CN107245338A - 一种修道改良土壤结构的复合制剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种修道改良土壤结构的复合制剂，包括钻井泥浆固体物30‑50份、普通硅酸盐水泥10‑20份、高钙粉煤灰10‑15份、石膏5‑10份；所述钻井泥浆固体物是将废钻井泥浆加入酸将pH值调整到7‑8，然后加入表面改性剂再经干燥获得；所述表面改性剂是聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯酸酯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素中的一种。本发明利用废钻井泥浆等废弃或廉价的工业原料制备土壤固化剂，降低了施工成本，减少了废弃物的排放，保护环境。

Description

一种修道改良土壤结构的复合制剂及其制备方法

技术领域

本发明属于道路工程领域，特别是涉及道路工程用土壤结构改良复合制剂。

背景技术

在几乎所有的土木工程尤其是道路工程中都需要将现场的土壤性质加以改变以运用于建设工程，因为一旦在工程建设中没有合适稳定的土壤作为基础，就会导致在使用中出现下称和裂缝，严重威胁工程的寿命和质量。最简单的改进土壤性质的方法是压实地面，但是由于土壤性质差异很大，简单的压实土壤并不一定能充分改进土壤的工程性质，因此添加改善土壤结构的制剂以从根本上改善土壤的密实程度，增强土壤基体的强度是几乎所有大型工程中的通常做法。

土壤固化剂是一种由多种无机、有机材料合成的用以改变土壤结构、固化各类土壤的新型环保节能工程材料。土壤固化剂固化土壤的本质是与土壤颗粒之间发生物理化学反应，改善土壤颗粒之间的接触面，强化土壤颗粒间的连结结构，因此其固化机理涉及胶体化学、结构力学、土壤化学的相关内容。归纳为固化剂与土壤成分进行离子吸附与交换，使土壤胶团表面电量降低，减薄土壤胶团双电层厚度，使土壤颗粒趋于凝聚；化学反应生成新物质加强土壤颗粒之间的链接；生成物体积膨胀改善并填充土壤颗粒之间的孔隙；在外界挤压力作用下缩短土壤颗粒之间距离，密实土壤结构，使固化土易于压实成为一体，从而获得良好的宏观力学性能。

国外土壤固化剂早期有水泥、石灰、粉煤灰等无机结合料、混合物，随之有大量的有机土壤固化剂、液体固化剂问世。土壤固化剂的工程应用也相当普遍，像安定剂、富士土等都是国外使用较多、能适用于各类土壤的固化剂。目前使用较多的固化剂有南非的ISS稳定剂(Ionic soil stabilizer)，澳大利亚的TR12、日本的ATST(Aught-Set)-3000固化剂，美国的EN-1固化材料等。我国土壤固化剂的研发起步较晚，在吸收国外经验的基础上进行土壤固化剂国产化的研究，其成果主要包括水泥、石灰、工业废渣等无机类土壤固化剂，有机类土壤固化剂和新型复合类土壤固化剂。

钻井废弃物由钻井废泥浆、钻井废水以及钻屑等组成，具有油类、固体悬浮物、重金属离子含量高、含水率变化大，难于脱水等特点，是目前油气田的主要污染源之一。钻井废弃物如果直接排放会影响农作物的生长，长期堆放后会渗入土壤，并进一步污染地下水。因此对其进行无害化处理越来越引起人们的重视。钻井泥浆随钻井工艺需要和地质条件等而有所不同。国内的钻井泥浆主要由黏土、钻屑、加重材料(重晶石、水泥等)、化学添加剂、无机盐组成的多相稳定体系。目前我国每年因为钻井产生的废物总排放量高达200万立方米，陆地的钻井废物大多采用固化处理。

目前国际上公认为最环保的钻井废泥浆处理方法是将钻井废弃物粉碎浆化后注入合适的地层。钻井岩屑通过研磨粉碎和筛分并加入适当的水，在注入地层前如需要还可加入适量的稠化剂。还未见有将钻井废弃物直接用于道路土壤改良的报道。

CN104232100A公开了一种用于铬污染土壤的改性剂及其制备方法，包括矿渣水泥、造纸苛化白泥碱渣焚烧灰、废旧石膏及硫酸亚铁。所述土壤改性剂作用于重金属铬污染土壤，可改变土壤结构，将土壤转化成坚实版块，可广泛用于道路、建筑材料等领域；改性后的土壤水稳定性高，铬浸出率极低，大大缓解了土壤、水源重金属铬污染问题。

CN1451032 A公开了一种土壤改良剂，其包含苹果酸和/或葡萄糖，还可包含包括氯化钠或碳酸氢钠之类的土壤助剂，其中土壤改良剂是液体或粉末形式。该土壤改良剂以容易地固化土壤，防止土壤材料松散，可以解决与二次破坏有关的问题，例如由于各种土方工程引起的土壤污染和地下水污染，并可以硬化易松散的土壤表面，以防止风害。

发明内容

钻井泥浆固体物是废钻井泥浆经过简单脱水处理后得到的固体物质，一般含水低于20wt％。通常认为钻井泥浆固体物中有大量含有大量的疏水性的含油微粒，与普通土壤的结合能力较弱，不适于作为土壤固化剂使用。但是另一方面钻井泥浆固体物中有大量的钻屑页岩粉末和重晶石，实际上通过有效的废钻井泥浆改性，添加其它的助剂，可以有效改善钻井泥浆固体物的表面特性，使得钻井泥浆固体物与土壤中的粘土矿物形成凝胶物质，有效的固化土壤。

钻井泥浆固体物中含有较多的石灰岩和页岩类矿物，由于钻井泥浆一般呈现较强的碱性，因此废钻井泥浆中的钙、镁、铝等金属离子都以固化状态存在，较难产生金属离子，从而导致未经处理的钻井泥浆固体物难以进行土壤离子间的离子交换，从而无法用于土壤的固化。本发明人首次提出，将钻井泥浆固体物经过酸处理，降低其pH值到7-8，并加入适量的其它助剂，从而得到一种高效可靠的土壤固化剂。由于粘土矿物的粒度较细，有较好的活性，本身就是胶凝材料。粘土中含有大量次生矿物微小颗粒，这些细小颗粒的比表面积大、表面能大、活性高，易于与土壤固化剂发生化学作用，对土壤内部结构的加固起重要作用。

本发明公开了一种修道改良土壤结构的复合制剂，包括钻井泥浆固体物、普通硅酸盐水泥、高钙粉煤灰、石膏。该复合制剂通过各组分之间的协同作用，激发粉煤灰中玻璃体和土壤中的硅氧六面体、硅氧八面体的活性，生成胶凝性的水化硅酸钙和水化铝酸钙。对土体产生强有力的微集料填充和骨架支撑作用，增强了固化土体系强度。此外钻井泥浆固体物中的大量含钙颗粒和重晶石颗粒可以填充凝胶干硬后固化体内留下的孔隙，从而进一步提高了固化土强度。

一种修道改良土壤结构的复合制剂，包括钻井泥浆固体物30-50份、普通硅酸盐水泥10-20份、高钙粉煤灰10-15份、石膏5-10份；所述钻井泥浆固体物是将废钻井泥浆加入酸将pH值调整到7-8，然后加入表面改性剂再经干燥获得；所述表面改性剂是聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯酸酯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素中的一种。

所述表面改性剂的添加量是废钻井泥浆重量的0.05-1％，优选是0.1-0.3％。

所述废钻井泥浆经过预处理，包括滤除粒径大于3cm的杂物和经过初步的油水分离处理，以去除明显的油污。

所述钻井泥浆固体物的含水率低于20wt％。

所述钻井泥浆固体物的平均粒径是2-10mm。

所述酸是硫酸、盐酸、乙酸、硝酸中的一种，优选是硫酸。

所述修道改良土壤结构的复合制剂，更优选包含以下质量份数的组分：钻井泥浆固体物45-50份、普通硅酸盐水泥15-18份、高钙粉煤灰10-12份、石膏8-10份。

所述高钙粉煤灰是比表面积为300-500m²/kg的粉煤灰。

优选所述复合制剂中还可以加入1-5份的环氧树脂，优选是2-3份。

所述复合制剂的制备方法，包括以下步骤：1)废钻井泥浆加入酸，调节pH值到7-8，加入表面改性剂，并干燥得到钻井泥浆固体物；2)按比例将钻井泥浆固体物、普通硅酸盐水泥、高钙粉煤灰、石膏搅拌均匀即得到所述复合制剂。

