CC BY
87
Семенов Вячеслав Сергеевич аспирант кафедры строительных материалов Орешкин Дмитрий Владимирович профессор, д.т.н.
МГСУ, ИСА, кафедра «Строительные материалы», факультет СТ
ВЛИЯНИЕ МАЛЫХ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР НА ПРОЦЕССЫ ТВЕРДЕНИЯ ЦЕМЕНТНЫХ ТАМПОНАЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПОЛЫМИ СТЕКЛЯННЫМИ МИКРОСФЕРАМИ
При строительстве нефтяных и газовых скважин возникает необходимость цементирования пространства между обсадными трубами, а также между обсадными трубами и горной породой. Для этой цели используются цементные тампонажные материалы.
Большинство учёных согласны с мнением о том, что, используя традиционные пористые наполнители (например, вермикулит, вспученный перлитовый песок т.п.), и при этом, выполняя требования по растекаемости, однородности раствора, прочности камня и т.п., невозможно получить цементный тампонажный раствор плотностью менее 1,3 г/см3 [4]. Наиболее прочным и технологичным наполнителем для тампонажных растворов являются полые стеклянные микросферы (ПСМС). Они обладают рядом преимуществ, в частности низкой средней плотностью, высокой прочностью, высокой теплоизолирующей способностью и химической стойкостью, стабильностью свойств.
С научной точки зрения интересен вопрос процесса твердения и струк-турообразования цементных тампонажных растворов с ПСМС в условиях низких положительных и малых отрицательных температур. Данная проблема в научной литературе не рассматривалась. Большая часть нефте- и газоносных месторождений Росси находится на территории Сибири и Крайнего Севера, то есть в условиях многолетних мёрзлых пород (ММП). Поэтому возникает необходимость строительства скважин в данных условиях. Для многолетних мёрзлых пород характерны температуры -5... - 8°С. Традиционно при цементировании скважин в условиях ММП для ускорения схватывания и твердения тампонажного раствора в затрубном, межтрубном пространстве в его состав вводят гипс или добавки-электролиты [3]. Гипс обладает низкой водостойкостью, что приводит к значительному снижению прочности (до двух раз) и, соответственно, несущей способности цементного материала. Добавки-электролиты ускоряют процесс гидратации цемента при низких температурах в основном за счет сдвига температуры замерзания воды до -10°С и, одновременно, вызывают коррозию стальных обсадных труб и муфт.
После смешивания тампонажного портландцемента, микросфер и воды на поверхности твердых частиц образуется слой воды разной природы. В работе [4] была высказана гипотеза о характере структурообразования цементного композита с ПСМС. Микросферы адсорбируют на себя ионы и продукты гидратации цемента, так как обладают большей адсорбционной активностью по сравнению с более крупными частицами цемента. Следовательно, микросферы в цементном материале с ПСМС являются макро-
Спецвыпуск 1/2009
центрами кристаллизации. Д.В.Орешкиным в работе [3] была предпринята попытка определения толщины водяного слоя на поверхности частиц цемента и микросфер (табл.1). Средние размеры частиц приняты для ПЦТ -35,9 мкм, для ПСМС - 25,45 мкм, АПСМС - 25 мкм. Растекаемость для всех составов - 20...22 см. Форма частиц цемента считалась шарообразной. За основу был взят стандартный тампонажный раствор стандартной расте-каемости, который получается при В/Ц = 0,5. В расчёте принималось сплошное смачивание водой частиц цемента и микросфер.
Анализ результатов, приведённых в табл. 1, показывает, что самые низкие значения толщины слоя воды вокруг частиц в тампонажном растворе имеют аппретированные кремнийорганическим гидрофобизатором микросферы (АПСМС) с СП С-3, затем - АПСМС без суперпластификатора.
Таблица 1.
