固井水泥納米復(fù)合結(jié)構(gòu)與性能研究

王婷

【摘 ?要】納米材料自身具有優(yōu)異的理化特性，被譽(yù)為“21世紀(jì)最有前途的新型材料”?本文從現(xiàn)有納米材料中篩選確定納米SiO2為研究對象，探究水泥漿中納米材料分散方式?分散行為及摻加量，對固井水泥綜合性能的影響與作用機(jī)理?

【關(guān)鍵詞】固井水泥;納米復(fù)合結(jié)構(gòu);性能

1納米材料特性

1.1表面與界面效應(yīng)

表面與界面效應(yīng)是指納米晶體粒表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化?表現(xiàn)為直徑減少，表面原子數(shù)量增多?超微顆粒的表面具有很高的活性，在空氣中金屬顆粒會迅速氧化而燃燒?如要防止自燃，可采用表面包覆或有意識地控制氧化速率，使其緩慢氧化生成一層極薄而致密的氧化層，確保表面穩(wěn)定化?利用表面活性，金屬超微顆粒有望成為新一代的高效催化劑?貯氣材料和低熔點材料?

1.2化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)

納米微粒粒徑小，比表面積大，表面原子配位不足，比相同的大塊材料具有更強(qiáng)的吸附性，納米粒子的吸附性與被吸附物質(zhì)的性質(zhì)?溶質(zhì)的性質(zhì)以及溶液的性質(zhì)有關(guān)?不同種類的納米微粒吸附性質(zhì)也有很大的差別?

2納米二氧化硅對水泥基材料性能的影響

2.1對水化和微觀結(jié)構(gòu)的影響

油井水泥水化包括預(yù)誘導(dǎo)期，休眠期，加速期和減速期四個階段?水泥的水化過程，火山灰反應(yīng)的程度可通過監(jiān)測氫氧化鈣的降低量來觀測?通常使用的儀器為X射線衍射和掃描隧道顯微鏡?當(dāng)少量的納米顆粒良好分散在水泥中時能夠使水泥石的微觀結(jié)構(gòu)更加致密，但如果納米顆粒不能夠進(jìn)行良好的分散，則可能導(dǎo)致水泥石產(chǎn)生空隙或薄弱區(qū)?研究表明在水泥材料中加入納米SiO2可以加快水化反應(yīng)速率，在水化初期更快地形成氫氧化鈣;水化速率取決于所加入的SiO2表面積，納米SiO2作為成核中心加速水化，表面積越大水化反應(yīng)放熱越大，由此可推斷，在放熱峰值處會存在一個SiO2表面積最佳值?摻有納米SiO2的水泥基材料凝結(jié)時間減少，水化休眠期和誘導(dǎo)期持續(xù)時間縮短，達(dá)到水化熱峰值的時間和形成早期Ca（OH）2的時間都縮短?與普通硅酸鹽水泥相比，加入SiO2后水化放熱明顯升高，通過SEM觀察到了致密的微觀結(jié)構(gòu)，Ca（OH）2晶體數(shù)量也有所減少?

2.2對新拌漿特性的影響

為保持油井水泥的現(xiàn)場工作性能，摻加納米SiO2的水泥基材料應(yīng)增加需水量，王委等研究發(fā)現(xiàn)，在水泥凈漿中加入納米SiO2，開始時水泥凈漿流動度隨納米SiO2摻加量的增加而增大，但當(dāng)納米SiO2摻加量超過0.75%后，水泥漿流動度隨納米SiO2摻加量的增加而下降;當(dāng)納米SiO2摻加量超過3.0%時，水泥凈漿流動度甚至低于空白樣本?由此可知，加入納米SiO2后，水泥漿流動度減小，膠凝程度增加?為了避免對現(xiàn)場工作性能的影響，Berra等提出先用一定量的水配漿，延遲加入另一部分水，而不是一次將所需的水全部混入水泥中?研究還發(fā)現(xiàn)摻加納米SiO2的水泥體系膠粘度和抗壓強(qiáng)度都有所增加，摻加SiO2與TiO2的水泥漿，扭矩?塑性粘度與屈服應(yīng)力均增加?

2.3對耐久性的影響

水泥基材料的耐久性通常是指其抵抗化學(xué)侵蝕?氣候作用?磨損或任何其他破壞過程的能力，主要從水泥的抗腐蝕性?抗?jié)B性?抗鋼筋銹蝕和抗凍性這幾個方面來考慮?通常情況下，水泥基材料的耐久性與其孔結(jié)構(gòu)有關(guān)，摻加納米顆粒能夠極大地改善水泥的孔結(jié)構(gòu)?

