本发明涉及一种环保型泥浆复合固化剂，适用于石油钻井、地质钻探中的废弃泥浆固化处理，属于土木建筑材料领域。
背景技术：
钻井作业时，钻井废弃泥浆有着用量较大、化学成分复杂、种类多的特点，因此在处理钻井废弃泥浆时是相当困难的，现在对这些泥浆采取的措施较多，但从经济效益出发考虑，只会有一小部分被回收再利用，绝大多数被直接排放到环境当中，或釆取自然蒸发、沉淀、固结、掩埋在附近等措施进行简易处理。据统计我国每年排放约200～300万m3废弃泥浆，其中直接排放到环境中占1/3。这些泥浆粘粒含量高、强度低，堆放占用大量土地资源，运输成本高且难以被工程直接利用。因此研究和应用废弃泥浆无害化处理技术，对于保护区域环境，实现人类可持续发展具有非常重要的意义。
现有的泥浆固化处理主要采用水泥、石灰、玻璃体或者沥青等材料来实现其固结。通过孔隙水与固化材料发生水合反应是孔隙内自由水变为结合水，并且加强颗粒之间粘结力增加强度。但在实际应用中，普通水泥、石灰等材料凝结硬化慢，当含水率大于1.0倍液限或更高时，很难使泥浆达到设计强度或需要添加量非常大，且在在高水固比的情况下还可能出现未凝结就部分沉降的现象。从工程造价方面考虑是很不合理的。本发明在放弃传统的水泥基固化材料基础上添加了新型添加剂，可以在含水率高于1.0倍液限的情况下满足固化要求达到一定强度。
粒化高炉矿渣(简称矿渣)是在1350℃-1550℃的高炉中冶炼时的副产品，其玻璃体含量可达95％以上。不加以利用，占用土地资源的同时也是一种资源的浪费，其成分与普通波特兰水泥类似，且价格仅为水泥的一半。但是这种材料水化速度缓慢，在特定环境下才能激发其活性。电石渣是用电石生产重要化工原料乙炔时产生的废渣，其主要成分为ca(oh)2、caco3、sio2、硫化物、镁和铁等金属氧化物、氢氧化物等无机物以及少量有机物。
技术实现要素：
本发明的目的旨在针对传统固化剂用量大且难以处理含水率高的泥浆等特点，提出一种环境友好且成本合理的环保型泥浆复合固化剂。在有效处理高含水率泥浆的同时，大规模将废弃泥浆转变为资源，减少水泥、石灰等用量，极大程度减小工程造价。
一种环保型泥浆复合固化剂，其特征在于，按重量百分比计包括如下干粉原料：
矿渣或矿渣组合物：40％-50％；
电石渣：6-18％；
na2so4：5％-12％；
氧化镁：10-20％；
氯化镁；4-10％；
硅粉：3％-12％；
聚丙烯酸钠：0.1％-0.4％；
所述矿渣组合物为矿渣和粉煤灰的混合物，质量比为3～2：1；或矿渣和钢渣的混合物，质量比为3～2：1；或矿渣、粉煤灰和钢渣的混合物，质量比为5：2：3或5：3：2。
上述环保型泥浆复合固化剂，所述干粉原料细度为300m2/kg-600m2/kg。
上述环保型泥浆复合固化剂，所述粉煤灰为高钙粉煤灰，其cao含量≥10％。
上述环保型泥浆复合固化剂，所述钢渣粒径小于2mm。
上述环保型泥浆复合固化剂，所述氧化镁干粉中mgo≥90％。
上述环保型泥浆复合固化剂，所述电石渣中ca(oh)2含量≥85％。
上述环保型泥浆复合固化剂，所述硅粉为高活性硅粉，其sio2含量≥90％。
上述环保型泥浆复合固化剂，所述聚丙烯酸钠为高吸水性树脂，吸水比例1：500。
上述环保型泥浆复合固化剂，所述na2so4为高纯度干粉，其中na2so4含量≥99％。
本发明环保型泥浆复合固化剂，与现有技术相比优点在于：
(1)充分资源化利用工业废弃材料矿渣、电石渣、硅粉等干粉，以及选择性加入工业废弃材料粉煤灰和/或钢渣，并引入新型材料高吸水性树脂，以此制备环保型泥浆复合固化剂，该方法成本低廉且工艺简单便于实施。
(2)本发明具有水化、硬化快等特点，通过材料的水化反应以及钙矾石的生成消耗大量游离水，以及聚丙烯酸钠的物理吸水作用，迅速从泥浆中吸收大量游离水分。因此在高水固比的情况下可以避免凝结之前出现颗粒沉降。能够直接用于处理含水率高于液限一倍以上的泥浆。
(3)加入占泥浆干重35％的固化剂后，70％含水率泥浆7天强度能够达到4.0mpa以上。
(4)本发明采用的固化材料环境友好，同时利于泥浆的固化稳定，其早期强度与后期强度均有保障。
(5)对某些含有重金属离子的污泥进行固化时，固化剂中的钢渣对其有一定吸附作用，并且在材料胶结过程中也能将部分重金属离子包裹在致密的空间网络结构中，达到降低重金属离子渗出浓度的目的。
本发明的环保型泥浆复合固化剂的制备方法为：按照复合固化剂各原料配比，分别称取矿渣、电石渣、na2so4、氧化镁、氯化镁、硅粉等干粉，将上述原料混合粉磨至比表面积300m2/kg-600m2/kg再与聚丙烯酸钠混合，既得泥浆复合固化剂。
本发明公开的高含水率泥浆复合固化剂，其技术原理在于：矿渣与水接触时，只有少量ca2+离子释放到溶液中，并在矿渣表面形成一层缺钙的硅铝酸盐酸性保护膜阻止矿渣进一步水化，但电石渣水解产生大量oh-离子，矿渣在此环境下克服富钙相的分解活化能，破除先前生成酸性保护膜，并继续深入到富硅相中，玻璃体结构解体产生的sio44-、alo45-、ca2+离子进入溶液重新组合形成新的水化产物。而在此环境下粉煤灰表面不稳定的硅氧四面体(sio44-)和al3+代替si4+形成的铝氧四面体(alo45-)逐渐被破坏，使得玻璃体结构解体，在粉煤灰表面形成许多硅酸根和铝酸根离子，与矿渣水化产生的大量ca2+离子此时发生反应形成水化硅酸钙或水化铝酸钙。钢渣中具有水硬胶凝性的硅酸三钙、硅酸二钙等同时也参与了水化反应并促进的矿渣的水化进程。na2so4的加入提供了so42-，促进了钙矾石的生成和稳定。
除此之外溶液中大量的ca2+离子会置换出黏土颗粒表面的低阶k+、na+离子，由于ca2+离子结合水膜薄，导致黏土颗粒结合而成的团粒结构的结合水膜也较薄，从而黏土颗粒间相互吸引发生团聚化，颗粒间斥力降低，粘聚力使得土体结构更加紧密。
氯化镁作为调节剂与氧化镁在水中反应生成碱式氯化镁，消耗泥浆中大量游离水的同时使得其硬化，使得其强度不断增长。
主要成分为sio2的硅粉火山灰活性大，在碱性溶液中反应能力强。与环境中过剩的mg2+离子发生反应可生成mgsio3絮状物，同时也与ca(oh)2反应生成casio3沉淀堵塞硬化体中的毛细孔道，降低溶液中ca2+与mg2+的浓度。不断消耗ca(oh)2又加快了矿渣水化速度。除此之外，硅粉的比表面积极大，能够吸附大量自由水且与粉煤灰都能起到填充作用。
聚丙烯酸钠能够快速的吸收泥浆中的水分，并且一直处于保水状态，存在于水化产物形成的空间骨架之中形成稳定状态。
具体实施方式
下面通过实施例进一步阐述本发明。
实施例1
一种环保型泥浆复合固化剂，包括以下组分，各组分按干粉质量百分比组成为：
矿渣：30％；
粉煤灰：10％；
电石渣：15％；
氧化镁：15％；
聚丙烯酸钠：0.2％；
硅粉：8％；
氯化镁：10％
na2so4：11.8％。
按照本配比配置的环保型泥浆复合固化剂，在每立方米泥浆中掺入200kg固化剂，泥浆初始含水率设定为70％，将泥浆和固化剂均匀搅拌后，制备直径50mm、高度100mm试样，标准养护1天后脱模，并继续养护至7天和28天，每个龄期采用三个平行试样进行无侧限抗压强度。固化淤泥在7天养护龄期平均强度可达到3.64mpa，28天养护龄期平均强度可达到7.97mpa。
实施例2
一种环保型泥浆复合固化剂，包括以下组分，各组分按干粉质量百分比组成为：
矿渣：35％；
钢渣：10％；
氧化镁：12％
电石渣：18％；
聚丙烯酸钠：0.1％；
硅粉：12％；
氯化镁：5％
na2so4：7.9％。
按照本配比配置的环保型泥浆复合固化剂，在每立方米泥浆中掺入200kg固化剂，泥浆初始含水率设定为70％，将泥浆和固化剂均匀搅拌后，制备直径50mm、高度100mm试样，标准养护1天后脱模，并继续养护至7天和28天，每个龄期采用三个平行试样进行无侧限抗压强度。固化淤泥在7天养护龄期平均强度可达到4.31mpa，28天养护龄期平均强度可达到8.27mpa。
实施例3
一种环保型泥浆复合固化剂，包括以下组分，各组分按干粉质量百分比组成为：
矿渣：25％；
粉煤灰：15％；
钢渣：10％；
电石渣：15％；
氧化镁：15％；
聚丙烯酸钠：0.2％；
硅粉：6％；
氯化镁：4％
na2so4：9.8％。
按照本配比配置的环保型泥浆复合固化剂，在每立方米泥浆中掺入200kg固化剂，泥浆初始含水率设定为70％，将泥浆和固化剂均匀搅拌后，制备直径50mm、高度100mm试样，标准养护1天后脱模，并继续养护至7天和28天，每个龄期采用三个平行试样进行无侧限抗压强度。固化淤泥在7天养护龄期平均强度可达到3.22mpa，28天养护龄期平均强度可达到6.35mpa。
实施例4
一种环保型泥浆复合固化剂，包括以下组分，各组分按干粉质量百分比组成为：
矿渣：40％；
电石渣：18％；
氧化镁：15％；
聚丙烯酸钠：0.2％；
硅粉：8％；
氯化镁：8％
na2so4：10.8％。
按照本配比配置的环保型泥浆复合固化剂，在每立方米泥浆中掺入200kg固化剂，泥浆初始含水率设定为70％，将泥浆和固化剂均匀搅拌后，制备直径50mm、高度100mm试样，标准养护1天后脱模，并继续养护至7天和28天，每个龄期采用三个平行试样进行无侧限抗压强度。固化淤泥在7天养护龄期平均强度可达到4.88mpa，28天养护龄期平均强度可达到8.84mpa。