油基岩屑在无机稳定基层中应用的路用性能研究

谭文欣 文华 李梦妮 谭树成 刘颖

摘要：指出了在一定级配的碎石中，适当加入油基岩屑、水泥和水，并按照技术要求进行拌和、摊铺等工艺，在其最佳含水童时进行压实、成型并养护，用于钻前工程井场公路（简称钻前公路）的基层，此类油基岩屑可用于新建和改建钻前公路的半刚性路面结构。水泥稳定碎石基层的设计标准是强度值须达到设计要求，同时还要保证其在使用年限内不会产生过多的残余形变，不会发生较严重的裂缝破坏和冲刷破坏，并且具备一定的刚度和杭拉强度。故研究了油基岩屑的掺童、对砂的替代率以及水泥掺量对其无侧限杭压强度、抗拉强度和杭压回弹模量等力学性能指标的影响，并以此探究了掺入油基岩屑的水泥稳定碎石基层的路用性能，以实现提高道路使用年限，油基岩屑资源化利用等目标。

关键词：油基岩屑;路用性能;钻前公路;力学性能

中图分类号：TE992 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2020）04-0132-05

1 引言

在页岩油气开采过程中，使用钻机进行垂直开凿后，为加大采气面，需在水平层进行拓展，为支护井壁，需使用钻井液一油基泥浆，且其在使用过程中与水、油、页岩等混合形成油基岩屑[1，2]。油基泥浆具有良好的润滑性，抗高温性和抗污染性，又因其具有良好的抗坍塌性和井壁支护力，所以其在各大开采平台得到广泛的应用。但因油基泥浆由多种不稳定的化学物质组成，所以开采后形成的油基岩屑成分也十分复杂。

随着我国油页岩事业的大力发展，开采量的逐年增加，油基岩屑的产量也与日俱增。据相关统计表明，平均一月的时间，中石油川庆钻探公司某川南作业区因页岩气的开采就可以产生1690m³左右的油基岩屑。这些油基岩屑的含油率基本上达到了1500-25%，其相关指标远远超过可排放废物的数据指标，其本身具有极大的危险性，若不进行科学的处理，势必将给生态环境带去不可估量的危害。就现目前而言，油基岩屑的处理方式以焚烧、固化填埋等为主，此类方法的处理并不能实现环保、安全的目标，更没有实现废弃物最终资源化利用的目标，反之还产生了更多的二次污染物[3～5]，将其资源化处理的难题己成为制约本行业发展的重要阻力之一。粘土、地底岩屑、矿屑等是组成油基岩屑的主要成分，此类成分有作为公路路面结构填充料的潜质，可以探究其在公路中的应用，以实现资源化利用油基岩屑[6，7]。

2 原材料与试验方法

2.1 原材料

2.1.1 水泥

选择32.5R复合硅酸盐水泥，根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG E30-2005）[8]测试水泥胶砂的抗压强度、抗折强度和凝结时间，结果见表1，均达到规范的要求。

2.1.2 集料

根据《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20-2015）[9]中的规定，用于二级及二级以下公路基层的粗集料，规定其最大粒径≤31.5mm，压碎值不高于30%，针叶状颗粒含量不高于20%。规定细集料中<0.075mm的颗粒含量≤20%。

粗集料：采用粒径4.75～31.5mm的碎石，主要性质见表2，相关性质均符合规范要求。

细集料：采用的是4.75mm以下的中粗砂。0.075mm以下的颗粒含量为细集料的10%，满足规范要求。

2.1.3 油基岩屑

经LRET技术甩干预处理后[10，11]，油基岩屑含油率为1%以下。对其进行浸出毒性分析表明：所检的指标含量均低于国家废弃物鉴别标准值和污水综合排放限值，可用于无机稳定碎石基层中。

2.2 配合比设计

2.2.1 集料级配设计

依据《公路路面基层施工技术细则》JTG/T F20一2015[9]规定，参考水泥粉煤灰稳定级配碎石的推荐级配，确定掺油基岩屑的混合料用于二级及二级以下公路底基层的合成级配见表3。

