WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |

Высококачественные кладочные, штукатурные и тампонажные растворы с полыми стеклянными микросферами

По материалам Международной научной конференции "Технология строительства и реконструкции: проблемы и решения" — TCR2004, состоявшейся 2526 октября 2004 г. в Минске в БНТУ.

Социальноэкономические проблемы любого государства требуют повышения эффективности строительного производства и его технологий. Особенно важным направлением является реконструкция существующих сооружений с целью приведения их в соответствие с нормативами по теплофизике. Без решения этих проблем невозможно развитие общества. Однако существующие штукатурные и кладочные растворы не позволяют создать однородную конструкцию стены изза несоответствия по средней плотности мелкоштучных изделий, кладочного и/или штукатурного растворов. Радикальным решением проблемы является использование облегченного и сверхлегкого цементного раствора с необходимой и стабильной для конкретных условий средней плотностью. Требуется разработать кладочные, штукатурные и тампонажные растворы. Тампонажные растворы должны обладать низкой и стабильной (независимо от давления в скважине) средней плотностью, высокой однородностью и растекаемостью (2025 см), а также прочностью на растяжение при изгибе не менее 1 МПа и теплозащитными свойствами в затвердевшем состоянии. Штукатурные и кладочные растворы должны иметь такую же среднюю плотность, как и стеновые материалы. Этим самым коэффициент однородности стены можно довести до 0,95 и более. Такие свойства цементных растворов могут быть получены путем введения в их состав полых стеклянных микросфер, которые характеризуются не только малой плотностью и размерами, но и высокой удельной прочностью при объемном сжатии. Благодаря этому растворы становятся практически несжимаемыми несмотря на малую плотность. Это позволит закачивать их на любую глубину за один прием с обратным подъемом до поверхности земли. Повышенная же прочность и трещиностойкость камня дает возможность исключить повторные изоляционные работы при перфорации колонны, а достаточно прочное сцепление обеспечивает герметичность затрубного пространства. Штукатурные и кладочные растворы с полыми стеклянными микросферами позволят исключить мостики холода при кладке из мелкоштучных изделий, снизить материалоемкость строительства и затраты при эксплуатации, к примеру, жилого здания за счет снижения теплопотерь. В затвердевшем состоянии при равной средней плотности они имеют прочностные показатели выше, чем, например, газо или пенобетоны. Такие универсальные растворы, обладающие указанными свойствами, можно получить только из стабильных компонентов. Такой стабильностью обладают полые обычные (ПСМС) и аппретированные (АПСМС) стеклянные микросферы, тампонажный и строительный портландцементы, серийно выпускаемые промышленностью России и Беларуси.

Для рационального использования требовалось разработать и всесторонне изучить структуру и свойства облегченных и сверхлегких тампонажных и строительных растворов с плотностью вплоть до 1 г/см3, выявить роль микросфер, технический и экономический эффекты их применения. Сокращение объемов бурения нефтяных и газовых скважин в настоящее время диктует сохранение и повышение их дебита. Решение проблемы устойчивого дебита нефтегазовых скважин в большей мере зависит от качества цементного тампонажного материала, которым заполняется пространство за обсадными трубами. От этой важной, если не решающей, операции зависит эффективность и надежность скважины при эксплуатации, рассчитанной на 30 и более лет. Основной целью тампонажного материала является обеспечение герметичности затрубного пространства и исключение межколонных проявлений и перетоков из пласта в пласт, снижающих продуктивное давление нефтегазоносных горизонтов. Решение этой проблемы имеет народнохозяйственное значение. Проблема крепления скважин на месторождениях Крайнего Севера, Западной Сибири, Поволжья, шельфов морей, Ближнего Востока характеризуется пониженными температурами в верхней части разреза, высокими забойными температурами и горными породами с аномально низкими пластовыми давлениями. Они склонны к трещинообразованию и гидроразрыву, поглощают тампонажный раствор в процессе цементирования и вызывают его недоподъем до устья скважин.



