Меню

Определение вязкости цементного раствора



Цементный раствор и его свойства. Твердение раствора

При цементировании цементный порошок смешивают с водой и получают цементный раствор. Для получения цементного раствора с заданными свойствами используют химические реагенты и добавки.

При смачивании цементного порошка водой между ними начинается химическая реакция гидратации, конечным продуктом которой является образование кристаллогидратов. Кристаллогидраты в виде игл 2 растут на частичках цемента 1 как центрах кристаллизации (рис. 9.8). Пока иглы короткие, вязкость цементного раствора меняется мало (рис. 9.8,а). Но как только иглы начнут прорастать между собой (рис. 9.8,б), цементный раствор начинает быстро густеть. Этот момент получил название начало схватывания (твердения) цементного раствора. На образование игл расходуется и цемент и вода. В конечном итоге иглы образуют войлочную структуру и становятся цементным камнем. Момент времени, когда цементный камень достигнет прочности, достаточной для безопасного продолжения работ в скважине, называют концом схватывания цементного раствора.

Соотношение воды и цемента по массе от 0,4 до 0,55. Это соотношение получило название водоцементное отношение. Для твердения цемента достаточно водоцементное отношение около 0,35, но такой раствор слишком густой и не всасывается насосом. Поэтому для снижения вязкости используют некоторый избыток воды.

Показателями свойств цементного раствора, кроме названных начала и конца схватывания, являются плотность цементного раствора, условная вязкость (растекаемость) и водоотдача. Измерение показателей плотности и водоотдачи такое же, как и для глинистого раствора.

Растекаемость цементного раствора регулируется водоцементным отношением и добавками пластификаторов. Большая вязкость обусловит высокое сопротивление движению раствора и трудности его всасывания насосом, а низкая вязкость – избыточное содержание воды и после твердения обусловит низкое качество цементного камня. Поэтому нормируется вязкость, а по ней выбирается требуемое водоцементное отношение.

Условная вязкость определяется на приборе АзНИИ (рис. 9.9) состоит из конуса 1 объемом 120 см 3 и столика 2. Столик с помощью винтов 3 устанавливается горизонтально по уровню 4. Сверху столик накрыт стеклом 5.

Для проведения стандартного испытания готовят пробу раствора с водоцементным отношением 0,5. Условие – комнатная температура и перемешивание раствора с момента заливки воды должно составлять ровно три минуты. По истечении этого времени быстро наполняют конус цементным раствором доверху и сразу плавно, но энергично, поднимают конус вертикально вверх не менее чем на высоту конуса. Цементный раствор расплывется по стеклу. В качестве показателя растекаемости принимают средний диаметр расплыва.

Рис. 9.9. Прибор для измерения растекаемости цементного раствора

Для определения нормального водоцементного отношения готовят пробы раствора с пятью значениями водоцементного отношения и определяют их растекаемость. Затем графически по зависимости диаметра расплыва от водоцементного отношения определяют нормативное водоцементное отношение, соответствующее диаметру 180 мм. С полученным водоцементным отношением готовят пробу раствора и определяют его плотность, величина которой необходима для контроля водоцементного отношения в процессе приготовления раствора и закачки его в скважину.

Источник

Свойства цементного раствора (ЦР)

Водоудерживающая способностьопределяет 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 рт), жидко­сти затворения рж и относительного содержания жидкой и твердой фаз Ж/Т, которое представляет собой отношение массы жидкости к массе твердой части тампонажного раствора. При этом

Читайте также:  Состав цементной смеси для наливного пола

где ρцр — плотность цементного раствора.

Подвижность цементного растворахарактеризуется 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 устойчивостьтампонажного 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 Sуд = 320 м 2 /кг, ρ = 3200 кг/м 3 , 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.


Загрузка.

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 см 3 . 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 ТР.

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.

Читайте также:  Характеристики цемента марки 200

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 камняможет быть ориенти­ровочно вычислена по формуле:

где k коэффициент водопроницаемости, м 2 ; εэф — коэффи­циент эффективной пористости, доли единицы; Rэф — 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.

Источник

Способы определения вязкости

Для определения подвижности бетонной смеси обычно применяют стандартный конус.

Приборы, применяемые для оценки подвижности пластичных бетонных смесей, не пригодны для вязких (жестких) смесей, наиболее рациональных при вибрировании. Стандартный конус не дает осадки, если содержание воды в 1 м 3 бетона на обычных заполнителях меньше 150-170 кг. Показатель подвижности бетонной смеси по стандартному конусу носит условный характер и неоднозначно определяет свойства бетонной смеси. На графике показано, как изменяется осадка конуса, расплыв, логарифмы вязкости и прочность бетона (вибрированного и ручной укладки) в зависимости от водоцементного отношения. Одно и то же значение осадки конуса и расплыва можно получить для двух значений В/Ц. Логарифм вязкости линейно изменяется с В/Ц. Поэтому возникла необходимость в выборе более совершенного способа оценки удобоукладываемости вибрируемой бетонной смеси.

Читайте также:  Что такое пластическая прочность цементного теста

За последнее время было предложено несколько способов оценки удобоукладываемости малоподвижных и жестких бетонных смесей. Наиболее пригодными для этих целей являются приборы, основанные на принципах истечения из капилляра или всплывающего шарика.

В 1932 г. Пауэрсом был предложен прибор, принцип работы которого состоит в том, что бетонную смесь, имеющую форму конуса, превращают в цилиндр путем встряхивания па столике. По количеству встряхиваний (с подъемом столика на высоту 7-8 мм) определяют степень удобоукладываемости бетонной смеси. Опуская или поднимая внутреннее кольцо прибора диаметром 215 и высотой 130 мм, можно затруднить или облегчить деформацию бетонной смеси. При работе с вязкими бетонными смесями число встряхиваний становится чрезвычайно большим (500-700 встряхиваний).

Поэтому автором было предложено заменить встряхивание прибора его вибрированием на виброплощадке и по времени превращения конуса в цилиндр определять структурную вязкость. Определение структурной вязкости бетонной смеси состоит из следующих операций: пользуясь насадкой, набивают конус, снимают форму и измеряют осадку, если, она есть; устанавливают верхнюю часть прибора, состоящую из штатива и скользящего в его муфте калиброванного стержня с плоским диском на конце и, включив виброплощадку, замечают по секундомеру время опускания калиброванного стержня до нулевого деления; снимают конус и определяют степень расслоения.

Время с момента включения вибратора до совпадения уровней бетона во внутреннем и наружном цилиндрах, выраженное в секундах и определяемое моментом, когда калиброванный стержень опустится до нулевого деления, служит мерой удобоукладываемости или структурной вязкости.

До начала работ следует оттарировать прибор. Для этого цилиндр устанавливают и закрепляют на вибростоле. Затем в него вставляют конус и заполняют его бетонной смесью в три слоя со штыкованием каждого слоя 25 раз. Конус осторожно снимают и на сосуд надевают штатив со вставленным в штатив диском на стержне. Отпустив зажимной винт, опускают диск до поверхности бетонной смеси и включают вибратор; при этом бетонная смесь будет растекаться, а диск опускаться. Когда поверхность бетонной смеси сделается горизонтальной и диск перестанет опускаться, вибратор выключают, стержень осторожно приподнимают на 2 мм и ножовкой аккуратно наносят на нем риску у места входа стержня в головку штатива, которая и служит нулевым делением.

При определении показателя вязкости нужно следить за тем, чтобы зазор между днищем сосуда и нижней плоскостью внутреннего кольца соответствовал наибольшей крупности заполнителя в соответствии.

Внутреннее кольцо следует хорошо укрепить при помощи держателей. Отдельные куски заполнителя бетонной смеси, крупнее размера щели, удаляют. Удобоукладываемость бетонной смеси не должна отличаться от заданной более чем на ±10%. Показатель структурной вязкости бетонной смеси зависит от скорости колебаний, которая может быть определена произведением амплитуды колебания на угловую скорость вращения эксцентриков.

Бетонная смесь и цементный раствор являются средами с аномальной вязкостью, зависящей от скорости сдвига или скорости колебаний. Показаны кривые изменения вязкости бетонной смеси от скорости колебаний. Бетонная смесь имеет очень большую вязкость при нулевой скорости, и вязкость ее не обращается в нуль при очень больших скоростях сдвига. По достижении минимума вязкость может вновь возрасти, что следует, по-видимому, объяснить развитием турбулентных явлений.

Источник