毕业设计（论文）-复合纤维改性水泥浆及性能探讨.doc

本科毕业设计 论文 本科毕业设计 论文 题目题目复合纤维改性水泥浆及性能探讨复合纤维改性水泥浆及性能探讨 摘要摘要 目前国内外油田开采环境 技术越来越复杂 对固井水泥浆 石 的性能要求 也越来越高 本文针对近年来对纤维改性水泥浆体系研究中纤维掺量对性能影响规 律 堵漏及失水性能测试等薄弱环节进行了探讨研究 通过对陶瓷纤维 聚丙烯纤维改性水泥浆 石 抗折抗压 流变流动 失水和 堵漏的实验测试 得出了 当陶瓷纤维与聚丙烯纤维掺量在 0 2 左右时 其抗折抗 压性能分别提升 40 和 30 以上达到最优值 纤维的掺量对于水泥浆失水率存在最佳 加量 堵漏效果与纤维掺量在一定上限下成正比 水泥石提前收缩 复合改性缺陷 等结果 由于其优异的改性性能 陶瓷 聚丙烯纤维水泥浆体系在固井工程有广阔 的应用前景 关键词 关键词 固井水泥 陶瓷纤维 聚丙烯纤维 性能 抗压抗折 堵漏 西南石油大学本科毕业论文 2 Abstract At present oil field exploitation of the environment and technology get more and more complex at home and abroad solid water slurry Stone is forced higher and higher performance requirements In this paper modified in recent years on the fiber cement slurry system studies the impact the law of the impact of fiber content on the performance plugging and water loss such as weaknesses in performance make a tests conducted studies paper chose the ceramic fiber and polypropylene fiber put into the oil well cement composites together as well as one by one including rheology flexural strength performance loss of performance for optimization and research Experiments come to the conclusion When ceramic fiber and polypropylene fiber content of 0 2 its rheological properties did not deteriorate and bending around a 40 increase in performance compression performance of more than 30 this is the most valuable effect Fiber cement s slurry water content has the best rate of increase in the volume of existence plugging effect of fiber content and the next is proportional to a certain limit cement shrinkage in advance complex defects such as the result of modification Modified due to its excellent performance ceramic polypropylene fiber slurry system works in the cementing broad application prospects Keywords Cement Ceramic Fiber Polypropylene fiber Properties resist pressure Bending resistance plugging 复合纤维改性水泥浆及性能探讨 III 目录目录 1 1 绪论绪论 1 1 1 1 课题研究背景 1 1 2 固井 堵漏及油气井水泥 2 1 2 1 固井 2 1 2 2 堵漏 2 1 2 3 油气井水泥 3 1 3 纤维改性水泥浆研究现状 3 1 3 1 国外研究现状 3 1 3 2 国内研究现状 4 1 4 研究思路 5 1 4 1 纤维材料的选择 6 1 4 2 纤维材料堵漏机理分析 6 1 4 3 