的可行性试验研究
毛培海1
郝维维1
闫开放2
（1.陕西环保(集团)定边大兴环境服务有限公司，陕西定边719000；2.全国墙体材料科技信息网专家委员会，陕西西安710000）
摘要：详细叙述了利用钻井岩屑原料制砖的试验研究，分析了岩屑的化学成分、物理性能及焙烧性能，提出了利用岩屑制砖的一些主要技术参数。关键词：钻井岩屑；综合利用；烧结砖试验 中图分类号：TU522.05
文献标识码：A
文章编号：1001-6945（2021）02-010-05
钻井岩屑是在钻井过程中，钻头切削地层矿石而
产生的碎屑。一般情况下，钻井岩屑主要成分为黏土、钻屑、化学添加剂、无机盐等。某些废弃的钻井岩屑泥浆，其主要污染物有盐类、油类、杀菌剂、某些化学添加剂、重金属、高分子有机化合物、生物降解产生的低分子化合物和一些碱性物质，它不仅直接外排后占用大片土地，而且会污染地下水质、土壤，恶化生态环境。陕西榆林、内蒙古乌审旗等地，对于当地众多石油钻井形成的岩屑，采取统一收存，集中处理。为了实现当地钻井岩屑废渣资源化利用，我们对陕西榆林(以下简称A)和宁夏盐池(以下简称B)的钻井岩屑原料进行了制砖试验研究。通过化学成分、物理性能及制砖性能的试验分析，提出了工艺设备选择方案，给出了一些主要技术参数，对利用钻井岩屑生产烧结砖的项目，可供参考借鉴，促进钻井岩屑废渣的综合利用。
1原料试验分析
以钻井岩屑为主要原料，适当掺配当地的煤矸石或荒山土生产烧结砖是否可行，我们对原料进行了试验。化学成分测试，主要看二氧化硅(SiO 2)和三氧化二铝(Al 2O 3)含量是否满足基本要求，其他有害成分是否控制在一定范围内。当地煤矸石堆场较多，主要选择性能满足制砖要求，并有一定的热量的煤矸石，以达到烧砖不用煤或少用煤。荒山土少量掺入会增加混合料的塑性，但尽可能少掺或不掺，从而提高钻井岩屑和煤矸石两种固废的利用量。1.1钻井岩屑 1.1.1化学成分分析：钻井岩屑固体废渣从A 地某堆场采取(见图1)，其化学成分测试结果见表1。
根据表1化学成分来分析：①SiO 2对制品影响较大，含量超过75%时，焙烧后制品体积不但不收缩，反而发生膨胀，使抗折强度明显降低，但含量小于50%
Feasibility test research on producing fired bricks from drilling rock slag
Abstract:The article describes in detail the experimental research of using drilling rock slag to produce bricks,analyzes the chemical composition,physical properties and firing performance of drilling rock slag,and puts for⁃
ward some main technical parameters of using drilling rock slag to produce bricks.Key Words:drilling
rock slag,comprehensive utilization,fired brick experiment
MAO Pei-hai HAO Wei-wei YAN Kai-fang
本栏编辑：孙国凤
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时，制品的抗冻性能会受到影响，因此，烧结砖原料对SiO 2含量一般控制在50%～75%之间；②Al 2O 3赋予烧结砖制品一定的力学强度，含量低于15%时，烧结砖力学强度会受到影响，而超过25%时，虽然砖的力学强度有所提高，但烧成温度也会随之提高，热量需要增大，燃料消耗增加。一般含量应该控制在15%～20%之间。从以上两种原料主要化学成分分析看，SiO 2含量适宜，但Al 2O 3的含量偏低。为了不影响未来烧结砖产品的力学强度，在选择煤矸石等掺配原料时应考虑Al 2O 3含量较大的原料，使混合料中Al 2O 3有所提高。虽然Al 2O 3含量较低，但与其他化学成分含量、颗粒形状 大小有关，只有通过焙烧试验及其综合分析才能得出正确结论。也可适当提高烧成温度、延长烧成保温时间来提高烧结砖的力学强度。