将所述复合制剂用于道路施工的应用，将所述复合制剂和干土按照0.2-1∶1的质量比，再加入干土质量50-100％的水，搅拌均匀得到混合土样，经压实后得到工程用固化土。

本发明的有益效果：利用废钻井泥浆等废弃或廉价的工业原料制备土壤固化剂，降低了施工成本，减少了废弃物的排放，保护环境。

具体实施方式

实施例1

钻井泥浆固体物的制备，废钻井泥浆加入硫酸，调节pH值到7，加入0.3wt％的聚丙烯酰胺，干燥至钻井泥浆固体物的含水率低于20wt％。

复合制剂的制备，将钻井泥浆固体物40份、普通硅酸盐水泥15份、高钙粉煤灰12份、石膏8份，搅拌均匀，即得所述复合制剂。

按照复合制剂30份，干土40份，水40份的比例搅拌均匀，压实后得到固化土。

该道路工程用固化土14天无侧限抗压强度为0.35MPa，28天无侧限抗压强度为0.56MPa，90天无侧限抗压强度为0.77MPa。14天强度参数c＝48.35kPa，28天强度参数c＝120.15kPa，90天强度参数c＝140.05kPa。

实施例2

钻井泥浆固体物的制备，废钻井泥浆加入硫酸，调节pH值到7，加入0.3wt％的聚乙烯醇，干燥至钻井泥浆固体物的含水率低于20wt％。

复合制剂的制备，将钻井泥浆固体物45份、普通硅酸盐水泥18份、高钙粉煤灰10份、石膏6份，环氧树脂2份，搅拌均匀，即得所述复合制剂。

按照复合制剂30份，干土60份，水50份的比例搅拌均匀，压实后得到固化土。

该道路工程用固化土14天无侧限抗压强度为0.39MPa，28天无侧限抗压强度为0.67MPa，90天无侧限抗压强度为0.85MPa。14天强度参数c＝76.32kPa，28天强度参数c＝126.10kPa，90天强度参数c＝155.63kPa。

以上仅是本发明的实施范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡是采用本领域公知的等同替换或等同交换形成的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种修道改良土壤结构的复合制剂，包括钻井泥浆固体物30-50份、普通硅酸盐水泥10-20份、高钙粉煤灰10-15份、石膏5-10份；所述钻井泥浆固体物是将废钻井泥浆加入酸将pH值调整到7-8，然后加入表面改性剂再经干燥获得；所述表面改性剂是聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯酸酯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素中的一种。

2.如权利要求1所述的复合制剂，其特征在于所述表面改性剂的添加量是废钻井泥浆重量的0.05-1％，优选是0.1-0.3％。

3.如权利要求1所述的复合制剂，其特征在于所述废钻井泥浆经过预处理，包括滤除粒径大于3cm的杂物和经过初步的油水分离处理。

4.如权利要求1所述的复合制剂，其特征在于所述钻井泥浆固体物的含水率低于20wt％；所述钻井泥浆固体物的平均粒径是2-10mm。

5.如权利要求1所述的复合制剂，其特征在于所述酸是硫酸、盐酸、乙酸、硝酸中的一种，优选是硫酸。

6.如权利要求1所述的复合制剂，其特征在于所述修道改良土壤结构的复合制剂，包含以下质量份数的组分：钻井泥浆固体物45-50份、普通硅酸盐水泥15-18份、高钙粉煤灰10-12份、石膏8-10份。

7.如权利要求1所述的复合制剂，其特征在于所述高钙粉煤灰是比表面积为300-500m²/kg的粉煤灰。

8.如权利要求1所述的复合制剂，其特征在于所述复合制剂中还包括1-5份的环氧树脂，优选是2-3份。

9.如权利要求1-8中任一项所述复合制剂的制备方法，包括以下步骤：1)废钻井泥浆加入酸，调节pH值到7-8，加入表面改性剂，并干燥得到钻井泥浆固体物；2)按比例将钻井泥浆固体物、普通硅酸盐水泥、高钙粉煤灰、石膏搅拌均匀即得到所述复合制剂。

10.将权利要求1-8中任一项所述复合制剂用于道路施工的应用，将所述复合制剂和干土按照0.2-1∶1的质量比，再加入干土质量50-100％的水，搅拌均匀得到混合土样，经压实后得到工程用固化土。