深层环境下固井水泥水化放热特性及井周温度场演化规律研究

塔里木盆地已建成我国最大的超深层油气生产基地,深层环境会对水泥水化放热特性产生一定的影响,研究深层环境下水泥水化放热及传热特性对明确井周温度场演化规律至关重要。文章首先根据现场实测资料建立了塔里木油田近井和远井地层温度方程,根据不同地层深度的温度分布情况,开展了不同温度下G级水泥水化放热实验,基于Krstulovic-Dabic(K-D)经典水化动力学模型,结合水泥成核结晶与晶体生长、相边界反应以及扩散三过程反应特征推导了不同温度下水泥水化放热预测曲线,进一步推导了套管-水泥环-地层热传导模型,并将放热曲线作为热源代入到有限元模型中,得到了不同井深的套管与水泥在水化放热与高温地层的共同作用下温度场的变化情况。研究结果可为下一步分析有限局部空间的温度场变化对地层压力和套管变形影响提供技术支持。

钢渣-矿渣复合矿粉对水泥水化的影响

为了促进钢渣的资源化利用,克服纯钢渣粉活性低的缺点,将钢渣粉与矿渣粉按不同比例进行复配,并取代30%的水泥制备净浆。测试各试验组的抗压强度、水化放热速率和放热量,并对硬化浆体进行XRD、SEM和MIP测试。结果表明,当钢渣粉与矿渣粉的质量比例为1∶1时,最有利于提升水泥的抗压强度,而单掺30%钢渣粉的抗压强度最低。水化热测试发现,掺入30%纯钢渣粉的试验组具有最大的水化放热速率和水化放热量。XRD、SEM和MIP测试发现,掺入复合矿粉后生成新的水化产物Al_(2)Mg_(4)(OH)_(12)(CO_(3))(H_(2)O)_(3),硬化体更为致密,并且孔隙率和平均孔径均降低。

水化热调控剂对水泥水化作用的影响研究

添加水化热调控材料可以有效控制混凝土的水化温峰,进而降低混凝土温度裂缝的生成,提高混凝土的耐久性、延长服役寿命。通过水泥净浆微量热、砂浆水化热、混凝土抗压强度、TG、XRD、SEM等手段研究了新型复合水化热调控剂对水泥混凝土力学性能、体积稳定性、水化作用等的影响规律。结果表明,水化热调控剂可以在不影响后期强度的情况下,有效降低水泥早期水化速率,水泥砂浆水化温峰值较基准样下降了18.52%~44.89%,减少水泥水化产物(CH、C-S-H、AFm、AFt)生成;在与膨胀剂配伍使用时,可以提升膨胀效果。

三乙醇胺对掺偏高岭土水泥水化及硫酸盐平衡的影响

在2种类型石膏(无水石膏和半水石膏)情况下,研究了三乙醇胺(TEA)对掺偏高岭土水泥(MKC)水化进程及其硫酸盐平衡的影响,并与自配硅酸盐水泥(APC)进行对比.结果表明:无TEA加入时,MKC中偏高岭土(MK)的存在可延长水泥的水化诱导期并加快硫酸盐的消耗,2种类型石膏表现基本一致;TEA的加入能够显著促进水泥中铝相矿物的水化,增加硫酸盐平衡所需石膏掺量,同时石膏类型对水泥水化进程与硫酸盐平衡影响显著;对于APC与MKC,在TEA作用下能有效维持其硫酸盐平衡的石膏类型分别为无水石膏与半水石膏,这与水泥中硫酸根离子溶出-吸附-沉淀的动态平衡密切相关.

柠檬酸对氯氧镁水泥水化过程及性能的影响

研究了不同掺量(0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%)的柠檬酸对氯氧镁水泥(MOC)凝结时间、抗压强度、电阻率、体积稳定性和耐水性的影响,并通过XRD和SEM分析了其作用机理。结果表明:掺入柠檬酸会延长MOC的凝结时间和水化诱导期,延缓水化进程,降低抗压强度,但能有效改善MOC的体积稳定性和耐水性;掺入柠檬酸会使MOC水化产物5Mg(OH)2·MgCl2·8H2O(相5)的含量增加,晶体形态改变;空白组浸水28 d后,其内部生成了大量片状Mg(OH)2;掺柠檬酸的试件浸水28 d后,其内部疏松多孔的Mg(OH)2较少,大量絮状相5相互搭接,使MOC的内部结构更加致密,耐水性得到提升。

疏水性侵蚀抑制剂对水泥水化影响及作用机理分析

疏水性侵蚀抑制剂使混凝土具有优异疏水效果,抑制了侵蚀性环境中介质传输,然而其作用机制尚未明确。本文对水泥浆体在不同疏水性侵蚀抑制剂(CAHA)掺量下的水化行为进行了研究,探究了其对水泥水化放热、水化物相、表面接触角、抗压强度等性能的影响。研究结果表明,CAHA降低了水泥浆体第一水化放热峰并延缓水泥水化,在水化前期抑制了钙矾石和氢氧化钙的生成,这种抑制作用在高掺量下更为显著。CAHA一定程度上降低了砂浆早期抗压强度,对28 d抗压强度影响并不明显。CAHA显著降低砂浆吸水率并使其具有疏水性。通过比对,推荐CAHA最佳掺量为胶凝材料质量的6%,此时水泥砂浆抗压强度损失较小且抗侵蚀性能明显提升。

水化硅酸钙的形貌调控及其在水泥水化中的作用

采用化学沉淀法制备无定形、球状、针状、层状等不同形貌的水化硅酸钙(C-S-H),探究了表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)与C-S-H形貌和结构之间的变化规律,研究了不同形貌的C-S-H对水泥性能的影响。发现当表面活性剂浓度大于临界胶束浓度(CMC)时,水泥水化热与水泥强度之间存在显著相关性。通过C-S-H形貌设计得到不同微观形貌的水泥制品,其增强效果由高到低依次是无定形、球状、针状、层状。该实验结果对于普通水泥的性能改善具有一定的指导意义。

聚丙烯酰胺与减水剂对水泥水化的影响

聚丙烯酰胺(PAM)对水泥水化及性能的影响限制了机制砂的规模化应用。本文研究了三种典型聚丙烯酰胺(PAM)与聚羧酸减水剂(PCE)、萘系减水剂(FDN)相互作用对水泥浆体早期性能的影响。研究发现,PAM与PCE、FDN相互作用会显著提升水泥浆体的剪切应力,对其流动性有负面影响。PAM的桥接效应减弱了PCE、FDN的静电斥力作用,束缚了部分可反应的自由水,降低了水泥浆体水化放热量和水化产物生成量。随着PAM掺量增加,PAM-PCE体系主要是纳米孔增加,但对强度影响较小,而PAM-FDN体系,孔隙增加集中在微米孔,强度下降显著。三种PAM中,阳离子PAM(APAM)与PCE、FDN的相互作用会显著抑制水泥水化产物的生成。

硅烷改性沸石粉对水泥水化及性能的影响

本研究制备了不同掺量的天然沸石粉和硅烷改性沸石粉的水泥净浆及胶砂试样,通过水化热测试、胶砂流动度及强度试验,探究硅烷改性沸石粉对水泥水化过程、胶砂流动度和强度的影响规律及机理。研究结果表明:沸石粉和硅烷改性沸石粉均改变了水泥水化放热速率,0~12 h水化速率增大,水化热较高,继而抑制了12 h后的水化进程,掺量为30%的改性沸石粉累积水化热最低;两种掺和料的掺量越大,砂浆的初始流动度下降越明显,硅烷改性沸石粉对流动度的影响更小,流动度损失值与基准组相近;沸石粉胶砂抗折强度随掺量增大而减小,抗压强度先增后减,较优掺量为10%和15%,硅烷改性沸石粉抗折和抗压强度随掺量的增加而降低,最优掺量为10%,相同龄期各掺量试样折压比均高于沸石粉试样,其韧性更好。

酶法制备不同分子质量糊精及其对水泥水化的影响

研究酶法制备玉米糊精的工艺条件,采用凝胶渗透色谱法分析玉米糊精的分子质量分布,并且对比了不同分子质量糊精对水泥水化的影响。结果表明,在其他条件一定的情况下,玉米糊精的分子质量(Mw)在只改变酶添加量时为14063~70948,在只改变反应时间时为12744~20526,在只改变反应温度时为14063~86179,在只改变淀粉乳质量浓度时为12635~111210。一定条件下制备的糊精Mw为48762,能够在几乎不延长缓凝时间的情况下,使得水化热峰值较空白样降低30%左右。

内掺氯盐对粉煤灰系硬化水泥水化行为的影响

为分析水泥浆中氯离子对水泥水化过程的影响,研究了不同氯离子浓度条件下水泥试件微观形貌和孔隙结构的变化规律,探讨了水泥水化过程中氯离子与水化产物的结合机理。结果显示:氯离子与水泥反应生成Friedel’s盐,可促进水泥的水化速率和进程;增加氯盐浓度可以促进水化;氯离子参与水化后C-S-H凝胶数量增加,AFt数量减少,1.3%氯离子浓度水泥较未掺氯盐C-S-H凝胶生成量增加18.62%,AFt生成量减少32.67%;掺加氯盐后水化产物之间联系密切,可减小水泥试件的孔隙率,细化孔径,增加微观结构的致密性。

水泥水化热对混凝土内部温度场变化的影响研究

本文研究了水泥水化热对混凝土内部温度场变化的影响,分析了水泥水化反应过程及其热量释放特性,讨论了影响水化热的主要因素。通过对混凝土内部温度场的分布及变化规律进行探讨,揭示了大体积混凝土在温差作用下产生温度裂缝的机理。文章提出了优化混凝土配合比、控制浇筑温度、分层浇筑以及加强养护等预防温度裂缝的有效措施。

