Свойства цемента в камне

Свойства цемента в камне

Toggle navigation

Ремонт в регионах

1. Главная
2. Строительство
3. Защита конструкций от коррозии
4. Основные составляющие цементного камня

Минералогический, химический состав цемента, гидролиз всех минералов цементного камня

По химическому составу в % рядовой цемент содержит:
извести . . 64—68
кремнезема . 21 —24
глинозема. 4—7
окиси железа . 2—4
окиси магния. 1—3
серного ангидрида. 1—2

Минералогический состав цемента в % может колебаться в следующих пределах:
трехкальциевый силикат (алит) 3CaО•SiО2(C3S) . . . .70—20 двухкальциевый силикат (белит) 2CaО•Si02(C2S) . . . .10—60
трехкальциевый алюминат ЗСаО•Аl2О3(С3А). 4—15
четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО•Аl2О3•Fе203(С4АF) 6—16

По современным воззрениям вместо С4АF образуется ряд твердых растворов от С2F до С2АF.
При соприкосновении с водой перечисленные минералы гидратируются, т. е. образуют кристаллогидраты определенного состава или претерпевают гидролитическое разложение.

СДЕЛАЛ ЦЕМЕНТ ИЗ КАМНЕЙ В УСЛОВИЯХ ПОСТАПОКАЛИПСИСА!

Это обусловливается тем, что отдельные минералы являются устойчивыми только в воде, содержащей определенное количество растворенной извести. Теоретически, если производить обработку отдельных измельченных минералов или их кристаллогидратов проточной водой, можно получить полный гидролиз всех минералов цементного камня:
C3S — C2S + С = CS + 2С = S + ЗС
или
С4А = С3А + С = С2А + 2С.

Выделяющаяся при гидролизе известь может удаляться с водой с ослаблением структуры бетона; происходит выщелачивание или так называемая «белая смерть бетона».
Однако по ряду причин такого полного извлечения извести из бетона не происходит.
Выщелачивание извести происходит только при условии непрерывного обмена воды, например при систематической односторонней фильтрации воды через бетонные стенки плотин, резервуаров, труб и т. п. Но даже в этих случаях фильтрующаяся вода должна быть мягкой, т. е. совершенно не содержать растворенных солей, и в частности карбонатов, а бетон должен быть достаточно пористым.

К тому же удаление извести из бетона даже при фильтрации происходит только из определенных участков, образующихся в результате неплотной укладки бетона.
Все это приводит к тому, что выщелачивающая коррозия не представляет такой грозной опасности, какой она представляется исходя из общих соображений о возможном гидролизе минералов цементного камня.

Практически же находящаяся в порах бетона свободная вода представляет собой насыщенный или даже пересыщенный раствор извести с концентрацией от 1,3 до 1,7 мг/л, в котором вполне устойчивы все алюминаты вплоть до четырехкальциевого, а также все силикаты, начиная с C2S.
Для рассмотрения поведения цементного камня в разных средах существенно отметить, что происходит отщепление извести при гидролизе трехкальциевого силиката с параллельной ее гидратацией и частичным расщеплением на ионы:

Портландцемент. Свойства и особенности портландцемента. Главный параметр цемента.

Са (ОН)2=Са» + 20Н’.
Именно ионы пидроксила и сообщают бетону щелочной характер.
Гидроокись кальция в поверхностных слоях бетона, соединяясь с углекислотой воздуха, превращается в углекислый кальций или известняк. Происходит так называемая карбонизация бетона:
Са (ОН)2 + СО2 СаС03 + Н2О.

Бетон при этом уплотняется, но щелочность камня снижается с рH= 12-12,5, характерных для насыщенного раствора извести, до 9, характерного для водной вытяжки известняка.

Источник: www.masterovoi.ru

Свойства цементного камня

К основным свойствам цементного камня относятся: пористость, предел прочности, проницаемость, объемные изменения при твердении.

• 1. Пористость — это доля объема пор в цементном камне. Может выражаться в долях единицы или в процентах. В общем случае пористость цементного камня зависит от времени твердения, водоцементного отношения, удельной поверхности цемента, температуры твердения и др.
• 2. Механическая прочность цементного камня является основной оценочной характеристикой цементного камня. Механические свойства цементного камня характеризуются пределами прочности на изгиб или сжатие образцов стандартного размера.

