海南红粘土废泥浆固化处理技术研究

陈 源，王加灿，韩建刚

(海南大学土木建筑工程学院，海南海口570228)

在钻井和钻孔灌注桩施工及石油天然气的开采过程中，泥浆是钻井作业的血液，是保证钻井工作正常开展的不可缺少的物质，它能起到平衡地层压力、保护井壁、冷却、携带悬浮钻屑、润滑钻具等作用;但在钻井作业完成后，作业现场会留下大量废泥浆，这些废泥浆的有害成分复杂，是由粘土、污水、污油、各种化学处理剂、加重材料及钻屑等组成的多相胶体分散悬浮体系［1］.

海南地区红粘土分布广泛，它是一种富含铁、铝氧化物和较多粘粒，几乎不含盐基成分的红色粘土［2］.在海南红粘土土层进行钻井或钻孔的过程中，破碎下来的红粘土钻屑混入泥浆，改变了原泥浆的密度和黏度.最后排出的废泥浆中含有部分的红粘土微粒，再加上原泥浆中各种添加剂和化学成分，使得废泥浆长时间处于流体和半固体之间，且不变性，在自然条件下难于降解.所以必须对其进行处理，以防止其对环境造成污染.

本文以海南三亚某铁路施工段的红粘土废弃泥浆为研究对象，针对红粘土的成分和性质，以处理后的泥浆能有一定的强度、具有类似普通粘土的填筑性能、能指导现场施工、能为废弃泥浆的再利用提供技术支持为研究目的，通过固化试验筛选出适合处理此废泥浆的固化剂，并确定了固化剂的最佳配合比，达到了较佳的环境效益、经济效益和工程效益.

1 室内试验

1.1 试验材料与仪器 试验采用就地或者就近取材，经济指标依据当时的市场价格，详见表1.

主要仪器:电子天平(精度0.1 g)、圆盘称(精度10 g)、温湿度计、恒温烘箱、微机控制电子万能试验机.

1.2 试验方法

1.2.1 试验方案设计 取适量废弃泥浆，加入适当的固化剂，搅拌均匀后，制作成模，静置养护3 d、7 d、28 d，脱模后测试其抗压强度，分析并确定最终的固化剂种类和最佳配合比，固化过程的具体试验方案见图1.

1.2.2 固化剂的筛选 从经济的角度考虑，首先选用无机固化剂作为固化剂，也可以适当采用复合固化剂;再者，考虑到地域性的因素，宜采用当地的红粘土作为固化土，除粉煤灰在当地不易获得外，其他材料都可以获得.经综合考虑，初步选用水泥、石灰、砂子、红粘土4种材料作为固化主凝剂，助凝剂则选用水玻璃，催化剂则选用工业硫酸铝.

表1 试验所用材料主要技术、经济指标

图1 固化方案流程

1.2.3 固化配合比的确定 固化剂种类确定后，考虑到固化成本、试验的可操作性和固化所需要的时间，初步确定了10组配合比，每次试验都称取2 000 g从现场取回的废泥浆土样，其他固化剂按质量百分数称量取用，见下表2.

表2 室内固化配合比

1.2.4 固化试验 每次试验操作均称取等量废泥浆，固化剂按质量百分比称量，将称量好的固化剂匀速加入废泥浆中，用切土刀搅拌均匀后装入模具.其中，复合固化试验是先向废泥浆中加入催化剂硫酸铝粉末，待其完全溶解后，再加入助凝剂硅酸钠粉末，搅拌均匀，最后加入主凝剂水泥或砂.将做好的土样静置存放于实验室内，观察测定前三天的稠度状态变化，并记录每天的室内温度和湿度.此外，还需要测定原废泥浆和所加红粘土的含水率，以此作为指导施工和选材的依据.

2 结果与分析

2.1 试验第3 d固化土样的稠度状态和强度 根据《建筑工程地质勘探与取样技术规程》JGJ/T 87－2012，对固化试验10组土样的3 d稠度状态和软硬程度进行描述，并比较各固化土样的固化效果.10组土样的3 d稠度状态和软硬程度及得出的强度大小关系见表3.

表3 试验第3 d固化土样的稠度状态

一般情况下，达到软塑状态就可以开挖和运输，可以再利用.经过3 d，对10组固化土样进行观察测定和比较，可以初步得出，影响固化稠度状态和强度的所选固化主凝剂主次关系为:水泥＞石灰＞红粘土＞砂.水泥的加入量对固化土稠度状态和强度影响最大;石灰的加入量对固化土的稠度状态和强度影响较大;红粘土的加入量大，达到一半废泥浆的用量时，固化效果明显提升;砂对固化基本没有作用;助凝剂和催化剂的加入对固化效果影响较大，固化土稠度状态和强度显著提高.通过对以上试验结果的分析，水泥、石灰、红粘土、硅酸钠和硫酸铝对废泥浆的固化都起着积极的作用，因此，可以考虑几种主凝剂掺合起来使用，加入适量助凝剂和催化剂，其固化效果也比较显著.

2.2 水泥、硅酸钠以及硫酸铝固化试验 对固化材料选水泥、硅酸钠、硫酸铝这组试验，考虑到废泥浆中的红粘土微粒富含铁、铝氧化物，金属氧化物一般显碱性，但Al2O3为两性氧化物，而硅酸钠溶于水后(俗名水玻璃)显碱性，会发生如下化学反应:

从上式反应可以看出，反应后都有沉淀生成，且生成的Al(OH)3还具有吸附性，这有利于泥浆的有害成分的包裹和封闭，当然也会提高固化的效果.