Недостаточная герметизация затрубного пространства ведет к снижению дебита скважины и нарушает законы по охране недр. К тампонажному материалу одновременно предъявляются требования по растекаемости, однородности и плотности раствора, прочности на растяжение при изгибе (в России) и сжатии (в США) для камня. Существуют скважины, которые не удается зацементировать растворами на традиционных пористых (вспученные перлитовый — ВПП и вермикулитовый — ВВП пески, фильтроперлит) и других облегчающих наполнителях, поскольку под большим давлением в скважине происходит их разрушение, и раствор становится плотным и непрокачиваемым за счет резкого возрастания его плотности. Кроме того, они обладают большой водопотребностью. Последнее относится и к строительным растворам, в которых используют такие заполнители. Прогресс в строительстве требует создания новых облегченных материалов. Введение в цементную систему полых стеклянных микросфер позволяет получить материал плотной структуры, обладающий низкой средней плотностью, высокой однородностью. Микросферы, серийно выпускаемые в России, имеют среднюю плотность 0,20,4 кг/дм3, прочность при объемном сжатии до 20 МПа и диаметр до десятков мкм. Эти показатели позволили применить их в тампонажных цементных растворах. Анализ облегченных цементных материалов показал, что лучшими являются материалы на основе полых стеклянных микросфер, которые имеют стенки с теоретической прочностью 8002000 МПа и обладают высокой удельной прочностью более 150 МПа при насыпной плотности 0,10,15 кг/дм3. Это значительно превышает аналогичные показатели других облегчающих наполнителей (заполнителей). ВПП имеет удельную прочность 53,3 МПа при насыпной плотности 0,15 г/см3 и прочности при объемном сжатии 8 МПа. Кроме этого, у тампонажного раствора с микросферами В/Ц в 2 и более раз меньше, чем у растворов с перечисленными наполнителями, например, при средней плотности 1,32 г/см3. Для строительных растворов при погружении конуса 810 см водоцементное отношение у материала с микросферами почти в 3 раза меньше, чем у растворов с ВВП, и более чем в 3 раза меньше по сравнению с раствором с ВПП. Однородность структуры и свойств тампонажного материала с ПСМС (АПСМС) обеспечивается за счет стабильности ингредиентов состава. Микросферы можно использовать при цементировании скважин глубиной до 3000 м.

В работе подвергались испытаниям образцыпризмы размерами 4х4х16 см. В состав раствора входили тампонажный портландцемент ПЦТII Вольского завода и строительный ПЦД0500 Старооскольского завода (Россия) со средними размерами частиц 35,9 и 32 мкм соответственно. Применялись полые стеклянные микросферы со средним размером частиц 25 мкм из натрийборосиликатного стекла, суперпластификатор (СП) С3 Новомосковского завода. Микросферы серийно выпускаются на Новгородском заводе "Стекловолокно", Андреевском заводе "Стеклопластик" и имеют среднюю плотность 0,240,28 г/см3, насыпную 0,120,15 г/см3, коэффициент заполнения объема 0,620,65, прочность при объемном сжатии 12,7820,0 МПа. Толщина стенки этих микросфер — 13 мкм. Аппрет представляет собой кремнийорганическую жидкость gаминопропилтриэтоксисилан с формулой NH2(CH2)3 • Si(OC2H5)3. Расход аппрета составляет 0,3% от массы микросфер. Все физикомеханические свойства определялись на образцахблизнецах согласно cоответствующему ГОСТ РФ на эти испытания. В исследованиях использовалось оборудование кафедры строительных материалов МГСУ: рентгеновский дифрактометр JDX10 PA, сканирующий электронный микроскоп JSM25S (Япония), установки TasPlus (Германия) и CAMEBAX (Франция, США), CAMSKAN (Великобритания). Так, прочность на растяжение при изгибе облегченного тампонажного камня должна быть не менее 1 МПа в возрасте 2 сут. Прочность камня строительных растворов определялась в возрасте 28 сут. Научнотехнические предпосылки позволили сформулировать научную гипотезу. Полые стеклянные микросферы мельче, чем частицы цемента, имеют в своем составе аморфный кремнезем, обладают большой поверхностной энергией вследствие малых размеров и тонкой стенки микросфер.





