4.1.2. Изучение влияния расширяющейся композиции на свойства твердеющего цемента

Присутствие расширяющихся веществ в цементе вызывает набухание раствора, препятствует образованию трещин усадки в первые часы твердения. Чрезмерно высокое содержание извести, свободной магнезии, гипса может вызывать серьезные дефекты.

В последние годы в промышленное производство в ряде стран быстро внедряются расширяющиеся цементы двух типов, способные либо компенсировать гидравлическую усадку таким же набуханием (безусадочные цементы), либо стимулировать расширение в начале схватывания таким образом, чтобы остаточное расширение достигло достаточно высокого значения для сохранения арматуры железобетона в состоянии натяжения. Отсюда появились так называемые напрягающие цементы.

Расширяющееся композиционное вещество получали обжигом при 950°С, выдержка 60 мин. Липецкого доломита с добавкой Na2C03 - 3 %. Продукт обжига размалывали до полного прохождения через сито №008. Смешивание РК с цементом осуществляли в колбе с резиновыми пробками.

Интенсивность гидратации магнезиальной извести повышается с увеличением температуры среды, т.е. в условиях тепловлажностной обработки.

Поэтому влияние режима твердения на прочностные показатели изучали при трех режимах твердения: автоклавном, пропаривании и водном при температуре 20 ± 2°С.

Для определения влияния РК как добавки к цементу на его прочностные показатели образцы 10 х 10 х 60 мм твердели в условиях повышенной температуры и давления. Готовили составы: 1- цемент; 2, 3, 4 - цемент с добавкой

РК - 3, 10, и 15 % (В/Ц = 0,5). Образцы, освобожденные от форм через сутки, автоклавировали в лабораторном автоклаве, по режиму: подъем температуры до 170°С составил 120 мин, выдержка при этой температуре и давлении 0,8 МПа - 240 мин, после чего автоклав отключили (рис.4.26.). й 1

§0.8

« 0.6 s

S 0.4

I 0-2

п о у 7- — — —?— ч 1

7 8 Время,1 Рис.

Как следует из результатов физико-механических испытаний образцов, добавка РК является эффективной при введении в цемент в количестве 3 %, повышается прочность на сжатие. Введение 15 % добавки разрушает образцы (рис. 4.27.).

Рис. 4.28.0пределение линейного расширения образцов.

Рис.4.27. Влияние РК на прочность цементного камня после гидротермальной обработки. 1- цемент; 2, 3, 4 - цемент с добавкой РК - 3, 10, и 15 %

составы

ев

С 2

Для измерения линейного расширения образцов использовали индикатор линейного расширения часового типа (рис. 4.28.). Линейное расширение рассчитывали как отношение изменения длины балочки к ее первоначальной длине после расформовки (ДЬ = L2-L\ / Li • 100%).

Величина линейного расширения цемента составила при добавлении добавки (3 %) - 0,20 %, такое расширение является безопасным для прочности цементного камня.

Избыточное введение РК сопровождается сильным расширением цементного камня и снижением его прочности. При избытке РК (15 %) наблюдается сильная деструкция цементного камня, которая заканчивается разрушением образца (рис. 4.29.).

Состав расширяющегося цемента необходимо выбрать таким образом, чтобы расширение было ограничено во времени и не проявлялось ни слишком рано, ни слишком поздно. Если весь расширяющий компонент образуется еще до схватывания, расширения вообще не произойдет, и наоборот, если этот компонент образуется в период, когда бетон наберет высокую прочность, могут развиваться внутренние трещины, сильно снижающие долговечность конструкции.

Цементы, содержащие различное количество расширяющейся добавки, значительно отличаются по последовательности развития и величине линейных деформаций.

Анализируя полученные данные, можно заключить, что влияние расширяющихся добавок на цементный камень сводится к изменению скорости кристаллизации расширяющейся фазы и, как результат этого, прекращению усадки и последующему развитию деформаций расширения.

Рис.

3-сРК 10, 4 - с РК 15.

Регулируя дозировку РК в составе вяжущего, при автоклавной обработке

можно получить цементный камень с желаемым расширением в определенных пределах.

При твердении цементов с добавкой РК одновременно с набором прочности цементного камня параллельно возникают внутренние напряжения, вызванные увеличением объема расширяющегося компонента, что при избытке добавки ведет к развитию трещин и нарушению структурной целостности.

Для получения оптимальных значений расширения цементного камня и последующего роста его механической прочности интенсивность указанных процессов должны быть взаимосогласованы.

Можно было ожидать, что фазовый состав гидратных новообразований при твердении всех исследованных составов не будет качественно отличаться от состава продуктов гидратации цементов без добавки РК (MgO и СаО).

Действительно, по данным РФА продукты гидратации цементов представлены гидросиликатом кальция примерного состава C2SH2 и гидроксида, количество которого в исследуемых образцах с добавкой РК значительно больше, чем в бездобавочном цементном камне.

Для определения влияния РК как добавки к цементу при пропаривании на прочностные показатели готовили составы: 1- цемент; 2- цемент с добавкой РК (1 %); 3 - цемент с добавкой РК (3 %). Смешивание РК с цементом осуществляли в колбе с резиновыми пробками. Из приготовленных составов формовали балочки 10 х 10 х 60 мм без песка из расчета три балочки «близнеца» на одно испытание. Через сутки расформованные образцы пропаривали на водяной "бане" при температуре 75°С с выдержкой 8 ч. Прочностные показатели представлены на рис. 4.30.