2.2.2 油基岩屑掺童

油基岩屑掺量对水泥稳定碎石基层的影响，主要是因为油基岩屑掺量的改变，导致了骨料掺量的变化，同时也影响了混合料的结构形态，造成掺入后的水泥稳定碎石基层的力学性能发生改变。该组研究所对应的各材料比例如表4所示。

2.2.3 细集料配比

细集料配比对掺油基岩屑的水泥稳定碎石基层的影响，主要研究水泥和粗骨料在保持不变的情况下，调整油基岩屑与砂的比例，研究二者比例的改变对水稳底基层的影响。该组研究对应的各材料比例如表5所示。

2.2.4 水泥剂童

水泥剂量对掺入油基岩屑的水泥稳定碎石基层的影响，主要研究的是碎石和砂的比例在保持不变的情况下，只改变水泥和油基岩屑的比例，并探究对底基层的力学性能的影响。该组研究对应的各材料比例如表6。

3 路用性能試验结果与分析

3.1 无侧限抗压强度试验

3.1.1 油基岩屑掺量

掺入不同量的油基岩屑时，混合料7d无侧限抗压强度值如表7所示，油基岩屑的掺量对7d无侧限抗压强度的影响曲线如图1所示。

由试验结果可知。

（1）油基岩屑掺量增大时，混合料的7d无侧限抗压强度值降低。无机稳定底基层的强度主要是因为结合料的粘结作用、碎石的内摩擦力。随着油基岩屑的增多，细料配比增多，碎石比例下降，混合料结构的悬浮密实程度加深，碎石被细料分散得越来越开，碎石间的嵌合作用越来越弱，从而导致结构强度降低。可见，在水泥掺量一定时，改变掺和料和集料之间的比例对水稳底基层的强度会有影响.

（幻油基岩屑的掺量对无侧限抗压强度的影响趋势大致为先陡后缓。当油基岩屑的掺入量高于10%时，混合料的7d无侧限抗压强度值逐渐平稳，低于基准试验组A组强度值的26%左右。

3.1.2 细料配比

不同细料配比时的7d无侧限抗压强度值如表8所示，不同细料配比对7d无侧限抗压强度的影响曲线如图2所示。

由试验结果可知。

（1）随着细料中油基岩屑掺入量的增大，混合料的7d无侧限抗压强度值呈下降的趋势。当油基岩屑与砂的掺量比从0.54增加到1.15时，混合料的7d无侧限抗压强度值下降明显，与基准组E相比下降了28%，但继续增加油基岩屑比例，强度降低幅度较小。

（2）细料中油基岩屑比例增多导致混合料强度变化主要体现在两方面：一方面，对于悬浮密实结构而言，其结构形态主要表现为细料和胶凝材料形成的砂浆块牢牢的裹覆住粗骨料，因此砂浆体的强度对悬浮密实结构水稳材料具有较大的影响;另一方面，本研究中的砂级配良好，各种粒径的沙子间有一定的嵌合作用。油基岩屑是细粉物质，量的增加降低了集料间的嵌合作用，导致混合料的7d无侧限抗压强度降低。

3.1.3 水泥掺量

不同水泥掺量时，其7d无侧限抗压强度值如表9所示，不同水泥掺量对7d无侧限抗压强度的影响曲线如图3所示。

由试验结果可知。

（1）该组混合料的7d无侧限抗压强度与水泥掺量呈现出正相关系，相关系数为0.44～0.47。

（2）水泥作为主要的胶凝材料，当其掺量降低时，混合料的粘结能力明显下降，混合料7d无侧限抗压强度值也降低。另一方面，油基岩屑比例增加导致需要被稳定的颗粒数量增多，需要更多的胶凝材料，水泥掺量的减少使混合料的粘结力明显下降，因此试件的7d无侧限抗压强度值也降低。

3.2 劈裂抗拉强度试验

3.2.1 油基岩屑掺量

不同油基岩屑掺量的混合料的劈裂抗拉强度值如表10所示，油基岩屑掺量对劈裂抗拉强度的影响曲线如图4所示。

由试验结果可知。

（1）随着油基岩屑掺量的增大，试件的劈裂抗拉强度值呈下降的趋势。油基岩屑掺量G5%时，随着掺量的增加，混合料劈裂抗拉强度值下降显著;当油基岩屑掺量高于5%后，油基岩屑掺量对劈裂抗拉强度的影响程度降低。

