Лекция № 10. Основные свойства тампонажного порошка, раствора и камня.

Свойства тампонажного порошка.

Плотность ТЦ может быть вы­числена по формуле:

ρ = ∑ с_i / ∑ c_i / ρ_i

где с_i — массовые доли содержания i - гокомпонента в цементе; ρ_i — плотность i-гокомпонента цемента.

Плотность частиц цементного порошка имеет большое значение для технологических свойств ТР. Поскольку ТЦ состоят из нескольких компонентов, а зерна некоторых компонентов также неоднородны по минеральному составу, то правильнее говорить не о плотности а о средней объемной массе частиц цементного порошка.

Если состав цемента неизвестен, то плотность цементного порошка можно легко измерить экспериментально с помощью пикнометра в инертной по отношению к цементу жидкости (например, в углеводородной).

Насыпная масса – это масса порошка, вмещающаяся в емкость объемом 1 м³. Он непостоянна и в зависимости от вида и содержания доба­вок, степени дисперсности может колебаться от 800—1200 кг/м³ в рыхлом (cвеженасыпанном)состоянии до 1700—1900 кг/м³ в уплотненном состоянии.

При хранении ТЦ теряют активность и слеживаются (комкуются), особенно если хранятся в условиях повышенной влажности. Чем выше дисперсность и влажность входящих в цемент добавок, тем быстрее происходит потери активности и слеживания.

Угол естественного откоса в зависимости от состава цемента составляет 39—43°.

Гранулометрический состав ТЦ зависит от степени измельчения, вещественного состава и спо­соба измельчения (вида помольного устройства).

Удельная поверхность порошка ТЦ (суммарная поверхность частиц единицы массы или объема по­рошка) зависит от тонкости измельчения (гранулометрического состава), вещественного состава, способа измельчения и спо­соба измерения удельной поверхности.

Полная удельная поверхность с учетом поверхности внутри микротрещин в частицах, измеряемая методами сорбции (метод БЭТ), составляет для обычного тампонажного портландце­мента, измельченного в шаровой мельнице, 600—800 м²/кг, из­мельченного в дезинтеграторе— 1000—1300 м²/кг.

При совместном измельчении добавок с ПЦ клинкером их удельная поверхность получается отличной от удельной поверхности клинкера. Коэффициенты для расчета удельной поверхности добавок, измельчаемых совместно с ПЦ клинкером, показывают отношение удельной по­верхности добавки к удельной поверхности клинкера.

Изменение свойств цементногопорошка при хранении зави­сит от влажности окружающей среды, влажности цементного порошка (появляется в результате введения влажных добавок) и тонкости помола. Увеличение влажности цементного порошка на 1 % соответствует увеличе­нию влажности воздуха на 10 %.

Следует учитывать, что снижение активности при длительном хранении в условиях повышенной влажности це­ментного порошка сопровождается ускорением схватывания при повышенной температуре.

Свойства цементного раствора (ЦР).

Водоудерживающая способность определяет пределы водосодержания цементного раствора, в которых его свойства удов­летворяют технологическим требованиям. Верхний предел водосодержания ограничивается потерей седиментационной устойчи­вости, нижний предел— ухудшением подвижности ниже допу­стимой для прокачивания при существующих технико-техноло­гических условиях цементирования.

Пределы допустимого водосодержания зависят от химиче­ской природы компонентов цементного порошка, степени его дисперсности, величины и конфигурации смачиваемой поверх­ности.

Плотность цементного раствора — функция плотностей су­хого цементного порошка, вводимых добавок (средневзвешен­ной плотности твердой фазы цементного раствора р_т), жидко­сти затворения р_ж и относительного содержания жидкой и твердой фаз Ж/Т, которое представляет собой отношение массы жидкости к массе твердой части тампонажного раствора. При этом

ρ_цр = (1 + В/Ц) ρ_ц ρ_ж: (В/Ц) ρ_ц + ρ_ж

где ρ_цр — плотность цементного раствора.

