低品位膨润土矿制备土木工程泥浆土的研究.pdf

第3 3 卷第4 期 2 0 1 0 年7 月 非金 属矿 N on M et a“i C M i nes V l0 l - 3 3 No 4 J ul y，2010 低品位膨润土矿制备土木工程泥浆土的研究 王志强舒 锋刘玉芹 ( 中国非金属矿工业公司，北京1 0 0 1 4 2 ) 摘要针对湖北某地低品位、 低含砂量膨润土矿， 系统研究了 钠化条件和两种不同聚合物的引入对其泥浆性能的影响。研究表明， 钠化条 件对膨润土的泥浆性能有一定影响 ， 提 高碳酸钠用量和反应温度 可提高浆体的粘度 ； 但 有机聚合物羧 甲基纤维素钠的加入 能更显著提 高其粘度， 添加量为 1 便可使其粘度提 高至原来的 4倍 ， 达到国家一级泥浆土的要求。 关键词膨润土泥浆粘度聚合物 中图分类号 ： T D9 8 5文献标识码 ： A S t u d y o n Pr e p a r a t i o n o f Ci v i l En g i n e e r i n g S l ur r y Cl a y f r o m Lo w g r a d e Be n t o n i t e W a n g Zh i q i a n g S h u F e n g Liu Yu q i n ( C h i n a N a t i o n a l No n me t a l l ic Mi n e r a l s I n d u s t ri a l C o r p o r a t i o n ， Be ij in g 1 0 0 1 4 2 ) Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r , a b e n t o nit e o r e wi t h l o w g r a d e a n d l o w s a n d c o n t e n t i n Hub e i p r o v i n c e wa s u s e d a s r a w ma t e r i a l ， t h e i n flu e n c e o f Na a c t i v e c o n d i t i o ns a n d o r g a ni c p o l y m e r on i t s s l u r r y v i s c o s i t y we r e s y s t e m a t i c a l l y s t u d i e d Th e r e s ult s s ho w t h a t ： Na a c t i v e c o n dit i o n s h a v e c e r t a i n i nfl u e n c e o n i t s s l u r r y v i s c o s i t y ；v i s c o s i t y c a n b e i mp r o ve d t h r o u g h i n c r e a s i n g s o d i u m d o s a ge a n d r e a c t i o n t e mp e r a tur e Ho we v e r ,a d ding o r g a ni c p o l y me r s o d i u m c a r b o x y me t h y l c e l l u l o s e h a s r e ma r k a b l e i n fl u e n c e o n i t s v i s c o s i ty V i s c o s i ty c a n i n c r e a s e t o i t s f o u r f o l d a n d me e t t h e GB( n a t i o n a l s t a nd d 、 r e q u i r e me nt s o f t h e fi r s t d e g r e e s l u r r y c l a y f o r c i v i l e n g i n e e r i n g wh e n t h e p o l y m e r d o s a g e i s 1 Ke y wo r d s b e n t o n i t e s l u r r y v i s c o s i ty p o l y me r 膨润土是一种以蒙脱石为主要成分的粘土矿物 ， 蒙脱石属 2： 1 型层状硅酸盐矿物。由于其具有类质 同象取代、 离子交换性等特性， 使其在水中具有良好 的膨胀性、 分散性、 悬浮性、 流变性等性能 1-2 o膨润 土矿浆属非牛顿流体， 具有良好的触变性， 可广泛应 用于钻井泥浆和非开挖工程等施工工程 中。在石油 钻井过程 3 】 中， 膨润土矿浆可以起到清洗井底， 携带 岩屑， 保证钻头不断破碎新地层； 平衡地层中流体压 力和岩石侧压力， 防止井喷、 井漏， 维持井壁稳定， 防 止地层坍塌 ； 润滑并冷却钻头、 钻具， 悬浮岩屑和加重 料， 避免沉砂卡钻等重要作用。在非开挖工程 I4 施工 中， 膨润土和水混合后可形成均一稳定的胶体， 由于 其具有良好的稳定性和润滑性， 可对土体起支撑稳定 作用， 保护井壁稳定， 同时携带钻屑防止堵塞， 是非开 挖定向钻施工中必不可少的 恤 液 物质。 目前， 我国绝大部分膨润土为钙基膨润土， 尤其 是本次试验研究的湖北某地的钙基膨润土， 该土品位 低， 质量较差， 矿浆粘度很难达到施工使用要求。因 此， 研究膨润土的钠化改性 ， 并寻找合适的添加剂 ， 提 高矿浆的悬浮性、 粘性 ， 对促进我国地下非开挖施工 的水平以及膨润土资源的高效利用具有十分重要的 收稿 日期 ：2 0 1 0 0 5 2 1 基金项 目：国家十一五科技 支撑项 目( 2 0 0 8 B AE 6 0 B0 9 1 3 4 意义 ， 同时为该处矿产资源找出一条综合利用途径。 1 试验部分 1 1 原矿性质所用膨润土取 自湖北鄂西某地 ( 代 号为H B ) ， 膨润土原矿表观颜色为乳白色， 呈土状光 泽。矿石较为致密， 为致密块状结构， 但硬度较低、 易 于粉碎。 矿石结构以泥质为主， 矿石构造为致密块状， 肉眼可见少量石英等杂质。原矿的各项理化性能指 标见表 l 。 表1 原矿的理化性能 从表 1 中数据可以看出， 原矿 的吸蓝量较低， 仅 有 2 3 5 g 1 0 0 g 。同时， 其胶质价、 膨胀容、 膨润值也处 于较低的水平， 分别为 4 8 m L 1 5 g 、 8 mL g 、 l l mL 3 g ， 从原矿各项指标来看 ， 该矿为钙基膨润土矿。 原矿的粒级分布及各粒级吸蓝量见表 2 。 表2 原矿粒级分布及各粒级吸蓝量 粒度+ 6 0目 6 0 1 0 0目 1 0 0 2 0 0日2 O 0 3 2 5目 3 2 5目 质量 1 7 2 6 4 8 1 5 2 4 0 0 百分质量 3 9 1 1 4 6 1 8 5 1 1 9 9 1 5 5 吸蓝量 ( g l O O g ) 0 9 6 0 9 6 1 4 4 1 4 4 2 4 7 从表 2 中数据可以看出， 一 3 2 5日产品的产率为 9 1 5 5 ， 其它各粒级产品的产率较低， 这说明原矿浸 王志强， 舒 锋 ， 刘玉芹 低品位膨润土矿制备土木工程泥浆土的研 究 泡于水中后可崩解为微细颗粒 ， 粗粒杂质含量较低。 原矿理化性能和粒级分析研究表明， 该矿吸蓝量 较低， 蒙脱石含量不高， 不宜开发对蒙脱石含量要求 较高的产品。但该矿具有含砂量低的特性， 因此该矿 适宜开发工程用泥浆土。 1 - 2 试验仪 器采 用的主要仪器和设备包括 ： 轮碾 混砂机 ； 水浴锅 ； 多功能搅拌器 ； Z N N D 6 S型六速旋 转粘度计 ； G J 一 3 S型高速搅拌机 ； 万能粉碎机 。 1 3 试验研 究方法研究 中， 分别考察了钠化工艺 条件和聚合物 的添加对产 品造浆性能的影响。钠化 采用悬浆法进行， 矿浆浓度为 6 ( 同粘度测定浓度一 致) 。考察的钠化工艺条件包括： 钠化剂用量、 钠化温 度和钠化时间等因素。钠化完后产品置于烘箱中于 1 0 5 下烘干磨粉。同时， 考察了聚丙烯酰胺和羧 甲 基纤维素钠两种聚合物的添加对产 品造浆性能 的影 响， 聚合物的添加方式为 ： 将有机聚合物混入钠化后 并经磨矿的样品中， 进一步测定其粘度。 钠化产品造紫 陛能的好坏以 6 0 0 r mi n和 3 0 0 r mi n 粘度来衡量。具体测试步骤如下 ： 称取待测膨润 土试样， 每 3 5 0 mL蒸馏水加 2 2 5 g( 水分含量不大于 1 0 ) 试样 ， 制备成悬浮体。在搅拌机上边搅拌边把 膨润土撒到水中， 5 mi n后， 取下高搅杯 ， 把粘在壁上 的膨润土刮下， 再继续搅拌 1 5 mi n 。将分散后的悬 浮体置于测试杯中， 在室温下把悬浮体密封存放 1 6 h 。 将悬浮体在搅拌机上搅拌5 m il l ： ： 3 0 S ， 用六速旋转 粘度计分别测定样品在 6 0 0 r mi n 和 3 0 0 r mi n 粘度。 2 试验结果与讨论 2 1 钠化剂用量对产品造浆性能的影响 不同的碳 酸钠用量会影响产品的水化性能， 并进一步影响其 造浆性能。研究 中， 首先对钠化剂用量对产 品造浆 性能的影响进行 了考察。采用悬浆法进行钠化 ， 分 别加入膨润土干矿质量 1 、 3 、 6、 9 的碳酸钠 ( Na 2 C O ) ， 钠化 时间 3 0m i n ， 钠化温度 7 0 ， 制备 的 样品测定其 6 0 0 r mi n和 3 0 0 r mi n粘度。不同钠化剂 用量下钠化产品的造浆性能见表 3 。 表3 不同钠化剂用量下钠化产品的造浆性能 钠化 剂用量 1 3 6 9 从表 3中数据可 以看 出， 随着钠化剂用量的增 加， 其造浆性能逐渐变好。碳酸钠用量从 1 增加到 6 的过程 中， 粘度增加速度较快 ； 当碳酸钠用量从 6 增 I 11 0 9 的过程中， 粘度增加速度减缓 。当碳 酸钠用量为 6 时， 产品呈现较好的造浆性能 ， 可满 3 5 足工程泥浆土的使用要求。 2 2 钠化温度对产品造浆性能的影响 由于常温下 钠化产 品的造浆性能研究结果并不理想， 因此对不 同温度下改性产 品的造浆性能进行了研究。采用悬 浆法进行钠化， 碳酸钠用量 为 3 ， 钠化温度分别为 常 温、 3 0 、 4 0 、 5 0 、 6 0 、 7 0、 8 0 ， 钠化 时间 3 0 mi n 。制备 的样品测定其 6 0 0 r mi n和 3 0 0 r mi n粘 度。不同温度下钠化产品的造紫陛能见表 4 。 表4 不同温度下钠化产品的造浆性能 钠化温度 常温 3 O 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 6 0 0 r rai n粘度 ( mP a s 、8 9 1 2 1 5 1 7 1 8 1 8 3 0 0 r mi n粘度 ( mP a - s 4 4 6 8 9 9 1 0 从表 4中数据可以看出， 随着钠化温度的升高， 钠化产品的造浆粘度逐渐增高 ， 加热对钠化反应的进 行有利。当钠化温度为室温时， 钠化产品的 6 0 0 r mi n 和 3 0 0 r mi n粘度较低 ， 分别为 8 mP a S 和 4 mP a S ； 随 着钠化温度 的升高， 钠化产品的造浆粘度逐渐升高， 当温度为 6 0 时， 钠化产 品的 6 0 0 r rai n和 3 0 0 r mi n 粘度分别可达到 1 7 m P a S 和 9 mP a s o之后， 温度继 续增加对产品的粘度影响较小。温度升高有利于盐 基交换反应的进行 ， 更多的钠离子可以进入到蒙脱石 的层间， 从而使得颗粒 的分散性更好 ， 因此表观上粘 度增加。 2 3 钠化时间对产品造浆性能的影响钠化时间是 影响膨润土钠化程度的重要因素之一， 充足的钠化时 间是保证反应进行完全的条件， 但是钠化时间过长会 增加生产成本和降低生产效率， 因此必须通过实验确 定最佳的钠化时间。采用悬浆法进行钠化， 加入膨润 土干矿质量 3 的碳酸钠 ( Na z C O ) ， 钠化温度为常温， 钠化时间分别为 1 0 rai n 、 2 0 mi n 、 3 0 mi n 、 4 0 mi n 、 5 0 mi n 、 6 0 mi n ， 制备的样品测定其 6 0 0 r m i n和 3 0 0r mi n粘度。 不同钠化时间下钠化产品的造浆性能见表 5 。 表5 不同钠化时间下钠化产品的造浆性能 钠 化 时 间 rai n 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 6 0 0 r rai n粘度 ( mP a s 1 5 6 8 8 9 9 3 0 0 r mi n粘度 ( mP a s 1 2 3 4 4 4 5 从表 5中数据可以看出， 随着钠化 时问的延长， 产 品的造浆粘度缓慢提高。当钠化 时间达 到 3 0 mi n 时， 产品的 6 0 0 r mi n和 3 0 0 r mi n粘度达到一个较稳 定的水平。之后， 随着时间的延长 ， 粘度基本不再增 加。因此， 可 以判定最佳钠化时间为 3 0 mi n ， 继续延 长钠化时间并不能有效提高产品的造浆粘度性能 。 2 4 添加聚丙烯酰胺对产品造浆性能的影响在考 察聚丙烯酰胺的加入对产品造浆性能的影响时， 采用 第3 3 卷第4 期 非金属 矿 2 0 1 O 年7 月 的改性条件为 ： 碳酸钠用量为 3 ， 钠化温度为常温， 钠化时间 3 0 mi n 。样品钠化完后， 分别混入一定比例 ( 1 3 )的聚丙烯酰胺， 并测定其各项造浆性能 指标。 添加聚丙烯酰胺后钠化产品的造浆性能见表6 。 表6 添加聚丙烯酰胺后钠化产品的造浆性能 从表 6中的造浆性能数据可以看出， 添加聚丙烯 酰胺后产品的粘度增高， 且随着聚合物用量的增大， 粘度也相应增大。由于聚丙烯酰胺为链状水溶性高 分子， 能较好包覆蒙脱石颗粒 ， 有利于在蒙脱石表面 形成水化层； 同时颗粒可以和链状分子粘连 ， 形成 网 架结构： 使得颗粒分散度提高， 从而表现为粘度的升 高。 2 5 添加聚合物羧甲基纤维素钠对产品造浆性能的 影响研究中， 同时考察了另一种聚合物羧甲基纤维 素钠的加入对产品造浆性能的影响。采用的改性条 件 同 2 4中所述 ， 分别为碳酸钠用量为 3 ， 钠化温度 为常温， 钠化时间 3 0 mi n 。样 品钠化完后， 分别混入 一 定比例 ( 0 5 2 ) 的羧甲基纤维素钠， 并测定 其各项造浆性能指标 。添加羧甲基纤维素钠后钠化 产品的造浆性能见表 7 。 表7 添加羧 甲基纤维素钠后钠化产品的造浆性能 羧 甲基纤维素钠用量 0 0 5 1 1 5 2 6 0 0 r mi n粘度 ( mP a s 1 8 2 1 3 0 3 8 4 9 3 0 0 r rain粘度 ( mP a s )4 1 3 1 9 2 4 3 2 从表 7中的数据可以看出， 添加羧甲基纤维素钠 后， 产品的造浆粘度迅速升高。添加量为0 5 时， 产 品的 6 0 0 r m i n和 3 0 0 r mi n粘度就远高于聚丙烯酰胺 添加 3 时的水平。添加量继续增大至 1 时， 所形 成的浆体粘度 已经非常高。由于羧 甲基纤维素钠是 一 种水溶性线性高分子物， 将其溶于水后， 可以水解 呈半网状结构， 并将其它分散相牵连在一起， 呈网状 结构， 从而使浆体的粘度迅速升高。 3 结论 1 钠化工艺条件对产品的造浆J I生 能有显著影响。 通过增加钠化剂用量， 提高钠化温度， 延长钠化时间 均可 以提高产 品的造浆粘度。