Предел прочности на изгиб оиз определяется по схеме трехточечного нагружения на образцах размером 4Х4Х 16 см или 2X2X8 см, прочность на сжатие определяется с помощью пресса. Как правило, прочность на сжатие выше прочности на изгиб, т.е. асж = (2—4)оиз-

В общем случае прочность цементного камня определяется уравнением

где а — прочность;

во — прочность камня при нулевой пористости, т.е. прочность отдельных кристаллов (продуктов твердения);

П — пористость;

п — эмпирический коэффициент ( п = 2,5-3,5 ).

Отсюда следует, что одним из важнейших факторов, определяющих прочность камня, является его пористость, зависящая, главным образом, от водоцементного отношения цементного раствора. Также прочность цементного камня зависит от времени твердения, удельной поверхности цемента, температуры твердения.

Механическая прочность тампонажного камня быстрее нарастает при использовании цементов с высокой удельной поверхностью. В этом случае ускоряются реакции гидратации. Однако беспредельно увеличивать удельную поверхность цементного порошка нельзя, так как это требует увеличения количества воды для приготовления цементного раствора.

Ускорители сроков схватывания цементных растворов в большинстве случаев способствуют повышению начальной механической прочности, однако, с увеличением срока твердения прочность цементного камня обычно снижается несколько раньше, чем у необработанных образцов. Замедлители сроков схватывания снижают прочность цементного камня в начальные сроки твердения.

Добавки могут оказывать положительное и отрицательное влияние на прочность портлаидцементиого камня в зависимости от условий твердения.

При обычных условиях наполнители (содержащие 80-95 % кремнезема, кварцевый песок, опока и др.) не способствуют увеличению начальной прочности цементного камня, хотя с увеличением возраста прочность повышается. При температурах выше 110-120 °С указанные наполнители становятся активными материалами и повышают прочность цементного камня.

Глинистые материалы и смеси их с водой практически во всех случаях снижают прочности цементного камня.

Температура оказывает существенное влияние на прочность камня из тампонажного портландцемента. С повышением температуры прочность камня в ранние сроки твердения (1-7 суток) возрастает. Однако в более поздние сроки твердения (месяцы и годы) прочность камня может снижаться из-за термической коррозии. Причем чем выше температура твердения, тем раньше начинается снижение прочности. Поэтому температурный интервал чистого бездобавочного портландцемента не превышает 100 °С.

3. Проницаемость — это способность цементного камня пропускать через себя жидкости и газы и является одной из его основных характеристик.

Она зависит от ряда факторов, среди которых наиболее важными являются природа цемента и наполнителей, водоцементное отношение, температура и сроки твердения, т.е. проницаемость зависит от тех же показателей, что и прочность цементного камня.

Проведенные исследования показывают, что через 7 суток твердения при нормальной температуре проницаемость цементного камня из раствора с водоцементным отношением 0,5 составляет 10′ 2 — 10’ 1 мкм 2 . С увеличением удельной поверхности цементов проницаемость снижается.

4. Объемные изменения при твердении цементного раствора. При твердении в воде цементный камень несколько увеличивается в объеме, при твердении на воздухе или в другой среде пониженной относительной влажности дает усадку. Причиной усадки цементного камня является контракция. Усадка цементного камня может привести к образованию канала между обсадной колонной и цементным камнем, цементным камнем и горной породой.

Источник: bstudy.net

Основные свойства цементного порошка, раствора и камня

Свойства порошка. Под плотностью тампонажной смеси понимают массу единицы объема ее в плотном теле, т. е. за вычетом естественной пористости. Плотность сухой смеси зависит от состава последней и плотности каждого компонента

Важная характеристика смеси — масса единицы объема ее без вычета естественной пористости, именуемая удельной насыпной массой. Удельная насыпная масса зависит от тонкости помола и уменьшается с увеличением последней. Так, удельная насыпная масса тампонажного портландцемента в рыхлом состоянии равна примерно 1200 кг/м3, а смесей этого цемента с тонкодисперсными добавками может снизиться до 800 кг/м3. При уплотнении порошка, например, путем наложения вибраций удельная насыпная масса может возрасти в 1,2—1,5 раза.

