關于水泥石增韌材料研究的現狀分析

杜琴嵐 俞嘉敏 高 哲

（西南石油大學材料科學與工程學院，四川 成都 610500）

水泥是一種水硬化無機膠黏材料，因其原材料易獲取、生產工藝簡單、成本低、強度大等特點，目前被廣泛地應用在建筑、道路、橋梁、油井等領域[1-2]。本文將全面介紹纖維等水泥石增韌材料的研究現狀，梳理分析各類增韌材料的優點與不足。

1 國內外研究現狀

纖維是指粗細為幾微米到上百微米的柔軟細長體，包括礦物纖維、無機纖維和合成纖維，具有較大的長徑比（>1000）。晶須是一種纖維類的單晶材料，其直徑與長徑比較小，晶體內部不存在晶界、位錯、空穴等缺陷，因此其具有較高的拉伸強度與模量[1,2]。學者研究得出：纖維水泥石不僅在各種性能方面超過了普通水泥石的性能，而且還彌補了在各種工況條件下的不利因素，因此關于纖維水泥石的研究成為國內外學者的研究熱點[3]。目前應用較多的纖維類材料分類如表1所示[4,5]：

表1 纖維的分類

由于纖維材料具有較高的拉伸強度與彈性模量被用來增強水泥基材料的技術在較早之前就得到了應用。早在50年前，將尼龍、聚丙烯這兩種有機纖維與玻璃、碳纖維這兩種有機纖維混雜來提高水泥基材料的微觀結構與抗沖擊能力。二十世紀末，研究了高延性纖維增強水泥基復合材料(ECC)，從纖維、基體和界面微觀力學性質出發，預測了不連續纖維復合材料的各種單軸載荷-變形行為，得出了ECC材料相對于傳統水泥基材料具有更好的耐久性和安全性。

近年來，纖維類增強材料在油井水泥上也得到了進一步的研究。碳纖維具有較高的強度與彈性模量，優異的耐高溫和耐腐蝕性能，是一種高強度纖維。李明等[5]探討甲基纖維素（MC）和羧甲基纖維素（CMC）對碳纖維在水泥漿體中的分散效果，實驗得出：0.2wt%的CMC溶液可以將碳纖維在基體溶液中較好的分散；在經過 28d的養護時間后，與空白試樣相比，0.3wt%的碳纖維加量能夠提高水泥石的抗拉強度接近 52%，降低彈性模量 49.5%。水鎂石纖維是一種天然的無機礦物纖維材料，其具有較高的強度、優異的耐堿性能和生產成本低的特點，與水泥基材料有很好的相容性。

玄武巖纖維是一種新發現的無機綠色環保纖維材料，其特點是模量高、拉伸強度高和較高的耐溫性能（1400～1500℃）。使用玄武巖纖維來解決油井水泥石脆性大的缺點，加入玄武巖纖維后其抗壓強度、抗折強度和抗沖擊性能都得到了提高。

在油井水泥中摻入聚丙烯纖維對漿體的流變性和穩定性無影響，并且可以改善水泥石的早期抗壓強度，能夠起到很好的防漏效果。研究還發現，纖維的存在可以抑制裂紋的擴展，宏觀表現為水泥石具有較高的強度。

在油井水泥中加入耐堿玻璃纖維考察對水泥石抗拉伸破壞能力及其強度與韌性的影響，當水泥石中含有5wt%的耐堿玻璃纖維時，水泥石的抗折強度改善20%，抗沖擊功改善10%，在50℃的養護條件下能夠有效的減少毛細孔的比例并能夠增加膠凝孔，使水泥石表現出更好的致密性。

在油井水泥中加入纖維素纖維(CBF)，當CBF加量在8%，硅灰含量為15%時的試樣表現出較好的機械性能和耐久性。采用 10%的氫氧化鈉溶液對竹纖維(BF)進行堿處理，將處理后的纖維對油井水泥進行增韌，適當的堿處理量可以有效地提水泥石的韌性，BF與水泥基體有較好的界面粘結性，在水泥漿體中加入堿化處理后的BF可以使微觀結構更加致密。

碳酸鈣晶須是一種尺寸很小的須狀單晶體，具有礦物材料的纖維材料的特性，作為一種理想的增強材料，碳酸鈣晶須與水泥基材料有良好的相容性。采用碳酸鈣晶須對固井水泥進行了改性，碳酸鈣晶須的摻入增大了漿體的初始稠度，加入適合的緩凝劑可以控制稠化時間。碳酸鈣晶須在水泥漿中加量為10%wt時，水泥石的抗折強度與抗拉強度提升明顯達54%和28%，體積線收縮率減小82.97%，其綜合性能依然滿足固井作業的要求。使用碳酸鈣晶須/碳纖維混雜來改性油井水泥石，實驗結果顯示：纖維/晶須混雜可以改善水泥石的抗壓、抗折、抗拉強度分別達 25.5%、25.2%、37.3%，碳酸鈣晶須由于其較小的尺寸可以試樣的孔隙度和滲透率降低 14.3%和 23.4%，成型的水泥石具有較好的防氣竄性能；混雜纖維/晶須水泥石能夠提高基體的極限應變和降低彈性模量，使水泥石體現出更為優良的韌性。纖維/晶須的混雜相比于單摻1種纖維/晶須的增韌作用更加明顯，表現出正混雜效應。

實驗論證了晶須對油井水泥石的改性效果，晶須的加入能提高水泥石的 28d抗壓、抗拉、抗折強度達8.96%、137.44%、27.96%。還研究了其增韌機理：鋅晶須在水化反應過程中吸附了大量顆粒形成特殊的簇狀結構，通過這種特殊的結構實現晶須阻裂增強的多向性。

含有聚酯纖維和碳酸鈣晶須的新型纖維混雜技術提高了基體多尺度抗裂性，提高韌性和機械性能，碳酸鈣晶須與聚酯纖維混雜能夠增強水泥基的抗壓強度。鎂質晶須對油井水泥石力學性能的影響實驗結果表明：隨著晶須加量的提高，水泥石的抗壓與抗折強度得到提高，并通過晶須自身較小的尺寸填充與水泥基體內部的有害孔隙中，提高了基體的致密度。

2 結論

（1）碳酸鎂晶須的加入可改善水泥石的力學性能，在一定范圍內，強度隨著晶須加量的增加而增大；

（2）水泥漿中加入硼酸鎂晶須有利于改善水泥石的化學性能，但摻量應該控制在一定的范圍之內，當其摻量為3%時，抗折強度、抗拉強度、抗壓強度同比增加，且增加量大；

（3）聚酯纖維對水泥基材料有良好的增強增韌作用，聚酯纖維水泥在各個強度上相比空白樣水泥均有增強。

（4）碳酸鎂晶須、硼酸鎂晶須與聚酯纖維在水泥基材料中的增強增韌的微觀作用機理均表現出明顯的晶須纖維拔出作用。