碳酸钠用量由 3 增 加到9 的过程中， 粘度增加至原来的2 倍； 钠化温 度由常温增加到 6 0 以上时， 造浆粘度也增加至原 来的 2倍； 钠化 时间在 3 0 mi n时钠化粘度已经达到 较稳定的水平。研究表明， 通过改善工艺条件可以使 其造浆性能得到一定程度的提高， 但是产品的造浆效 果仍不理想。此外， 在工业生产 中， 改变 以上工艺条 件会大幅增加生产成本， 降低产量和生产效率， 因此 是不可取的。 2 聚合物聚丙烯酰胺和羧甲基纤维素钠的加入 可以大幅提高产品的造浆性能， 其中羧甲基纤维素钠 的效果尤其明显。 聚丙烯酰胺的添加量在达到3 时， 其粘度可以提高至原来的2 倍。但羧甲基纤维素钠 的添加量为 1 0 时， 其粘度便可以提高到原来的近 4 倍。同时， 添加聚合物时只需将其混入钠化后的膨 润土中， 操作简便， 对降低成本， 提高膨润土泥浆的性 能有重要的意义， 是提高产品的造浆粘度最行之有效 的方法 。 3 膨润土具有非常优越的物理化学性质， 我国又 是膨润土资源大国。随着经济的不断发展， 膨润土一 定会在各行各业的发展中起到更为重要的作用， 膨润 土资源的利用前景也会越来越广阔。 参考文献 ： 1 栾文楼 ， 李明路 膨润土的开发应用 【 M 北京： 地质 出版社， 1 9 9 8 2 】 姜桂兰， 张培萍 膨润土加工与应用 【 M】 北京： 化学I,_ lk 出版社， 2 o o 5 【 3 】 P a t e l AD， T h a e mL i t zC J ， Mc L a u r i n eHC D r i l l i n gfl u i d a d d it i v e a n d me t h o df o r in h i b i ti n g h y d r a t i o n P US 5 9 0 8 8 1 4 ， 1 9 9 9 4 】 周松 ， 赵 国强 ， 新 型泥浆技 术在地 下工程 中的应用与发展 明 现代 隧道技术 ， 2 0 0 6( 增刊 ) ： 4 9 2 - 4 9 7 5 Na s r - E l Di n H A， Ha wk i n s B G r e e n K A V i s c o s i t y b e h a v i o r o f Al k a - l i n e ，S u r f a c t a nt ，P o l y a c r yl a mi d c So l u t i o n s Us e d f o r En h a nc e d Oi l Re c o v e r y C S P E I n t e r n a t i o n a l S y mp o s iu m O n Oi l fi e l d C h e mi s t r y , A n a h e i m， C a l i f o r n i a ： 1 9 9 1 风 行业动态 江西省大源岭探获一大型高岭土矿 江西有 色地勘局一队在江西弋阳县 大源岭发现 了一处大型高岭 土矿， 矿石总量达 2亿 t ， 预测远景资源量达 1 7 亿 t 2 0 0 9年 3月， 江西省景德镇市被 国务院列为全国第二批 资源枯竭 城市， 景德镇陶瓷工业探寻接替 资源迫在眉睫。江西省 国土资源厅组 织了 “ 紧缺和优 势资源保障X - 程” ， 设立 了江西省地质勘查基金。江西 有 色地质一队抓住这一社会需求和省地勘基金项 目起 步运作机会。 承 揽 了江西省地质勘查基金弋阳县大源岭高岭土矿普查项 目。 3 6一 据介绍 ， 5月底该项 目在南昌召开的江西 2 0 1 0年省地勘基金项 目 设计评审会上通过了评审， 该矿详查及其外围普查被评为优秀。根据 专家估算， 该高岭土矿矿石总量达2 亿 t ， 初步估算潜在经济价值数百 亿元， 是江西省 2 o 0 9 年度地质找矿三大突破之一 弋阳县大源岭高 岭土矿床的发现 ， 为该地 陶瓷产业的振兴和可持 续发展提供 了新的资 源支撑。 本刊编辑部