Удельная поверхность, т. е. суммарная поверхность частиц, содержащихся в 1 кг материала, измеренная методом воздухопроницаемости, может изменяться в зависимости от степени измельчения компонентов примерно от 250—350 для портландцемента до 1000 м2/кг и даже до 1500 м2/кг для смесей базовых цементов с большим количеством тонкодисперсных добавок.

Плотность тампонажного раствора зависит от состава твердой фазы и относительного водосодержания. Если в состав приготовляемого раствора не вводят газонаполненные гранулы (перлит, пламилон и т. п.) и раствор не аэрируют, плотность его можно рассчитать по формуле

где рж — плотность жидкости, с которой смешивают тампонажный порошок.

Очень важное значение имеет подвижность тампонажного раствора. В мировой практике наиболее широко применяется косвенный способ оценки подвижности по густоте (или консистенции) раствора, измеряемой в условных единицах с помощью специального прибора — консистометра, в котором воспроизводятся температура и давление, ожидаемые при цементировании.

Прибор состоит из стального стакана 8 (рис. 56), вращающегося с небольшой скоростью вокруг вертикальной оси; рамки 7 с лопастями, помещенной в стакан; электродвигателя 10 с редуктором 9, смонтированных на общей станине 11 с кронштейном 1. Ось 6 рамки подвешена с помощью подшипника 2 в кронштейне 1. К оси прикреплен один конец калиброванной пружины 3, второй конец неподвижно связан с кронштейном.

Если в стакан налить тампонажный раствор и включить двигатель, вращение от стакана через раствор будет передаваться рамке с лопастями. Так как с осью рамки соединена пружина, то рамка повернется лишь на угол, при котором крутящий момент, приложенный к ней со стороны тампонажного раствора, будет равен моменту упругих сил пружины. Так как пружина калиброванная, то, измеряя с помощью стрелки 4 и шкалы 5 угол поворота рамки, можно определить величину приложенного к ней момента. Обычно на шкалу наносят деления не в единицах крутящего момента, а в условных единицах консистенции УЕК. За 1 УЕК принимают угол, на который повернется рамка прибора, если в стакане будет находиться ньютоновская жидкость с динамической вязкостью 1 мПа*с.

Чтобы можно было воспроизводить условия давления и температуры при цементировании, стакан прибора заключен в специальный автоклав. Размеры стакана и рамки, жесткость калиброванной пружины и скорость вращения стакана должны быть строго одинаковыми для всех приборов.

Считают, что консистенция есть величина, обратная подвижности. Консистенция изменяется во времени по мере того, как развивается процесс гидратации (рис. 57). Обычно удовлетворительно подвижными считают тампонажные растворы, консистенция которых в течение времени, достаточного для транспортирования раствора в скважину, не превышает 10—15 УЕК.

По мере развития гидратации вяжущего наступает период, когда раствор становится трудно прокачиваемым. Промежуток времени от начала смешивания тампонажного порошка с водой до момента, когда консистенция становится чрезмерно густой, а раствор — плохо подвижным, называют сроком загустевания. Обычно такой критической точкой считают консистенцию в 50 УЕК.

Для цементирования скважин в большинстве случаев желательно использовать растворы, подвижность которых в течение времени, достаточного для транспортирования в скважину, изменяется в небольшом диапазоне, а после оставления раствора в покое резко падает. Срок загустевания таких растворов правильнее определять по моменту начала интенсивного роста консистенции.

Многие тампонажные растворы можно в первом приближении рассматривать как вязкопластичные тела, а о подвижности их судить по динамическому напряжению сдвига и пластической вязкости, измеряемым с помощью специальных вискозиметров. За срок загустевания в этом случае можно принять отрезок времени от начала затворения до момента начала интенсивного роста динамического напряжения сдвига (рис. 58).

В отечественной практике часто пользуются также понятиями о сроках схватывания. Сроком начала схватывания называют промежуток времени от начала затворения до момента, когда прочность структуры в неподвижном тампонажном растворе, помещенном в стандартный конус, достигнет такой величины, что стандратная игла Вика, погружаемая в раствор, не доходит до нижней границы конуса на 1—2 мм. Под сроком конца схватывания понимают промежуток времени от начала затворения до того момента, когда та же игла Вика будет погружаться в тесто не более чем на 1 мм. По сроку начала схватывания можно приближенно судить о сроке начала загустевания. По разнице в сроках конца и начала схватывания косвенно судят о темпе нарастания начальной прочности цементного камня.

Исключительно большое значение для качества разобщения пластов имеет седиментационная устойчивость тампонажного раствора. Потенциально любой тампонажный раствор кинетически неустойчив: сравнительно грубые частицы тяжелой твердой фазы его всегда стремятся опускаться вниз под действием силы тяжести относительно более легкой дисперсионной среды.

Концентрация твердой фазы в растворе велика, поэтому осаждение частиц не подчиняется закону Стокса, а скорости осаждения более крупных и более тяжелых частиц практически одинаковы со скоростями осаждения более мелких и более легких частиц. Твердая фаза очень медленно опускается вниз, а вытесняемая ею свободная вода фильтруется вверх по поровым каналам между твердыми частицами. О седиментационной устойчивости судят прежде всего по величине коэффициента водоотстоя, т. е. по отношению объема воды, выделившейся из 250 см3 тампонажного раствора, налитого в мерный стеклянный цилиндр, за 2 ч покоя, к исходному объему раствора. Согласно нормам Американского нефтяного института (АНИ) устойчивыми считаются растворы с коэффициентом водоотстоя не более 2%, а из некоторых сортов цемента — даже не более 1,4%.

Седиментационную устойчивость полезно контролировать также в опытах с раствором, налитым в коническую колбу или в узкий высокий цилиндр. Если седиментационно неустойчивый раствор оставить в покое в конической колбе, спустя некоторое время в нем вдоль наклонных стенок сосуда появятся каналы, по которым движутся вверх струйки воды, иногда даже с комочками твердой фазы. Эти каналы сохраняются и в цементном камне, если при твердении не происходит значительного увеличения его объема.

В неустойчивом растворе, налитом в узкий высокий цилиндр, со временем образуются горизонтальные трещины, заполненные водой. Разрывы появляются вследствие того, что процесс гравитационного осаждения твердой фазы идет одновременно с образованием структуры в растворе и зависанием последней на стенках сосуда. Чем меньше диаметр сосуда, тем больше образуется таких трещин. Такие же трещины, заполненные водой, могут образовываться в скважинах, поскольку зазор между стенками ствола и обсадной колонной почти всегда достаточно мал.

Свободная вода, содержащаяся в тампонажном растворе, может отфильтровываться из него через проницаемые стенки скважины, из-за него подвижность раствора уменьшается. Поэтому важной характеристикой является водоотдача тампонажного раствора. Хорошими можно считать растворы, водоотдача которых через стандартный фильтр при перепаде давлений 7 МПа и температуре, ожидаемой в цементируемом интервале скважины, не превышает 10—15 см3 за 30 мин. Водоотдача раствора, приготовленного из тампонажного портландцемента при n=0,5, достигает 800 см3 и более.

Свойства цементного камня. Прочность камня, образующегося из тампонажного раствора, интенсивно растет в первый период твердения, продолжающийся от нескольких часов до нескольких суток, в зависимости от состава цемента, температуры, давления и других факторов. В дальнейшем интенсивность роста быстро уменьшается, но прочность постепенно может увеличиваться в течение длительного времени, нередко многие месяцы. Одновременно с ростом прочности уменьшается пластичность камня, он становится все более хрупким телом.

Прочность камня имеет большое значение прежде всего для обеспечения герметичности заколонного пространства скважин: в случае сильного повышения избыточного внутреннего давления в обсадной колонне, температуры ее или приложения к колонне осевой растягивающей силы после образования цементного камня в последнем возникают значительные тангенциальные и осевые растягивающие напряжения, под воздействием которых камень может разрушиться. Камень может разрушаться также под действием ударных нагрузок при простреленных работах в скважине.

С увеличением модуля упругости цементного камня возрастает доля радиальных нагрузок, которые воспринимаются им, к соответственно уменьшается нагрузка на обсадную колонну от избыточного давления; прочность крепи при этом увеличивается. Модуль упругости камня увеличивается одновременно с ростом прочности; в зависимости от состава камня и температуры величина его на один-два порядка меньше модуля упругости стали.

Цементный камень является пористым телом. В процессе гидратации портландцемента при невысокой температуре радиус пор уменьшается от долей миллиметра в жидком тампонажном растворе до единиц и даже сотых долей микрометра в сформировавшемся камне.

