CCUS环境下水泥单矿C_(3)S的CO_(2)腐蚀动力学研究

在碳捕集、利用和封存(CCUS)井下,油井水泥因长期受井下高温、高压和高酸性流体的作用会遭受碳化腐蚀导致水泥环失效。为了模拟CO_(2)地质封存井下碳化腐蚀环境,本文将油井水泥的主要单相矿物硅酸三钙(C_(3)S)置于不同温度(30℃、60℃、90℃),并密封在8.0 MPa的气相或液相的CO_(2)碳化环境下,采用XRD和TGA相结合的分析方法,分析水泥单矿C_(3)S受CO_(2)腐蚀环境的影响规律。根据非稳态Fick扩散的渗透理论模型,建立腐蚀产物定量分析结果与腐蚀龄期的数学模型,拟合得到C_(3)S受CO_(2)腐蚀后的产物生成系数,以此评价不同CO_(2)腐蚀因素对C_(3)S的影响程度。结果表明:在CO_(2)气相环境中,温度升高将显著加剧对C_(3)S的腐蚀且产生溶蚀现象;而在CO_(2)液相环境下,高温(90℃)使C_(3)S水化反应加剧并形成阻滞层,降低CO_(2)对C_(3)S的腐蚀速率。

冷却方式对熟料矿物及C_(3)S晶型的影响

C_(3)S矿物是熟料的主要成分,是水泥熟料强度的主要提供者,熟料的强度不仅受C_(3)S含量影响,与C_(3)S晶型也直接相关。为研究冷却方式式对熟料矿物成分和晶型结构的影响,将不同水泥厂工业生料经制样烘干后在1450℃下煅烧保温30 min,采用液氮淬冷、空气快冷和随炉慢冷的方式制备熟料。通过TG-DSC、XRD、Rietveld全谱拟合、岩相分析等对熟料矿物组成、含量、晶型、形貌以及固溶情况进行分析。结果表明:冷却速度加快,熟料中C_(3)S含量提高,β-C 2S、C_(3)A及C 4AF含量降低,铝率较大生料的冷却速度对C_(3)S、C_(3)A含量影响更显著;冷却方式不同,C_(3)S晶型不同,液氮冷却和空气冷却时C_(3)S多为M1或M3型,随炉冷却时C_(3)S多为T型,冷却速度减慢使C_(3)S晶型从M型向T型转变。

C_(3)S型硫铝酸盐水泥的水化及其水化产物

本文通过X-射线和扫描电镜研究了C_(3)S型硫铝酸盐水泥的水化及水化产物。结果表明:C_(3)S型硫铝酸盐水泥的主要水化产物基本与贝利特硫铝酸盐水泥的水化产物相同;不同之处在于C3S矿物的快速水化,C_(3)S型硫铝酸盐水泥水化6 h后就可见水化C-S-H和Ca(OH)_(2)。而Ca(OH)_(2)的出现和存在,则促进了的水化,并影响着钙矾石的形貌和水泥的性能。

烧成温度对C_(3)S型硫铝酸盐水泥熟料矿物形成的影响

本文通过对不同烧成温度制备熟料矿相的分析,研究了烧成溫度对C_(3)S型硫铝酸盐水泥熟料矿物形成的影响结果表明,提高烧成温度利于C_(3)S型硫铝酸盐水泥熟料的烧结,但由于采用高钙配料,以及采用氟化钙、氧化锌复合矿化剂技术,在降低C_(3)S形成温度的同时,也降低了C_(4)A_(3)S的分解温度,从而影响熟料矿物的形成、生长与分解.

C_(3)S型硫铝酸盐水泥熟料的工业化试生产及制成水泥性能

本文对C_(3)S型硫铝酸盐水泥熟料进行了工业化试生产,并对制成水泥的性能进行了试验研究。结果表明:利用现有的生产装备、条件,完全可以工业化制备C3S型硫铝酸盐水泥熟料,且熟料烧结性能良好、矿物发育完全,制成水泥性能还有待改善。

铁相对铁铝酸盐水泥熟料形成的影响

铁相固溶体(以下简称铁相)是铁铝酸盐水泥熟料中的重要矿物,但其对铁铝酸盐水泥熟料的烧成及性能影响尚不完全明确。采用综合热分析、易烧性分析、X射线衍射和岩相分析方法对不同铁相含量的铁铝酸盐水泥熟料形成进行了研究。结果表明:铁相含量增加对铁铝酸盐水泥熟料形成过程中吸、放热反应温度没有明显影响,但会导致熟料烧成过程中液相量显著增加。铁相含量增加对铁铝酸盐水泥熟料形成过程中的石膏化合生成C_(4)A_(3)S有阻碍作用,但对熟料烧结以及熟料矿物晶体生长有促进作用。在铁铝酸盐水泥熟料形成过程中,当煅烧温度超过1250℃时过渡矿物C_(5)S_(2)S才完全消失,当煅烧温度超过1350℃时,C_(4)A_(3)S大量分解,适宜的烧成温度范围为1250~1350℃。

高纯度硅酸三钙的实验室高效制备及其表征

硅酸三钙(Ca_(3)SiO_(5),简写为C_(3)S)作为水泥熟料中最重要组成矿物,研究其水化行为是揭示水泥基材料水化机理的重要途径。本文以CaCO_(3)粉末、气相SiO_(2)粉末为原材料制备C_(3)S,通过球磨混合、干燥成型、高温煅烧、冷淬等主要步骤,最后研磨得到高纯度C_(3)S矿物粉末。对制备的矿物进行定量XRD、乙二醇滴定、SEM、TEM等分析表征,结果表明以本方法制备的C_(3)S矿物含量达到96%,且杂质(主要是f-CaO)含量低于0.5%;本方法材料易得,制备过程得以简化,产量大幅增加(1kg/周)。