Облегченные тампонажные цементы и растворы

Способы снижения плотности тамшонажных растворов

Тампонажные растворы представляют собой многокомпонентные системы, плотность (объемная масса) которых зависит от плотности входящих в них компонентов и объемного (или массового) их соотношения. Уменьшить плотность тампонажного раствора можно увеличением содержания жидкости затворения по отношению к твердым фазам, если жидкость затворения имеет меньшую плотность, или путем замены:

  • • части или всей жидкости затворения жидкостью меньшей плотности;
  • • всего или части вяжущего вещества вяжущим веществом меньшей плотности;
  • • всей или части добавки добавкой меньшей плотности; части вяжущего вещества специальной добавкой, обладающей меньшей по сравнению с ним плотностью;
  • • части объема твердых и (или) жидких фаз газообразной фазой.

Выбор того или иного способа снижения плотности определяется условиями применения, технологическими возможностями, экономической целесообразностью. При использовании тампонажных материалов на основе минеральных вяжущих веществ возможности регулирования плотности выбором их вида ограничены, если ориентироваться только на величину их плотности.

Плотность важнейших вяжущих веществ [кг/м3]

Портландцементный клинкер...................................................3 100-3 200

Доменный шлак.....................................................................2 700-3 000

Гипс полуводный..................................................................2 200-2 400

Известково-кремнеземистое вяжущее.........................................2 100-2 300

Гипсо-глиноземистый цемент...................................................2 400-2 500

Шлако-песчаный цемент.........................................................2 700-2 800

Важнейшие минеральные добавки также незначительно отличаются по плотности (кг/м3):

Кварцевые пески...................................................................2 600-2 700

Известняки, мел.....................................................................2 200-2 800

Диатомиты, трепелы, опоки......................................................2 100-2 500

Золы топливные....................................................................2 000-2 400

Вулканические породы (пемза, туфы, трассы, перлиты)..................2 200-2 700

Меньшую плотность имеют твердые вещества органического происхождения (кг/м3):

Каменный уголь....................................................................1 200-1 500

Каменноугольный кокс...........................................................1 200-1 400

Каменноугольный пек............................................................1 200-1 300

Битумы и твердые асфальты.....................................................1 000-1 300

Допустим, необходимо снизить плотность тампонажного раствора на основе портландцемента с 1830 кг/м3 при В/Ц-0,5 до 1500 кг/м3. Этого можно добиться путем замены или 90 % портландцементного клинкера самой легкой из минеральных добавок - пылевидной золой, или 46 % клинкера порошкообразным каменным углем - самой доступной из органических добавок, или введением 20 % газовой фазы к первоначальному объему раствора, или увеличением водосодержания до В/Ц = 1,05.

Проанализируем ожидаемую прочность цементного камня - двухсуточную и конечную. Это можно сделать, приняв степень гидратации после 2 сут. равной 0,4 и к концу твердения 0,95.

Результаты расчета приведены в табл. 5.3.

Анализируя данные табл. 5.3, видим, что для получения плотности около 1 500 кг/м8 нужно добавить настолько много золы, что тампонажный раствор практически не затвердевает. С помощью таких добавок можно снижать плотность только до 1 700 кг/м3, но и при этом получается цементный камень с низкой прочностью.

Если применять добавки органического происхождения плотностью 1 300-1 400 кг/м3 (а твердые и тугоплавкие органические материалы меньшей плотности встречаются редко), то можно получать растворы плотностью 1 500 кг/м3, затвердевающие в цементный камень с низкой, но во многих случаях достаточной прочностью. Если в качестве добавок применять материалы плотностью 900-1 000 кг/м3, например полиэтиленовую крошку, то плотность раствора 1 500 кг/м3 получается при замещении уже около 25 % клинкера, при этом прочность окажется близкой к прочности в случае увеличения водосодержания.