Рис. 4.30. Влияние добавления расширяющейся композиции на прочность цементного камня после 8 ч гидротермальной обработки. 1- цемент; 2- цемент с добавкой РК (1 %); 3 - цемент с добавкой РК (3 %).

Пропаривание приводит к ускорению химических реакций между цементом и водой и тем самым влияет на кинетику гидратации цемента.

Расширение исследуемых составов представлено в таблице. 4.3.

Таблица 4.3. Линейное расширение Содержание РК 0 1 3 А1, % -0,17 0,60 1,33 Влияние РК на расширение цементного камня

Как следует из результатов физико-механических испытаний образцов, введение РК эффективным при содержании 1 - 3 % от массы портландцемента.

Для определения влияния РК как добавки к цементу на его прочностные показатели готовили составы: 1- цемент; 2 - цемент с добавкой РК (3 %). Смешивание РК с цементом осуществляли в колбе с резиновыми пробками. Из приготовленных составов формовали 3 балочки без песка (В/Т = 0,5) на одно испытание. Образцы 10 х 10 х 60 мм твердели в воде при нормальных условиях комнатной температуре 20 ± 2°С.

Прочностные показатели цементов, твердевших при 20°С в воде, после 2, 7, 28 суточного твердения представлены в табл. 4.4.

Таблица.4.4.

Характеристики цементов, твердевших при 20°С в воде. № Портландцемент БЦЗ, % РК, % Прочность при сжатии/изгибе, МПа Относительное удлинение, % Зозраст, сут. 2 7 28 2 7 28 1 100 0 6,5/2,7 18,9/6,2 40,8/9,8 0,06 0,12 0,00 2 97 3 5,9/2,9 17,2/5,8 38,6/8,2 0,08 0,23 0,40 Представленные в таблице 4.4. результаты показывают, что при изменении температуры гидратации (20, 80, 170°С) расширяющегося цемента, меняется линейное расширение цементного камня (соответственно 0,40; 1,33; 0,20 %). Известно, что тепло активизирует химические реакции гидратации вяжущих.

Следовательно, расширение цементного камня можно регулировать не только подбором содержания и состава расширяющего компонента, но и

изменением температурных условий формирования основной структуры твердения.

Все факторы, способствующие ускорению реакции гидратации расширяющего компонента, вызывают снижение величины окончательного значения расширения, так как кристаллизация расширяющейся составляющей происходит в этом случае слишком рано, в еще незатвердевшем цементном камне.

При использовании расширяющегося цемента ограничение деформаций расширения создает самонапряжение цементного камня.

Проблема устранения усадки цементного камня существенно осложняется при воздействии повышенных и высоких температур.

К наиболее важным факторам, определяющим выбор тампонажных материалов, особенно для глубоких и сверхглубоких скважин, следует отнести температуру и давление. В результате возникла необходимость в разработке цемента, обладающего нормальными для процесса тампонирования сроками схватывания и заданной прочностью, для цементации скважин с температурой на забое до 200°С.

Наиболее рациональный путь предотвращения смятия труб и повышения герметизации затрубного пространства, в том числе при различных воздействиях внутри колонны, - применение цементов с большой величиной расширения.

Изучено влияние высоких температур при автоклавировании на гидратацию цемента (1:0). Усадка цементного камня примерно в три раза выше, чем нормального раствора состава 1 : 3, и в шесть раз выше, чем бетона с крупностью заполнителя до 20 мм [7].

Для определения влияния РК на прочностные показатели цемента, твердеющего при высоких температурах, готовили составы, представленные в табл. 4.5.

Таблица 4.5.

Исходные составы Компонент Содержание, % по массе, в составах 1 2 3 4 5 6 Цемент % 100 97 90 85 80 75 РК% 0 3 10 15 20 25 Расширяющая композиция получена из Ковровского доломита с добавкой Na2C03 - 3 %, обжигом при температуре 950°С, выдержка 60 мин. Продукт обжига размалывали до полного прохождения через сито №008. Смешивание РК с цементом осуществляли в колбе с резиновыми пробками. Цементное тесто (В/Т = 0,5) заливали в металлическую форму и сразу после формования помещали в автоклав.

л

до 170°С (давление 8 кгс/см ). Эти условия выдерживали 120 мин. После охлаждения автоклава форму с образцами вынимали (рис. 4.32.), а образцы испытывали на изгиб. Результаты испытаний представлены на рис. 4.31. Составы 4-6 разрушились.

Для получения высокой конечной прочности не рекомендуется сразу нагревать бетон ввиду определенных структурных нарушений, которые могут возникнуть в результате объемных деформаций, расширения воздуха и воды, и температурных перепадов[7].

МПа Я + 1- 1 ? 1 | I | 1 1

1 2 3 4 5 6

№ состава

Рис. 4.31. Влияние добавки РК на прочность цементного камня при изгибе. 1- цемент; 2, 3, 4, 5, 6 - цемент с добавкой РК - 3, 10, 15, 20, 25 %. В результате автоклавной обработки образцов установлено благоприятное влияние на прочность добавки РК - 3 %, остальные добавки вызвали значительное уменьшение прочности цемента.

Рис. 4.32. Образцы после автоклавирования

Определены ориентировочно технологические условия получения тампонажного расширяющегося цемента для холодных и горячих скважин на основе портландцемента.

Основная часть расширяющейся фазы Са(ОН)2 и Mg(OH)2 должна образовываться после достижения цементным камнем определенной прочности, т.е. в полужесткой структуре.

Избыточное введение РК сопровождается сильной деструкцией цементного камня и снижением его прочности. При избытке РК более 10 %, наблюдается сильное расширение цементного камня с разрушением образца.