纤维材料增韧机理分析 7 1 5 研究内容 7 1 6 技术路线 8 2 2 实验部分实验部分 9 9 2 1 主要药品材料 9 2 2 主要实验仪器 9 2 3 水泥浆 石 性能评价 10 2 3 1 制浆 10 2 3 2 水泥浆密度的测定 10 2 3 3 水泥浆流变性能的评价 10 2 3 4 水泥浆流动度的测定 11 2 3 5 水泥浆失水测定 11 2 3 6 水泥石的制备 12 2 3 7 水泥石抗折性能测试 12 2 3 8 水泥石抗压性能测试 12 3 3 结果与讨论结果与讨论 1212 3 1 水泥浆基浆的确定 13 3 2 纤维加量范围的确定及性能测定 13 3 2 1 抗压性能的测定 14 3 2 2 流变性能的测定 15 3 2 3 抗折性能的测定 16 3 2 4 流动性能测定 18 3 2 5 失水性能测定 18 3 2 6 堵漏性能测定 20 3 3 陶瓷 聚丙烯复合纤维改性水泥浆 石 21 西南石油大学本科毕业论文 4 3 4 水泥浆 石 外观性质的影响 22 4 4 结论与建议结论与建议 2222 4 1 结论 22 4 2 建议 23 致谢致谢 2424 参考文献参考文献 2525 复合纤维改性水泥浆及性能探讨 1 1 绪论绪论 1 1 课题研究背景课题研究背景 目前国内外油田钻井越来越深 所钻地层越来越复杂 钻井过程中漏失越来越 多 由于固井所封固井段越来越长 再加上地层漏点不确定 漏失机理不清楚 固 井前虽经封堵提高地层承压能力但在固井注水泥过程中也经常出现严重漏失现象 致使水泥浆低返 轻者返高达到不要求封不严地层 重者因环空大量漏失 浆柱压 力下降压不住地层流体 造成井口带压甚至诱发井喷 此外 在油气井长期生产过 程中 当套管受到高温高压作用时 如酸化 压裂以及注蒸等 将沿径向和轴向膨胀 轴向力将在水泥和套管的胶结面上产生剪切应力 引起胶结面破坏或使水泥环产生 径向破裂 水泥环的破裂将造成油气井产量大幅度降低 地下流体对套管和水泥环 的腐蚀加剧 套管损失率上升 随着小眼井 分支井 侧钻井和薄油层井数量的增 多 对固井质量的要求也越来越高 对于小间隙环空和薄油层固井而言 由于水泥 环很薄 水泥石的完整性必须得到保证 否则油井寿命将受到严重影响 针对上述 问题 固井工程必须解决水泥浆漏失和水泥石增韧的问题 近年来 为解决固井工程中水泥浆的漏失和提高水泥石的力学性能 国内外进 行了大量的实验研究 其中采用韧性纤维复合水泥基材既能起到防漏堵漏的作用 又能达到增韧水泥石的目的 且收到了良好的效果 研究表明 纤维的加入可以有 效提高水泥石韧性和抗冲击能力 1 纤维与水泥及水泥添加剂之间具有良好的配伍 性 2 纤维的加入可以有效减小水泥石的体积收缩 提高水泥石的界面胶结强度 3 为此 应加强此方面的研究 尽快研制出一种复合纤维改性水泥浆体系 从而 保证固井施工经济 高效 安全的进行 给固井水泥作业及油气田开发带来直接的 经济效益和社会效益 西南石油大学本科毕业论文 2 1 2 固井 固井 堵漏堵漏及油气井水泥及油气井水泥 1 2 1 固井固井 向井内下入套管柱 并向井眼和套管柱之间的环形空间注入水泥的施工作业称 为固井 固井是油气井建井过程中的重要环节 固井质量的好坏不仅关系到钻井的 速度和成本 还将影响到油气井以后是否能顺利生产 油气井的寿命甚至油气藏的 采收率 在正确固井设计的前提下 固井水泥浆质量的好坏就是固井成功的关键所 在 4 固井作业被认为是一口井在整个施工过程中最重要的组成部分 而固井质量是 影响油井产能的最重要因素 固井的目的是加固井壁 固定套管 保证继续安全钻 井 封隔油气和水层 保证勘探期间分层试油及整个开采工程中合理的油气生产 固井质量的高低是保证钻井 采油等井下作业顺利进行的前提 因此 常有 油井 百年大计 固井质量第一 的说法 1 2 2 堵漏堵漏 漏失是指钻井液体在钻井 完井或修井中 完井液或水泥泥浆进入高度渗透结 构 如 砂岩 海绵状结构 例如 灰岩 以及天然或诱发性断折层 例如 白 云岩 时的全部或部分损失行为 应对堵漏是一项昂贵和耗时的过程并有几个可能 的后果 如 管的报废 井喷 额外套管柱的需求 地层损害 水泥浆薄弱地区的 贫油层的覆盖问题 钻井行业中有许多处理漏失的手段 这些方法系统可以归纳成两大类 传统方 法包括下列颗粒 纤维和片状材料与钻探阶段的钻井液或钻井 固井时的水泥浆混 合 专业的方法包括如专用水泥 膨胀水泥浆 增强增韧剂 高强度柱塞 交联聚 合物和硅酸盐系统等体系同样应用于钻井或固井阶段 固化堵漏的成功水平在很大程度上依赖与诸如生产中工程的耐久性和温度限制 等关键因素 常见的方法是在固井之前矫正漏失率 但是 在许多案件中 漏失只 涉及到固井作业中前期 一些传统的方案是在低密度水泥体系下开口井钻井或固井 阶段期间实施水泥堵漏 包括在固井期间使用堵漏材料 