丙烯酸钙对水泥水化进程的影响

采用红外光谱测试、差热-热重(DTA-TG)分析和X射线衍射(XRD)测试等手段对水泥综合改性效果进行分析,研究丙烯酸钙对水泥水化热历程的影响。结果表明:丙烯酸钙促进早期钙矾石(AFt)的生成,促进硅酸三钙(C3S)的不断水解及水化期的放热速率;抑制AFt向单硫型水化硫铝酸钙(AFm)的转变,影响Ca(OH)2的成核和析出,导致3～24 h内Ca(OH)2的生成量减少;水化后期提高水泥浆体分散性和液相中Ca2+浓度,水化更充分。

水泥细度对水泥水化及混凝土早期开裂影响

利用微量热仪法研究了细度对水泥水化热及水化放热速率的影响规律,利用非接触式激光位移传感器和集中约束平板法测试了不同细度水泥混凝土的早期收缩变形与开裂.结果显示:随着细度的增加,水泥水化热与水化放热速率增加,水化放热峰值时间明显提前;水泥比表面积提高,混凝土早期收缩增大,早期单位裂缝面积增加,但混凝土水分蒸发速率与最大裂缝宽度减小.建议混凝土工程中应限制水泥过细.

复合使用高效减水剂与缓凝剂对水泥水化历程的影响

用直接测温法及X射线衍射技术,系统研究了萘系、氨基磺酸盐系及聚羧酸盐系3种高效减水剂,三聚磷酸钠及糖钙2种缓凝剂及复合使用高效减水剂与缓凝剂对水泥水化热、水化温峰、温峰出现时间及不同水化龄期Ca(OH)2和钙矾石(ettringaite,AFt)生成量等方面的影响。结果表明:单掺高效减水剂使水化温峰升高,温峰出现时间延迟,水化热及温峰时的Ca(OH)2生成量增加。单掺缓凝剂使水化温峰降低,温峰出现时间大幅度延迟,水化热及温峰时的Ca(OH)2生成量明显减少。复合使用高效减水剂与缓凝剂时,由于协同效应,使高效减水剂的分散作用及缓凝剂的缓凝作用同时得到加强。与单掺缓凝剂相比,复掺后水泥水化温峰出现的时间进一步延迟,水化温峰进一步降低,水化热及水化温峰时Ca(OH)2生成量进一步减少;但是,外加剂对AFt生成量影响不大。

水泥水化机理及其研究方法

介绍了水泥水化机理,包括液相水化论和固相水化论,并从动态和静态的角度详细介绍了水泥水化机理的研究方法,动态研究法包括水化热法、水化动力学法、电阻率法、环境扫描电镜法和电化学方法,静态研究法包括化学结合水法、CH定量测试法、X射线衍射法、扫描电镜法,以及先进的研究方法,包括图像分析法和计算机模拟,为进一步研究复合胶凝体系的水化过程及水化机理提供理论依据。

考虑持续低温影响的水泥水化放热计算模型

为完成青藏铁路多年冻土区桥梁钻孔灌注桩混凝土水化放热量的定量分析以及进一步确定持续低温环境下的混凝土水化放热计算模型,需要探究在持续低温环境下的混凝土水化放热情况.依照试验测定的数据计算出持续低温环境((3±1)℃,(8±1)℃,(13±1)℃)下水泥净浆的水化放热量随龄期增长的变化规律,结果发现:持续低温环境下水泥水化在各个龄期放出的热量以及水化程度都较水泥水化温度不受限制时有所减少,且持续低温环境的温度越低时,这一趋势越是明显;通过对试验数据的分析和拟合,得出了考虑不同持续低温环境对水泥水化放热计算模型影响的水化热计算模型,模型的计算结果不仅与实测数据吻合得较好,而且能较准确地预测在不同持续低温环境下水泥水化放热量随龄期的变化规律.该模型中各项参数物理意义明确,计算结果可靠实用,具有一定的推广应用价值.

水泥水化产物的热分析研究进展

水泥基水化产物的性质决定着水泥混凝土材料的工程性能。借助热分析手段,可以开展水泥水化产物的热分解脱水过程的研究,从而有助于探索水泥基材料的组成、结构与性能之间的关系。本文综述了近年来水泥水化产物的热分析研究进展。

混凝土中水泥水化反应放热模型及其应用

大体积混凝土结构水化热温度场分析的关键是混凝土中水泥水化反应放热模型的确定.基于化学反应动力学原理,提出了一种物理意义明确,考虑了温度和化学反应物浓度对化学反应速率影响的混凝土中水泥水化反应放热模型,并将其应用于有限元分析.算例分析表明,该模型能很好地拟合了混凝土绝热温升的实测数据,较精确地预测了在不同浇筑温度下混凝土绝热温升的变化规律.

石灰石粉对硅酸盐水泥水化的影响

石灰石粉被广泛应用到水泥混凝土中,其在水泥体系中是否能产生活性效果仍存在争议。本文通过掺入30%石灰石粉与不掺石灰石粉组进行对比试验,采用扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)以及X射线衍射分析(XRD)进行微观分析,结果表明:石灰石粉能够加速水泥中C3S的水化,以及能够与C3A反应生成水化碳铝酸钙,并且会阻止钙矾石向单硫型水化硫铝酸钙的转变。