3納米碳酸鈣對水泥基材料性能的影響

3.1對水化和微觀結(jié)構(gòu)的影響

Kawashima等研究了納米碳酸鈣改性水泥漿24小時的水化熱，向水泥材料中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%～5%的納米碳酸鈣，水灰比為0.43，用超聲混合的方式制備納米碳酸鈉改性水泥漿體?結(jié)果表明摻加了納米碳酸鈣的水泥漿體水化速度更快，用超聲處理過的樣品峰值更高，水化反應(yīng)發(fā)生的更早?Sato和Diallo的研究表明加入納米碳酸鈣能夠顯著增加放熱速率，縮短了C3S水化的誘導(dǎo)期?

3.2對新拌漿特性的影響

Camilletti等研究了含高效增強(qiáng)劑的納米碳酸鈣改性超高性能混凝土的流動性和凝結(jié)時間?納米碳酸鈣的摻加量分別為0%，2.5%和5%，代替部分體積的水泥?結(jié)果表明，混凝土的流動性隨著納米碳酸鈣含量的增加而增加?初凝時間和終凝時間隨納米碳酸鈣摻加量的增加而減少?凝結(jié)時間隨納米碳酸鈣含量的增加而減少?Liu等人研究了納米碳酸鈣改性水泥漿料的流動性和凝結(jié)時間，水泥以0%，1%，2%和3%的重量被納米碳酸鈣代替，水灰比為0.45?結(jié)果表明，該水泥漿體的流動性隨著納米碳酸鈣含量的增加而降低，當(dāng)納米碳酸鈣的摻加量分別為1%，2%和3%時，納米碳酸鈣流動度分別降低了15.95%，20.24%和26.38%?通過加入納米碳酸鈣，初凝時間和終凝時間都有所縮短?凝結(jié)時間隨著納米CaCO3含量的增加而下降?

3.3對力學(xué)性能的影響

Kawashima等人研究了含有30%的粉煤灰及5%納米碳酸鈣的改性水泥漿養(yǎng)護(hù)1天，3天和7天的抗壓強(qiáng)度?使用超聲處理或混合攪拌得到納米碳酸鈣懸浮液，分別制備納米碳酸鈣改性水泥漿，水灰比均為0.43?結(jié)果表明，通過加入納米碳酸鈣，可以使水泥石抗壓強(qiáng)度增加?養(yǎng)護(hù)3天和7天時，超聲處理的樣品比混合處理的樣品抗壓強(qiáng)度提升得更多?

4納米氧化鋅對水泥基材料性能的影響

4.1對水化和微觀結(jié)構(gòu)的影響

Nazari和Riahi研究了納米氧化鋅改性水泥漿70小時的水化熱，納米氧化鋅的摻加量分別為1%，2%，3%，4%和5%，水灰比均為0.4，減水劑的加量相同?結(jié)果表明，納米氧化鋅的加入使峰值時間提前，同時放熱速率值下降?這表明摻加納米氧化鋅可以提高水泥水化初期的水化速度?納米氧化鋅作為成核，可以加快水泥水化，同時增加了放熱速率?Nazari和Riahi，Riahi和Nazari研究了摻加45%（重量）礦渣的納米氧化鋅改性水泥漿70小時的水化熱，納米氧化鋅的摻量分別為1%，2%，3%和5%，水灰比均為0.4，混拌時使用水或飽和石灰水?該放熱速率值表明，納米氧化鋅含量的減小阻礙到達(dá)峰值的時間，并提高了熱釋放速率值?用飽和石灰水制備的樣品由與水制備的樣品相比，有著較低的峰值時間和放熱速率值?

4.2對新拌漿特性的影響

Nazari和Riahi和Riahi和Nazari研究了納米氧化鋅改性混凝土混合物的工作性能?納米氧化鋅的摻量分別為0%，0.5%，1%，1.5%和2%，水灰比均為0.4?結(jié)果表明：納米氧化鋅的添加會降低水泥漿的工作性能?

4.3對力學(xué)性能的影響

Nazari和Riahi研究了納米氧化鋅改性混凝土的7天，28天和90天的抗壓強(qiáng)度，劈裂拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度?納米氧化鋅的摻量為別為0%，0.5%，1%，1.5%和2%，水灰比均為0.4?采用兩種養(yǎng)護(hù)條件，水養(yǎng)護(hù)或飽和石灰水養(yǎng)護(hù)?結(jié)果表明，在水中養(yǎng)護(hù)的1%的納米氧化鋅混凝土試樣，抗壓強(qiáng)度，劈裂拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，隨摻量變化的順序為>1.5%>0.5%>0%>2%?

5結(jié)束語

綜上所述，分析了部分不同納米材料對水泥基材料性能的影響，從而有利于進(jìn)一步分析固井水泥納米復(fù)合材料在石油開采行業(yè)的應(yīng)用，從而進(jìn)一步促進(jìn)納米材料在石油行業(yè)的發(fā)展，同時也為提升油井結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性提供幫助?

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