LCM 这些堵漏方案的成 功水平各不相同而且都需要建立一种新型的方案 14 复合纤维改性水泥浆及性能探讨 3 1 2 3 油气井水泥油气井水泥 目前国内外使用的油井水泥主要是硅酸盐水泥 是以水硬性硅酸钙为主要成分 加入适量石膏和助磨剂 磨细制成的产品 为了适应不同井深的需要和防止地层流 体中硫酸盐对水泥石的腐蚀 有多种级别 类型的油井水泥可供选用 美国石油学 会 API 规定了 8 种级别的油井水泥 我国也参照 API 标准制定了油井水泥的标准 分别为 A B C D E F G H 级油井水泥 其中 G 级和 H 级为基本水泥 与促凝 剂或缓凝剂一起使用 能适应于较大的井深和温度范围 G 级和 H 级水泥也是目前 使用最普遍的水泥 其次是 A B C 级水泥 D E F 级水泥现在很少使用 水泥 与水混合后 迅速与水发生水化反应 生成各种水化产物 水泥浆逐渐由液态转变 为固态 这一过程也就是水泥浆的凝结和硬化过程 在油井水泥中 对水泥的凝结 与硬化起主导作用的是以下四种矿物成分 硅酸三钙 C3S 硅酸二钙 C2S 铝 酸三钙 C3A 和铁铝酸四钙 C4AF 水泥水化反应后生成了如下水化产物 氢氧 化钙 水化硅酸凝胶 水化铝酸钙 水化铁酸钙 水化硫铝酸钙 在这些水化产物 中 氢氧化钙析出为大晶体 水化硫铝酸钙为较小晶体 水化铝酸钙为更小晶体状 态 含水硅酸钙和含水铁酸钙为无定形体呈胶体状态 水化硅酸钙凝胶为纤维状薄 片 从矿物颗粒上向外伸展出去 逐渐形成一连续的网状结构 与水化硫铝酸钙 氢氧化钙等晶体互相穿插 填充于水泥颗粒的空间 增加它们之间的粘结 使水泥 强度不断提高 水泥的水化反应是一个不断进行的过程 随着水化的不断进行 水 泥浆从凝胶态逐渐向结晶态发展 最后形成硬化的水泥石 在油气井固井中 水泥 的水化反应是在井下一定的温度和压力条件下进行的 温度压力对水泥的水化速度 有很大的影响 一般随温度压力的增加 水泥水化速度加快 其中温度的影响更显 著 因此 水泥浆的有关性能一般均是在模拟井下温度压力的情况下测定的 1 3 纤维改性水泥浆研究现状纤维改性水泥浆研究现状 1 3 1 国外研究现状国外研究现状 1980年 英国BRE公布了抗碱玻纤增强普通硅酸盐水泥砂浆十年龄期的材料测试 结果 显示出抗碱玻纤在普通硅酸盐水泥中耐久性仍不理想 建材院采用抗碱玻纤 增强低碱度硫铝酸盐水泥 在耐久性方面取得了良好效果 5 2003年 SPE学术论坛研究得到 AFCS水泥浆体系利用特定尺寸硅基纤维 结合 西南石油大学本科毕业论文 4 HPLW泥浆有效控制和防止高漏失 天然或人为裂缝 溶蚀孔隙地层的漏失 这些易 分散的纤维组成纤维网作为桥接固体粒子的平台 防止进一步出现漏失 现场测试 的结果证实了AFCS和HPLW固井水泥浆系统的有效性 研究结果还表明混合这种类型 的水泥浆体系不受钻管的限制甚至可用于连续油管 14 2005年 CemNet防漏水泥浆含有惰性纤维质 纤维与水泥浆混合可使常规水泥浆 体系就转变成堵漏水泥浆体系 在漏失地层中 纤维能形成一种惰性纤维网状物 有效防止固井过程中的漏失 不但能降低补救挤水泥作业几率 而且纤维水泥浆对 地层无伤害 因为纤维属于惰性材料 所以对水泥浆的稠化时间 抗压强度等性能 没有不良影响 而且配伍性和分散性好 使用纤维水泥浆 可防止固井过程中水泥 浆的漏失 保证水泥浆返到设计位置 在混浆槽中将纤维材料添加到水泥浆中 不 会堵塞混浆槽和注水泥管线 5 纤维水泥浆主要推荐用于固井时的堵漏 如固井过 程中的循环漏失及打水泥塞等 在常规固井过程中 该水泥浆体系也具有很好的堵 漏作用 Duri油田 位于印尼苏门答腊中部盆地 在钻井过程中经常发生钻井液部分 漏失或全部漏失的情况 漏速从0 16m3 h至全部漏失 采用其他堵漏方法成功率 低 成本高 后采用CemNet防漏水泥浆固井成功 Duri油田采用CemNet堵漏水泥浆 已完成了100多井次打水泥浆塞和固井作业 成功率达9O 以上 6 1 3 2 国内研究现状国内研究现状 1986年 中国建材院采用抗碱玻纤增强低碱度硫铝酸盐水泥 在耐久性方面取得 了良好效果 5 1995年 陶瓷纤维作为一种高弹模无机纤维改进 主要用作高温窑炉的耐高温绝 热材料 那几年年 同济大学材料科学与工程学院已作过碳一尼龙和碳一聚丙烯混 杂纤维增强水泥浆复合材料的研究 达到了预期效果 7 2001年 为了提高固井水泥石的韧性及抗冲击的能力 防止水泥环由于钻塞 射 孔 注采等作业的破坏出现 二次窜流 维持水泥环密封性能 延长油气井生产寿 命 大港钻采院当年开始进行 纤维水泥浆体系研究及应用 项目研究 经过两年 刻苦攻关 最近成功开发了一套固井纤维水泥浆体系 由于采用了独特的纤维表面 处理 使长达36毫米的化学纤维具有了较强的亲水性能 克服了石棉 玻纤等普通 纤维不易分散 污染大的缺点 