Подвижность цементного раствора характеризуется растекаемостью по конусу АзНИИ, консистенцией, измеряемой в специальном приборе — консистометре с нормиро­ванными геометрическими размерами стакана и мешалки и реологическими параметрами вязкопластичного тела по Шведову — Бингаму — динамическим напряжением сдвига и пластической вязкостью.

Консистенция – это эффективная вязкость, измеренная при неизвестных, но ограниченных градиенте скорости деформации и напряжении сдвига и неопределенной степени разрушения структуры. В течение инкубационного периода для большинства ТР перемешивание в консистометре обеспечивает, вероятно, степень разрушения структуры, близкую к практически полному разрушению. Однако если структурообразование происходит достаточно быстро, то степень ее разрушения уменьшается и становится неопределенной.

Подвижность свежеприготовленного цементного раствора за­висит от Ж/Т, удельной поверхности твердой фазы, вязкости жидкой фазы и интенсивности перемешивания при приготовле­нии тампонажного раствора.

Подвижность цементного раствора уменьшается во времени, причем первое время в течение инкубацион­ного периода медленно, затем быстро. Скорость ухудшения подвижности увеличивается с повышением температуры.

Седиментационная устойчивость тампонажного цементного раствора зависит от разности плотностей твердой и жидкой фаз, вязкости жидкой фазы, концентрации твердой фазы в жид­кости (В/Т), степени дисперсности твердой фазы. Для ТЦ S_уд = 320 м²/кг, ρ = 3200 кг/м³, Ж/Т = 0.45 и u ≈ (1 ÷ 5) 10^-6 м/с.

Предельное водоотделение ТР зависит от химико-минералогического состава и дисперсности твердой фазы цементного раствора, а также от температуры и продолжительности перемешивания.

Водоотдача ТЦР в пористую среду. ТЦР обладают значительно худшей водоудерживающей способно­стью, чем глинистые растворы, и значительно большей водоот­дачей. Условная, измеренная на приборе ВМ-6 и экстраполиро­ванная на 30 мин водоотдача составляет для обычных тампо­нажных цементных растворов 400—900 см³. Фактически вся спо­собная к отделению вода отделяется за несколько секунд.

Предельная водоотдача и скорость водоотделения зависят от тех же факторов, что и седиментационное водоотделение, и, кроме того, от перепада давления и плотности упаковки частиц в фильтрационной корке, которая связана с дисперсностью и конфигурацией частиц.

Скорость загустевания и схватывания. Скорость схватывания, измеряемая в покое с помощью иглы Вика, может быть как выше, так и ниже скорости загустевания, измеряемой при непрерывном перемешивании в консистометре. Это зависит от типа процесса структурообразования. При пре­обладании кристаллизационного структурообразования загустевание при перемешивании наступает позднее, чем сроки схваты­вания. При преобладании коагуляционного структурообразования (за счет появления большого количества гидросиликатов кальция) загустевание наступает быстрее, чем сроки схваты­вания.

Свойства цементного камня.

Цементным камнем называется пористое твердое тело, об­разующееся при затвердевании ТЦР.

Разнообразные тампонажные материалы образуют цемент­ные камни с различными свойствами, однако общим для них является изменчивость свойств во времени. При затвердевании всех тампонажных материалов образующийся цементный ка­мень с той или иной скоростью проходит стадии структурообразования и затем деструкции, в ходе которых все свойства це­ментного камня непрерывно изменяются.

Свойства цементного камняявляются функцией пористости,прочности элементов твердой фазы и контактов между ними, дисперсности и морфологии частиц твердой фазы.

Пори­стость зависит от исходного водоцементного отношения, со­става новообразований, их удельного объема и степени гид­ратации.

Прочность элементов твердой фазы, прочность контактов между ними, дисперсность и морфология их частиц зависят от их состава и условий образования в твердеющем цементном камне.

Зная степень гид­ратации, удельные объемы соответственно продуктов гидратации, исходного цемента, инертного наполни­теля и жидкости затворения, отношение химически связанной воды к массе цемента, а также отношение массы инертного наполнителя и массы жидкости затворения к массе цемента можно рассчитать пористость или коэффициент пористости.

К эффективной пористости, доступной для фильтрации жид­костей и газов, относятся поры размером более 20 нм.

Прочность цементного камня. Эта характеристика ЦК нестабильна во времени, особенно в условиях повышенных температур. В зависимости от минералогического состава, тонкости помола, исходного водосодержания суспензии кинетика роста прочности ЦК до максимальной величины, максимальная его прочность, момент начала снижения прочности, кинетика снижения прочности изменяются в довольно широких пределах.

Затвердевший цементный камень из базового ТЦ состоит из непрореагировавших остатков ча­стиц ПЦ клинкера, продуктов гидратации, ча­стиц инертных или не вступивших в реакцию остатков частиц активных добавок, воды и пузырьков вовлеченного воздуха. Всегда в том или ином количестве содержится карбонат каль­ция, как продукт карбонизации — реакции взаимодействия про­дуктов гидратации с газообразным или растворенным оксидом углерода (углекислым газом). Могут содержаться также про­дукты взаимодействия продуктов гидратации с другими химиче­ски активными веществами окружающей среды, обычно назы­ваемые продуктами коррозии.

Прочность ЦК на стадии ее роста может быть рассчитана по формуле, учитывающей ко­эффициент, отражающий прочность монокристаллов или их сро­стков, эмпирические коэффициенты, связанные с составом, дисперсностью и морфологией частиц новообразо­ваний, степень гидратации, удельные объемы соответственно исходного цемента, жидкости затворения и инертного наполнителя, а также отношение массы жидкости затвердевания и массы инертного наполнителя к массе цемента. При кавернозной поверхности наполнителя (типа керам­зита), длинноволокнистом армирующем наполнителе, рассчитать прочность по такой формуле невозможно, поскольку в таком случае необходимо введение дополнительных коэффициентов.

Если известен количественный вещественный состав ТЦ, то расчет ожидаемой прочности может быть произведен более точно в соответствии с эмпирическими коэффициентами для главной структурообразующей фазы. Другие новообразования следует относить к наполнителю.

Водопроницаемость цементного камня может быть ориенти­ровочно вычислена по формуле:

k = 0.182 ε_эф^4.7 R_эф²

где k — коэффициент водопроницаемости, м²; ε_эф — коэффи­циент эффективной пористости, доли единицы; R_эф — средняя полуширина (средний радиус) эффективных пор, м.

Усадка и набухание в процессе твердения. Цементный ка­мень при твердении в воде несколько увеличивается в объеме, при твердении на воздухе или в другой среде пониженной от­носительной влажности дает усадку.

Как капиллярно-пористое тело ЦК чувствителен к изменению влажности ОС. При неограниченном поступлении воды извне в поровое пространство ЦК в процессе твердения наблюдается некоторое увеличение внешнего объема ЦК, называемое набуханием. Удаление воды из пор ЦК при водит к уменьшению его объема, называемому усадкой. Она связана с капиллярными явлениями, а также сжатием слоистых минералов при удалении межслоевой воды. Усадка, как и набухание, зависит от минералогического состава клинкера и содержания добавок. Склонность к этим деформациям возрастает при увеличении содержания алюмоферритных минералов и тонкодисперсных наполнителей, таких, как глина, диатомит, опока, трепел. В отличие от контракции изменения внешнего объема ЦК больше связаны с явлениями физического, чем химического, характера.

С повышением температуры твердения способность ЦК к усадке и набуханию уменьшается. Некоторые цементы при повышенных температурах твердеют с усадкой даже в воде. Усадочные деформации ЦК тампонажных цементов нежелательны ввиду особой важности его изоляционных функций.

Основная литература – 6 [31-116], 7 [42-75].

Контрольные вопросы:

1. Какова плотность ПЦ?

2. Что характеризует водоудерживающая способность ТР?

3. На каком приборе определяют прочность ТК?

4. Что показывает седиментационная устойчивость ТР?

5. Что характеризует подвижность ТР?

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: