屑資源化利用，下一步可以通過摻入改性材料的方法對含油基巖屑的混凝土進行改性研究，以提高其力學性能，為其工程應用奠定基礎。