CC BY
11УДК 622.245.422.6
К.В. БЕЛЯЕВ, канд. техн. наук, Ю.В. МАКАРЕНКОВА, инженер,
Д.В. ОРЕШКИН, д-р техн. наук, Московский государственный строительный университет
Моделирование и разработка оптимальной структуры сверхлегкого цементного раствора
Известно, что средняя плотность сверхлегких цементных растворов снижается за счет уменьшения расхода воды при их плотности менее 1000 кг/м3 при одинаковой подвижности смеси [1, 2]. При этом снижаются объем и толщины прослоек цементной матрицы между частицами наполнителя, а значит, и средняя плотность раствора. В объеме цементной матрицы размещается больше, например, полых стеклянных микросфер, средняя плотность которых в 4 раза меньше, чем у воды [1, 2].
Строительные растворы используются для кладки стен, штукатурки, ремонтных и реставрационных работ. К ним предъявляются требования по средней плотности, прочности при сжатии, сцеплении, морозостойкости, водоудерживающей способности. Для получения максимальной однородности ограждающей конструкции из облегченных блоков на кладочном растворе требуется равенство средней плотности блоков и раствора [2, 3]. Тампонажный раствор предназначен для крепления, гидроизоляции скважин, шахтных стволов и туннелей путем разобщения, закрытия водоносных пластов, трещин и пустот в горных породах и заполнения закрепленного пространства. К нему предъявляются требования по растекаемости для его закачивания в затрубное и межтрубное пространство, заполнения всех пустот. Прочность камня на изгиб должна быть не ниже 1 МПа в возрасте 2 сут и камень должен хорошо задерживать тепло, чтобы исключить растепление многолетнемерзлых пород. Раствор должен иметь низкую среднюю плотность, чтобы исключить его поглощение водяными пластами. Практика освоения скважин показывает, что для этого плотность раствора должна быть ниже 1000 кг/м3. При закачке в скважину раствор должен быть однородным и не расслаиваться.
Очевидно, что свойства любого материала будут зависеть от его структуры [4]. Для достижения снижения средней плотности цементных растворов было предложено несколько решений: использование облегчающих заполнителей (шлака, керамзита, резиновой крошки, вспученных перлитового и вермикулитового песков, фильтропер-лита и др). Однако они обладают большой водопотребно-стью, что не позволяет получить растворы средней плотностью менее 1300 кг/м3 из-за их расслоения. Были разработаны аэрированные растворы. Однако воздушные поры в кладке и скважине схлопываются при небольших нагрузках; было предложено использовать в качестве облегчающего наполнителя в растворы полые полимерные, алюмосиликатные, зольные и стеклянные микросферы, которые имеют стенку толщиной в несколько микрон.
Наиболее хорошо зарекомендовали себя полые стеклянные микросферы (ПСМС) размером около 20—30 мкм и толщиной стенки 1—3 мкм. Истинная плотность ПСМС 200-300 кг/м3. Удалось получить строительные и тампо-нажные растворы плотностью менее 700-800 кг/м3, прочностью камня на изгиб 1,6-1,75 МПа, при сжатии 3,24,3 МПа, теплопроводностью во влажном состоянии от 0,165 до 0,17 Вт/(м-°С) [1, 2]. Микроструктура цементного камня с ПСМС приведена на рис. 1.
Однако структура такого материала не является оптимальной. Она сможет быть таковой, когда микросферы в камне будут иметь максимально плотную упаковку, а цементный камень будет скрепляющей прослойкой между ними. Цементные частицы при этом должны иметь размеры, например, как у микродура (рис. 2, 3, 4). Такая структура обеспечит низкую среднюю плотность материала.
Была предпринята попытка смоделировать структуру облегченного раствора. Так, при одном размере микросфер максимально плотная упаковка будет называться гексагональной и коэффициент заполнения объема микросферами составит всего 74,05% (рис. 5) [5, 6].
Из расчетов следует, что чем больше типоразмеров микросфер мы применяем для заполнения объема, тем плотнее его заполнение. Если мы вместо одного типоразмера возьмем два, то заполнение объема увеличится на 5% (с 74 до 79%). Если добавим микросфер еще меньшего диаметра, заполнение объема составит уже 81% и т. д. (табл. 1) [5].
Таким образом, для дальнейшего уменьшения средней плотности и теплопроводности цементного раствора необходимо разделять микросферы на фракции по размерам. Это весьма дорогостоящая операция. Максимальное снижение средней плотности может понадобиться при ремонтных и реставрационных работах. Применение тампонажного раствора оптимальной структуры позволит вести добычу нефти и газа из самых труднодоступных месторождений, где при использовании других материалов для крепления скважины это будет невозможно. Такие материалы востребованы при ликвидациях скважин, например, в условиях проявления сероводорода.
Но фракционирование полых стеклянных микросфер не даст существенных результатов, если будет применяться обычный портландцемент. Такой цемент имеет удельную поверхность 3000-3500 см2/г и средний размер частиц 35-40 мкм. Размер его частиц не позволит получить плотную структуру цементной матрицы между микросферами: частицы цемента просто не поместятся
Рис. 1. Микроструктура цемент- Рис. 2. Порошок микродура. Учас-ного камня с ПСМС. САМЕВАХ ток 1. CAMSKAN
Рис. 3. Порошок микродура. Учас- Рис. 4. Порошок микродура. Участок 2. CAMSKAN ток 3. CAMSKAN
научно-технический и производственный журнал Q'fffjyTf S JJbrlbJ" ~42 май 2011 Ь^ШШ'
Таблица 1
Расчет модели идеального пористого тела
Диаметр Количество микросфер в ячейке, шт. Заполнение объема, %
D 1 74,05
0,414 D 1 79,3
0,225 D 2 80,99
0,155 D 8 85,12
0,12 D 8 87,02
Рис. 5. Гексагональная упаковка частиц одного диаметра
между ними. Для получения плотной поризованной полыми микросферами структуры цементного камня предлагается использовать ультрадисперсный микродур.
Микродур — это особо тонкодисперсное вяжущее (ОТДВ) с подобранным гранулометрическим составом. Микродур получается при воздушной сепарации пыли при помоле клинкера и является гидравлическим вяжущим веществом. Его водоудерживающая способность до В/Ц = 6.
Были выполнены его микроструктурный, гранулометрический, вещественный и химический анализы. Использовался микродур «AR-U» фирмы Dyckerhoff (Германия). Для обеспечения правильности идентификации микроструктурных, рентгенофазовых исследований был проведен микроструктурный и химический анализ микродура (рис. 2—4) (табл. 2).
Рентгенограмма порошка микродура представлена на рис. 6.
Был проанализирован участок 3, представленный на рис. 4. На этом рисунке видны три остроугольных кристалла (чуть правее центра фотографии). Их химический анализ приводится в табл. 3.
Были также изучены другие виды кристаллов — белый округлый в левом углу (табл. 4) и один из остроугольных в центре рис. 5 (табл. 5).
Установлено, что вещественный состав микродура представлен микрокремнеземом 15—20%; гипсом 3—4%; каустическим магнезитом или периклазом 4—9% и клинкером тонкомолотого тампонажного портландцемента. Микродур состоит из минералов: алита 37—56%; гипса 3—4%; каустического магнезита 4—9%; микрокремнезема до 20% и 3Са0-А1203 10—11%. Проведен также гранулометрический анализ микродура. Определены размеры его частиц и их процентное содержание. Частиц с размерами от 0 до 1 мкм было 73—80%; частиц с размерами 1-5 мкм 10-15%; 5-10 мкм - 10-12%; до 1015 мкм остальное. Удельная поверхность микродура составила 16200 см2/г. Было выявлено большое содержание аморфной фазы - до 74%. Это связано с наличием в его составе аморфного микрокремнезема и ультрамелких частиц микродура. При таких условиях значительно повышается активность вяжущего и его водоудерживающая способность. Однако выявлено высокое содержа-
Таблица 2
Таблица 3
0,8
-3,048
V 5 6 ,8 й- с ^iig о СЧ СО er 38 --3, ,30 -5,3 - -3,3 -3 68 CD Ш 2 CD С ,0 Ч 1 9 2
,88 !co w ico oa ::jpJ1,608 ::!>-1,534 ;'!V-1,470 CD C*3— О -=f0 CD CO 172 OC^CN
Оксид Содержание, %
Na2O 0,5
MgO 4,04
A^Oa 8,03
K2O 0,98
SiO2 30,03
SO3 3,1
CaO 51,8
FeO 0,72
Таблица 4
Оксид Содержание, %
Na2O 0,27
MgO 8,78
AI2O3 11,56
K2O 0,5
SiO2 37,25
SO3 4,41
CaO 36,32
FeO 0,17
Оксид Содержание, %
Na2O 1,13
MgO 7,17
AI2O3 10,39
K2O 0,571
SiO2 36,15
SO3 3,27
CaO 38,7
FeO 0,167
Таблица 5
Оксид Содержание, %
Na2O 0,78
MgO 7,36
AI2O3 10,39
K2O 0,81
SiO2 36,8
SO3 3,23
CaO 38,57
FeO 0,12
4 16 24 32 40 48 56
Рис. 6. Рентгенограмма порошка микродура
64
72 80
ние оксидов калия (0,98%) и натрия (0,5%) (табл. 2). Это может приводить к нестабильности сроков схватывания и образованию больших деформаций при наличии аморфного кремнезема.
Таким образом, в результате проведенных исследований было выяснено, что минеральный, вещественный и гранулометрический состав микродура позволяет использовать его в качестве мелкодисперсного вяжущего вещества для получения строительных и тампонаж-ных растворов с оптимальной структурой.
Ключевые слова: моделирование структуры сверхлегких цементных растворов, полые стеклянные микросферы, микродур.
Список литературы
1. Орешкин Д.В., Фролов A.A., Ипполитов В.В. Проблемы теплоизоляционных тампонажных материалов для условий многолетних мерзлых пород. М.: Недра, 2004. 232 с.
2. Орешкин Д.В. Облегченные и сверхлегкие цементные растворы для строительства // Строит. материалы. 2010. № 6. С. 34-37.
3. Самарин О.Д. Теплофизика. Энергосбережение. Энергоэффективность. М.: АСВ, 2009. 296 с.
4. ГорчаковГ.И., Орентлихер Л.П., Савин В.И., Воронин В.В., Алимов Л.А., Новикова И.П. Состав, структура и свойства цементных бетонов. М.: Стройиздат, 1976. 145 с.
5. БокийГ.Б. Кристаллохимия. М.: Изд-во МГУ, 1960. 357 с.
6. Сахаров Г.П. О рациональности дисперсности песка для ячеистого бетона // Строит. материалы. № 6. 1978. С. 28-31.
fj научно-технический и производственный журнал
® май 2011 43
