油基巖屑在無機(jī)穩(wěn)定基層中應(yīng)用的路用性能研究

譚文欣 文華 李夢妮 譚樹成 劉穎

摘要：指出了在一定級配的碎石中，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)，用于鉆前工程井場公路（簡稱鉆前公路）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)不會產(chǎn)生過多的殘余形變，不會發(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、對砂的替代率以及水泥摻量對其無側(cè)限杭壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和杭壓回彈模量等力學(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：TE992 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9944（2020）04-0132-05

1 引言

在頁巖油氣開采過程中，使用鉆機(jī)進(jìn)行垂直開鑿后，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，且其在使用過程中與水、油、頁巖等混合形成油基巖屑[1，2]。油基泥漿具有良好的潤滑性，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，所以其在各大開采平臺得到廣泛的應(yīng)用。但因油基泥漿由多種不穩(wěn)定的化學(xué)物質(zhì)組成，所以開采后形成的油基巖屑成分也十分復(fù)雜。

隨著我國油頁巖事業(yè)的大力發(fā)展，開采量的逐年增加，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)因頁巖氣的開采就可以產(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，用于二級及二級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。對其進(jìn)行浸出毒性分析表明：所檢的指標(biāo)含量均低于國家廢棄物鑒別標(biāo)準(zhǔn)值和污水綜合排放限值，可用于無機(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)定級配碎石的推薦級配，確定摻油基巖屑的混合料用于二級及二級以下公路底基層的合成級配見表3。

2.2.2 油基巖屑摻童

油基巖屑摻量對水泥穩(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水穩(wěn)底基層的影響。該組研究對應(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，并探究對底基層的力學(xué)性能的影響。該組研究對應(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無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值如表7所示，油基巖屑的摻量對7d無側(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無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值降低。無機(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)料分散得越來越開，碎石間的嵌合作用越來越弱，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低。可見，在水泥摻量一定時(shí)，改變摻和料和集料之間的比例對水穩(wěn)底基層的強(qiáng)度會有影響.

（幻油基巖屑的摻量對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響趨勢大致為先陡后緩。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無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值如表8所示，不同細(xì)料配比對7d無側(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無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值呈下降的趨勢。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無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值如表9所示，不同水泥摻量對7d無側(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。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%，而無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低了26%，可見，油基巖屑對前者的影響更大。

（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。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）通過調(diào)整油基巖屑和集料之間的比例研究油基巖屑摻量對混合料的影響;通過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混合料的影響;并摻入不同量的水泥，探究水泥量對混合料的影響。

（2）隨著油基巖屑摻量的增多，混合料的7d無側(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。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。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10個(gè)配合比的7d無側(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。

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收稿日期：2020-03-26

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

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