研究开发的纤维水泥石的抗折强度提高15 以上 抗冲击功提高20 以上 静态弹性模量降低28 一68 增韧效果显著 多次模拟 射孔试验表明 该纤维水泥石能够明显提高水泥石的抗冲击性能 纤维水泥浆属于 复合纤维改性水泥浆及性能探讨 5 特种水泥浆体系 具有增韧 防漏两大特点 目前 该体系在大港油田内外已成功 应用了10口井 油层套管固井质量良好 低压易漏油气藏的固井成功率达到100 随着侧钻井 分支井技术的发展 以及低压易漏油气藏固井需求日益增多 固井纤 维水泥浆也将得到广泛应用 8 2005年 有关研究得出 1 碳一尼龙纤维混杂 可以综合高弹纤维和低弹纤维 改性作用 使水泥基复合材料获得良好的综合力学性能 高强 高韧性 2 碳一尼龙 纤维混杂后 抗弯强度 冲击韧性呈负的混杂效应 通过两种纤维参数相匹配及水 泥基体改性等 可以改变这种负的混杂技应 3 两种纤维在受力初期与水泥基体共 同抵抗外界荷载 当外力超过一定值后 各纤维对水泥基体复合材料的作用不同 决定了混杂纤维水泥基复合材料的独特力学行为4 碳一尼龙混杂纤维水泥基复合材 料抗拉强度 抗弯强度 断裂能 变形能力高于单纤维的效果 2007年 南京工业大学材料科学与工程学院针对因射孔和增产措施使油井水泥环 产生脆性破坏 从而带来层间流体窜流和套管损失率上升的问题 研制出了一种新 型复合纤维增韧剂SD 实验结果表明 加有SD 的水泥石的抗压破碎能为 17398J m 净浆水泥石为10562J m 抗拉破碎能为15897J m 净浆水泥石为 256J m 与净浆相比 加有SD的水泥石的抗冲击功提高了7l 加有SD并配合使用 0 2 USZ 1 2 F17B和3 F17A的水泥浆体的综合性能满足固井施工的基本技术要求 且SD与其它外加剂配伍性良好 2008年 芳纶纤维在砂浆内呈现三维结构 形成乱向支撑体系 在砂浆试体受外 力作用时 搭接在出现的裂缝处 阻止或阻碍裂纹的发展 缓解裂纹尖端的应力集 中现象 减少裂缝源的数量 提高砂浆的抗折 抗渗性能 9 1 4 研究思路研究思路 国内外研究虽然一直在说纤维改性水泥浆体系的优越性能 但没有具体介绍纤 维加量的对水泥浆 石 的影响规律 而且在国外研究现状中 很少有研究提到聚 丙烯纤维及有机无机纤维复合改性的结果 国内对陶瓷纤维和聚丙烯纤维等有机纤 维改性水泥浆体系也处于起步阶段 甚至有些停留在理论阶段 总的来说纤维改性 水泥浆不管是优越性能还是不良的副作用都缺少具体系统的研究 西南石油大学本科毕业论文 6 1 4 1 纤维材料的选择纤维材料的选择 用于油井水泥中的增韧纤维按其性能分为两类 一类是弹性模量高于水泥的高 强纤维 用于显著提高强度和韧性 如钢纤维 碳纤维 石棉 玻璃纤维 陶瓷等 其中陶瓷纤维在普通硅酸盐水泥基体中可长时间 至少一年 保持其抗弯增强效果 耐久性大大优于抗碱玻纤 并且价格低廉 另一类是弹性模量低于水泥的纤维 如 尼龙纤维 纤维素纤维 大部分天然纤维等 不同的纤维存在不同的问题 如钢纤维搅拌时易结团 分散均匀性差 不易施 工 且掺量大 成本较高 玻璃纤维在混凝土碱性介质中与碱起化学反应 耐久性 较差 聚丙烯纤维是一种高强聚丙烯束状单丝纤维 具有不吸水 化学性能稳定 抗温 抗酸碱腐蚀性好 不参与水泥的水化反应等特点 使用聚丙烯纤维的水泥石 可提高其抗裂 抗渗 抗冲击和耐磨能力 同时改善其韧性和延展性 10 鉴于纤维 的以上特点 本文拟采用陶瓷 聚丙烯纤维作为固井水泥浆堵漏增韧材料 另外 由于陶瓷纤维自身提高抗压强度的性能和聚丙烯自身显著提高抗冲强度的性能 通 过两种纤维混掺 根据单一复合改性的实验研究结果调整其掺量配比 以获得最佳 的复合改性水泥浆体系 1 4 2 纤维材料堵漏机理分析纤维材料堵漏机理分析 提高漏失井段的承压能力 必须根据地层漏失特性和原理 选择适合的堵漏材 料和相关体系及施工措施 目前 有关理论认为 有效的缝内桥堵方法可以提高裂 缝的承压能力 防止裂缝转向 桥堵高压下产生的支裂缝或微裂缝 选择合适的材 料进行桥堵的原理是 11 当桥堵材料的尺寸为裂缝宽度的2 3时 可稳定架桥 于裂缝之间 桥堵材料的尺寸为裂缝宽度的1 3时 可深入裂缝内部 堆积形成 桥塞 这2种材料相结合能有效而牢固地封堵裂缝孔隙 所以在地层环境条件下 一定 的温度和压力 桥塞材料应具有一定的变形能力和塑性强度 抗拉 抗折强度 与 有刚性的材料配合使用 封堵裂缝的效果最好 复合纤维改性后的水泥浆中纤维无序 均匀地分散在浆体中 封堵裂缝时 纤 维在裂缝内架桥结网 水泥颗粒则充填网孔 水泥水化胶凝后与裂缝固结 起到堵 漏承压的作用 12 复合纤维改性水泥浆及性能探讨 7 1 4 3 纤维材料增韧机理分析纤维材料增韧机理分析 纤维发挥了其阻裂增韧作用 其机理分析如下 13 由于水泥稳定粒料的早期塑 性收缩或其他原因 普通水泥稳定粒料内部不可避免地存在少量缺陷或微观裂纹 在荷载尤其是冲击动荷载作用下 材料内部缺陷或微观裂纹尖端附近将出现应力的 奇异性 巨大的应力集中降低了材料的强度尤其是抗冲击韧性 于是宏观裂缝便产 生了 而对于低掺量聚丙烯纤维水泥稳定粒料而言 尽管纤维掺量较低 但由于纤 维细度高 混合料单位体积内的纤维根数却较多 纤维呈三维乱向分布于混合料中 当水泥稳定粒料中有裂纹存在时 如果裂纹位于纤维之间而不跨越纤维 纤维的铆 固作用将阻止裂纹的扩展 在裂纹刚好穿过纤维的瞬间 基体的突然断开必然导致 纤维在与基体界面分离的部分产生应变的突变 从而使这部分纤维承受很大的拉力 此时 纤维的作用可看作是一反作用于裂纹面上的闭合力 由线弹性断裂机理模型 中最简单直接的方法 叠加法可知 由纤维等效的闭合力产生的反向应力强度因子在 裂纹穿过纤维的瞬时是巨大的 它极大地减小了裂纹总的应力强度因子 从而阻止 裂纹继续扩展 如果裂纹穿过了一系列纤维而纤维仍未被拔出或拔断 则这些纤维 产生的反向应力强度因子的总和也不容忽视 所以 纤维极大地阻止了裂纹扩展 再者 由于纤维具有较高的强度以及良好的变形能力 在裂纹扩展中纤维伸长 量较大 而纤维的伸长变形必将吸收大量能量 因此 相对于普通水泥稳定粒料而 言 复合纤维水泥稳定粒料的优势还体现在具有良好的吸收能量和变形性能 提高 材料在反复冲击荷载作用下的抵抗能力 增强材料的韧性 1 5 研究内容研究内容 通过对现有复合纤维改性油井水泥的归类研究 结合本文的研究思路开展对常 规密度的油井水泥浆进行改性 主要研究工作包括以下几个方面 1 根据不影响常规水泥浆的稳定性的原则 确定陶瓷纤维的最佳加量 将陶 瓷纤维掺混水泥干灰配制油井水泥浆 2 根据不影响常规水泥浆的稳定性的原则 确定聚丙烯纤维的最佳加量 聚 丙烯纤维掺混水泥干灰配制油井水泥浆 3 分别研究评价以上各个复合改性的油井水泥浆体系的各项性能 包括流变 性实验 力学 抗折抗压 性能实验 失水性能实验 4 根据确定加量 改变加入不同尺寸纤维的实验结果综合评价 确定复合改 西南石油大学本科毕业论文 8 性水泥浆最佳尺寸的纤维 5 确定了复合改性纤维的尺寸后改变加量 调整水泥浆的稳定性重复复合纤 维改性水泥浆的各项性能评价测试 得到一种满足固井工程应用的复合纤维改性水 泥浆体系 1 6 技术路线技术路线 复合纤维改性水泥浆及性能探讨 9 2 实验部分实验部分 本章主要介绍了实验所需的仪器 药品 制作水泥浆水泥石实验方法及水泥浆 水泥石的性能评价等 2 1 主要药品材料主要药品材料 G 级油井水泥 嘉华水泥厂 XP 1 消泡剂 河南卫辉市化工有限公司 SXY 2 分散剂 四川川峰化学品有限公司 HS 2A 降失水剂 四川川峰化学品有限公司 陶瓷纤维 6 5mm 成都锦祥科技有限公司 聚丙烯纤维 3 0mm 成都锦祥科技有限公司 2 2 主要实验仪器主要实验仪器 电子天平 精度为 0 001 电子天平 精度为 0 1 筛盘 140 目 2NN D6 型 6 速旋转粘度计 HH 8 数显恒温水浴锅 杰瑞尔电器有限公司 JJ 2 组织捣碎机 杰瑞尔电器有限公司 OWC 9380 型增压稠化仪 沈阳航空工业学院应用技术研究所 OWC 2000DBX 型恒速搅拌机 沈阳航空工业学院应用技术研究所 电子液压式压力试验机 YA 300 北京海智科技开发中心 抗折试验机 无锡机械研究所 高温高压失水仪 沈阳航空工业学院应用技术研究所 烧杯 量筒 玻璃棒 木棒 瓷砖板等 西南石油大学本科毕业论文 10 2 3 水泥浆 石 性能评价水泥浆 石 性能评价 2 3 1 制浆制浆 按 SY T 5504 1996 要求配浆 利用 140 目筛子细化水泥干灰后 称取 600 800 1200gG 级水泥 264 352 528g 水 外加剂采用外掺法 水掺量为占水泥 干灰总重的百分数 44 BWOC 将所需的水倒入搅拌浆杯中 打开低速档 4000r min 200r min 在 15s 内把配好的水泥干灰及添加剂倒入浆杯 盖上浆杯盖 倒开 调整 到高速档 12000r min 500r min 继续搅拌 35 1s 移除浆液 洗净设备 2 3 2 水泥浆密度的测定水泥浆密度的测定 在样品杯中加入水泥浆至样品杯上缘约 6mm 处 将盖子放在样品杯上 打开盖子上的单向阀 使盖子外缘和样品杯上缘表 面接触 过量的水泥浆通过单向阀排出 将单向阀向上拉到封闭位置 用水洗净 擦干样品杯和螺纹 然后将螺纹盖帽拧在样品杯上 用专用加压活塞筒吸取适量水泥浆 通过单向阀注入样品杯中 直至单向 阀自动封闭 将样品杯外壳洗净 擦干 然后将密度计放在支架上 移动游码 使游梁 处于平衡状态 读出游码箭头一侧的密度值 2 3 3 水泥浆流变性能的水泥浆流变性能的评价评价 制备好的水泥浆倒入常压稠化仪浆杯中 常压稠化仪要预先加热到试验温 度士 1 在试验温度下搅拌水泥浆 