（油气井工程专业论文）矿渣—粉煤灰混合胶凝体系研究.pdf

摘要 s l a g f l ya s hmlx e dc e m e n titio u ss y s t e mr e s e a r c h a b s t r a c t e n e r g ys a v i n ga n ds y n e r g ya r ea l w a y st h ep r o b l e ma c c e p t e d t i m e sa t t e n t i o n si nt h e p e t r o l e u mm a n u f a c t u r i n ga n dd e v e l o p i n gi no u rc o u n t r y t h i sd i s s e r t a t i o ni sp u tf o r w a r db yt h e p r i n c i p a lt a r g e ta sa c h i e v et h em a n u f a c t u r i n ga n dd e v e l o p i n go fl o w - c o s ta n ds a v i n ge n e r g y m a t e r i a lt h eo i la n dg a sw e l lc e m e n t i n gj o b i ti sp u ta st h ec e n t e rc o n t e n tt h a tu s i n gt h e i n d u s t r i a ld i s c h a r g es l a ga n df l ya s ha st h ef u n d a m e n t a lm a t e r i a lt od e v e l o pt h en e w c e m e n t i n g m a t e r i a lw i t h o u tc e m e n tc l i n k e r t h r o u 【g hd o i n gt h eb e s tt ol a u n c ht h es y s t e m a t i c a le x p e r i m e n t a n dt h e o r e t i c a lr e s e a r c ht ot h es y s t e m l o o k i n gf o ra n dd e v e l o p i n gt h ep r a c t i c a b l ew a ya n dt h e s y s t e md e s i g nm e t h o do fn e wc e m e n t i n gm a t e r i a l c a l lb ec o n t e n t e dt ot h ec o n v e n t i o n a l c e m e n t i n gj o bd e m a n d t h ec o m p l e t i o no f t h ed i s s e r t a t i o nr e s e a r c ha c h i e v e m e n t ，n o to n l yc a n d i r e c t l yr e d u c et h ec e m e n t i n gm a t e r i a lc o s ta n de n h a n c et h eb e n e f i to fo i la n dg a sf i e l d e x p l o i t i n g ，b u ta l s oc a l le x p a n dt h ea p p l yo fi n d u s t r i a lw a s t e ri np r o d u c t i o n i ta l s oh a sv e r y i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ei ns o m ep a r t ss u c ha ss a v i n gp r o d u c t i o nr e s o u r c e sa n de n e r g ya n d p r o t e c t i n ge n v i r o n m e n t o