3 讨论

实际上，研究的目的是对废泥浆进行固化，以达到再利用的目的，但所加红粘土的含水量不易控制;固化剂为水泥和石灰的固化效果较好，但综合单价较高;固化剂为w=3%的水泥的固化达到了坚硬的程度，不利于随后的开挖和运输.

由表3可以看出，水泥的固化效果较好，加w=1%的水泥的土样就可以满足工程的要求，若再加入适量的硅酸钠和硫酸铝，固化效果一定会更理想，3 d就能有一定的强度，有类似普通粘土的性能，能达到运输和再利用的目的.

固化剂主凝剂选定为水泥后，为了进一步研究固化土的抗压强度的变化规律，对固化剂为w=1%的水泥、w=3%的水泥、w=1%的水泥+w=0.5%的硅酸钠和+w=0.1%的硫酸铝、w=1%的水泥+w=1%的石灰、w=1%的水泥+w=30%的红粘土的5组固化土样进行3 d、7 d、28 d的立方体抗压强度试验.将加入水泥的废泥浆搅拌均匀后装入工程立方体塑料试模中，装样时分3次进行，每次装1/3，必须使土样装满整个试模，尽量将其压实，不留空隙.静置在实验室内养护3 d、7 d、28 d，记录室内温度和湿度，测定其3 d、7 d、28 d立方体抗压强度.

3.1 5组减少水泥用量的固化土样的抗压强度试验结果(表4～表8)

表4 w=1%的水泥的强度试验结果

表5 w=3%的水泥的强度试验结果

表6 w=1%的水泥+w=0.5%的硅酸钠+w=0.1%的硫酸铝的强度试验结果

表7 w=1%的水泥+w=1%的石灰的强度试验结果

表8 w=1%的水泥+w=30%的红粘土的强度试验结果

从以上表中可以得出:水泥的掺加量直接决定固化土样的抗压强度，抗压强度随着时间逐渐增强;固定水泥的用量同时替代部分水泥后，硅酸钠和硫酸铝的加入对固化强度影响较大，其次为石灰，最后为红粘土;固化时间至少应为7 d，在温度和湿度无太大波动时，仅有3 d的固化土样基本没有强度(w=3%的水泥固化除外).要达到运输和开挖的目的，抗压强度基本要达到0.2 Mpa.考虑到在实际固化处理工作中，由于固化的量和体积都很大，且水分不易散失，因此可以调整固化剂的种类和加入量，以达到最佳的固化效果.

由表6得出:w=1%的水泥+w=0.5%的硅酸钠+w=0.1%的硫酸铝固化7 d的强度没有达到0.2 Mpa，本工程建议采用加入w=2%的水泥+w=0.5%的硅酸钠+w=0.1%的硫酸铝固化7 d，其他工程也可参考此配比进行废泥浆固化处理.

3.2 施工工艺

1)根据现场情况确定固化剂的用量.

2)根据泥浆池的现状，利用现有泥浆池进行处理，清除表面硬土层.

3)确定搅拌深度及固化剂的计量，将配置好的固化剂均匀撒入泥浆池中，使用挖掘机沿周边从上到下反复搅拌，直至搅拌均匀，挖掘机的臂越长，每次处理的范围就越大，每次处理厚度为1 m.

4)待泥浆固化后，用挖掘机将拌合好后的固化物从反应池中挖出，放置于附近场地.

5)重复以上施工过程，直至将泥浆池中的泥浆处理完毕.

6)泥浆固化完毕后，对其进行覆土填埋，埋土深度约为50 cm以上.

4 结论

(1)固化剂原材料宜就地就近取材，经过对比试验，筛选出固化效果最好的水泥、石灰、红粘土以及硅酸钠和硫酸铝，作为固化处理废泥浆的固化剂原材料.

(2)针对海南红粘土泥浆的固化，常规固化方法亦适用.考虑到红粘土富含铁和铝氧化物，故可加入适量硅酸钠和工业硫酸铝，这样固化效果会显著提高.建议对海南红粘土泥浆宜采用w=2%的水泥+w=0.5%的硅酸钠+w=0.1%的硫酸铝的固化处理，建议固化时间为7 d.

(3)水泥固化效果好，但是水泥生产耗能巨大，因此可以替换掉部分水泥，改用耗能少的石灰以及天然的红粘土等，两种或者几种固化剂正交组合同样能达到环保、固化和再利用的目的.

［1］董仕明，王平全，陈志勇，等.油气田钻井废弃泥浆处理技术［J］.天然气工业，2008，28(2):87－89.

［2］王清，陈剑平，马丽英.中国红土的研究与地基承载力的评价［J］.探矿工程，1995，4:15－17.

［3］孙建荣.钻井发凿井泥浆再生调制与废弃处理［J］.煤炭科学技术，2008，36(1):25－27.

［4］王嘉麟，闫光绪，郭绍辉，等.废弃油基泥浆处理方法研究［J］.环境工程，2008，26(4):10－13.

［5］刘宇程，吴冕，陈明燕.钻井废弃泥浆固化处理技术研究进展及展望［J］.环境科学与技术，2010，33(6E):534－537.

［6］谭蔚，于真真，高晓冲，等.钻井废弃盐水泥浆无害化脱水处理研究［J］.油田化学，2011，28(2):126－129.

［7］韩敬，钱文，郭晓红，等.油田钻井废泥浆固化处理研究［J］.油气田环境保护，2012，22(3):22－26.

［8］中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ/T 87－2012建筑工程地质勘探与取样技术规程［S］.北京:中国建筑工业出版社.