20min 后 移去搅拌叶片 在常压稠化仪中用搅 拌棒搅拌水泥浆 5s 然后倒入粘度计的样品杯中至刻度线 样品杯和内筒 外筒的 温度维持在试验温度士 2 将样品杯放在粘度计载物台上 粘度计以 600r min 的速度旋转 升高载物 台使浆液到达外筒表面刻度线处并固定 复合纤维改性水泥浆及性能探讨 11 从浆液到达外筒刻度秒开始 60s 后读出刻度盘上的读数 然后立即将仪 器转换到 300r min 的转速档 20s 后读出刻度盘上的读数 再将仪器立即转换到 200r min 的转速档 20s 后读出刻度盘上的读数 依次为 200r min 6r min 3r min 在记读数之前瞬间以及试验结束时 记录粘度计样品 杯中的水泥浆温度 用新制备好的水泥浆样品重复整个试验步骤 3 5 次 确保三次的测量值在 平均值士 1 个标准偏差以内 取这三次的测量值的平均值作为每次试验的测量结果 根据上述步骤中记录的平均温度 报告水泥浆的流变性测量 洗净设备 擦干待用 2 3 4 水泥水泥浆流动度的测定浆流动度的测定 准备瓷砖板 用少量水润湿 正中放上测量流变度的锥形容器 将刚制备好的水泥浆倒入容器中 注满后提起容器 待浆液流动稳定后 用直尺测量其长宽 将水泥浆倒入常压稠化仪浆杯中 常压稠化仪要预先加热到试验温度士 1 在试验温度下搅拌水泥浆 20min 后 移去搅拌叶片 在常压稠化仪中用搅 拌棒搅拌水泥浆 5s 1 分钟内将浆液倒入容器 进行测试 测量 记录 洗净设备 2 3 5 水泥浆失水测水泥浆失水测定定 按标准制备水泥浆 将常压稠化仪和失水仪预热到试验温度 50 1oC 稠化水泥浆 稠化完毕后 取出用木棒搅拌均匀 从加热筒中取出失水仪浆筒并关闭其顶阀 将上述浆液倒入浆筒中 并在 浆面上部至少留 19 0mm 高的空间 放置滤网 325 目 密封环和端盖 拧紧固定 螺丝 关闭失水仪浆筒的顶阀和底阀 倒置失水仪浆筒并放入加热筒内 把压力管线接到浆筒的上端 并利用氮 西南石油大学本科毕业论文 12 气瓶施加 6 9 0 07MPa 的压力 打开顶阀 从稠化仪停止搅拌到加压开始不得超过 2min 从打开底阀至用量筒收集滤液 7 分半钟 试验结束后 先关闭顶阀和压力瓶总阀 释放调节器的压力 然后取下压 力管线 缓慢打开顶阀 释放筒中压力 最后将失水仪洗干净 2 3 6 水泥石的制备水泥石的制备 按标准制备水泥浆并稠化 20min 在模具上涂黄油备用 将稠化好的水泥浆均匀倒入模具 长方形 圆柱形 中 密封好 冲洗模具表面泥浆后放入水浴锅中养护 24 48 小时 取出水泥石 清洗模具 2 3 7 水泥石抗折性能测试水泥石抗折性能测试 制备长条型水泥石 将抗折试验机的砝码调至 0 刻度线附近 夹稳待测水泥条 调整其量程为 10MPa 启动抗折试验机 待试验条折断 记录数据 关闭电源 将砝码归零 2 3 8 水泥石抗压性能测试水泥石抗压性能测试 按标准制备水泥石 圆柱形 折断的长条形 打开液压油开关 将试样放入抗压测试平台中央 启动试验机 关闭液压油开关 保持压力加量为 2 5N 当压力数值有下降趋势时停止加压 记录数值 放油 关闭电源 复合纤维改性水泥浆及性能探讨 13 3 结果与讨论结果与讨论 本实验确定了水泥浆基本配方 并掺混不同加量纤维制备了相应的水泥浆 石 测定了其流变 抗压 抗折 失水等性能 其中确定了 PP 陶瓷纤维改性水泥浆体 系的加量问题 并且发现了不少诸如水泥灰细度对实验的影响 纤维混合方式对其 配伍性的影响等问题 以下结果中 C 未加任何纤维的基浆配方 T 只在基浆中加入 一定量陶瓷纤维的水泥浆 石 P 只在基浆中加入一定量聚丙烯纤维的水泥浆 石 TP 在基浆中加入陶瓷和聚丙烯纤维的水泥浆 石 L 用于失水试验的水泥浆 3 1 水泥浆基水泥浆基浆浆的确定的确定 通过试验确定了改性水泥基浆的配方 见表 3 1 G 级水泥 0 8 HS 2A 降失水 剂 0 5 SXY 2 分散剂 44 水 表 3 1 基浆配方对比 编 号 G 级水泥 144 目 水灰 比 HS 2A 降失水剂 SXY 2 分散剂 流变性备注 180044 0 5 0 5 123 62 43 22 2 1n 0 943 k 0 067 280044 0 8 0 5 161 88 58 31 3 2n 0 949 k 0 096 380044 1 0 5 207 109 73 40 3 2n 0 912 k 0 125 流性指数 n 值趋近 1 稠度系数 K 值趋近 0 流变性优秀为最好 相对最适合水泥浆 改性 故初步选择 2 号配方 N 流动指数 K 稠度系数 300 转速为 300r min 时粘度计的读数 n 2 096log 300 100 K 0 511 300 511 n 3 2 纤维加量范围的确定及性能测定纤维加量范围的确定及性能测定 通过多次对比试验基本上确定了纤维的加量范围 陶瓷纤维在 0 18 0 03 聚丙烯纤维在 0 20 0 03 抗压抗折测试 流动性流变性测试 在此加 西南石油大学本科毕业论文 14 量范围内 水泥浆 石 的性能都有显著提升 当纤维加量低于或高于此限度时 其性能就有了或多或少的削减 甚至低于常规水泥浆体系 3 2 1 抗压性能的测定抗压性能的测定 在配水泥干灰时加入不同比例的陶瓷 聚丙烯纤维 0 15 0 2 0 22 0 3 等 搅拌均匀后稠化 养护 试验研究得出纤维的加入对水泥石的抗压性能有影响 表 3 2 1 抗压试验情况 代号陶瓷纤维 6 5mm 聚丙烯纤维 3 0mm 备注 1脆裂 20 20 裂而不散 分散均匀 表面少量纤维外溢 30 20 裂而不散 分散均匀 表面少量纤维外溢 40 30 裂而不散 纤维结团 外表面大量纤维外溢 表面粗糙 50 30 裂而不散 纤维结团 外表面大量纤维外溢 表面粗糙 有上表可以看出加入纤维后 水泥石在抗压试验中由于纤维与水泥石呈网状交 联结构 在水泥石受压情况下 纤维起到 藕断丝连 的作用 使水泥裂而不散 但纤维加量有个上限 当体系中纤维含量过高时 0 3 纤维将结团 只有少部 分水泥石内含有纤维 分散极不均匀 并且表面粗糙 表 3 2 2 抗压试验数据分析 代号陶瓷纤维 6 5mm聚丙烯纤维 3 0mm抗压强度 MPa C13 25 C22 54 T10 20 4 06 T20 22 3 95 T30 15 2 51 P10 20 4 61 P20 22 3 65 P30 15 2 20 对上表的数据可以看出 加入一定量的纤维后 水泥石的抗压强度明显变化 复合纤维改性水泥浆及性能探讨 15 当纤维加量在 0 2 附近时 水泥石的抗压强度有增加趋势 由于试样为长条试样经 过抗折试验得到 故其形状不规整 需用平均压强来表示其抗压强度 其中值得注 意的是当纤维含量在 0 2 时 水泥条的断裂面平滑整齐 上下受力面的面积几乎一 样 图 图 3 23 2 图 3 2 1 纤维改性水泥石断面路径对比情况 得出结果当两种纤维加量为水泥加量的 0 2 左右时 水泥石的抗压强度明显高 于未加纤维时的水平 当纤维加量高于 0 22 时强度开始下降 加量在 0 15 左右时 水泥石的抗压性能显著降低 甚至低于常规水泥 3 2 2 流变性能的测定流变性能的测定 在配水泥干灰时加入不同比例的陶瓷 聚丙烯纤维 0 15 0 2 0 22 0 3 等 搅拌均匀后稠化 使用 6 速流变仪测定 试验研究得出纤维的加入对水泥浆的 流变性能有影响 表 3 2 3 表 3 2 3 流变性分析 代号C1C2T1P1T2P2T3P3 流变 性 177 93 60 33 2 1 173 93 65 31 2 1 192 130 70 5 3 176 93 6 2 32 2 1 173 95 6 3 33 2 1 212 110 7 6 40 3 2 110 80 3 7 19 2 1 150 77 46 22 2 1 由上表可以得出纤维的加入对水泥浆流变性影响并未像视觉感受中那么粘稠 特别是 300 转速的对比可以看出 当纤维加量在 0 15 左右时 泥浆有变稀得趋势 摩擦压力降减弱 3 2 3 抗折性能的测定抗折性能的测定 在配水泥干灰时加入不同比例的陶瓷 聚丙烯纤维 0 15 0 2 0 22 0 3 西南石油大学本科毕业论文 16 等 搅拌均匀后稠化 做成尺寸为 40mm 40mm 160mm 试样 养护 试验研究得出 纤维的加入对水泥石的抗折性能有影响 表 3 2 4 抗折性能分析 代号抗折强度 MPa备注 C15 54 空白试验 嘉华 C24 79 空白试验 夹江 T17 52 分散较均匀 P17 92 第二试样 7 25 分散不太均匀 T25 33 分散一般 第一试样 4 82 分散不均 P25 62 其中第二组 2 55 为常温空气养护 第三组 5 90 为 50 度水 浴养护 48 小时 分散较均匀 T35 94 表面出现明显的块状凸起 分散很不均匀 T3 P3 未筛水泥灰 P37 77 其中第二组 7 35 为常温空气养护 第三组 8 35 为 50 度水 浴养护 48 小时 分散均匀但表面有缺陷 由上表可以看出纤维的加入 使水泥石的抗折强度有了不同程度的增加 从备 注可以看出纤维是否很好分散对抗折强度的影响也是不可忽视的 有备注 6 知 养 护时间与环境对水泥石的抗折性能有很大的影响 而是否筛灰对水泥石的固化成型 也有较大影响 筛后做出的水泥石外观和内部明显细腻充实 得出结果 纤维的加入对水泥石的抗折强度有很大影响 特别是在 0 18 0 2 时有很好的抗折强度 但当过多加大纤维的百分比 反倒会使水泥石的抗折性能下 降 这是由于 纤维加量的增加 使其在水泥石中的分布率 体积 纤维量 大大降 低 使纤维水泥配合出现盲区 纤维之间相互滑移 使抗折性能降低 纤维增强抗 折性能原理在于纤维本身的塑性变化以及断裂 大大消耗了水泥石断面的应力 3 2 2 陶瓷纤维断面 3 2 3 陶瓷纤维水泥断面 复合纤维改性水泥浆及性能探讨 17 3 2 4PP 纤维水泥断面 3 2 5PP 纤维水泥断面 3 2 4 流动性能测定流动性能测定 在配水泥干灰时加入不同比例的陶瓷 聚丙烯纤维 0 18 0 2 0 22 等 搅拌均匀后稠化前后 分别测试其流动性 试验研究得出纤维的加入对水泥浆的流 动性能有影响 表 3 2 5 水泥浆流动性试验分析 代号LC1LC2LC3LT1LT2LT3LP1LP2LP3 流动度常温313435282825302827 流动度 50 度353538283026303029 由上表可知 纤维的加入对水泥浆的流动性影响不大 从而使此类纤维水泥浆 在实际应用有了很大的可行性 3 2 5 失水性能测定失水性能测定 在配水泥干灰时加入不同比例的陶瓷 聚丙烯纤维 0 18 0 2 0 22 等 搅拌均匀后稠化 使用高温高压 500C 6 9MPa 失水仪测试其漏失情况 试验研 究得出纤维的加入对浆的流动性能有影响 西南石油大学本科毕业论文 18 表 3 2 6 纤维对水泥浆流动漏失性的分析 代 号 陶瓷 纤维 聚丙烯 纤维 漏失量 ml 15 漏失量 ml 7 30 备注 LC1设备故障 LC2设备故障 LC3631 8 LT10 2 630 LT20 18 728 LT30 22 532 LP10 2 731 5分散不均 LP20 18 430 LP30 22 729 由上表可知 加入纤维 0 2 左右时 水泥浆的失水量相对基浆呈下降趋势 故 可以得出结论 纤维的加入量对于失水的降低有最优值 而对于综合改性来说 0 2 加 量 是优秀的选择 得出结果纤维加入水泥浆后 可以降低泥浆的失水量 而且效果明显 在力学 性能最佳加量情况下 也能降低失水量 复合纤维改性水泥浆及性能探讨 19 3 2 6 堵漏性能测定堵漏性能测定 1 3 2 4 5 6 7 8 1 输入氮气 2 氮气 3 水泥浆 4 缝板 5 钢珠 6 滤网 7 滤液出口 8 滤液 图 3 2 6 堵漏装置示 意图 上图为堵漏试验的示意图 纤维桥接于水泥浆缝隙之间 形成网络 固定固体粒子 从而起到堵漏作用 表 3 2 7 2mm 宽缝板堵漏实验 陶瓷纤维 温度 滤液 mL堵漏效果 配方一 0 2 90 不稳定 配方二 0 4 90 不稳定 配方三 0 5 9020 堵住 配方四 0 8 9016 完全堵住 配方五 1 9016 完全堵住 西南石油大学本科毕业论文 20 表 3 2 8 2mm 宽缝板堵漏实验 聚丙烯纤维温度 滤液 mL堵漏效果 配方一 0 2 9019 堵住 配方二 0 3 9032 堵住 配方三 0 5 9075 堵住 由试验数据得知 使用的纤维密集度越高 观察到的封堵效率越好 然而 很 明显 对浆体中纤维的密集度有一个限制否则将有负面影响 如 纤维将浮在水泥 浆表面 形成 毛球 堵漏效果反而降低 3 3 陶瓷陶瓷 聚丙烯复合纤维改性水泥浆 石 聚丙烯复合纤维改性水泥浆 石 由于单独使用陶瓷纤维 聚丙烯纤维改性水泥浆 石 其抗折性能得到提高 抗压性能没有降低 甚至有上升的情况下 流变性也比较乐观 故可以使用两种纤 维复合改性 其性能测试如下 表 3 3 复合纤维改性水泥浆系统分析 代号陶瓷 纤维 聚丙烯 纤维 流变性抗折强度 MPa 抗压强度 KN cm2 备注 TP10 1 0 1 140 76 53 29 2 15 85 86分散不均 TP20 08 0 12 150 89 60 32 3 16 06 02分散不均 大部分 陶瓷纤维未断 TP30 08 0 1 138 74 52 33 2 16 25 76比较均匀 TP40 1 0 08 147 90 58 34 2 16 75 89分散均匀 一部分 陶瓷纤维未断 有上表可知 1 虽然改性后的水泥石抗 压抗折性能相对基浆水泥石都有所提升 但 效果不够理想 2 复合纤维改性的水泥浆性 能并不是简单的两种纤维改性性能的叠加 所以在抗折抗压过程中 纤维阻止破坏的作 用次序有先后 期间会相互影响 3 两种长 度差别较大纤维复合改性时 纤维易结团 建立起网状体系 造成分散不均匀 图 3 3 长度相差较大纤维混合易结团 复合纤维改性水泥浆及性能探讨 21 3 4 水泥浆 石 外观性质的影响水泥浆 石 外观性质的影响 由于纤维增韧原理 使纤维有 拉应力 且纤维在水泥浆自收缩阶段充当混凝 土体系中的固体物质 为水化产物提供空间 挤出气泡 改性后水泥石提前收缩 优化塑性收缩会产生大量裂纹的问题 如图 3 4 1 水泥灰筛否对水泥石的表面光 洁度和气孔数量有影响 未筛的水泥灰存在大量颗粒 不同的粒径会产生大量孔隙 使气泡产生 影响水泥