nt h eb a s eo fa n a l y z i n gt h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp e r f o r m a n c eo fs l a ga n df l ya s h ，t h e d i s s e r t a t i o na n a l y z e sa n dr e s e a r c h e st h eh y d r a t i o np r o c e s s ，h y d r a t i o np r o d u c t s ，m o r p h o l o g ya n d m i c r o s t r u c t u r ef o rt h em i x e dc e m e n t i t i o u ss y s t e mb yu s i n ge q u i p m e n ta sx r da n ds e me t c i t r e v e a l st h el a wa n dm e c h a n i s mo fh y d r a t i o na n dh a r d e n i n gi nt h es l a g 。f l ya s hm i x e d c e m e n t i t i o u ss y s t e m a n dt h r o u g hc a r r y i n go nt h er e l a t e ds u r v e ya n da n a l y s i st ot h em a i n e n g i n e e r i n gc a p a c i t yt r a n s f o r m a t i o no ft h em u l t i - c o m p o n e n ts y s t e mf o r m e db ys l a ga n df l ya s h i nd i f f e r e n tc o m p o n e n ta d d i t i o n ，d i f f e r e n ta c t i v a t o ra n da d d i t i v e sc o m p o n e n ta n da d d i t i o n ， d i f f e r e u tw a t e r - c e m e n tr a t i oc o n d i t i o n ，s u c ha sf l o wp r o p e r t y , r h e o l o g i c a lp r o p e r t y , t h i c k e n i n g p r o p e r t y , w a t e rl o s s ，p e r m e a b i l i t ya n ds t r e n g t hp r o p e r t ye t c i tp u t sf o r w a r dt h el a wt h a tt h e f a c t o r sa sg r a i nf r a c t i o n ，c o m p o n e n ta d d i t i o n , w a t e r - c e m e n tr a t i oe t c o fs l a g ，f l ya s ha n d a l k a l i - a c t i v a t o ra n do t h e ra d d i t i v e sa f f e c tt h ee n g i n e e r i n gc a p a c i t yo fm i x e dc e m e n t i t i o u s s y s t e m t h u si te v a l u a t e st h ea p p l i c a t i o n so f t h em i x e dc e m e n t i t i o u ss y s t e mo p t i m i z e d t ot h eo i l a n dg a sw e l lc o n v e n t i o n a lc e m e n t i n gj o b t h e r e b yi tc a r ts u p p l yt h et e c h n i c a