稻殼灰對固井水泥石性能影響研究

楊建國 程小偉

摘 要：本實(shí)驗(yàn)通過在實(shí)驗(yàn)室制備稻殼灰并測試其相關(guān)性能，然后將稻殼灰按照實(shí)驗(yàn)設(shè)定的方案加入水泥中，待其水化硬化再從宏觀和微觀兩個(gè)方面進(jìn)行分析，以此來評價(jià)稻殼灰對固井水泥石的影響因素。結(jié)果表明：稻殼灰含有孔狀結(jié)構(gòu)，是一種多孔材料，同時(shí)它易磨，易制備，經(jīng)過研磨后的稻殼灰比表面積較大，微集料填充效應(yīng)良好。另外本實(shí)驗(yàn)探究得出稻殼灰摻量為12%時(shí)，養(yǎng)護(hù)得到的水泥石試樣早期強(qiáng)度同比凈漿一天增長15%～20%，兩天增長25%～30%，因此可得出稻殼灰能改善固井水泥石的早期強(qiáng)度，最佳摻量為12%。利用XRD、SEM、EDS和TG等實(shí)驗(yàn)設(shè)備分析稻殼灰提高固井水泥石早期強(qiáng)度的原理為稻殼灰可以使水泥石中不同粒度的原料呈最密堆積，提高水泥石的致密度；稻殼灰中的高活性SiO2會(huì)與水泥的水化產(chǎn)物Ca（OH）2發(fā)生火山灰反應(yīng)促進(jìn)水泥的二次水化，生成了大量膠凝相即水化硅酸鈣，提高水泥石的力學(xué)性能和改善水泥石微觀結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：稻殼灰；火山灰活性；固井水泥石；早期強(qiáng)度；微觀分析

中圖分類號：TE256 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

近年來，隨著眾多實(shí)驗(yàn)室對油井水泥及其漿體相關(guān)性能的不斷研究，高強(qiáng)、早強(qiáng)、速凝等水泥漿的研究工作有了新的進(jìn)展和突破，但是當(dāng)今工業(yè)發(fā)展必須遵循全面協(xié)調(diào)可持續(xù)的標(biāo)準(zhǔn)，讓盡可能少的資源使用價(jià)值最大化，這為實(shí)驗(yàn)室研究固井水泥的相關(guān)性能提出了挑戰(zhàn)。諸多研究已經(jīng)證實(shí)稻殼灰在混凝土早強(qiáng)方面有著積極的作用，通過探究其原因可知稻殼灰是一種高性能的火山灰活性材料，在水泥水化后可以引發(fā)二次水化反應(yīng)，從而提高混凝土的強(qiáng)度。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備

水泥采用四川夾江水泥廠的G級油井水泥，降失水劑為G33S，另外還有SXY-2型的分散劑，稻殼灰（A、B、C）。主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備為：掃描電子顯微鏡/X射線能譜儀Quanta 450型，氮吸附比表面積及孔徑分布儀F-Sorb 3401型，組織搗碎機(jī)JJ-Z型，梅特勒-托利熱分析儀TGA/SDTA851e型等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）稻殼灰燒成

將選取好的稻殼裝入電阻爐中，從室溫升到275℃（保溫30min），再從275℃升溫到575℃（保溫120min），之后隨爐冷卻稻殼灰制備完成。

（2）水泥漿制備

用正交的實(shí)驗(yàn)方法，通過控制稻殼灰粒度不同、加量不同、養(yǎng)護(hù)時(shí)間以及養(yǎng)護(hù)溫度不同來探索稻殼灰影響固井水泥石性能的機(jī)理。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 稻殼灰分散性分析

通過圖1稻殼灰分散性測試結(jié)果圖分析可知：燒杯①中的稻殼灰經(jīng)過超聲分散30min后在水中分散均勻，但是將其靜置120min后稻殼灰?guī)缀跞砍恋碓跓撞浚欢跓谥屑尤肓私凳畡┲蟪暦稚⒑蠛蜔俚默F(xiàn)象相同，但是靜置120min后溶液仍然呈顯渾濁狀態(tài)，在燒杯底部只沉淀了微量稻殼灰，可見稻殼灰本身分散性較差，但是適量的降失水劑能夠改善稻殼灰的分散性。

2.2 稻殼灰激光粒度和比表面積分析

3種稻殼灰的激光粒度和比表面積測試結(jié)果見表1和表2。

由表1和表2分析可知，加工工藝對稻殼灰激光粒度和比表面積影響較大，但是實(shí)驗(yàn)材料差異較大勢必會(huì)造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果也有較大的差異，便于進(jìn)一步比對分析。

2.3 稻殼灰SEM分析

通過對稻殼灰SEM分析圖（圖2）可知，兩種稻殼灰都沒有固定的形態(tài)且都含有孔狀結(jié)構(gòu)，唯一的區(qū)別是稻殼灰A的粒度更小。

2.4 稻殼灰A、B、C選用

將稻殼灰A、B、C分別按配方要求加入水泥石中在20℃養(yǎng)護(hù)一天和兩天，其強(qiáng)度變化折線圖如圖3所示，可以清楚的看出稻殼灰C對水泥石的早期強(qiáng)度貢獻(xiàn)最大，故本實(shí)驗(yàn)選用稻殼灰C作為本實(shí)驗(yàn)的主要添加材料。

2.5 稻殼灰XRD/EDS分析

通過DES分析可知，在稻殼灰中存在大量的Si元素，通過計(jì)算可知這種Si是以SiO2的形式存在的；為了進(jìn)一步探究SiO2的晶型，對稻殼灰做了XRD測試，測試結(jié)果如圖4所示，經(jīng)過分析稻殼灰中存在的SiO2是非晶（無定形）態(tài)，這與實(shí)驗(yàn)預(yù)期相符，也是之所以選用稻殼灰的基本原因。

2.6 稻殼灰水泥漿密度和流動(dòng)度分析

通過測試稻殼灰水泥漿的密度和流動(dòng)度可知（見表3），稻殼灰對水泥漿的密度影響不大（可忽略），但是隨著稻殼灰加量的增加，水泥漿的流動(dòng)度呈減小趨勢，從圖5可以清楚地看出稻殼灰水泥漿流動(dòng)度的變化趨勢。

后生成的Ca（OH）2與稻殼灰中的高活性SiO2發(fā)生了二次水化反應(yīng)，降低了水泥石Ca（OH）2的含量，生成了大量二次水化產(chǎn)物，提高了水泥石的早期強(qiáng)度。

結(jié)論

（1）稻殼灰對水泥漿密度無影響，但對其流動(dòng)度有顯著影響。

（2）稻殼灰含量為12%時(shí)對固井水泥石早期強(qiáng)度貢獻(xiàn)最大。

參考文獻(xiàn)

[1]郭小陽，程小偉，張春梅，等.油氣井水泥生產(chǎn)與應(yīng)用[D].西南石油大學(xué)，2014.