空氣鉆井巖屑用作路基填料試驗(yàn)研究

譚樹成,羅 謙,張浩興,魏 鑫,李澤東,唐 華

(四川蜀渝石油建筑安裝工程有限責(zé)任公司，四川 成都 610080)

1 概述

頁巖氣資源的開采為我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、能源格局優(yōu)化調(diào)整和國家安全保障作出了重要貢獻(xiàn)。但是，在開采過程中也伴隨產(chǎn)生了大量難以有效處理的鉆井巖屑等廢棄物，若對巖屑處理不恰當(dāng)，會對生態(tài)環(huán)境造成極其嚴(yán)重的危害。所以當(dāng)前鉆井固體廢物的高效無害化處理與資源化利用已成為油氣開采行業(yè)環(huán)境污染防治領(lǐng)域正在攻克的難題和研究熱點(diǎn)。本文通過分析油氣鉆井廢物中的空氣鉆井巖屑的各項(xiàng)成分含量和通過添加改性劑的方式來開展空氣鉆井開采過程中產(chǎn)生的巖屑進(jìn)行資源化利用作為公路路基材料進(jìn)行試驗(yàn)與研究。

2 試驗(yàn)材料

2.1 巖屑化學(xué)成分分析

從開采井場取樣的空氣鉆井巖屑外觀呈現(xiàn)黑褐色，比較潮濕，并伴有輕微的堿味。取有代表性的樣品通過X射線衍射儀(XRD)對空氣鉆井巖屑的主要物相組成定性分析。經(jīng)測試，空氣鉆井巖屑的主要礦物組成有高嶺石、白云母、方解石及石英。巖屑的礦物組成成分與黏土類似。

利用X射線熒光光譜儀(XRF)定量分析空氣鉆井巖屑，巖屑化學(xué)成分分析如表1所示。

表1 化學(xué)成分分析表 %

經(jīng)檢測，鉆井巖屑主要由SiO2,Al2O3,CaO以及其他少量金屬氧化物分組成，其中SiO2是石英的主要構(gòu)成成分，Al2O3是親水性礦物重要的組成元素，CaO含量較高是由于巖屑添加了一定的生石灰進(jìn)行了預(yù)處理，這就是巖屑堿性氣味的來源。

為了進(jìn)一步了解空氣鉆井巖屑的成分特性依據(jù)規(guī)范，根據(jù)HJ/T 299固體廢物 浸出毒性浸出方法——硫酸硝酸法對樣品開展強(qiáng)化浸出試驗(yàn)，開展重金屬元素的全量分析，測得各項(xiàng)主要污染物含量如表2所示。

表2 空氣鉆井巖屑主要污染物含量 mg/L

由表2可知，經(jīng)過環(huán)境浸出分析及重金屬含量檢測，可以看出空氣鉆井巖屑強(qiáng)化浸出液中包含多種非金屬化合物污染物、重金屬污染物，但其含量較少且均在相關(guān)規(guī)范要求范圍內(nèi)；其pH值、化學(xué)需氧量(COD)以及色度這三項(xiàng)水質(zhì)污染度指標(biāo)也均符合相關(guān)規(guī)范。因此空氣鉆井巖屑在環(huán)境方面具有無公害性，可以應(yīng)用于路基填料。

2.2 路基填料物理力學(xué)性質(zhì)分析

純巖屑的含水率較高，為了降低巖屑含水率，將巖屑按一定質(zhì)量比例摻入常見的粉質(zhì)黏土中再作為路基填料，并通過一系列土工試驗(yàn)研究空氣鉆井巖屑基本物理力學(xué)性質(zhì)以及不同比例摻入到粉質(zhì)黏土里面做路基填料的基本力學(xué)性質(zhì)。具體配比設(shè)計(jì)如表3所示。

表3 配合比設(shè)計(jì) %

空氣鉆井巖屑和粉質(zhì)黏土的含水率采用烘干法對巖屑和粉質(zhì)黏土進(jìn)行測試，測得空氣鉆井巖屑平均含水率高達(dá)38.8%，粉質(zhì)黏土含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為21.5%，兩種材料含水率仍然較高，不適合直接作為路基填料使用。含水率具體結(jié)果如表4所示。

表4 含水率試驗(yàn)結(jié)果

本文采用液塑限聯(lián)合測定法，選用錐質(zhì)量為100 g的圓錐儀測定土壤的液限和塑限，通過自動(dòng)計(jì)算表格計(jì)算分析，得出鉆井巖屑的液限和塑限分別為34.25%,22.45%，其塑性指數(shù)為11.80，液性指數(shù)為0.71；綿陽粉質(zhì)黏土液塑限分別為30.17%,15.04%，其塑性指數(shù)為12.13，液性指數(shù)為0.64。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，本文試驗(yàn)所用兩種土樣均為可塑狀態(tài)低液限粉質(zhì)黏土。液塑限試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 液塑限試驗(yàn)結(jié)果

采用比重瓶法選用兩個(gè)容量為50 mL的相對密度瓶進(jìn)行試驗(yàn)，分析顆粒相對密度。試驗(yàn)需要按照規(guī)范對相對密度瓶進(jìn)行校正，稱取烘干的土樣15 g，精確至0.001 g，且對空氣鉆井巖屑和粉質(zhì)黏土都設(shè)置兩組試驗(yàn)，其計(jì)算土樣顆粒相對密度試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 顆粒相對密度試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知，空氣鉆井巖屑的顆粒相對密度平均值為2.077，粉質(zhì)黏土的顆粒相對密度平均值為2.306。

自然界中的土壤可分為有機(jī)土和非有機(jī)土兩大類，此外，土顆粒粒徑大小變化以及各粒徑土顆粒含量不同對土體的物理力學(xué)性質(zhì)具有很大影響，所以對土進(jìn)行了顆粒分析試驗(yàn)。其采用篩分法對顆粒組成進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果顯示所用土樣為含砂礫石細(xì)粒土。

2.3 路基混合料基本力學(xué)分析

本文采用重型擊實(shí)儀測定5種配合比路基填料的最佳含水率與最大干密度，其中將巖屑和粉質(zhì)黏土按設(shè)計(jì)配合比例混合均勻，并且根據(jù)塑限以2%～3%為梯度配置含水率不同的試驗(yàn)土樣，每層擊實(shí)之后需對土樣進(jìn)行拉毛[1]。其試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

通過分析計(jì)算，巖屑和粉質(zhì)黏土性質(zhì)較為接近，最終得出5種不同配合比路基混合料最佳含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))和最大干密度分別在18%,1.7 g/cm3左右，由此可知巖屑的摻入量的多少對路基混合料的擊實(shí)特性無明顯的影響。

胡代淋[2]在摻入油基巖屑的路基填料的改性研究中選用TSZ-1.0型三軸儀來完成試驗(yàn)。張鴻迪通過靜三軸儀完成將改良后的黃土作為高速鐵路路基填料的試驗(yàn)研究。通過參考文獻(xiàn)，利用靜三軸儀開展了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。楊同等[3]根據(jù)摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則，利用包絡(luò)線定理，得到了c，φ值的計(jì)算公式。本試驗(yàn)進(jìn)行不排水不固結(jié)三軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)步驟與采用三軸儀測定土樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的步驟基本一致，區(qū)別在于三軸壓縮試驗(yàn)在啟動(dòng)三軸儀進(jìn)行試驗(yàn)前，需往壓力室內(nèi)注滿水并根據(jù)試驗(yàn)需要設(shè)置不同梯度的圍壓。得到了不同配比下路基混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度以及黏聚力和內(nèi)摩擦角參數(shù)，其試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 粉質(zhì)黏土力學(xué)分析計(jì)算結(jié)果

由表8可知，當(dāng)巖屑摻入量從0%增加至25%時(shí)，試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降了87 kPa，試件黏聚力下降了25 kPa，內(nèi)摩擦角上升了3°左右。且繼續(xù)增加巖屑時(shí)，試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角并無太大變化。

2.4 改性路基混合料基本力學(xué)分析

通過上文將巖屑以5種配合比摻入粉質(zhì)黏土作為路基填料的物理力學(xué)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著巖屑摻入量的增加，路基混合料的擊實(shí)特性無明顯變化，抗壓與抗剪性能總體上均有所下降，不過均滿足工程使用要求。但是實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)混合料的含水率較高，自然含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))高達(dá)26.2%，作為路基填料難以壓實(shí)，且工期相對較長，成本也因此會擴(kuò)大，所以需要快速的降低其含水率至最佳含水量附近，才能滿足工程使用要求，進(jìn)一步減小浪費(fèi)。

針對現(xiàn)場施工過程中高含水率的原土和巖屑出現(xiàn)路基混合料難以壓實(shí)問題，為了進(jìn)一步降低路基混合料含水率，提高路基混合料的力學(xué)性能，開展以配比Ⅳ為基礎(chǔ)的路基填料進(jìn)行了改性試驗(yàn)研究。改性劑采用西南科技大學(xué)自主研發(fā)土壤固化劑，該改性劑能快速降低土體含水率，還有著固化污染物的效果，進(jìn)一步減小對環(huán)境的影響。

改性路基填料配合比設(shè)計(jì)如表9所示。

表9 改性路基填料配合比(質(zhì)量比)設(shè)計(jì) %

此次改性路基填料通過控制改性劑的摻入量來對其進(jìn)行含水率測試試驗(yàn)和擊實(shí)試驗(yàn)。通過烘干法對空氣鉆井巖屑摻入量的路基填料摻入不同比例的改性劑進(jìn)行含水率測試。其試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

表10 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)摻入不同比例的改性劑測試其含水率發(fā)現(xiàn)當(dāng)摻入量為8%左右時(shí)，其含水率接近最佳含水率，此時(shí)路基填料相對容易壓實(shí)。并且隨著改性劑的摻入量的增加，路基填料土的最佳含水率呈降低趨勢，最大干密度呈上升趨勢。

三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果如表11所示，隨著改性劑摻入比例的不斷增加，路基填料土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角呈上升趨勢，路基填料土抗壓、抗剪能力變強(qiáng)。

表11 改性路基填料三軸試驗(yàn)結(jié)果

各項(xiàng)改性路基填料物理力學(xué)試驗(yàn)表明，相比較僅僅添加空氣鉆井巖屑的路基調(diào)料，添加不同比例的改性劑的改性路基填料的各項(xiàng)力學(xué)性能均有不同程度提高。

3 現(xiàn)場應(yīng)用情況

依托四川省射洪市某井場鉆前工程，對井場進(jìn)場公路與井場場坪兩塊區(qū)域采用50%巖屑+50%粉質(zhì)黏土配合比并外摻6%改性劑的配合比，經(jīng)過處理后的空氣鉆井巖屑作為路基填料混合料試件經(jīng)過室內(nèi)試驗(yàn)符合路用要求后，按照路面結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)，鋪筑完成后，測定相關(guān)路用性能參數(shù)及環(huán)保指標(biāo)?，F(xiàn)場施工器械使用凱斯CX240B挖掘機(jī)，鏟斗容量0.8 m；SD150D壓路機(jī)，工作重量18 t。在各項(xiàng)準(zhǔn)備工作完成之后，進(jìn)行設(shè)備各項(xiàng)安全檢查使用規(guī)范的指導(dǎo)，隨后進(jìn)行試驗(yàn)[4]。

3.1 回彈彎沉檢測

使用貝克曼梁法測定路基回彈彎沉值，其檢測原理為杠桿原理，用來測定汽車后輪雙輪胎之間的路面彎沉值，由標(biāo)準(zhǔn)汽車按前進(jìn)卸荷法測定。測得結(jié)果如表12所示。對比序號公路段和場坪可知公路的回彈彎沉值較場坪的回彈彎沉值更低，且兩個(gè)區(qū)域彎沉值均滿足設(shè)計(jì)文件要求。

表12 回彈彎沉值對比數(shù)據(jù)

3.2 地基承載力檢測

本文采用輕型動(dòng)力觸探儀測定地基承載力的方法，均將底基層經(jīng)過改性劑處治，對進(jìn)場公路和井場場坪各進(jìn)行兩次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)都選擇了距離中線左右兩側(cè)的3個(gè)點(diǎn)位。其檢測結(jié)果為公路的承載力為340 kPa,場坪的承載力為276 kPa,兩個(gè)區(qū)域地基承載力檢測結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)文件大于120 kPa的要求。各點(diǎn)地基承載力檢測結(jié)果平均值和最小值如表13所示。

表13 基層承載力檢測結(jié)果 kPa

3.3 壓實(shí)度檢測

本文采用灌砂法測定壓實(shí)度，壓實(shí)度檢測結(jié)果如表14所示。

表14 壓實(shí)度試驗(yàn)結(jié)果

井場進(jìn)場公路與井場場坪兩塊區(qū)域的基層壓實(shí)度均滿足設(shè)計(jì)文件填方地基的壓實(shí)度不小于94%的要求。進(jìn)場公路的底基層壓實(shí)度總體較井場場坪的底基層壓實(shí)度更高，這是由于場地及施工設(shè)備限制進(jìn)場公路所用的路基填料較井場場坪所用的路基填料更加均勻，且所含改性劑量更多。

3.4 環(huán)境檢測

對現(xiàn)場土樣和摻改性劑的土樣進(jìn)行重金屬浸出試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示樣品非金屬污染物、重金屬污染物等其他環(huán)保指標(biāo)都在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求內(nèi)，樣品不屬于浸出毒性危險(xiǎn)物，對環(huán)境無污染。重金屬檢測結(jié)果如表15所示，未列出的部分重金屬相關(guān)物質(zhì)含量均符合規(guī)范要求[5]。

表15 樣品重金屬浸出質(zhì)量濃度 mg/L

3.5 井場場坪及公路底基層與基層對比

將現(xiàn)場施工區(qū)域面積分為兩層，一層為挖開的35 cm的厚底基層；另一層為經(jīng)過以50%空氣鉆井巖屑+50%素填土比例路基混合料摻入回填壓實(shí)的基層?，F(xiàn)場未處理和已處理施工圖如圖1所示。

由現(xiàn)場試驗(yàn)得出，未處理過的底基層的最大承載力為150 kPa，而處理過的30 cm厚基層的最大承載力可以達(dá)到348 kPa，是未處理底基層的2.32倍；由現(xiàn)場的壓實(shí)度以及彎沉值試驗(yàn)結(jié)果來看，采用改性路基混合料的基層的平均壓實(shí)度及彎沉值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過規(guī)范的最低要求。據(jù)此可見，在相同的土質(zhì)和壓實(shí)功的情況下，黏土石化技術(shù)可以明顯提高土體的壓實(shí)度。

4 結(jié)語

通過對空氣鉆井巖屑應(yīng)用于路基填料的試驗(yàn)研究及現(xiàn)場應(yīng)用情況后得出了以下結(jié)論：

1)空氣鉆井巖屑中高嶺石、白云母、方解石等親水性礦物含量較多，因此巖屑吸水能力強(qiáng)，天然含水率較高；其強(qiáng)化浸出液各項(xiàng)污染物均在相關(guān)規(guī)范要求內(nèi)。

2)巖屑摻入粉質(zhì)黏土作為路基填料土，會導(dǎo)致混合料整體物理力學(xué)性質(zhì)變差，但控制在最佳含水率狀態(tài)時(shí)仍然滿足工程使用需求，建議使用時(shí)應(yīng)對巖屑高含水率進(jìn)行處理。

3)使用外摻改性劑對路基混合料改良后，隨著外摻劑使用量增加有效地降低了路基混合料的含水率，提高了物理力學(xué)性質(zhì)，當(dāng)摻入量為8%時(shí)，其含水率接近最佳含水率，此時(shí)路基混合料壓實(shí)性能最好。

4)以50%巖屑+50%粉質(zhì)黏土配合比并外摻6%改性劑的路基混合料的現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)，對現(xiàn)場路基進(jìn)行力學(xué)與環(huán)境性能檢測后發(fā)現(xiàn)，該固體廢物應(yīng)用于路基填料是可行的。

5)通過對填料各項(xiàng)污染性成分和重金屬元素的分析，巖屑的各項(xiàng)污染物指標(biāo)均在規(guī)定范圍之內(nèi)，對環(huán)境無污染，可以用作路基填料。