ld e v e l o p m e n t t h e o r y , t h ee x p e r i m e n tf o u n d a t i o na n dt h ep r a c t i c a b l ew a yf o re x p l o r i n gt h es a v i n ge n e r g y , p r o t e c t i n ge n v i r o n m e n ta n dl o w c o s tc e m e n t i n gf l u i ds y s t e m k e y w o r d s ：s l a g ，f l ya s h ，c e m e n t i t i o u ss y s t e m ，h y d r a t i o n a n d h a r d e n i n g ，w a t e r - c e m e n tr a t i o l i 大庆石油学院硕士研究生学位论文 第1 章前言 自从1 9 世纪末波特兰水泥诞生以来，水泥混凝士作为建筑材料已有1 0 0 多年的历史。 到目前为止，它仍然是世界上最大宗的建筑材料。经过漫长的历史发展，水泥混凝土技术 日趋成熟和完善，但波特兰水泥固有的缺陷也日益显露出来。吴中伟院士生前曾经指出， 2 0 世纪9 0 年代以来，我国水泥工业走上了一条高产、高耗、低效、高环境负荷的不可持 续发展道路，必须通过科技创新加以根本性的改造。 同时。鉴于长期以来我国水泥工业高能耗硅酸水泥产量低的问题，国家建材工业“十 五”规划也明确要求：“从可持续发展和环境保护的高度出发，利用工业废料来生产和发 展新型水泥。”1 9 9 9 年国家颁布新的水泥标准，规定工业废渣的最大掺配量可达7 0 。中 国每年的矿渣产量非常大，如果这些矿渣得不到有效利用，必然会对环境造成难以估量的 污染，也将造成巨大的能源浪费。因而如何有效地利用高炉矿渣成为迫在眉睫的问题。而 粉煤灰是排放量最大的一种工业废料，在所有燃煤副产品中占有绝对大的比例，中国又是 世界上最大的生产和消耗煤炭的国家，特别是改革开放以来，电力工业迅猛发展，导致粉 煤灰排放量逐年锐增，目前粉煤灰的排放量已接近2 亿吨。由于粉煤灰粉尘大，污染大气 环境。若采用湿排灰，既浪费大量水资源，又污染地下水。因此粉煤灰综合利用一直是我 国政府多年来研究解决的重要课题。另一方面，我国的水泥产量连续多年居世界首位，2 0 0 2 年水泥产量达到7 3 亿吨，占世界水泥总产量的1 3 以上。如此大的水泥产量对生态环境 造成了极大的破坏作用，每生产1 吨水泥熟料大约向大气中排放1 吨的c 0 。如果按照目 前的水泥工业生产状况发展，对大气环境造成的影响将是灾难性的。水泥混凝土行业必须 走可持续发展之路”2 。 油井水泥是油气井固井施工中用于将套管与周围地层进行胶结封固、封隔地层流体、 避免井下地层问油、气、水窜通的主要材料。其对浆体的流动性能、稠化性能及硬化水泥 石的强度等都有特定的要求。由于井下情况十分复杂，且存在较大差异，因此需采用相应 的水泥品种及选配合适的外加剂来保障安全施工及工程质量“。目前，国内外已研制和 开发出能够满足各不同井深基本条件的多种基本油井水泥及几千种外加剂，这些基本油井 水泥及外加剂的商品市场化，为解决和提高油气井固井质量提供了基础m 3 。然而，油气 井固井作业是将水泥浆泵送入几百米或几千米的井下并要顶替出井内原有钻井液的一种 特殊注替作业，井内的压力和温度等都将对这种作业过程本身及配制的浆体的性能及硬化 体系的性能产生明显的影响，并对浆体的密度、流动性能、稠化时间、初终凝时间、水泥 石强度、渗透性、长期稳定性及耐地层流体或地面注入增产介质侵蚀等多性能方面提出了 非常严格的要求。因此，目前国内外市场上所提供的以波特兰水泥熟料矿物成分为主要组 分的基本油井水泥的成本要远远高于建筑行业中使用的普通硅酸盐水泥，导致固井作业成 本较高，不利于提高油气井开采效益睁。由此，研制和开发出低成本固井胶结材料一直 第1 章前言 是石油专家和石油工作者探询降低固井成本实现节能增效的不懈的努力方向之一。 目前，随着水泥制造技术及水泥化学理论的不断进步和深化，人们对矿渣及粉煤灰的 组成、玻璃体结构及其潜在的水硬活性有了更加充分的了解和认识，相继有大批学者在借 鉴矿渣硅酸盐水泥及粉煤灰硅酸盐水泥的制造、混配技术及水化硬化机理的基础上，将其 引入到油气井固井水泥的研制与开发中，提出了以基本油井水泥为基础掺加矿渣及粉煤灰 的矿渣油井水泥和粉煤灰油井水泥，并对其水化硬化规律，特别是工程性能及工程适用性 等进行了较为深入的研究“”1 。