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?

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

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

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