馬登峰 宋娟娟

（青海水泥股份有限公司，青海 西寧 810103）

0 引言

硫鋁酸鹽水泥在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，表現(xiàn)出耐高溫、耐腐蝕和早強(qiáng)參數(shù)優(yōu)秀等優(yōu)點(diǎn)，常用于高酸性的油田或者氣田勘探開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的施工。但在具體使用過(guò)程中，該材料很容易在中期凝聚過(guò)程中發(fā)生轉(zhuǎn)換性作用和反應(yīng)，導(dǎo)致材料最終的強(qiáng)度出現(xiàn)較大衰減。因此，有必要對(duì)硫鋁酸鹽水泥的性能參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析，針對(duì)其缺點(diǎn)進(jìn)行改性，從而彌補(bǔ)傳統(tǒng)硫鋁酸鹽水泥存在的缺陷。

1 性能試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料準(zhǔn)備

筆者對(duì)硫鋁酸鹽水泥進(jìn)行基本參數(shù)測(cè)試試驗(yàn)，所用材料產(chǎn)自某城市水泥生產(chǎn)基地，其化學(xué)組成成分如表1所示。

表1 硫鋁酸鹽水泥化學(xué)組成成分表

為了進(jìn)一步研究硫鋁酸鹽水泥的改性，筆者選擇高爐礦渣作為外加劑輔助材料，研究硫鋁酸鹽水泥在不同環(huán)境條件、不同設(shè)計(jì)方案和不同承載力作用等方面的變化規(guī)律[1]。高爐礦渣來(lái)自某地化工有限公司，其化學(xué)組成成分如表2所示。在試驗(yàn)過(guò)程中，為保障獲取的參數(shù)更加準(zhǔn)確，添加降失水劑2.0%，緩凝劑1.0%，分散劑0.5%。

表2 高爐礦渣外加劑化學(xué)組成成分表

在分析硫鋁酸鹽水泥和高爐礦渣外加劑輔助材料化學(xué)成分的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用激光粒度設(shè)備分析其粒子參數(shù)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 粒徑分布圖

1.2 試驗(yàn)方法

在分析硫鋁酸鹽水泥性能的過(guò)程中，首先，將硫鋁酸鹽水泥和高爐礦渣外加劑輔助材料的混合試樣放在50℃水溫的水浴鍋中，在低溫條件下養(yǎng)護(hù)一周后確保水泥充分水化；然后，在5℃恒定功率的電爐設(shè)備中以恒定速率將其加熱到預(yù)期目標(biāo)溫度，進(jìn)而在高溫養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)一周，最后放置于養(yǎng)護(hù)的設(shè)備中充分冷卻，待混合液體整體冷卻后的溫度符合既定條件，再實(shí)施相應(yīng)的參數(shù)測(cè)試。在驗(yàn)證參數(shù)的過(guò)程中，使用多通道微量檢測(cè)設(shè)備對(duì)冷卻后的混合試樣進(jìn)行熱處理分析，分析完成后，借助液壓機(jī)測(cè)試抗壓強(qiáng)度，最后利用掃描電鏡等設(shè)備對(duì)待檢測(cè)的混合試樣的物質(zhì)組分、微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)和熱穩(wěn)定性等參數(shù)進(jìn)行分析，獲得數(shù)據(jù)后進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證[2]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

在分析數(shù)據(jù)時(shí)，將明顯不合理的參數(shù)剔除，確保納入實(shí)驗(yàn)過(guò)程的參數(shù)信息準(zhǔn)確合理，對(duì)比分析硫鋁酸鹽水泥在低溫和高溫兩種截然不同的水化條件下的性能區(qū)別，找到硫鋁酸鹽水泥的最佳應(yīng)用溫度提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 性能試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 硫鋁酸鹽水泥低溫水化特性

