固井用復合材料研究進展

孫 坤 李 明

（西南石油大學新能源與材料學院， 四川 成都 610500)

0 引言

水泥基材料由于具有原料豐富，價格低廉，用途廣泛及適應性強等諸多優點，使其成為世界上應用最廣、用量最大的一種建筑材料[1]。但水泥基材料本質上是一種不均勻的多孔材料，這種多孔結構使得水泥基材料容易受到物理載荷或化學侵蝕而被破壞，出現脆性大，耐腐蝕性差及耐久度差等問題。針對出現的這些問題，科研工作者們提出在水泥基材料中加入水性環氧樹脂提高其綜合性能[2]。本文將介紹水性環氧樹脂改性水泥基材料的研究現狀，分析其優點與不足。

1 水性環氧樹脂的研究現狀

水性環氧樹脂是指利用物理或化學方法將環氧樹脂以微粒或液滴的形式穩定均勻的分散在水中，形成以水為分散介質、環氧樹脂為分散相的環氧樹脂水分散體系。水性環氧樹脂的制備方法有機械法、相反轉法、化學改性法及固化劑乳化法等。機械法操作方法簡單，生產成本低。該法制備的水性環氧樹脂粒徑較大（＞10 μm），形態不規則，穩定性不好，保存時間較短。相反轉法制備水性環氧樹脂工藝簡單，生產成本較低，其制備成的水性環氧樹脂粒徑較小，粒子平均粒徑在2-5 μm以內，穩定性較高，成膜性能好[3]。化學改性法又稱自乳化法，制備過程復雜，生產成本大幅提高，其制備的乳液粒徑小且粒度分布窄，穩定性高，成膜性好。固化劑乳化法制得的水性環氧樹脂性能靈活性較大。

2 水性環氧樹脂改性水泥基材料研究現狀

科研工作者們發現向混凝土中摻入水性環氧樹脂不僅可以提高混凝土基體的強度和韌性，而且有助于改善混凝土的其他物理性能。

丁向群[4]等將水性環氧樹脂摻入到加氣混凝土中研究對抗凍性能的影響。結果表明，摻入的水性環氧樹脂量在3%-5%時，混凝土的抗凍性隨水性環氧樹脂的摻量提高而逐漸升高。當水性環氧樹脂的摻量為5%時，對抗凍性的改善較為明顯。

梁會忠[5]等用快凍法研究了低摻量水性環氧樹脂乳液對高性能混凝土抗凍耐久性的影響。結果表明，當水性環氧樹脂乳液摻量5%時，制備的高性能混凝土的抗凍效果最好，在經歷300次凍融循環后，相對動彈性模量可達94.1%。

Hawary[6]等研究了環氧樹脂對混凝土在高溫海洋環境下耐腐蝕性和耐久性的影響。結果表明，混凝土中加入環氧樹脂可以提高混凝土的耐蝕性、降低滲透性、減少氯離子的滲透、提高混凝土的強度。隨著環氧樹脂含量的增加，改性效果顯著提高。

Jung[7]等研究了在室溫（25℃）條件下，摻入環氧樹脂的聚合物混凝土作為跑道修復材料的適用性。研究表明，環氧樹脂含量為20%的聚合物混凝土試件抗壓強度、抗彎強度最大，分別為55.71 MPa和21.72 MPa。且在6h內固化程度達到97.6%，有利于跑道修復。

2.1 水性環氧樹脂改性水泥砂漿的研究現狀

聚合物改性水泥砂漿逐漸被應用到建筑領域，其中水性環氧樹脂改性水泥砂漿廣泛應用。沈志明[8]等研究了水性環氧樹脂對水泥砂漿力學性能的影響。實驗結果表明，改性水泥砂漿的抗壓、抗折強度度隨著水性環氧樹脂加量的增加呈現先增大后減小的趨勢，當加量為10%時，抗壓、抗折強度達到最大值，齡期28d時分別為64.8MPa和13.5MPa。

陳愛民[9]等通過調整水泥與砂的配比、水性環氧樹脂加量、減水劑用量等因素，考察了水性環氧樹脂對水泥砂漿的綜合性能的影響。結果表明，水性環氧樹脂與減水劑結合使用可顯著改善水泥砂漿的綜合性能。

Aggarwal[10]等對比了環氧乳液和丙烯酸乳液對水泥砂漿綜合性能的影響。結果表明，兩種乳液均可提高水泥砂漿的和易性，增加抗折抗壓強度，降低氯離子滲透性。在加量相同的情況下，環氧乳液的性能優于丙烯酸乳液。

Arisya[11]等研究了環氧樹脂對水泥砂漿抗壓強度的影響。結果表明，環氧樹脂加量在0%-5%范圍內，環氧樹脂的加量在3%時抗壓強度最高，7d和28d的最高抗壓強度分別為23.4 MPa和34.1 MPa。

Anagnostopoulos[12]等將不同加量的水性環氧樹脂加入到水泥砂漿中，探索了水性環氧樹脂乳液對水泥砂漿性能的影響。實驗結果表明，當養護時間從28d增加到90d時，加入水性環氧樹脂的水泥砂漿抗壓強度、抗劈裂強度、彈性模量分別提高了21%、84%和190%。

2.2 水性環氧樹脂改性油井水泥的研究現狀

為了提高水泥環性能，科研工作者們提出使用水性環氧樹脂與油井水泥復合使用，來增強水泥環的性能。

岳蕾[13]等研究了不同種類環氧樹脂乳液對水泥石綜合性能的影響。結果表明，環氧樹脂乳液可以減小孔隙率，提高水泥石的抗腐蝕性；樹脂加量在20%范圍內時，環氧樹脂水泥石的強度隨加量的增加而略有提升，彈性模量隨加量的增加而不斷減小。

劉昱亮[14]等研究了水性環氧樹脂和樹脂固化劑的加入對油井水泥石力學性能的影響，實驗結果表明，60%水性環氧樹脂占比的樹脂水泥石，其28 d的抗壓強度相較于油井水泥石提高了47%，28 d抗拉強度提高了98%，彈性模量降低了76.5%。

Tang[15]等研究了水性環氧樹脂乳液對油井水泥漿物理性能的影響。結果表明，與未改性的水泥漿相比，添加水性環氧樹脂不會改變其流變行為。其中水性環氧樹脂加量為10%的改性水泥漿，在24h時剪切強度提高了近52%。

3 結語與展望

（1）水性環氧樹脂改性水泥基材料成本較高，在工程應用時，結合實際情況，針對不同的應用場合，選出性價比高的樹脂體系。

（2）水性環氧樹脂制備方法多，產品質量差別較大，建立統一標準的測試方法及產品標準具有重要意義。對于不同聚合物改性不同水泥基材料的作用機理還需要進一步的探索，對于建立理論模型，材料性能設計及工藝優化具有指導作用。