（2）油基岩屑掺量为15%时，较基准组A，混合料劈裂抗拉强度降低17%，而无侧限抗压强度降低了26%，可见，油基岩屑对前者的影响更大。

（3）油基岩屑影响劈裂抗拉强度的主要原因是：掺量的增多，集料的数量减少，集料间的嵌合作用减弱，因此混合料更容易被拉碎。

（4）当水泥的掺量为5%，油基岩屑的掺量是0%15%左右时，混合料劈裂抗拉强度值>0.2MPa，满足基本要求。

3.2.2 细料配比

不同细料配比时混合料劈裂抗拉强度值如表11所示，细料配比对混合料劈裂强度的影响曲线如图5所示。

由试验结果可知。

（1）随着油基岩屑掺量的增大，试件的劈裂强度呈现下降的趋势。当油基岩屑掺量为31%，与砂比值为2.58时，与基准配合比相比混合料劈裂抗拉强度下降了19%。

（2）随着油基岩屑与砂浆质量比的上升，混合砂浆的粘结力降低，造成混合料的抗拉强度降低。

（3）水泥比例为5%，油基岩屑掺量为15%～31%时，混合料劈裂抗拉强度大于>0.2MPa，满足要求。

3.2.3 水泥掺量

不同水泥掺量时混合料劈裂抗拉强度值如表12所示，水泥掺量对混合料劈裂抗拉强度的影响曲线如图6所示。

由试验结果可知。

（1）混合料的劈裂抗拉强度与水泥掺量呈现正相关系。因为半刚性材料的抗拉强度主要取决于材料的粘结力，在掺入油基岩屑的水稳底基层中，水泥是唯一的胶凝材料，水泥比例减少，混合料的粘结能力下降，抗拉能力下降。

（3）当水泥比例为3%～5%，油基岩屑掺量為31%～33%时，混合料的劈裂抗拉强度大于0.2MPa，满足要求。

4 试验分析总结

（1）通过调整油基岩屑和集料之间的比例研究油基岩屑掺量对混合料的影响;通过利用油基岩屑替代不同比例的砂，研究油基岩屑与砂比例对混合料的影响;并掺入不同量的水泥，探究水泥量对混合料的影响。

（2）随着油基岩屑掺量的增多，混合料的7d无侧限抗压强度值、劈裂抗拉强度值均呈现下降的趋势。这主要是因为在水泥掺量不变的情况下，随着油基岩屑掺量的增大，细料增多，粗料减少，粗集料悬浮程度不断加深，碎石被分散，碎石间的嵌合越来越弱，从而降低了混合料的性能。

（3）随着油基岩屑与砂比值的增加，混合料的7d无侧限抗压强度、劈裂抗拉强度值均呈现下降的趋势。因为油基岩屑比例的增加降低了集料间的嵌合作用，降低了混合砂浆的强度，导致混合料性能降低。

（4）水泥的掺入量与基层结构的无侧限抗压强度、劈裂抗拉强度呈现的是正相关性，当油基岩屑掺量较多时，水泥比例不宜低于5%。

（5）对10个配合比的7d无侧限抗压强度、90d劈裂抗拉强度进行分析，均能满足四川农村公路的相应推荐标准，但是当水泥掺量低于5%后，混合料的抗压回弹模量值<700MPa。通过综合考虑混合料强度、刚度、抗裂性能以及当地施工现场的实际情况，本研究推荐的掺入油基岩屑的水泥稳定碎石基层的最佳配合比为水泥：油基岩屑，碎石，砂，为7：20：52：21。

参考文献：

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[11]贵恒.微波热脱附法处理含油岩屑方法研究[D].成都：西南石油大学，2015.

收稿日期：2020-03-26

基金项目：国家重大科技专项“十三五”重点项目（编号：2016ZX05040006-001-011）

作者简介：谭文欣（1993-），女，硕士研究生，研究方向为岩土工程。