油泥砂制备加气混凝土砌块试验研究

李文浩 任京成

（山东理工大学资源与环境工程学院）

油泥砂制备加气混凝土砌块试验研究

李文浩 任京成

（山东理工大学资源与环境工程学院）

对山东某油田油泥砂物理性质及组成进行分析，通过制备加气混凝土砌块试验达到油泥砂资源化利用的目的。试验结果表明：以经过预处理后的油泥砂作为硅质材料制备成的加气混凝土砌块，其外观性能可达到GB／T 11968—2006《蒸压加气混凝土砌块》标准中密度等级B06，强度等级A5.0的要求。

油泥砂；预处理；硅质材料；蒸压加气混凝土砌块

0 引 言

油泥砂是在油田生产活动中产生的，主要来源于原油集输及处理过程的各个环节，被原油及其他有机物污染了的泥、砂、水的混合物［1］。由于其所含的烃类物质对环境危害较大，被列入《国家危险废物名录》中的危险废物（HW08项），如果不加以处理直接排放，会对周围土壤、水体、空气造成严重污染和危害［2］。油泥砂的处理技术虽然已有大量的研究实践，但都局限于油泥砂的无害化处理，目前仍没有经济有效的资源化利用油泥砂的方法［3］。

油泥砂作为一种含高硅、高铝的硅质材料，理论上可以制备加气混凝土砌块，但由于粒度较大、含烃类油包裹于颗粒表面，阻碍颗粒与钙质材料的水化反应，从而影响制品质量，所以必须加以处理才能用于制备加气混凝土砌块。本文拟通过试验研究粒度、烃类油对制备加气混凝土砌块质量的影响，实现油泥砂的资源化利用。

1 油泥砂性质及组成

1.1 油泥砂的一般物理性质

试验用油泥砂取自山东某油田，经油、泥、水、砂四项分离后外观呈深褐色，自然含水率为1.3%，含油率约为0.8%，测试方法参照GB／T 16488—1996《水质石油类和动植物油的测定红外光度法》进行，其中烃类油约为0.65%。

1.2 油泥砂的粒度组成

将油泥砂样品在鼓风干燥箱105℃进行干燥处理后，选取代表性矿样进行筛分分析，结果见图1。

图1 累积粒度特性曲线

筛析结果表明油泥砂平均粒度d50约为0.25 mm，200目筛下产物含量约为1.74%。20目筛上产物大多数为大颗粒油团，其含油率为6.8%，筛除后样品含油率约为0.80%，含油率显著降低，故先进行预先筛分后再作试验使用。

1.3 油泥砂的矿物组成

通过对油泥砂的XRD测试及岩矿分析，测得主要矿物组成为石英石，其次为长石和红金石等，油泥砂的XRD见图2。

图2 油泥砂XRD

1.4 油泥砂的化学组成

对油泥砂的化学组成进行分析，结果见表1。

表1 油泥砂的化学组成

从化学成分上分析，该原料含有较高的SiO2和Al2O3，是较为理想的硅质材料，满足制备加气混凝土对硅、铝成分的要求。

2 试 验

2.1 试验材料

油泥砂：取自山东某油田，已经过油、泥、水、砂四项分离处理。

水泥：采用山东铝业水泥厂的42.5 R级硅酸盐水泥。

石灰：采用淄博产中活性生石灰，含活性CaO约为80%，消化时间为13 min，消化温度为90℃左右。

石膏：采用二水磷石膏。

发气材料：铝粉膏作为发气材料，符合JC／T 407—2008《加气混凝土用铝粉膏》的技术要求。

2.2 油泥砂预处理

2.2.1 油泥砂脱泥去油处理

油泥砂在污泥砂池内经泥砂泵进入洗砂器，经洗砂器离心分离后，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进行回收。洗砂罐内加入联合站采油污水混合，开启搅拌器边冲洗边搅拌，混合后的砂水液提升至浓缩器进行二次清洗浓缩，浓缩器溢流液回流污泥砂池。浓缩罐内积砂定期排放至振动筛进行砂水分离［4］。

2.2.2 油泥砂二次处理

试验中发现，油泥砂中含有部分大颗粒，含量在2%左右，其主要为油团聚油泥砂颗粒，含油率为6．8%，所以用1 mm筛子对其进行筛除，另作能源物质资源利用，然后对筛下产品用快速磨进行粉磨。

2.3 制备工艺流程

油泥砂加气混凝土砌块的制备工艺流程见图3。

图3 油泥砂加气混凝土砌块制备工艺流程

2.4 配合比设计

在加气混凝土中，主要由CaO，SiO2和H2O进行化学反应，其次为CaSO3，Al2O3，CaO和H2O的反应。生石灰是体系中主要的钙质材料提供者，生石灰消化发热提供的碱性环境为发气提供条件，并促进料浆稠化；石膏可以调节凝结速度抑制水化消化，在生产加气混凝土中，料浆稠化速度必须和铝粉的发气速度相协调，反应生成硫铝酸钙。工业上一般石灰与石膏掺量为10∶1；适当的加入水泥可以提高坯体的早期强度，减少干燥收缩［5］。

根据油泥砂中SiO2和Al2O3的含量和含水率以及生石灰、水泥中活性CaO的含量。结合工业实践初步确定油泥砂添加量（质量比）为66.9%，水泥10%，生石灰20%，石膏3%，铝粉膏0.1%，水料比为0.6。

3 结果讨论

3.1 油泥砂粉磨时间对制品影响

所用尾矿分别用快速磨粉磨0，10，20，30，40 min，即粒度在200目以下分别占1.7%，21.3%，40.2%，72.8%，88.4%的油泥砂。根据试验数据绘得油泥砂粉磨时间与抗压强度关系曲线，见图4。

图4 粉磨时间与抗压强度关系曲线

由图4可知，在相同的条件下，经过粉磨后的油泥砂符合制备加气混凝土的条件，粉磨时间越长，粒度越小，制品强度越高，成本也越高。在粉磨时间为30 min，即粒度在200目以下占72.8%时，其试块抗压强度超过3.5 MPa，已达到GB／T 11968—2006《蒸压加气混凝土砌块》B06、A3.5的基本要求。

3.2 优化水料比试验

在水泥添加量为10%，生石灰20%，石膏3%，铝粉膏0.1%配比下，加入不同比例的水，混合、搅拌、注模、养护、蒸压并测定制品强度性能。结果见表2。

水料比直接影响料浆稠度，从而影响气泡大小和气泡间隔数，同时对孔壁强度产生影响［6］。由表2可以看出，随着水料比的增加，砌块的干密度随之降低，当水料比增加到一定程度时干密度又会上升。水料比过小时，出现“憋气”现象，发气不充分，砌块中的气泡不是圆形，而是与其他兼并成长条，形成裂缝［7］。当水料比过大时，发气速度大于胶凝速度，有气泡溢出。综合以上分析，最佳水料比为0.55。

3.3 优化生石灰、石膏添加量试验

料浆浇注初期时，铝粉开始发气，为保证发气顺利，要求料浆稠化缓慢；后期发气结束时，为生成稳定的孔结构需要料浆迅速稠化。石灰和石膏的添加量对铝粉发气和稠化速度有直接影响，详见表3。

表2 水料比对试验的影响

表3 生石灰、石膏添加量对制品的影响

由表3可知，当石灰和石膏掺量分别为255 g和25 g，即为总掺量的28%时，油泥砂加气混凝土砌块性能最佳，该制品外观性能达到GB／T 11968—2006《蒸压加气混凝土砌块》标准中密度等级为B06，强度等级为A5.0的要求。但当石灰和石膏掺量过大时，消化速度快，导致发气不充分，表面有细小裂纹影响制品强度。

3.4 油泥砂加气混凝土砌块浸出液分析

选取五组满足抗压强度要求的不同配合比的砌块，放入25℃水中做浸泡试验，分别测定1，2，3，4，5 d后浸出液的含油量，试验结果见表4。

表4 砌块浸出液含油量与浸泡时间的关系mg／L

从表4可看出，经过5 d的浸泡，砌块浸出液的含油量已经基本稳定，浓度符合GB 8978—1996《污水综合排放标准》中石油类10 mg／L的标准。这是由于油泥砂加气混凝土砌块内部的水热合成反应，形成的水化产物结构致密，对油类物质起密封作用，使得其浸出性能差。同时，也解决了砌块的环境污染问题。

3.5 样品形貌及结构分析

对密度615 kg／m3，抗压强度4.93 MPa的样品扫描电镜结果，见图5。

图5 样品的SEM图谱

从图5（a）中可看出，样品中有叶片状的托勃莫来石和针棒状的钙矾石生成。图5（b）中可看出，样品表面已经充分水化，水化产物以叶片状的托勃莫来石和针棒状的钙矾石为主，伴随着有堆状的水化石榴子石及C-S-H胶凝。其水化产物相互交叉，结构致密。

3.6 强度机理分析

对密度615 kg／m3，抗压强度4.93 MPa的样品进行XRD分析结果见图6。

图6 样品XRD图谱

石灰和水泥水化后的Ca（OH）2和SiO2反应，生成少量的水化硅酸钙，水化物溶解度低，很容易析出水化硅酸钙晶粒。这些微小的晶体通过分子力使水分子膜彼此连接形成最初的初凝状态，此时制品形成一定强度。在高温高压下，随着晶体体积增长，晶体和晶体之间的连接点增多形成晶体连生体［8］，使制品强度达到较高水平。由图6可看出，制品经过一系列成型反应和蒸压养护的水热合成反应后，生成了大量水化硅酸钙（C-S-H）、水化铝酸钙（C-S-A）。

4 结 论

◆油泥砂中SiO2和Al2O3含量高，可制备符合条件的蒸压加气混凝土砌块。

◆制备油泥砂加气混凝土砌块最佳水料比为0.55。◆油泥砂颗粒偏大，其含有烃类油会阻碍水化反应，同时也会污染环境。经粉磨处理后，油泥砂制备的加气混凝土砌块，其性能可达到GB／T 11968—2006《蒸压加气混凝土砌块》标准中密度等级为B06，强度等级为A5.0的要求。

◆油泥砂加气混凝土砌块添加油泥砂在50%以上，且砌块浸出液含油量符合GB 8978—1996《污水综合排放标准》中石油类10 mg／L的要求。既可以解决企业负担、减少环境污染，又可以创造经济效益，变废为宝，解决了油泥砂资源化利用的问题。

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1005-3158（2014）02-0030-04

2013-11-27）

（编辑 王蕊）

10.3969／j.issn.1005-3158.2014.02.010

李文浩，山东理工大学资源与环境工程学院在读硕士，研究方向：矿物加工工程资源综合利用。通信地址：山东省淄博市山东理工大学资源与环境工程学院，255049