李文浩 任京成

（山東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院）

油泥砂制備加氣混凝土砌塊試驗(yàn)研究

李文浩 任京成

（山東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院）

對(duì)山東某油田油泥砂物理性質(zhì)及組成進(jìn)行分析，通過(guò)制備加氣混凝土砌塊試驗(yàn)達(dá)到油泥砂資源化利用的目的。試驗(yàn)結(jié)果表明：以經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的油泥砂作為硅質(zhì)材料制備成的加氣混凝土砌塊，其外觀性能可達(dá)到GB／T 11968—2006《蒸壓加氣混凝土砌塊》標(biāo)準(zhǔn)中密度等級(jí)B06，強(qiáng)度等級(jí)A5.0的要求。

油泥砂；預(yù)處理；硅質(zhì)材料；蒸壓加氣混凝土砌塊

0 引 言

油泥砂是在油田生產(chǎn)活動(dòng)中產(chǎn)生的，主要來(lái)源于原油集輸及處理過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)，被原油及其他有機(jī)物污染了的泥、砂、水的混合物［1］。由于其所含的烴類物質(zhì)對(duì)環(huán)境危害較大，被列入《國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄》中的危險(xiǎn)廢物（HW08項(xiàng)），如果不加以處理直接排放，會(huì)對(duì)周圍土壤、水體、空氣造成嚴(yán)重污染和危害［2］。油泥砂的處理技術(shù)雖然已有大量的研究實(shí)踐，但都局限于油泥砂的無(wú)害化處理，目前仍沒(méi)有經(jīng)濟(jì)有效的資源化利用油泥砂的方法［3］。

油泥砂作為一種含高硅、高鋁的硅質(zhì)材料，理論上可以制備加氣混凝土砌塊，但由于粒度較大、含烴類油包裹于顆粒表面，阻礙顆粒與鈣質(zhì)材料的水化反應(yīng)，從而影響制品質(zhì)量，所以必須加以處理才能用于制備加氣混凝土砌塊。本文擬通過(guò)試驗(yàn)研究粒度、烴類油對(duì)制備加氣混凝土砌塊質(zhì)量的影響，實(shí)現(xiàn)油泥砂的資源化利用。

1 油泥砂性質(zhì)及組成

1.1 油泥砂的一般物理性質(zhì)

試驗(yàn)用油泥砂取自山東某油田，經(jīng)油、泥、水、砂四項(xiàng)分離后外觀呈深褐色，自然含水率為1.3%，含油率約為0.8%，測(cè)試方法參照GB／T 16488—1996《水質(zhì)石油類和動(dòng)植物油的測(cè)定紅外光度法》進(jìn)行，其中烴類油約為0.65%。

1.2 油泥砂的粒度組成

將油泥砂樣品在鼓風(fēng)干燥箱105℃進(jìn)行干燥處理后，選取代表性礦樣進(jìn)行篩分分析，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 累積粒度特性曲線

篩析結(jié)果表明油泥砂平均粒度d50約為0.25 mm，200目篩下產(chǎn)物含量約為1.74%。20目篩上產(chǎn)物大多數(shù)為大顆粒油團(tuán)，其含油率為6.8%，篩除后樣品含油率約為0.80%，含油率顯著降低，故先進(jìn)行預(yù)先篩分后再作試驗(yàn)使用。

1.3 油泥砂的礦物組成

通過(guò)對(duì)油泥砂的XRD測(cè)試及巖礦分析，測(cè)得主要礦物組成為石英石，其次為長(zhǎng)石和紅金石等，油泥砂的XRD見(jiàn)圖2。

圖2 油泥砂XRD

1.4 油泥砂的化學(xué)組成

對(duì)油泥砂的化學(xué)組成進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 油泥砂的化學(xué)組成

從化學(xué)成分上分析，該原料含有較高的SiO2和Al2O3，是較為理想的硅質(zhì)材料，滿足制備加氣混凝土對(duì)硅、鋁成分的要求。

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

油泥砂：取自山東某油田，已經(jīng)過(guò)油、泥、水、砂四項(xiàng)分離處理。

水泥：采用山東鋁業(yè)水泥廠的42.5 R級(jí)硅酸鹽水泥。

石灰：采用淄博產(chǎn)中活性生石灰，含活性CaO約為80%，消化時(shí)間為13 min，消化溫度為90℃左右。

石膏：采用二水磷石膏。

發(fā)氣材料：鋁粉膏作為發(fā)氣材料，符合JC／T 407—2008《加氣混凝土用鋁粉膏》的技術(shù)要求。

2.2 油泥砂預(yù)處理

2.2.1 油泥砂脫泥去油處理

油泥砂在污泥砂池內(nèi)經(jīng)泥砂泵進(jìn)入洗砂器，經(jīng)洗砂器離心分離后，砂子排放至洗砂罐，洗砂器溢流的污水、污油和污泥回污泥砂池進(jìn)行回收。洗砂罐內(nèi)加入聯(lián)合站采油污水混合，開(kāi)啟攪拌器邊沖洗邊攪拌，混合后的砂水液提升至濃縮器進(jìn)行二次清洗濃縮，濃縮器溢流液回流污泥砂池。濃縮罐內(nèi)積砂定期排放至振動(dòng)篩進(jìn)行砂水分離［4］。