原料中Fe 2O 3、CaO 、K 2O 、Na 2O 和MgO 几种化合物在焙烧砖时会起到助溶剂的作用，在表现形式和起的作用各不相同。
Fe 2O 3在焙烧过程中的是一种着剂，含量的高低会引起烧结砖制品的颜变化。在焙烧氧化气氛中以高价铁的形式存在，制品在一定含量下呈红，而在还原气氛时氧化铁被还原成低价铁，烧结砖制品呈黑或青蓝，这是其一；其二是焙烧过程中的一种助熔剂，在还原气氛中可降低烧结砖的耐火度，而在氧化气氛中不明显；其三，大颗粒的氧化铁会在烧结砖表面出现褐或黑斑点。故氧化铁含量一般控制在2%～8%为宜，钻井岩屑含量适宜。
CaO 是一种助溶剂，其含量一般不超过10%。钻井岩屑中的CaO 颗粒小于1mm ，不会形成烧结砖石灰爆裂，但大颗粒的CaO 混入，即使含量小于6%也会产
生烧结砖爆裂(见图2)。
K 2O 和Na 2O 在烧结砖制品焙烧中主要起助溶剂作用，并能提高砖的强度。这两种化合物能降低湿坯成型含水率，如果用钻井岩霄生产墙地砖，K 2O 和Na 2O 含量略高时助溶效果更明显，砖的密度和强度会更高一些。
MgO 一般控制在3%以下。氧化镁在烧成制品中
起助溶剂作用，也会降低制品的耐火度，但没有氧化钙那样明显。氧化镁在制砖原料中，主要存在于菱镁矿(MgCO 3)、硫酸镁(MgSO 4)、白云石﹝MgCa ﹝CO 3﹞2﹞中，其中硫酸镁为有害成分，它会形成白霜，体积膨胀，使砖瓦制品受到破坏。其他镁化合物危害不大，在加热焙烧时或产品本身不致产生破坏，反而产生各种液相使制品更加致密。
SO 3是有害成分，一般控制在1%以下。硫酐在焙烧过程中会逸出，使烧结制品发生膨胀，并可能产生气泡。其他含硫化合物也对烧结砖瓦制品有害，如硫酸钙、硫酸镁等也会引起烧结砖瓦制品泛白、起霜、膨胀等。因此，硫化合物越少越好。应当特别注意，为了满足钻井岩屑一次码烧工艺，往往要改变原料性能，加入煤矸石做内燃料，而我国许多地区的煤矸石硫含量偏高，除会引起制品缺陷外，还会加大脱硫的投入。因此，在确定内燃料时应尽可能选择低含硫量的煤矸石。
烧失量是原料中存在有机物所致。黏土、页岩中有机物含量一般在2.5%～14%之间，煤矸石如果发热
图1A
地钻井岩屑堆场
表1钻井岩屑化学成分/%
某厂多孔砖石灰爆裂某原料试验样品砖石灰爆裂
图2
产品和试验样品石灰爆裂现象
量高时，烧失量会更高一些。引起烧失量差异主要是焙烧制品时有机可燃物多少而定，如动植物腐烂，含碳量高低等。有机物含量高时，制品干燥烧成收缩较大，可能会产生制品开裂，制品孔隙率较高，强度略有下降，但制品的导热系数有所降低。有机物含量最好小于15%。两种钻石岩屑烧失量分别为6.92%和
6.30%，符合制砖要求。
根据以上化学成分试验结果，两地钻井岩屑除Al2O3含量略偏低外，其他均与黏土、页岩等原料相近，可满足生产烧结砖的要求。
1.1.2物理性能分析
粒组成能满足0.5mm以下颗粒占到60%以上的要求，工艺设备选型时，钻井岩屑不需要再粗碎。经细碎后颗粒具体测定数据为：
a.地钻井岩屑大于0.5mm颗粒为17%；0.5mm~
0.25mm之间颗粒为10%；0.25mm~0.1mm颗粒为26%；小于0.1mm颗粒为47%。以钻井岩屑为主要原料，小于0.5mm颗粒占到83%；0.25mm以下颗粒占到73%。
b.塑性指数：虽然细颗粒成分较高，但由于岩屑尘粒和黏粒含量较少，塑性指数在6.8～7.0之间，属于低塑性原料。
c.干燥性能：在普氏拌和水为23%时，临界含水率为16%；干燥敏感性系数为0.4；干燥线收缩为2.2%。一般黏土原料临界含水率在10%～13%，较高的临界含水平率，湿坯体只脱少量的水，就出现继续干燥脱水而体积基本不收缩。钻井岩屑属于低干燥敏感性系数和湿坯体低收缩，干燥时可适当提高送风温度，加大风速，实现快速干燥。