При повышенных температурах в камне может происходить перекристаллизация неустойчивых продуктов гидратации, образовавшихся в начальный период твердения, в более устойчивые при данных условиях, при этом радиус пор увеличивается. По данным В. С. Данюшевского и К.А.

Джабарова, средний радиус пор в камне трехмесячного возраста, сформировавшемся из раствора тампонажного портландцемента с n=0,5 при температуре 22°С, равен 0,012 мкм, при температуре 50°С — 0,025 мкм, а при температуре 160°С — уже 0,6 мкм. Практически непроницаемым может быть тело лишь с субкапиллярными каналами, радиус которых менее 0,2 мкм.

Даже в камне со средним радиусом пор 0,012 мкм имеется некоторое число достаточно крупных каналов с радиусом 1 мкм и более, благодаря которым камень становится проницаемым. По крупным по-ровым каналам жидкость может перетекать из одного пласта в другой или в атмосферу. Проникновение агрессивной пластовой жидкости по капиллярным каналам внутрь камня способствует интенсификации коррозии его. Важно поэтому контролировать проницаемость цементного камня и так регулировать состав его, чтобы предотвратить возможность образования значительного числа капиллярных и более крупных поровых каналов.

О коррозионной стойкости цементного камня судят по характеру изменения прочности и проницаемости, а также структуры его при длительном хранении в агрессивных пластовых водах. Для этого образцы цементного камня опускают в скважину, в которую поступает агрессивная пластовая вода, либо в специальную ванну с проточной пластовой водой для продолжительного хранения. Через определенные интервалы времени извлекают из воды часть образцов и измеряют их прочность, проницаемость, исследуют структуру. Камень можно считать коррозионностойким, если после длительного хранения в агрессивной пластовой воде (например, в течение 1 года) прочность не уменьшилась, а проницаемость не возросла.

Процесс превращения тампонажного раствора в твердое тело может сопровождаться некоторым изменением его геометрического объема. Если при твердении теста геометрический объем его уменьшается, между цементным камнем и обсадной колонной, между камнем и стенками скважины может образоваться зазор, по которому проницаемые пласты будут сообщаться друг с другом. Для цементирования скважин пригодны лишь такие тампонажные смеси, при твердении растворов из которых геометрический объем несколько увеличивается (расширяющиеся смеси) либо остается неизменным (безусадочные цементы). Конечно, увеличение объема при твердении должно идти без образования трещин и значительного числа капиллярных поровых каналов.

Другие новости по теме:

• Базовые тампонажные материалы и тампонажные смеси
• Назначение тампонажных материалов и требования к ним
• Расчет режима спуска обсадной колонны
• Спуск обсадной колонны в скважину
• Подготовка к спуску обсадной колонны в скважину
• Противокоррозионная защита обсадных колонн

Источник: fccland.ru

Цементный камень

Всем хорошо известно, что цементный камень имеет прочность на разрыве при изгибе почти ниже прочности при сжатии.

В зависимости от состава вяжущие вещества могут быть органическими и неорганическими, т.е. минеральными. Когда их затворяют водой, оно при растворении образует гидраты, которые извлекаются в мелкокристаллическом и не полностью коллоидно-гелевидном состоянии.

Цементный камень, образовавшийся вследствие схватывания и твердения вяжущего вещества, состоит из непрореагированных целиком и полностью зерен вяжущего вещества. Поверхность зерен покрывается аморфно-гелевидным компонентом и хорошо смешанными между собой новообразованными кристаллами гидрата разной величины, которые придают прочность камню. По всей массе камня, в различных местах имеются большие газо-воздушные включения — «поры», которые помогают в испарении лишней влаги, добавленной при затворении вяжущего водой вещества и, если в системе «вода — вяжущее вещество» содержится некоторое количество воздуха.

Физико-механические свойства цементных камней, полученные вследствие схватывания и твердения вяжущих веществ, находятся в абсолютной зависимости от их структуры и состава. Эти свойства определяются степенью прочности кристаллических гидрообразований, переплетаемостью кристаллов между собой, количеством и величиной пор, наличием микрощелей и микротрещин. Прочность цемента зависит от плотного переплетения между собой большого количества кристаллов маленьких размеров. Камень подвергается коррозии, если в нем много пор, капилляров, микрощелей и микротрещин, у него понижена прочность и повышено водопоглащение и вопроницаемость, это вещество является неморозостойким и нетеплопроводным.

Источник: stavcement.ru