2.2.2 油泥砂二次處理

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，油泥砂中含有部分大顆粒，含量在2%左右，其主要為油團(tuán)聚油泥砂顆粒，含油率為6．8%，所以用1 mm篩子對(duì)其進(jìn)行篩除，另作能源物質(zhì)資源利用，然后對(duì)篩下產(chǎn)品用快速磨進(jìn)行粉磨。

2.3 制備工藝流程

油泥砂加氣混凝土砌塊的制備工藝流程見(jiàn)圖3。

圖3 油泥砂加氣混凝土砌塊制備工藝流程

2.4 配合比設(shè)計(jì)

在加氣混凝土中，主要由CaO，SiO2和H2O進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，其次為CaSO3，Al2O3，CaO和H2O的反應(yīng)。生石灰是體系中主要的鈣質(zhì)材料提供者，生石灰消化發(fā)熱提供的堿性環(huán)境為發(fā)氣提供條件，并促進(jìn)料漿稠化；石膏可以調(diào)節(jié)凝結(jié)速度抑制水化消化，在生產(chǎn)加氣混凝土中，料漿稠化速度必須和鋁粉的發(fā)氣速度相協(xié)調(diào)，反應(yīng)生成硫鋁酸鈣。工業(yè)上一般石灰與石膏摻量為10∶1；適當(dāng)?shù)募尤胨嗫梢蕴岣吲黧w的早期強(qiáng)度，減少干燥收縮［5］。

根據(jù)油泥砂中SiO2和Al2O3的含量和含水率以及生石灰、水泥中活性CaO的含量。結(jié)合工業(yè)實(shí)踐初步確定油泥砂添加量（質(zhì)量比）為66.9%，水泥10%，生石灰20%，石膏3%，鋁粉膏0.1%，水料比為0.6。

3 結(jié)果討論

3.1 油泥砂粉磨時(shí)間對(duì)制品影響

所用尾礦分別用快速磨粉磨0，10，20，30，40 min，即粒度在200目以下分別占1.7%，21.3%，40.2%，72.8%，88.4%的油泥砂。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪得油泥砂粉磨時(shí)間與抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線，見(jiàn)圖4。

圖4 粉磨時(shí)間與抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

由圖4可知，在相同的條件下，經(jīng)過(guò)粉磨后的油泥砂符合制備加氣混凝土的條件，粉磨時(shí)間越長(zhǎng)，粒度越小，制品強(qiáng)度越高，成本也越高。在粉磨時(shí)間為30 min，即粒度在200目以下占72.8%時(shí)，其試塊抗壓強(qiáng)度超過(guò)3.5 MPa，已達(dá)到GB／T 11968—2006《蒸壓加氣混凝土砌塊》B06、A3.5的基本要求。

3.2 優(yōu)化水料比試驗(yàn)

在水泥添加量為10%，生石灰20%，石膏3%，鋁粉膏0.1%配比下，加入不同比例的水，混合、攪拌、注模、養(yǎng)護(hù)、蒸壓并測(cè)定制品強(qiáng)度性能。結(jié)果見(jiàn)表2。

水料比直接影響料漿稠度，從而影響氣泡大小和氣泡間隔數(shù)，同時(shí)對(duì)孔壁強(qiáng)度產(chǎn)生影響［6］。由表2可以看出，隨著水料比的增加，砌塊的干密度隨之降低，當(dāng)水料比增加到一定程度時(shí)干密度又會(huì)上升。水料比過(guò)小時(shí)，出現(xiàn)“憋氣”現(xiàn)象，發(fā)氣不充分，砌塊中的氣泡不是圓形，而是與其他兼并成長(zhǎng)條，形成裂縫［7］。當(dāng)水料比過(guò)大時(shí)，發(fā)氣速度大于膠凝速度，有氣泡溢出。綜合以上分析，最佳水料比為0.55。

3.3 優(yōu)化生石灰、石膏添加量試驗(yàn)

料漿澆注初期時(shí)，鋁粉開(kāi)始發(fā)氣，為保證發(fā)氣順利，要求料漿稠化緩慢；后期發(fā)氣結(jié)束時(shí)，為生成穩(wěn)定的孔結(jié)構(gòu)需要料漿迅速稠化。石灰和石膏的添加量對(duì)鋁粉發(fā)氣和稠化速度有直接影響，詳見(jiàn)表3。

表2 水料比對(duì)試驗(yàn)的影響

表3 生石灰、石膏添加量對(duì)制品的影響

由表3可知，當(dāng)石灰和石膏摻量分別為255 g和25 g，即為總摻量的28%時(shí)，油泥砂加氣混凝土砌塊性能最佳，該制品外觀性能達(dá)到GB／T 11968—2006《蒸壓加氣混凝土砌塊》標(biāo)準(zhǔn)中密度等級(jí)為B06，強(qiáng)度等級(jí)為A5.0的要求。但當(dāng)石灰和石膏摻量過(guò)大時(shí)，消化速度快，導(dǎo)致發(fā)氣不充分，表面有細(xì)小裂紋影響制品強(qiáng)度。

3.4 油泥砂加氣混凝土砌塊浸出液分析

選取五組滿足抗壓強(qiáng)度要求的不同配合比的砌塊，放入25℃水中做浸泡試驗(yàn)，分別測(cè)定1，2，3，4，5 d后浸出液的含油量，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 砌塊浸出液含油量與浸泡時(shí)間的關(guān)系mg／L

從表4可看出，經(jīng)過(guò)5 d的浸泡，砌塊浸出液的含油量已經(jīng)基本穩(wěn)定，濃度符合GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中石油類10 mg／L的標(biāo)準(zhǔn)。這是由于油泥砂加氣混凝土砌塊內(nèi)部的水熱合成反應(yīng)，形成的水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)致密，對(duì)油類物質(zhì)起密封作用，使得其浸出性能差。同時(shí)，也解決了砌塊的環(huán)境污染問(wèn)題。

3.5 樣品形貌及結(jié)構(gòu)分析

對(duì)密度615 kg／m3，抗壓強(qiáng)度4.93 MPa的樣品掃描電鏡結(jié)果，見(jiàn)圖5。

圖5 樣品的SEM圖譜

從圖5（a）中可看出，樣品中有葉片狀的托勃莫來(lái)石和針棒狀的鈣礬石生成。圖5（b）中可看出，樣品表面已經(jīng)充分水化，水化產(chǎn)物以葉片狀的托勃莫來(lái)石和針棒狀的鈣礬石為主，伴隨著有堆狀的水化石榴子石及C-S-H膠凝。其水化產(chǎn)物相互交叉，結(jié)構(gòu)致密。

3.6 強(qiáng)度機(jī)理分析

對(duì)密度615 kg／m3，抗壓強(qiáng)度4.93 MPa的樣品進(jìn)行XRD分析結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 樣品XRD圖譜

石灰和水泥水化后的Ca（OH）2和SiO2反應(yīng)，生成少量的水化硅酸鈣，水化物溶解度低，很容易析出水化硅酸鈣晶粒。這些微小的晶體通過(guò)分子力使水分子膜彼此連接形成最初的初凝狀態(tài)，此時(shí)制品形成一定強(qiáng)度。在高溫高壓下，隨著晶體體積增長(zhǎng)，晶體和晶體之間的連接點(diǎn)增多形成晶體連生體［8］，使制品強(qiáng)度達(dá)到較高水平。由圖6可看出，制品經(jīng)過(guò)一系列成型反應(yīng)和蒸壓養(yǎng)護(hù)的水熱合成反應(yīng)后，生成了大量水化硅酸鈣（C-S-H）、水化鋁酸鈣（C-S-A）。

4 結(jié) 論

◆油泥砂中SiO2和Al2O3含量高，可制備符合條件的蒸壓加氣混凝土砌塊。

◆制備油泥砂加氣混凝土砌塊最佳水料比為0.55?！粲湍嗌邦w粒偏大，其含有烴類油會(huì)阻礙水化反應(yīng)，同時(shí)也會(huì)污染環(huán)境。經(jīng)粉磨處理后，油泥砂制備的加氣混凝土砌塊，其性能可達(dá)到GB／T 11968—2006《蒸壓加氣混凝土砌塊》標(biāo)準(zhǔn)中密度等級(jí)為B06，強(qiáng)度等級(jí)為A5.0的要求。

◆油泥砂加氣混凝土砌塊添加油泥砂在50%以上，且砌塊浸出液含油量符合GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中石油類10 mg／L的要求。既可以解決企業(yè)負(fù)擔(dān)、減少環(huán)境污染，又可以創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，變廢為寶，解決了油泥砂資源化利用的問(wèn)題。

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1005-3158（2014）02-0030-04

2013-11-27）

（編輯 王蕊）

10.3969／j.issn.1005-3158.2014.02.010

李文浩，山東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院在讀碩士，研究方向：礦物加工工程資源綜合利用。通信地址：山東省淄博市山東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，255049