d.低位发热量：A地钻井岩屑低位发热量为负值-78cal/g，说明有吸热反应的矿物存在，在生产烧结砖时需多更多的外燃料加以补充，也可选择发热量较高的煤矸石作为内掺燃料。
e.放射性核素限量：根据国家标准GB6566-2010《建筑材料放射性核素限量》，委托国家建筑材料工业墙体屋面材料质量监督检验测试中心进行检测，A地钻井岩屑内、外照射指数IRa、Ir分别为0.2和0.5；B地钻井岩屑内、外照射指数IRa、Ir分别为0.1和0.3，放射性核素限量低于国家标准＜1的要求。
1.2煤矸石
路易士煤矸石固体废渣选取了A地和B地两地某煤矿排放堆场。
1.2.1化学成分
就制砖而言，煤矸石作为内燃料掺配量较少，对混合料的影响较小。虽然会改变化学成分的含量，但对钻井岩屑制砖性能影响有限，除烧失量(LOI)偏高外，其他化学成分基本符合制砖要求，这里不再详述。两地煤矸石化学成分见表2。
1.2.2物理性能分析：
a.发热量：钻井岩屑烧结砖烧成时需要的热量来自煤矸石，B煤矿煤矸石低位发热量为4.722MJ/kg (1129cal/g)；A矿煤矸石低位发热量为12114MJ/kg (2898cal/g)。前者热量较低，掺量在30%左右，但能满足内燃烧砖热量要求，如果钻井岩屑含水量过高(超过40%)，热量明显不足。后者发热量较高，除满足内燃烧砖外，多余热量用于钻井岩屑脱水。
b.塑性指数：两种煤矸石基本无塑性，混合料中其掺配量不宜太大，否则会影响成型。
c.颗粒组成：A地煤矸石测试前破碎到粒径1mm 以下，其颗粒组成为0.5mm以上30%；0.5mm～0.25mm 为16%；0.25mm～0.1mm和0.1mm以下均为27%。从破碎后颗粒分析，粒径大于0.5mm颗粒远高于钻井岩屑，而0.1mm以下颗粒则远低于钻井岩屑，中间颗粒相差不大。生产烧结砖时应控制混合料中掺入量不宜超过30%。
1.3荒山土
A地荒山土较多，而且易开挖开釆，也可用建筑基础施工的渣土，其理化性能接近荒山土。该项目主要考虑消化钻井岩屑废渣，荒山土试验时尽可能少用或不用。
荒山土只测定了物理性能：①在普氏拌和水22.3%时，塑性指数经测试为10.7，其值大于7，属于中等塑性，荒山土的适当掺入，可改善钻井岩屑的成型性能；②干燥性能：干燥敏感系数为0.9，高于钻井岩屑，但仍小于1，掺入量大小对干燥性能影响不大；干燥线收缩为4.3%，同样高于钻井岩屑，低掺配下影响有限；③颗粒组成：破碎到粒径1mm以下，其颗粒组成为0.5mm以上30%；0.5mm～0.25mm为17%；0.25mm ～0.1mm和0.1mm以下分别为25%和28%。这与煤矸石颗粒组成相差不大，不再重复叙述。
表2煤矸石化学成分/%
2成型、焙烧试验2.1
原料配比
2.1.1
A 原料配比
试验用的钻井岩屑，自然含水率为5.4%，粉末及颗粒状；荒山土较为潮湿，自然含水率为14.5%；
煤矸石为块状、颗粒及粉末状，自然干燥后含水率为5.9%(钻井岩屑见图3a 、荒山土见图3b 、煤矸石见图3c)。三种原料经烘干后破碎到粒径1mm 以下混合均匀，按照化学成分及物理性能测试分析结果，确定小型试验原料配比；钻井岩屑：荒山土：煤矸石＝75：15：10。
2.1.2
B 原料配比
钻井岩屑自然干燥后为棕，松散块状颗粒；煤矸石粉碎后为黑颗粒及粉末状(见图片4a 和4b)。确定小型试验原料配比；钻井岩屑：煤矸石＝70：30。2.2成型试验
两种原料按照以上配比充分混合均匀、加水搅拌，在陈化24h 后进行挤出空心砖模拟成型试验。成型采用JZK/10型真空挤出机，并在机口取料测试成型含水率，A 和B 原料成型含水率分别为18.5%和18.2%。挤出的泥条分割成两种尺寸，一种是作为确定焙烧温度范围及焙烧温度的小试样，尺寸为40mm×15mm×25mm ；另一种作为最终烧成的试样，尺寸为60mm×40mm×25mm 。2.3干燥焙烧2.3.1干燥
用于试烧的样品先要进行干燥，A 样在夏季室温下干燥2d ；b 样在冬季，室温下干燥3d 。室内常温干燥后即在电热鼓风干燥箱中烘干，样品干燥后含水率
小于3%时再进行焙烧试验。2.3.2焙烧