结果表明，由于矿渣和粉煤灰本身具有的特殊性质，其能 够在碱激发的条件下与水泥共同水化，再复配以合适的外加剂的调节，这些特殊的油井水 泥能够在保证体系实现合格旌工的同时，获得比纯油井水泥更理想的特殊作用效果。如： 矿渣能有效地消除水泥材料与地层泥饼不相容问题，能提高胶凝材料的抗高温性能和耐腐 蚀性能等；而粉煤灰的掺入能有效降低配制浆体的密度，且其配制的低密度水泥浆体系不 仅能保证硬化水泥石强度而且具有低渗透性能和良好的防腐蚀性能“8 ”1 。可见，矿渣和粉 煤灰作为工业废料，不仅其价格低廉，用其配制油井水泥浆时能够节约水泥材料的用量而 降低固井成本，而且配制的复合水泥体系又具有很多有利于提高固井质量的优良性能。因 此，导致越来越多的专家和学者对如何进一步提高矿渣及粉煤灰在油井水泥中的应用力 度、扩大其用量方面给予了极大的关注，成为石油工业降低油井水泥材料成本的可选择的 重要途径之一。 依据矿渣和粉煤灰的水硬特性和规律，将该两种工业废料混合复配，在碱激活剂的作 用下能够形成良好的水硬性胶结体系，称为碱激活胶凝材料。早在3 0 年代随着矿渣一石 灰胶凝材料出现以来，人们即对这一概念有了初步的了解和认识。此后又根据类似的原理 开发出了t r i e f 水泥。8 0 年代中期，美国市场上出现了一种新型胶凝材料的p y r a m e n t 水泥，该水泥为碱激活的含有有机缓凝剂的混合波特兰一火山灰水泥。“，芬兰也开发出了 一种f 水泥，这种f 水泥使用一种能发生碱性反应的多组分掺和剂来激活磨细的高炉矿渣、 粉煤灰和其它火山灰。据报道，生产这种混合水泥主要是为了满足建筑行业对快硬高强胶 结材料的需求。这一时期，很多学者先后开展了对这些非波特兰系统的有关理论和规律研 究锄4 1 。 由于可以节省大量的水泥原料、资源、能源及资金，利用各种具有潜在活性的工业废 料开发激活胶凝材料的研究近年来获得了极大的推动力，并日趋为水泥专家所重视，逐渐 成为二十一世纪节能低成本、环保水泥研究和开发的战略方向之一。冽。2 0 0 1 年以来， m o s t a f an y 、w a n gk u e n s h e n g 、邹伟斌、陈美祝等人。”1 先后对水冷及气冷矿渣在不同 温度下的水化活性、粉煤灰一矿渣混合水泥、钢渣一矿渣一粉煤灰复合硅酸盐水泥等方面 进行了进一步的深入研究。他们以分析矿渣一粉煤灰混合体系的水化活性特点为基础，探 讨了矿渣一粉煤灰在各自所选定的碱激活剂作用下混合体系的水化反应规律，并探讨了有 关激活剂加量的优选及其对相应性能影响规律。为今后继续深入研究和开发工业废料混合 胶凝材料提供了新起点。 大庆石油学院硕士研究生学位论文 碱激活矿渣一粉煤灰混合体系的水化和硬化规律比较复杂，这一方面与研究者所选用 矿渣及粉煤灰在组成及结构特性上存在差异有关，同时与所采用的碱激活剂及加量有密切 关系，还必然与为了调整混合体系浆体及硬化体性能而加入的其它掺料和外加剂及其混掺 量密切相关等因素所造成的。根据目前有关该方面的研究状况，矿渣一粉煤灰体系的水化 硬化机理及相关问题仍没有得到彻底解决，而在石油工业领域内尚属空白。承待迸一步深 入从体系水化规律、产物变化特点、硬化体显微结构及性能等规律及其与激活剂及外加剂 作用影响规律等方面开展研究。 本文是以实现石油固井低成本节能材料的研制与开发为主要目标而开展的有关基础 性研究的课题。主要通过对矿渣、粉煤灰、激活剂、外加剂及相关外掺料多元组分体系的 水化硬化过程中体现的工程性能变化规律等内容的深入研究，明确各组分物性及加量等对 浆体流动性、流变性、凝结特性、硬化体强度等主要工程性能的影响规律及本质，找寻和 开发出能够满足常规固井作业要求( 井深2 5 0 0 m 以内井底静止温度小于1 0 0 。c ) 的胶结封 固新型配浆材料的可行性途径及体系设计方法。本文研究成果的完成，对于进一步深化低 成本节能固井材料的开发与工业化应用具有重要的意义，其最终研究成果不仅能直接降低 固井水泥材料成本、提高油气田开发效益，而且能够进一步扩大和深化我国工业废料在生 产中的应用，对于节约水泥生产资源和能源，保护环境等方面均具有十分重要的意义。同 时，所获得的研究成果将对这种节能低成本材料在建筑等民用领域中的应用产生较强的推 动和促进作用，弥补我国石油工业在该方面研究的不足或空白，丰富和发展油井水泥及胶 凝材料学理论。 第2 章矿渣耪煤灰蔼合腔凝体系的组成及性质 第2 章矿渣一粉煤灰混合胶凝体系的组成及性质 2 1 磨细矿渣的形成、作用与性能 矿渣又称粒化高炉矿渣，是由高炉炼铁熔融的矿渣骤冷时，来不及结晶而大部分形成 的玻璃态物质。其主要成分由氧化钙、氧化镁、氧化硅和氧化铝组成，共占总量的9 5 以上，它具有较高的潜在活性，在激发剂的作用下，与水化合可生成具水硬性的胶凝材料。 过去矿渣是作为一种工业副产品( 废渣) 丽使用的，使用最多豹是在水泥生产中与水 泥熟料共同粉磨制备矿渣水泥，由此而基本解决了矿渣作为工业废渣的综合利用问题。但 1 9 世纪8 0 年代日本学者在研究中最早发现，由于矿渣易磨性差，与水泥熟料共同粉磨时 细度往往偏粗而活性得不到有效发挥m 3 。如果将矿渣单独粉磨，粉磨到预定细度后掺入到 水泥中或在拌制混凝土时加入，则其活性可以得到充分的发挥。这种细度和颗粒细小的粉 末矿渣就是磨细矿渣。磨细矿渣的化学成分和活性指标见表2 1 。 表2 - 1 磨细矿渣的化学成分 抗压强度比 化学成分 s i 0 2a 1 2 0 3f e 2 0 3 c a o m g o 7 d 2 8 d 含量， 3 l - 8 21 6 0 7 1 8 73 7 7 88 4 67 1 o 8 8 o 2 1 1 矿渣和磨细矿渣的产生 矿渣( 也叫高炉矿渣) 是高炉炼铁的副产品，经加工处理，主要用于制作建筑材料。 在铁厂的产生过程可简要分为以下几个步骤。 ( 1 ) 出渣 商炉生产过程中，入炉的各种原燃料经冶炼后，除获得铁水( 炼钢生铁或铸造生铁和 副产品高炉煤气以外，铁矿石中的脉石燃料中的灰分和溶剂融合就形成液态炉渣，其一般 温度为1 4 5 0 1 5 5 0 c ，定时从渣口、铁口排出。通常就将从渣口排出的炉渣称为“上渣”， 从铁口随同铁水排出的称为“下渣”，下渣中往往混有少量铁水。高炉矿渣的化学成分取 决于原料成分、冶炼铁种、操作方法的冶炼过程中的炉矿变化。 ( 2 ) 水淬 从出渣口出来的矿渣熔融体密度为2 3 2 8 9 ，c m 3 ，比铁水轻，因而浮在铁水上面，定 期从排渣口排出，经水或空气急冷处理成为粒化高炉矿渣。对于急冷，常用的处理方法主 要是水淬处理。将溶渣用水急剧冷却，将溶渣粒化为细小的固体颗粒，即为水渣。水渣脱 水后，供水泥厂使用。作为水泥原料对水渣的化学成分及物理性能都有一定的质量要求。 大庆石油学院硕士研究生学位论文 高炉矿渣的化学成分除用特殊矿石冶炼的以外，一般都能满足质量要求，而且炉渣的化学 成分取决于高炉冶炼工艺，水淬处理不能改变炉渣的化学成分。对水渣的物理性能要求玻 璃化率要高于9 5 ，这取决于炉渣的溶渣的急冷速度，急冷速度快则玻璃化率高。溶渣 温度高，水淬用水的温度低，水量大，渣与水接触良好，有利于提高玻璃化率。对水渣成 品还要求含水量低、堆密度大和粒度细，以减少水泥厂的能耗和降低运输费用。水淬方法 主要有泡渣和冲渣两种。 ( 3 ) 粉磨磨细 为了更好的发挥矿渣的性能，使其充分利用，需要对矿渣进行单独磨细。作为掺合料 的细度( 比表面积) 大小直接影响掺合料的增强效果，原则上讲磨细矿渣粉的细度越大则 效果越好，但要求过细则粉磨困难，成本将大幅度提高。综合考虑磨细矿渣粉的细度( 比 表面积) 以4 0 0 6 0 0m 2 k g 为佳。从不久前颁布执行的g b 厂r 1 8 0 4 6 2 0 0 0 标准看来，只 要将矿渣比表面积控制在4 2 0 4 5 0 m 2 k g ，即可满足标准中$ 9 5 级要求。高炉矿渣以玻璃 体为主，活性较高，能磨细到比表面积6 0 0 8 0 0m 2 蚝，将产生很高活性，但矿渣磨细较 难，在实际生产中磨细到4 0 0 5 0 0m 2 k g ，一般认为就已经比较好。 2 1 2 磨细矿渣的作用机理 矿渣微粉颗粒呈球状，表面光滑致密，主要化学成分为s i 0 2 、a 1 2 0 3 、c a o ，具有超 高活性，将其掺入水泥中，水化时活化s i 0 2 、a 1 2 0 3 与混合胶凝体系中产生的c a ( o h ) 2 反 应，迸一步形成水化硅酸钙产物，填充于空隙中。较细的矿渣掺和料将增加与其它掺和料 的接触面积，即影响其与c a ( o h ) 2 发生反应的有效面积，从而也就影响其与c a ( o h ) 2 反应 程度及水化产物的数量和质量。 同时，矿渣微粉包裹在水泥粒子周围及桌料周围，由于其超细化，增加了界面处的质 量，较多的硅质材料、水泥粒子密集于界面处产生较多的水化物，使界面连接牢固。水化 产物一水化硅酸钙凝胶填充于空隙中，增加密实度，大小粒子堆积，填充降低了空隙尺寸， 生产的微细结构与孔结构均比普通水泥石细得多，这样能够减小离子扩散率，获得好的抗 侵蚀性、耐久性和高强度。磨细矿渣吸附水及外加剂较少，有一定的减水作用，一般可使 混凝土减少用水量5 左右，可替代水泥1 5 - - 3 0 。将其掺入水泥中，拌制混凝土，能 增大混凝土的塌落度，减慢混凝土塌落度的损失，其效果比掺入缓凝剂等外加剂更有效， 将显著改善混凝土流动性能。 另外，混凝中掺入矿渣微粉，可使混凝士强度增加，且其抗压强度基本上是随所用 的细度的增加而增大，使混凝土有良好的长期强度性能。 磨细矿渣之所以有这些优点，主要是因为在高炉炼铁的过程中，对铁矿石、溶剂矿 石( 石灰石) 的质量品位、冶炼温度、炉内气氛以及矿渣的水淬作业等均有严格的技术 规范，所以不仅生铁的成分稳定合格，而且其熔渣及矿渣的成分也相当稳定，始终在一 第2 章矿渣一粉煤灰混合胶凝体系的组成及性质 定的范围之内。 水泥中加入矿渣微粉促进了水泥水化反应，并大量消耗了水化产物c h 晶体，具有十 分明显的火山灰效应。矿渣微粉的反应活性随细度的增大而增大，具有极高细度的超细 矿渣在较早龄期( 3 d ) 即开始参与调节水泥水化过程和显示火山灰效应，这与普通细度 较小的普通磨细矿渣不同，一般认为，较小细度的磨细矿渣的反应较慢，只在7 d 或1 4 d 以后甚至更晚时间才开始参与水泥的水化过程，并且反应的程度较弱而极细小的矿渣颗 粒在水泥的水化早期参与反应，形成a f t 晶体结构骨架及大量消耗块状c h 晶体，增大早 期c - s h 凝胶的生成量，使浆体在早期形成较密实和坚固的结构，从而，改善水泥混凝 土的一系列性能。磨细矿渣在混凝土中除具有显著的微颗粒效应外，还可起到一种独特 的微颗粒效应，即： 暴露更多的内部缺陷，增大颗粒反应面积，提高反应活性和反应机会： 改善胶凝材料系统的颗粒粒径分布，使系统的颗粒堆积更为紧密和合理，从而改善 新拌合物的工作性能以及硬化混凝土的微结构： 均匀分散的微颗粒在水泥水化中可起到类似的“晶核效应”的作用，提高凝胶体形 成数量并使水化产物在整个浆体内部空间的分布趋于均匀。 在水泥与混凝土中掺入活性细磨掺合料之后，混凝土的强度提高、耐久性得到改善。 主要原因是掺入足够数量的活性细磨掺合料之后，微细粉在水化过程中能起到晶核作用， 促进硅酸盐矿物的水化，提高了水泥石结构的密实度。掺料中的活性s i 0 2 能逐步与水泥 石中的c a ( o i a ) 2 和高碱性水化硅酸钙产生二次反应，生成低碱性水化硅酸钙，同时c a ( o h ) 2 也与掺合料中的活性a 1 2 0 3 反应，生成水化铝酸钙，或与s i 0 2 及a h o ) 生成水化铝酸钙。 这样，使水化产物的数量增多，又使不稳定的高碱性水化物转向低碱性的稳定的水化物， 使水泥石结构致密、稳定，从而使其强度及性能得到大幅度提高和改善。 2 1 3 磨细矿渣的性能 磨细矿渣是无熟料水泥的主要成分，它具有很大的潜在活性，当达到一定细度时，在 激发剂的作用下，在表面能形成许多硅酸根离子。它们与钙离子一起溶于水，由于离子的 扩散速度不一，因此在达到一定的浓度后在矿渣表面会形成低富硅层或在附近形成c s 比的c s h 层。随着激发作用由表及里，c s h 层剥离，向液相空间转移，促进了凝胶体 的大量形成，为浆体叠合形成沸石类水化产物创造条件。 在采用无熟料水泥配制的高性能混凝土中，由于碱含量超过了普通硅酸盐水泥中不大 于0 6 规定的要求，当集料中含有活性离子时，会不会引起混凝土的碱集料反应，这是 人们十分关注的问题。众所周知，磨细矿渣、粉煤灰、火山灰等活性矿物掺合料是碱骨料 反应的良好抑制剂，在硅酸盐水泥中掺入2 0 3 0 磨细矿渣，可有效的抑制此种反应。 当矿渣掺量超7 5 ，则水泥中无论含有多少碱，都不会引起膨胀破坏。无熟料水泥混凝 大庆石油学院硕士研究生学位论文 土中，矿渣含量达8 5 9 0 ，总碱量以r 2 0 计小于3 ，且所有碱组分全部参加反应， 生成不溶性凝胶体，空隙中没有游离状态的碱和富余的碱存在，凝胶体也不再产生颗粒反 应或逆反应，所以不会产生碱骨料反应。