硫鋁酸鹽水泥低溫水化特性主要包括抗壓強(qiáng)度、水化放熱、物相組成、熱重分析和微觀形貌分析等。以抗壓強(qiáng)度為例進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，在硫鋁酸鹽水泥中摻入外加輔助材料高爐礦渣后，在不同水化溫度、不同水泥養(yǎng)護(hù)周期的條件下，試塊的最終抗壓強(qiáng)度截然不同。由圖2可知，不添加高爐礦渣外加輔助劑的純硫鋁酸鹽水泥材料試塊，最終的抗壓強(qiáng)度在早期就會(huì)出現(xiàn)一定程度的衰退，且整個(gè)衰退過(guò)程隨著高爐礦渣外加劑的摻入量增加而逐漸消失，也就是說(shuō)，高爐礦渣外加劑在硫鋁酸鹽水泥試塊強(qiáng)度形成過(guò)程中能夠彌補(bǔ)硫鋁酸鹽水泥出現(xiàn)的早強(qiáng)不足等問(wèn)題。但當(dāng)高爐礦渣外加劑的摻入量過(guò)多時(shí)，硫鋁酸鹽水泥最終呈現(xiàn)出抗壓強(qiáng)度下降趨勢(shì)[3]。

圖2 不同條件下的試塊強(qiáng)度示意圖

2.2 硫鋁酸鹽水泥高溫特性

硫鋁酸鹽水泥高溫特性主要包括高溫力學(xué)性能和高溫防腐特性。分析高溫力學(xué)性能時(shí)，將不同數(shù)量的高爐礦渣摻入硫鋁酸鹽水泥中，在高溫條件下養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間，保證硫鋁酸鹽水泥試塊充分凝結(jié)，最終形成的抗壓強(qiáng)度如圖3所示。由圖3可知，在硫鋁酸鹽水泥中加入40%左右的高爐礦渣時(shí)，硫鋁酸鹽養(yǎng)護(hù)后形成的抗壓強(qiáng)度較好；當(dāng)硫鋁酸鹽水泥中加入超過(guò)40%的高爐礦渣時(shí)，硫鋁酸鹽養(yǎng)護(hù)過(guò)程中的水化反應(yīng)不明顯，最終其抗壓強(qiáng)度將會(huì)大幅度下降。

圖3 不同條件下硫鋁酸鹽水泥的抗壓強(qiáng)度

在硫鋁酸鹽水泥中加入40%左右的高爐礦渣，然后在不同的溫度條件和不同的二氧化碳環(huán)境中養(yǎng)護(hù)7d，探究硫鋁酸鹽水泥和高爐礦渣混合體的防腐特性。不摻入高爐礦渣的硫鋁酸鹽水泥的防腐特性如圖4所示，當(dāng)硫鋁酸鹽水泥在二氧化碳環(huán)境中發(fā)生腐蝕后，試塊的整體抗壓強(qiáng)度將會(huì)降低，尤其是在50℃溫度條件下，其腐蝕程度接近15%左右，此時(shí)在水泥試塊中發(fā)生的腐蝕主要是二氧化碳的液相腐蝕，二氧化碳溶于50℃水中形成碳酸，碳酸和水泥試塊中的氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，形成碳酸鈣，膨脹后使水泥產(chǎn)生微裂縫和孔隙，進(jìn)而破壞水泥試塊的致密性，導(dǎo)致水泥試塊的抗壓強(qiáng)度值降低。當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度為300℃或者500℃時(shí)，在水泥試塊中發(fā)生的腐蝕主要是二氧化碳的氣相腐蝕，水泥試塊的抗壓強(qiáng)度將會(huì)出現(xiàn)小幅度的下降，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度為800℃時(shí)，水泥試塊的氫氧化鈣將會(huì)在高溫條件下發(fā)生完全分解，最終造成熱應(yīng)力的破壞，使材料的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)大幅度下降[4]。

圖4 不摻入高爐礦渣的硫鋁酸鹽水泥防腐特性圖

在硫鋁酸鹽水泥中加入40%左右的高爐礦渣后，混合物質(zhì)的整體防腐特性如圖5所示。由圖5可知，在50℃的溫度條件下，以高爐礦渣進(jìn)行性能改良的硫鋁酸鹽水泥試塊仍可保持較高的抗壓強(qiáng)度；當(dāng)混合試塊的養(yǎng)護(hù)溫度進(jìn)一步上升到300℃或500℃時(shí)，氣相腐蝕后形成的水泥試塊的抗壓強(qiáng)度高于試塊未腐蝕前。分析其原因可知，高爐礦渣輔助劑在水泥試塊的化學(xué)作用過(guò)程中消耗了水泥試塊中的氫氧化鈣物質(zhì)，使高爐礦渣中部分活性物質(zhì)發(fā)揮作用，保證該部分活性物質(zhì)與硫鋁酸鹽水泥石中的空間物質(zhì)發(fā)生明顯的化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生全新的利于提高水泥試塊強(qiáng)度的物質(zhì)，使試塊最終的強(qiáng)度得到提高。當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度為800℃時(shí)，高爐礦渣與硫鋁酸鹽水泥混合物質(zhì)之間發(fā)生的力學(xué)作用，確保最終的水泥試塊內(nèi)部的結(jié)構(gòu)空間被破壞，導(dǎo)致生成的試塊抗壓強(qiáng)度大打折扣。

3 硫鋁酸鹽水泥的改性技術(shù)分析

3.1 改性原因和方法

為了進(jìn)一步拓寬硫鋁酸鹽水泥在工程實(shí)踐中的應(yīng)用，保障硫鋁酸鹽水泥性能得到最大化發(fā)揮，針對(duì)硫鋁酸鹽水泥水化過(guò)程過(guò)于集中、凝結(jié)時(shí)間難以掌控和后期試塊的強(qiáng)度容易倒縮等諸多問(wèn)題，采用多種方式對(duì)最終試塊的性能進(jìn)行優(yōu)化改良，主要可采取外加劑改性、摻合料改性、纖維改性和聚合物改性等措施。以纖維改性提高硫鋁酸鹽水泥性能為例，由于硫鋁酸鹽水泥內(nèi)部存在較強(qiáng)的溫度應(yīng)力作用和結(jié)晶作用，在使用過(guò)程中很容易出現(xiàn)收縮開(kāi)裂和膨脹開(kāi)裂問(wèn)題，因而會(huì)出現(xiàn)不同程度的裂縫，進(jìn)而降低材料最終的力學(xué)性能。使用纖維材料進(jìn)行改性，能有效提高水泥結(jié)構(gòu)的粘結(jié)性，規(guī)避水泥裂紋出現(xiàn)及擴(kuò)大。

3.2 改性發(fā)展方向

結(jié)合施工實(shí)際，研究學(xué)者對(duì)其改性問(wèn)題提出未來(lái)三個(gè)發(fā)展方向：

（1）利用不同固體廢棄物制備硫鋁酸鹽水泥的可行性研究；

（2）加大對(duì)制備硫鋁酸鹽水泥的物化組成、水化性能和力學(xué)性能的研究；

（3）其他氧化物對(duì)硫鋁酸鹽水泥性質(zhì)的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析硫鋁酸鹽水泥性能試驗(yàn)材料與方法的基礎(chǔ)上，論證硫鋁酸鹽水泥低溫水化特性、高溫特性，并對(duì)硫鋁酸鹽水泥的改性技術(shù)進(jìn)行分析。研究認(rèn)為，高爐礦渣外加劑在硫鋁酸鹽水泥試塊強(qiáng)度形成過(guò)程中能夠彌補(bǔ)硫鋁酸鹽水泥出現(xiàn)的早強(qiáng)不足等問(wèn)題；但當(dāng)高爐礦渣外加劑的摻入量過(guò)多時(shí)，硫鋁酸鹽水泥最終呈現(xiàn)出抗壓強(qiáng)度下降趨勢(shì)。在硫鋁酸鹽水泥中加入40%左右的高爐礦渣后，在50℃的溫度條件下，以高爐礦渣進(jìn)行性能改良的硫鋁酸鹽水泥試塊仍可保持較高的抗壓強(qiáng)度。使用纖維材料進(jìn)行改性，能有效提高水泥結(jié)構(gòu)的粘結(jié)性，規(guī)避水泥裂紋出現(xiàn)及擴(kuò)大。