Поэтому они должны быть более активны в адсорбционном отношении, проявлять пуццоланическую активность, оказывать структурирующий эффект, быть макроцентрами кристаллизации в цементной системе. В связи с этим микросферы должны хорошо адсорбировать и удерживать на своей поверхности воду затворения и продукты гидратации цемента. Это создает неоднородную структуру цементной матрицы между комплексами (микросфера — контактный слой) — (микросфера — контактный слой). Следовательно, ослабление поверхностных сил благодаря введению в систему модификаторов структуры СП С3 и/или кремнийорганического аппрета на стенках АПСМС позволит получить однородную структуру материала, обладающего более высокими прочностью, непроницаемостью и другими требуемыми свойствами. Для подтверждения выдвинутой гипотезы была определена особая роль микросфер в формировании структуры раствора, а затем камня. Поверхностные силы и химический состав микросфер осуществляют их адсорбционную, структурирующую и пуццоланическую активность. Результаты показаны в табл. 1.

Пуццоланическая активность проявляется в связывании портландита. Причем с ростом количества микросфер она увеличивается. При этом прочность известкового камня, сформированного при стандартной растекаемости, повышается относительно прочности цементного камня при изгибе от 2,5% до 9,4% при использовании ПСМС и от 1,5% до 5,4% при использовании АПСМС. Кроме того, интенсивность пиков Са(ОН)2 в цементных камнях с микросферами значительно ниже, чем в тампонажном камне на чистом ПЦТ. При сжатии пуццоланическая активность в цементной системе с микросферами составляет от 11% до 11,8% от прочности камня и от расхода микросфер не зависит. Она проявляется еще и в том, что ионы Са2+ переходят в стенки микросфер, упрочняя их. Адсорбционная активность микросфер связана с их поверхностной энергией. Абсолютная величина эффектов была от 13,3% до 29,4% для обычных и аппретированных микросфер при их расходе от 10% до 30% от массы ПЦТ. Это проявляется в водоудерживающей способности, что сохраняет однородность материала при цементировании затрубного пространства скважины за один прием. Так, толщина слоя воды вокруг обычных микросфер составила от 4,49 до 4,75 мкм без СП и от 4,07 до 4,54 мкм — с СП С3, а вокруг аппретированных — 4,49 мкм без СП и от 3,79 до 4,38 мкм — с СП С3. Вокруг частиц цемента формируется слой воды 6,65 мкм и 5,05 мкм соответственно. Определены расстояния между частицами: цемента, которые составили 15,2 мкм и 10,24 мкм; ПСМС — от 7,38 до 19,4 мкм и от 5,89 до 15,0 мкм; АПСМС — от 6,97 до 19,2 мкм и от 5,64 до 15,45 мкм без СП и с СП С3 соответственно. В данном случае проявляется структурирующий эффект, связанный с уменьшением расстояния между частицами цемента и микросферами по мере роста расхода микросфер до 50%. Была также определена удельная поверхность микросфер, которая составила 44100 см2/г. Результаты определения толщины водного слоя, расстояния между твердыми частицами и удельной поверхности позволили уточнить физическую структуру цементного материала с полыми стеклянными микросферами. Первые две величины определялись для стандартной растекаемости по объемным долям ПЦТ, микросфер и воды, а также из расчета, что частицы цемента связывают 50% воды затворения. Для выявления геометрического эффекта микросфер был произведен их рассев на две фракции: первая — частицы от 35 до 60 мкм, вторая — частицы меньше 35 мкм. Прочность цементного камня с более крупными микросферами оказалась на 1013% выше, чем у камня с более мелкими ПСМС. С технической точки зрения при использовании микросфер более 35 мкм образуется отстой воды, что недопустимо с точки зрения требований стандарта и условий цементирования скважин. Рассев микросфер дорог и трудноосуществим. Аппретированные микросферы оказывают большее влияние на структуру у цементного камня, чем обычные ПСМС. Совершенно очевидно, что ПСМС должны оказывать влияние на процесс структурообразования. Было выяснено, что происходят процессы, аналогичные классическим представлениям. Однако ПСМС вносят в этот процесс существенные отличия по сравнению с формированием структуры раствора на чистом ПЦТ при t = (20±2)°С и (75±2)°С. Отдельные результаты приведены в табл.

2 и 3.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.