油基巖屑在無(wú)機(jī)穩(wěn)定基層中應(yīng)用的路用性能研究

譚文欣 文華 李夢(mèng)妮 譚樹(shù)成 劉穎

摘要：指出了在一定級(jí)配的碎石中，適當(dāng)加入油基巖屑、水泥和水，并按照技術(shù)要求進(jìn)行拌和、攤鋪等工藝，在其最佳含水童時(shí)進(jìn)行壓實(shí)、成型并養(yǎng)護(hù)，用于鉆前工程井場(chǎng)公路（簡(jiǎn)稱鉆前公路）的基層，此類油基巖屑可用于新建和改建鉆前公路的半剛性路面結(jié)構(gòu)。水泥穩(wěn)定碎石基層的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是強(qiáng)度值須達(dá)到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)還要保證其在使用年限內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的殘余形變，不會(huì)發(fā)生較嚴(yán)重的裂縫破壞和沖刷破壞，并且具備一定的剛度和杭拉強(qiáng)度。故研究了油基巖屑的摻童、對(duì)砂的替代率以及水泥摻量對(duì)其無(wú)側(cè)限杭?jí)簭?qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和杭?jí)夯貜椖Ａ康攘W(xué)性能指標(biāo)的影響，并以此探究了摻入油基巖屑的水泥穩(wěn)定碎石基層的路用性能，以實(shí)現(xiàn)提高道路使用年限，油基巖屑資源化利用等目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：油基巖屑;路用性能;鉆前公路;力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TE992 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2020）04-0132-05

1 引言

在頁(yè)巖油氣開(kāi)采過(guò)程中，使用鉆機(jī)進(jìn)行垂直開(kāi)鑿后，為加大采氣面，需在水平層進(jìn)行拓展，為支護(hù)井壁，需使用鉆井液一油基泥漿，且其在使用過(guò)程中與水、油、頁(yè)巖等混合形成油基巖屑[1，2]。油基泥漿具有良好的潤(rùn)滑性，抗高溫性和抗污染性，又因其具有良好的抗坍塌性和井壁支護(hù)力，所以其在各大開(kāi)采平臺(tái)得到廣泛的應(yīng)用。但因油基泥漿由多種不穩(wěn)定的化學(xué)物質(zhì)組成，所以開(kāi)采后形成的油基巖屑成分也十分復(fù)雜。

隨著我國(guó)油頁(yè)巖事業(yè)的大力發(fā)展，開(kāi)采量的逐年增加，油基巖屑的產(chǎn)量也與日俱增。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，平均一月的時(shí)間，中石油川慶鉆探公司某川南作業(yè)區(qū)因頁(yè)巖氣的開(kāi)采就可以產(chǎn)生1690m³左右的油基巖屑。這些油基巖屑的含油率基本上達(dá)到了1500-25%，其相關(guān)指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)可排放廢物的數(shù)據(jù)指標(biāo)，其本身具有極大的危險(xiǎn)性，若不進(jìn)行科學(xué)的處理，勢(shì)必將給生態(tài)環(huán)境帶去不可估量的危害。就現(xiàn)目前而言，油基巖屑的處理方式以焚燒、固化填埋等為主，此類方法的處理并不能實(shí)現(xiàn)環(huán)保、安全的目標(biāo)，更沒(méi)有實(shí)現(xiàn)廢棄物最終資源化利用的目標(biāo)，反之還產(chǎn)生了更多的二次污染物[3～5]，將其資源化處理的難題己成為制約本行業(yè)發(fā)展的重要阻力之一。粘土、地底巖屑、礦屑等是組成油基巖屑的主要成分，此類成分有作為公路路面結(jié)構(gòu)填充料的潛質(zhì)，可以探究其在公路中的應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)資源化利用油基巖屑[6，7]。

2 原材料與試驗(yàn)方法

2.1 原材料

2.1.1 水泥

選擇32.5R復(fù)合硅酸鹽水泥，根據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E30-2005）[8]測(cè)試水泥膠砂的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和凝結(jié)時(shí)間，結(jié)果見(jiàn)表1，均達(dá)到規(guī)范的要求。

2.1.2 集料

根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20-2015）[9]中的規(guī)定，用于二級(jí)及二級(jí)以下公路基層的粗集料，規(guī)定其最大粒徑≤31.5mm，壓碎值不高于30%，針葉狀顆粒含量不高于20%。規(guī)定細(xì)集料中<0.075mm的顆粒含量≤20%。

粗集料：采用粒徑4.75～31.5mm的碎石，主要性質(zhì)見(jiàn)表2，相關(guān)性質(zhì)均符合規(guī)范要求。

細(xì)集料：采用的是4.75mm以下的中粗砂。0.075mm以下的顆粒含量為細(xì)集料的10%，滿足規(guī)范要求。

2.1.3 油基巖屑

經(jīng)LRET技術(shù)甩干預(yù)處理后[10，11]，油基巖屑含油率為1%以下。對(duì)其進(jìn)行浸出毒性分析表明：所檢的指標(biāo)含量均低于國(guó)家廢棄物鑒別標(biāo)準(zhǔn)值和污水綜合排放限值，可用于無(wú)機(jī)穩(wěn)定碎石基層中。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

2.2.1 集料級(jí)配設(shè)計(jì)

依據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》JTG/T F20一2015[9]規(guī)定，參考水泥粉煤灰穩(wěn)定級(jí)配碎石的推薦級(jí)配，確定摻油基巖屑的混合料用于二級(jí)及二級(jí)以下公路底基層的合成級(jí)配見(jiàn)表3。

2.2.2 油基巖屑摻童

油基巖屑摻量對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層的影響，主要是因?yàn)橛突鶐r屑摻量的改變，導(dǎo)致了骨料摻量的變化，同時(shí)也影響了混合料的結(jié)構(gòu)形態(tài)，造成摻入后的水泥穩(wěn)定碎石基層的力學(xué)性能發(fā)生改變。該組研究所對(duì)應(yīng)的各材料比例如表4所示。

2.2.3 細(xì)集料配比

細(xì)集料配比對(duì)摻油基巖屑的水泥穩(wěn)定碎石基層的影響，主要研究水泥和粗骨料在保持不變的情況下，調(diào)整油基巖屑與砂的比例，研究二者比例的改變對(duì)水穩(wěn)底基層的影響。該組研究對(duì)應(yīng)的各材料比例如表5所示。

2.2.4 水泥劑童

水泥劑量對(duì)摻入油基巖屑的水泥穩(wěn)定碎石基層的影響，主要研究的是碎石和砂的比例在保持不變的情況下，只改變水泥和油基巖屑的比例，并探究對(duì)底基層的力學(xué)性能的影響。該組研究對(duì)應(yīng)的各材料比例如表6。

3 路用性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

3.1.1 油基巖屑摻量

摻入不同量的油基巖屑時(shí)，混合料7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值如表7所示，油基巖屑的摻量對(duì)7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響曲線如圖1所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可知。

（1）油基巖屑摻量增大時(shí)，混合料的7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值降低。無(wú)機(jī)穩(wěn)定底基層的強(qiáng)度主要是因?yàn)榻Y(jié)合料的粘結(jié)作用、碎石的內(nèi)摩擦力。隨著油基巖屑的增多，細(xì)料配比增多，碎石比例下降，混合料結(jié)構(gòu)的懸浮密實(shí)程度加深，碎石被細(xì)料分散得越來(lái)越開(kāi)，碎石間的嵌合作用越來(lái)越弱，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低?？梢?jiàn)，在水泥摻量一定時(shí)，改變摻和料和集料之間的比例對(duì)水穩(wěn)底基層的強(qiáng)度會(huì)有影響.

（幻油基巖屑的摻量對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響趨勢(shì)大致為先陡后緩。當(dāng)油基巖屑的摻入量高于10%時(shí)，混合料的7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值逐漸平穩(wěn)，低于基準(zhǔn)試驗(yàn)組A組強(qiáng)度值的26%左右。

3.1.2 細(xì)料配比

不同細(xì)料配比時(shí)的7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值如表8所示，不同細(xì)料配比對(duì)7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響曲線如圖2所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可知。

（1）隨著細(xì)料中油基巖屑摻入量的增大，混合料的7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值呈下降的趨勢(shì)。當(dāng)油基巖屑與砂的摻量比從0.54增加到1.15時(shí)，混合料的7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值下降明顯，與基準(zhǔn)組E相比下降了28%，但繼續(xù)增加油基巖屑比例，強(qiáng)度降低幅度較小。

（2）細(xì)料中油基巖屑比例增多導(dǎo)致混合料強(qiáng)度變化主要體現(xiàn)在兩方面：一方面，對(duì)于懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)而言，其結(jié)構(gòu)形態(tài)主要表現(xiàn)為細(xì)料和膠凝材料形成的砂漿塊牢牢的裹覆住粗骨料，因此砂漿體的強(qiáng)度對(duì)懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)水穩(wěn)材料具有較大的影響;另一方面，本研究中的砂級(jí)配良好，各種粒徑的沙子間有一定的嵌合作用。油基巖屑是細(xì)粉物質(zhì)，量的增加降低了集料間的嵌合作用，導(dǎo)致混合料的7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低。

3.1.3 水泥摻量

不同水泥摻量時(shí)，其7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值如表9所示，不同水泥摻量對(duì)7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響曲線如圖3所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可知。

（1）該組混合料的7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量呈現(xiàn)出正相關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.44～0.47。

（2）水泥作為主要的膠凝材料，當(dāng)其摻量降低時(shí)，混合料的粘結(jié)能力明顯下降，混合料7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值也降低。另一方面，油基巖屑比例增加導(dǎo)致需要被穩(wěn)定的顆粒數(shù)量增多，需要更多的膠凝材料，水泥摻量的減少使混合料的粘結(jié)力明顯下降，因此試件的7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值也降低。

3.2 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

3.2.1 油基巖屑摻量

不同油基巖屑摻量的混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度值如表10所示，油基巖屑摻量對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響曲線如圖4所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可知。

（1）隨著油基巖屑摻量的增大，試件的劈裂抗拉強(qiáng)度值呈下降的趨勢(shì)。油基巖屑摻量G5%時(shí)，隨著摻量的增加，混合料劈裂抗拉強(qiáng)度值下降顯著;當(dāng)油基巖屑摻量高于5%后，油基巖屑摻量對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響程度降低。

（2）油基巖屑摻量為15%時(shí)，較基準(zhǔn)組A，混合料劈裂抗拉強(qiáng)度降低17%，而無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低了26%，可見(jiàn)，油基巖屑對(duì)前者的影響更大。

（3）油基巖屑影響劈裂抗拉強(qiáng)度的主要原因是：摻量的增多，集料的數(shù)量減少，集料間的嵌合作用減弱，因此混合料更容易被拉碎。

（4）當(dāng)水泥的摻量為5%，油基巖屑的摻量是0%15%左右時(shí)，混合料劈裂抗拉強(qiáng)度值>0.2MPa，滿足基本要求。

3.2.2 細(xì)料配比

不同細(xì)料配比時(shí)混合料劈裂抗拉強(qiáng)度值如表11所示，細(xì)料配比對(duì)混合料劈裂強(qiáng)度的影響曲線如圖5所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可知。

（1）隨著油基巖屑摻量的增大，試件的劈裂強(qiáng)度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。當(dāng)油基巖屑摻量為31%，與砂比值為2.58時(shí)，與基準(zhǔn)配合比相比混合料劈裂抗拉強(qiáng)度下降了19%。

（2）隨著油基巖屑與砂漿質(zhì)量比的上升，混合砂漿的粘結(jié)力降低，造成混合料的抗拉強(qiáng)度降低。

（3）水泥比例為5%，油基巖屑摻量為15%～31%時(shí)，混合料劈裂抗拉強(qiáng)度大于>0.2MPa，滿足要求。

3.2.3 水泥摻量

不同水泥摻量時(shí)混合料劈裂抗拉強(qiáng)度值如表12所示，水泥摻量對(duì)混合料劈裂抗拉強(qiáng)度的影響曲線如圖6所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可知。

（1）混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度與水泥摻量呈現(xiàn)正相關(guān)系。因?yàn)榘雱傂圆牧系目估瓘?qiáng)度主要取決于材料的粘結(jié)力，在摻入油基巖屑的水穩(wěn)底基層中，水泥是唯一的膠凝材料，水泥比例減少，混合料的粘結(jié)能力下降，抗拉能力下降。

（3）當(dāng)水泥比例為3%～5%，油基巖屑摻量為31%～33%時(shí)，混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度大于0.2MPa，滿足要求。

4 試驗(yàn)分析總結(jié)

（1）通過(guò)調(diào)整油基巖屑和集料之間的比例研究油基巖屑摻量對(duì)混合料的影響;通過(guò)利用油基巖屑替代不同比例的砂，研究油基巖屑與砂比例對(duì)混合料的影響;并摻入不同量的水泥，探究水泥量對(duì)混合料的影響。

（2）隨著油基巖屑摻量的增多，混合料的7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值、劈裂抗拉強(qiáng)度值均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)樵谒鄵搅坎蛔兊那闆r下，隨著油基巖屑摻量的增大，細(xì)料增多，粗料減少，粗集料懸浮程度不斷加深，碎石被分散，碎石間的嵌合越來(lái)越弱，從而降低了混合料的性能。

（3）隨著油基巖屑與砂比值的增加，混合料的7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度值均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。因?yàn)橛突鶐r屑比例的增加降低了集料間的嵌合作用，降低了混合砂漿的強(qiáng)度，導(dǎo)致混合料性能降低。

（4）水泥的摻入量與基層結(jié)構(gòu)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)的是正相關(guān)性，當(dāng)油基巖屑摻量較多時(shí)，水泥比例不宜低于5%。

（5）對(duì)10個(gè)配合比的7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、90d劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行分析，均能滿足四川農(nóng)村公路的相應(yīng)推薦標(biāo)準(zhǔn)，但是當(dāng)水泥摻量低于5%后，混合料的抗壓回彈模量值<700MPa。通過(guò)綜合考慮混合料強(qiáng)度、剛度、抗裂性能以及當(dāng)?shù)厥┕がF(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，本研究推薦的摻入油基巖屑的水泥穩(wěn)定碎石基層的最佳配合比為水泥：油基巖屑，碎石，砂，為7：20：52：21。

參考文獻(xiàn)：

[1]喬莎莎.油基巖屑分級(jí)真空干燥技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究[D].青島：中國(guó)石油大學(xué)（華東），2014.

[2]李學(xué)慶，楊金榮，尹志亮.鉆井液廢棄物無(wú)害化處理的新技術(shù)研發(fā)[J].石油與天然氣化工，2013，42（4）：439～442.

[3]李鵬華，李巖濤，張清宇，等.含油污泥的無(wú)害化和資源化研究[J].精細(xì)石油化工進(jìn)展，2008，9（8）：21～23.

[4]姜勇，趙朝成，趙東風(fēng).含油污泥特點(diǎn)及處理方法[J].油氣田環(huán)境保護(hù)，2005，15（4）：38～41.

[5]楊繼生，徐輝.油泥砂處理技術(shù)研究[J].上海化工，2008，33（6），23～25.

[6]呂偉民，王錫通，鄭錄化.國(guó)外瀝青穩(wěn)定柔性基層的材料與結(jié)構(gòu)[J].中外公路，2004（6）：83～86.

[7]呂偉民，王錫通，鄭錄化.國(guó)外瀝青穩(wěn)定柔性基層的材料與結(jié)構(gòu)[J].中外公路，2004（6）：83～86.

[8]交通部公路科學(xué)研究所.公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程：JTG E30～2005[幻.北京：人民交通出版社，2005.

[9]交通部公路科學(xué)研究所.公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則：JTG/T F202015[S].北京：人民交通出版社，2015.

[10]單海霞，何煥杰，張?chǎng)?，?離子液體處理油基巖屑的研究[J].油氣田環(huán)境保護(hù)，2016（3）：15～17，60～61.

[11]貴恒.微波熱脫附法處理含油巖屑方法研究[D].成都：西南石油大學(xué)，2015.

收稿日期：2020-03-26

基金項(xiàng)目：國(guó)家重大科技專項(xiàng)“十三五”重點(diǎn)項(xiàng)目（編號(hào)：2016ZX05040006-001-011）

作者簡(jiǎn)介：譚文欣（1993-），女，碩士研究生，研究方向?yàn)閹r土工程。