另一方面，无熟料混凝土致密的结构和优异的抗 渗性能限制了自由水分进入混凝土的毛细孔道，因此造成碱骨料发生的外部条件( 潮湿的 工作环境) 不具备，致使碱骨料反应和各种条件和渠道都被切断、破坏。 2 1 4 磨细矿渣的标准及相关要求 在矿渣的国家标准g m l 8 0 4 6 2 0 0 0 中有以下几项规定。 ( 1 ) 定义 粒化高炉矿渣( 简称矿渣粉) ：符合g b t 2 0 3 标准规定的粒化高炉矿渣经干燥，粉磨 ( 或添加少量石膏一起粉磨) 达到相当细度且符合活性指数的粉体。矿渣粉磨时允许加入 助磨剂，加入量不得大于矿渣的1 。 ( 2 ) 技术要求 矿渣粉皮符合表2 2 的规定。 表2 - 2g b t 18 0 4 6 2 0 0 0 1 、a b l e2 - 2g b ，n8 0 4 6 2 0 0 0 项目 级别 s 1 0 5$ 9 5$ 7 5 密度，( g e r a 2 ) = 2 _ 8 比表面积( m 2 k g ) ； 3 5 0 7 d 9 5 7 5 5 5 活性指数， = 2 8 d1 0 59 57 5 流动度比o e = 8 59 09 5 含水量， = 4 5 4 0 细度 o 0 8 0m m 方孔筛筛余量1 5 2 5 三氧化硫 -l o 2 o 烧失量 =5 o 1 0 0 大庆石油学院硕士研究生学位论文 本论文实验中所用的粉煤灰的各项检测参数见表2 - 9 。 表2 - 9 实验粉煤灰由黑龙江省建筑材料质量监督检验站的检验报告 t a b l e2 - 9t h ed e t e c t i o nr e p o r to f t h eb u i l d i n gm a t e r i a lq u a l i t ym o n i t o r i n gd e t e c t i n g 序号检验项目标准要求 实测值单项结论 1 需水量比( ) 1 1 51 0 0符合 2 细度( 0 0 4 5 m m 方孔筛) ( ) 4 52 7 符合 3 烧失量( ) 1 50 4 符合 4 s 0 3 ( ) 3o 3 符台 5 s i 0 2 ( ) 6 2 3 6 f 0 2 0 3 ( ) 5 o 7 a 1 2 0 3 ( ) 2 1 3 8 含水量( ) 0 ，0 l 9 2 8 天抗压强度比( ) 6 27 9 符台 第3 章矿渣一粉煤灰混合胶凝体系的颗粒级配 第3 章矿渣一粉煤灰混合胶凝体系的颗粒级配 以工业副产品或天然矿物为原材料，进行磨细加工的矿物掺合料已成为高性能混凝土 的重要组分。目前使用最多的矿物掺合料有矿渣、粉煤灰、硅灰等。以往对矿物掺合料的 研究大都集中于研究其细度、活性及掺量对混凝土性能的影响，普遍认为矿物掺合料颗粒 越细，其活性发挥的越好。”。因此，矿物掺合料粉磨加工生产出现追求更高细度的倾向， 虽然取得了良好的效果，但由于大大增加了粉磨时间，提高了成本。 颗粒密集堆积理论研究结果表明，当材料颗粒在达到一定细度的情况下，采用合理的 颗粒粒度级配能够有效地提高集料的强度和降低集料的渗透性能。因此，如果将矿物掺合 料加工成完全均一细度的细粉，而不从颗粒级配上对材料进行配比设计，掺入混凝土后并 不一定能发挥微观填充作用，实现有效改善集料体系性能的目的。为此，本文以颗粒密集 堆积理论为基础，通过对比不同细度的粉煤灰、矿渣这两种矿物掺合料以不同比例掺配后 形成的粉体颗粒级配及胶凝试件的强度，探讨在胶凝材料颗粒级配逐渐趋向于紧密堆积时 对水泥胶砂试件强度的影响。 3 1 紧密堆积理论 常规固井水泥浆在混合和泵送顶替时的最优性能与长期层间封隔水泥环柱所要求的 力学性能总是矛盾的，在密度低或高时矛盾更加突出。由于材料力学的发展，材料科技工 作除关注化学键力的开发外，更注重颗粒间范德华力的开发，并发现紧密堆积理论是获得 高性能固井材料的关键。利用紧密堆积理论与颗粒大小分布技术，使微细胶凝颗粒挤入材 料的空隙，材料的胶空比大幅度降低，提高颗粒间的范德华力，从而创造出了新的高性能 凝胶材料。但用于紧密堆积的微细胶凝颗粒应是水化膜薄、外型呈球形、具有较好的活性 颗粒。因此通过线性堆积密度模型以及二元系统的最大堆积密度与微细胶凝材料直径的关 系，可以提出二元系统最大堆积时微细胶凝材料的体积分数为o 1 8 0 2 7 ，