Рассчетные прочность и водопроницаемость цементного камня из проектируемых тампонажных растворов пониженной плотности

Таблица 5.3

Массовая

Облегчающая добавка

доля портландцемент- ного клинкера, %

Вид

Массовая доля

В/Т

кг/м3

ии,

м3/кг-10_3

В/Ц

И/Ц

т

^сж>

МПа

  • 100
  • 100
  • 10
  • 10
  • 64
  • 64
  • 100
  • 100
  • 75
  • 75
  • 100
  • 100
  • 60
  • 60
  • 86
  • 86
  • 75
  • 75
  • 75
  • 75

Пылевидная зола то же Каменный уголь то же

Воздух

Поэлителе- новая крошка то же

Пылевидная зола то же

Микробаллоны то же

Микробаллоны то же

Вспученный аргиллит то же

  • 90
  • 90
  • 46
  • 46
  • 20-10-6 20-10“6
  • 25
  • 40
  • 40
  • 14
  • 14
  • 25
  • 25
  • 25
  • 25
  • 0,5
  • 0,5
  • 0,5
  • 0,5
  • 0,5
  • 0,5
  • 0,5
  • 0,5

0,5

1

1

  • 0,5
  • 0,5
  • 0,5
  • 0,5
  • 0,5
  • 0,5
  • 0,5
  • 0,5
  • 1 830 1 830 1 500
  • 1 500 1 500
  • 1 500
  • 1 500
  • 1 500
  • 1 500
  • 1 500 1 500 1 500 1 700
  • 1 700 1 500
  • 1 500 1 200
  • 1 200 1 500
  • 1 500
  • 0,47
  • 0,47
  • 0,72
  • 0,72
  • 5 * 106
  • 5 * 106
  • 1.05
  • 1.05
  • 0,47
  • 0,47
  • 1,66
  • 1,66
  • 1,66
  • 1,66
  • 1.05
  • 1.05
  • 0,5
  • 0,5

5

4

0,78

0,78

  • 0,5
  • 0,5

0,66

0,66

1

1

0,83

0,83

0,58

0,58

0,66

0,66

0,66

0,66

  • 0
  • 0
  • 9,0
  • 7,5
  • 0,72
  • 0,72
  • 0,2-10-6
  • 0,2-10-6
  • 0,30
  • 0,30
  • 0
  • 0
  • 0,66
  • 0,66
  • 0,16
  • 0,16
  • 0,30
  • 0,30
  • 0,30
  • 0,30
  • 0,40
  • 0,95
  • 0,40
  • 0,94
  • 0,40
  • 0,95
  • 0,40
  • 0,95
  • 0,40
  • 0,95
  • 0,40
  • 0,95
  • 0,40
  • 0,95
  • 0,40
  • 0,95
  • 0,40
  • 0,95
  • 0,40
  • 0,95
  • 5,5
  • 52,15
  • 0,093
  • 0,166
  • 0,939
  • 8.9 0,692 0,56 1,68
  • 15.6
  • 1.6
  • 15.13 1,23
  • 13.13 2,21
  • 20.9

I, 19

II, 27 14,80

25,25

Примечания. 1. В/Т - отношение массы воды затвердения к массе сухой смеси портландцементного клинкера и добавки.

2. В расчетах принято иж = 0,001 м3/кг, иц = 0,32-10-3 м3/кг, п = 2,6, N = 2,1, оо = 100 МПа, Ъ = 0,4, за исключением случаев длительного твердения растворов с добавками пылевидной золы и вспученного аргиллита, когда N= 2,2, оо = 120 МПа, b = 0,2.

Более высокая прочность получается при снижении плотности путем введения воздуха. Существенный недостаток аэрированных тампонажных растворов - их сжимаемость. На большой глубине или при высоком гидростатическом давлении объем аэрированного тампонажного раствора существенно уменьшится, а плотность повысится. Этот недостаток можно устранить, заключив пузырьки воздуха в прочные оболочки.