将干燥好的小样品放入高温梯度炉中进行焙烧试验，以确定煤矸石砖半工业性试验的焙烧温度、风力及升温速度。试验升温速度≥150℃，两次最高焙烧温度分别为950℃和1130℃，保温时间30min ，冷却方式为保温时间到了以后，炉温下降，并自然冷却至室内温度，烧成的试样见图5。烧成的样品进行了烧成温度、收缩及吸水率分析，得出曲线图(见图6)。从曲线图可以看出，钻井岩屑小样空心砖在1010℃前随焙烧温度升高而吸水率有所降低，其烧成收缩随温度升高而有所增大，这与页岩、黏土等原料试验结果基本一致，但1040℃后变化有一定的差距。从两组梯度炉焙烧的样品看，1100℃和1130℃样品，颜发深发黑，很明显过烧。
烧成温度高低对样品吸水的影响：从得出的吸水
率—温度曲线可以看出，以钻井岩屑为主烧成的砖样品，从800℃～1010℃看，吸水率变化不大，焙烧温度升高至1010℃～1070℃，吸水率随温度再升高有所降
中国人的焦虑从哪里来图3a A 地钻井岩屑图3b A 地荒山土图3c A 地煤矸石
图4a B 地钻井岩屑
图4b B
地煤矸石图5梯度炉烧制的小试样
图6试样烧成收缩率--
吸水率—温度曲线
低，但降低幅度较小。当温度升高至1070℃后，吸水率急速下降。在同一原料时，吸水率是产品的重要技术指标之一，可以间接的反映砖的强度、抗冻抗风化性能，可以借鉴该烧成曲线来控制烧成温度，调整产品吸水率指标。
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烧成温度高低对样品收缩的影响：一般情况下，烧成收缩随温度升高而明显升高。从得出的烧成收缩—温度曲线图可以看出，烧成的砖样品从800℃～1040℃看，样品收缩变化不大；焙烧温度升高至1040℃～1070℃，收缩率从不到0.3%快速增长到1.5%；当温度再升高30℃，即1100℃时，烧成收缩急速增加到7.5%。这一温度变化非常重要，对于钻井岩屑来说，是确定最高烧成温度的重要依据。
从以上分析可知，确定烧成温度范围和最佳焙烧温度的原则，一是满足吸水率；二是烧成收缩率限制在一定范围，否则钻井岩屑烧结砖会在焙烧时出现较大的收缩应力而严重变形或断裂。经综合分析，A 地钻井岩屑最佳焙烧温度为980℃，烧成温度范围890℃～1070℃；B 地钻井岩屑最佳焙烧温度为970℃，烧成温度范围860℃～1070℃。在最佳烧成温度下烧制的样品空心砖，产品呈红，表面较为光滑，无裂纹产生(见图7)。
3结论和建议
以A 、B 两地钻井岩屑废渣为主研发生产烧结砖
制品，符合国家固体废渣资源综合利用产业政策，即化害为利，保护环境，又节省土地，市场前景看好。
经试验分析，A 地原料最佳配比为：钻井岩屑：荒山土：煤矸石＝75：15：10；B 地原料最佳配比：
钻井岩屑：煤矸石＝70：30。掺入煤矸石后实现烧砖、烘干原料不用煤或少用煤，年产6000万块砖年节约优质标煤7000t 以上。
岩屑干燥收缩和干燥敏感系数较低，可以实现高温快速干燥。
两地钻井岩屑对最高烧成温度比较敏感，不宜超过1070℃，超过时烧成收缩成倍增加，可能会出现过烧、砖变形、断裂。最佳烧成温度970℃～980℃比较合理。
两地钻井岩屑塑性指数低，岩屑颗粒聚合黏结性较差，建议采用高压、高真空硬塑挤出成型，以确保坯体的密实度，并满足码坯时强度要求，提高产品质量和成品合格率。
两种以上原料混合，建议加强原料碾练和混合处理，确保原料均化效果。
以钻井岩屑为主的原料制造烧结砖产品技术上是可行的。但我国石油钻井开采的岩屑因地质构造不同，其能否制砖应重新试验，不可盲目采用以上结果，免遭损失。参考资料：
[1]闫开放，林永淳.一次码烧工艺与设备选型的分析
讨论[J].砖瓦,2019(1):38-43.
[2]陶有生.访欧印象记[J].砖瓦,1988(4):34-38.
[3]最佳焙烧曲线的确定与应用[J].砖瓦,1976(3):35-40.
收稿日期：2021-1-22
图7
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