Физические свойства цементного тампонажного материала с полыми стек-
лянными микросферами
Состав, мас.% В/Ц Средняя плотность, г/см3 Объемная доля цем. матрицы Толщина слоя воды, мкм
раствора цем. матрицы
ПЦТ 0,5 1,815 1,83 1 6,65
ПЦТ + С-3 0,35 1,93 1,96 1 5,05
10 % ПСМС 0,75 1,265 1,639 0,743 4,75
10 % ПСМС+С-3 0,5 1,38 1,836 0,688 4,07
20 % ПСМС 1,0 1,15 1,519 0,64 4,74
20 % ПСМС+С-3 0,75 1,05 1,641 0,59 4,44
30 % ПСМС 1,34 0,95 1,412 0,6 4,75
30 % ПСМС+С-3 1,0 0,89 1,519 0,545 4,54
50 % ПСМС 1,75 0,85 1,33 0,527 4,74
50 % ПСМС+С-3 1,4 0,82 1,397 0,481 4,49
10 % АПСМС 0,7 1,32 1,688 0,745 4,49
10 % АПСМС+С-3 0,45 1,41 1,888 0,698 3,79
20 % АПСМС 0,9 1,1 1,561 0,645 4,49
20 % АПСМС+С-3 0,69 1,15 1,679 0,601 4,29
30 % АПСМС 1,1 0,92 1,484 0,586 4,49
30 % АПСМС+С-3 0,9 0,89 1,561 0,549 4,38
50 % АПСМС 1,5 0,82 1,377 0,523 4,49
50 % АПСМС+С-3 1,2 0,78 1,449 0,477 4,29
Следом идут обычные микросферы с С-3, потом обычные ПСМС. У всех микросфер толщина слоя воды вокруг частиц практически не зависит от их расхода в тампонажном растворе. При этом максимальный слой воды (толщина - 6,65 мкм) в цементном растворе образуется на частицах цемента. Это связано, видимо, с быстрым возникновением новообразований мелких размеров и формированием слоя воды вокруг них.
Согласно классификации А. В. Волженского, в цементном камне содержатся следующие виды пор:
- сферические воздушные поры размером от 5*10-5 м до 2*10-3 м.
- капиллярные поры размером в поперечнике от 1*10-7 м до 2*10-5 м.
- гелевые поры размером менее 1*10- м.
При температурах ниже 0 оС вода в порах и капиллярах ведёт себя по-разному в зависимости от их размеров. ИИ. Лифановым и Д.В. Орешки-
Спецвыпуск 1/2009
ным были проведены соответствующие дилатометрические исследования
[2, 3].
По мнению И.И. Лифанова [2] в цементном камне для пор различного размера характерны следующие температуры замерзания воды:
- для воздушных пор Тзам =-2...-4°С. Подобная температура замерзания воды (чуть ниже 0°С) в воздушных порах объясняется, видимо, наличием растворённых в ней веществ.
- для капиллярных пор Тзам =-5... - 12°С (в зависимости от размера капилляров).
- для гелевых пор Тзам = -25... -45°С (также в зависимости от размеров). Таким образом, микросферы в подобных цементных системах являются
макроцентрами кристаллизации, адсорбируя на себя воду и продукты гидратации цемента. Толщина слоя воды на поверхности микросфер составляет в среднем 4,5 мкм. С другой стороны, хорошо известны данные о температурах замерзания воды в порах различного диаметра. Температура замерзания воды в порах размером 4,5 мкм должна составлять примерно -10... - 12°С. Это обстоятельство позволяет высказать гипотезу: предполагается, что использование кладочных и тампонажных растворов с полыми стеклянными микросферами оптимального состава за счет равномерного тонкослойного распределения воды затворения вокруг твердых частиц позволит цементному раствору твердеть без использования гипса, добавок-электролитов или позволит значительно снизить их количество.
Список литературы
1. Вода в дисперсных системах / Б.В. Дерягин, Н.В. Чураев, Ф.Д. Овча-ренко и др. - М.: Химия, 1989, - 288 с.
2. Лифанов И.И. Исследование морозостойкости бетона: учебное пособие. - М.: МИСИ, 1992. - 92 с.
3. Орешкин Д.В., Фролов А.А., Ипполитов В.В. Проблемы теплоизоляционных тампонажных материалов для условий многолетних мёрзлых пород. - М.: ООО «Недра - Бизнесцентр», 2004. - 235 с. ил.
4. Первушин Г.Н., Орешкин Д.В. Проблемы трещиностойкости облегчённых цементных материалов. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2003. - 212 с.
Соколов Кирилл Александрович
студент 5 курса технологического факультета МГАКХиС Баженова Ольга Юрьевна доцент, к.т.н.
МГАКХиС, технологический факультет, кафедра технологии производства и художественной обработки силикатных материалов Баженова Софья Ильдаровна МГСУ, ИСА, кафедра ТВВиБ
ДЕКОРАТИВНЫЕ БЕТОНЫ ДЛЯ СОВРЕМЕННОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
Современная архитектурная застройка предъявляет повышенные требования к отделочным материалам. Наибольшее распространение получи-