В последнее время применяются пластмассовые, стеклянные, керамические, кварцевые микробаллоны (микрокапсулы), Для эффективного снижения плотности с сохранением высокой прочности необходимое, чтобы микробаллоны имели плотность не более 600 кг/м3. Тогда для получения раствора плотностью 1 500 кг/м3 достаточно заменить ими 14 % массы порт- ландцементного клинкера. Прочность цементного камня при этом получается довольно высокой. Этот способ позволяет получать тампонажные растворы с очень низкой плотностью при сохранении удовлетворительных свойств цементного камня. Так, заменив микробаллонами только 25 % массы портланд- цементного клинкера, при неизменном водосодержании получаем плотность тампонажного раствора около 1 200 кг/м3, прочность цементного камня будет близка к прочности камня из тампонажного раствора с полиэтиленовой крошкой при плотности 1 500 кг/м3. Дальнейший резерв повышения прочности цементного камня заключается в применении микробаллонов с кавернозной (шероховатой) поверхностью. К сожалению, это невозможно сочетать с их низкой плотностью, так как требуется большая толщина оболочки. Однако такие частицы плотностью 800-1 000 кг/м3 образуют вспученные керамические материалы (керамзит, вспученный аргиллит) при размере зерен около 1 мм. Для получения плотности раствора 1 500 кг/м3 достаточно заменить вспученным аргиллитовым песком 25 % портландцементного клинкера. При этом сохраняется высокая прочность цементного камня.

Таким образом, для снижения плотности до 1 650-1 700 кг/м3 можно использовать все известные способы;

до 1 400-1 500 кг/м3 можно применять облегчающие добавки плотностью менее 2 000 кг/м3, повышать водосодержание, а на небольших глубинах также использовать аэрирование тампонажного раствора;

ниже 1 400 кг/м3 желательно использовать полые или газонаполненные микробаллоны.

Повышение водосодержания обычной портландцементной суспензии неизбежно связано с ухудшением ее седиментационной устойчивости. При В/Ц >0,55 проявляется заметное водоотделение, которое при В/Ц = 0,6 достигает недопустимых значений. Скорость фильтрации жидкости через суспензию можно уменьшить, повысив вязкость жидкости и степень дисперсности твердой фазы. Оба приема используются при приготовлении облегченных тампонажных растворов с высоким водосодержанием.

Для повышения вязкости жидкой фазы в воде растворяют эфиры целлюлозы, препараты на основе крахмала, акрила и др. Вводя достаточно большое количество таких добавок, можно получить В/Ц = 1 при сохранении водоудерживающей способности тампонажного раствора. Недостаток этого метода - одновременное сильное замедление схватывания, которое трудно компенсировать ускорителями. Более эффективно введение в состав цементного раствора специального тонкодисперсного компонента, адсорбирующего на своей большой поверхности избыточное по сравнению с допустимым количеством воды.

Такой тонкодисперсный компонент может быть получен непосредственно в жидкости затворения в результате химической реакции типа

В данном случае тонкодисперсный осадок гидросиликата кальция образуется из молекулярных растворов силиката натрия и хлорида кальция. Подобные тонко дисперсные осадки могут быть получены из алюмината натрия и других солей.

Другой способ заключается в образовании тонкодисперсных осадков при реакции солей, введенных в жидкость затворения, с гидроксидом кальция, выделяющимся при гидролизе минералов портландцемента. Из приведенных ниже реакций первые две сопровождаются ускорением схватывания, вторые две - замедлением схватывания портландцемента, однако другие цементы, например шлаковые, могут по-другому изменять скорость схватывания. Эти способы позволяют снизить плотность порт- ландцементного раствора до 1 600 кг/м3.

Значительно чаще тонкодисперсные добавки, физически связывающие дополнительно введенное для снижения плотности раствора количество воды, используются в виде тонкодисперсных порошков - смешиваются с базовым тампонажным материалом или с водой затворения. Эти добавки главным образом препятствуют седиментационному и фильтрационному (под действием перепада давления) водоотделению. Однако надо выбирать такие тонкодисперсные порошки, которые имеют собственную плотность меньше плотности базового тампонажного материала. При этом достигается дополнительное снижение плотности тампонажного раствора.

Наиболее широко из числа таких облегчающих добавок применяются глины, тонко дисперсные кремнеземистые материалы природного (осадочные породы - опоки, трепелы, диатомиты) и искусственного (силикагели) происхождения, реже применяется мел.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >