2.2.2 Тампонажний портландцемент

Тампонажний портландцемент є різновидом портландцементу - порош­коподібного мінерального (неорганічного) в'яжучого матеріалу, який скла­дається головним чином (55-95%) із високоосновних силікатів кальцію (трикальцієвий силікат 3CaOSi0₂; двокальцієвий силікат 2Ca0Si0₂) [200]. Портландцемент є основою багатьох видів тампонажних матеріалів.

Як сировину при виробництві портландцементу використовують го­ловним чином вапняк або крейду (містять після випалювання лужний оксид кальцію - вапно СаО) і глини (містять кислотні оксиди кремнію -кремнезем Si0₂, алюмінію - глинозем А1₂0₃, заліза - гематит Fe₂0₃), хоч можуть використовуватися й інші природні матеріали (гіпс, леей, сланці, суглинки, мергелі), а також деякі промислові відходи, що містять названі сполуки, зокрема доменні і нефелінові шлаки.

Процес виробництва портландцементу містить подрібнення сировини, випалювання сировинної суміші, подрібнення випаленого продукту (клін­керу) в тонкий порошок з одночасним додаванням деяких речовин-додат-ків. На стадії помолу додають (3-6%) сульфат кальцію (гіпс) у вигляді природного гіпсового каменю, який містить 65-90% CaS0₄-2H₂0 з метою регулювання швидкості схоплювання. Цемент, який не містить гіпсу, при водоцементних відношеннях нижче 0,35 і поверхневих температурах схоплюється практично миттєво. При водоцементних відношеннях понад 0,4 гіпс є прискорювачем схоплювання, особливо за понижених темпе­ратур (до 100-120°С) [200].

231

Заміна 10% клінкеру значно дешевшими інертними (у звичайних умовах лише незначно хімічно взаємодіють з основною речовиною порт­ландцементу в процесі твердіння) мінеральними додатками (найчастіше вапняком і кварцовим піском) без їх випалювання зменшує вартість портландцементу, але вони підвищують рухомість цементного розчину і знижують його седиментаційну стійкість.

Активні мінеральні додатки здатні хімічно взаємодіяти з основною ре­човиною портландцементу (в більшості з гідроксидом кальцію Са(ОН)₂, який виділяється портландцементом в процесі твердіння). Вони підрозді­ляються на додатки походження осадового (діатоміти, трепели, опоки, глієжі), вулканічного (вулканічний попіл, туфи, пемзи, трасси та ін.) і тех­ногенного (металургійні шлаки, пилоподібна паливна зола, нефеліновий шлам). Усі активні додатки підвищують корозійну стійкість портландце­менту в сульфатних водах, а додаток шлаку - до магнезіальної корозії. Додатки осадового походження за вмісту понад 5% погіршують рухо­мість цементного розчину, підвищують седиментаційну стійкість, погір­шують властивості цементу при тривалому зберіганні. Металургійні шла­ки покращують рухомість, але знижують седиментаційну стійкість за ма­сового вмісту понад 10%.

Пластифікувальні додатки вводять (менше 1%-мас.) для покращення рухомості цементних розчинів і бетонів. Як додатки-пластифікатори, які вводяться на стадії помолу, застосовують поверхнево-активні речовини (ПАР), а саме лігносульфонати кальцію, аммонію, натрію (сульфіт-спир-това барда - ССБ, сульфіт-дріжджева бражка - СДБ та ін).

Гідрофобізувальні додатки вводять для покращення збереженості цементу при тривалому зберіганні Для цього використовують асідол (0,1%), милонафт (0,2%), олеїнову кислоту (0,1%).

Під час мелення можуть вводити також додатки-прискорювачі твер­діння (кренти, випалені алуніти і каоліни, сульфоалюмінатно- і сульфофе-ритосилікатні продукти) з масовим вмістом не більше 5%.

Основними в складі клінкеру є мінерали-силікати - аліт (54СаО Al₂0₃Mg016Si0₂) і беліт (β-2CaOSi0₂). Аліт (містить 97% 3CaOSi0₂) зумовлює швидке твердіння при поверхневих температурах, високу міц­ність і помірно швидке схоплювання. Беліт (в основному це β-модифікація 2CaOSi0₂) зумовлює довговічність цементного каменю, повільно реагує з водою, перешкоджає процесам перекристалізації.

Чим нижча температура використання, тим вищим повинен бути вміст аліту, а з ростом температури покращуються властивості цементу зі збільшенням вмісту беліту ( в доброму портландцементі мінерали-силікати повинні складати 74-77%). Вміст трикальцієвого алюмінату ЗСаОА1₂0₃ і чотирикальцієвого алюмофериту 4СаО Al₂0₃Fe₂0₃ у порт-

232

ландцементі є корисним при низьких температурах (швидше затвердіння, нагрівання) і шкідливе при високих (пришвидшує схоплювання, знижує термо- і корозійну, окрім солей магнію, стійкість).

Порошок портландцементу з водою утворює достатньо рухому і нерозшаровувану в певному діапазоні концентрацій суспензію (цементний розчин), яка твердіє в каменеподібне тонкопористе тіло. Твердіння відбу­вається внаслідок складних і різноманітних хімічних реакцій компонентів портландцементу з водою. Цей комплекс реакцій, який призводить до твердіння цементної суспензії, називають реакціями гідратації (оборот­ного приєднання води), хоч тут мають місце реакції і гідролізу, і гідро­термального синтезу.

Портландцементи, які використовуються в будівельній справі, промис­ловість випускає різних видів - загальнобудівельного призначення (марок 400,500,550,600), високоміцний (марок 600,700,800), швидкотвердіючий, сульфатостійкий, дорожний, для азбесто-цементних виробів, білий, пла­стифікований, гідрофобний, гідротехнічний, піщанистий, шлакопортланд­цемент різного призначення, пуццолановий. Вони можуть бути викори­стані і як тампонажні матеріали (табл. 2.14) [200].

Тампонажний портландцемент (призначений для тампонування сверд­ловин) має декілька різновидів, які об'єднані тим, що вміст у них порт-ландцементного клінкеру на відміну від будівельного портландцементу складає не менше 30%. Вони діляться на базові і спеціальні [200].

Базові тампонажні портландцементи містять клінкеру не менше 95% (ПЦТ-Д0; ДО означає вміст додатків 0%) або не менше 75% (ПЦТ-Д20; вміст додатків 20%) і можуть використовуватися як в готовому вигляді для приготування тампонажних розчинів, так і як основа для приготування спеціальних тампонажних цементів. За складом і властивостями вони близькі до портландцементу загальнобудівельного призначення марок 400 і 500 (за тимчасовим опором стисненню відповідно 40 і 50 МПа). Базові тампонажні цементи випускають двох видів: а) для низьких і нормальних температур ПЦТ-Д20-50 (до 50°С); б) для помірних температур ПЦТ-Д20-100 (для температур 50-100°С). Перший з них має дещо тонший (м'якший) помел, а за складом і властивостями вони мало відрізняються.

Цементи деяких заводів задовольняють вимогам ГОСТ 1581-85 як для Д20-50, так і для Д20-100. Такі цементи незалежно від паспортної назви можуть використовуватися за тих чи інших умов. У ряді випадків для вибору цементу недостатньо орієнтуватися на паспортну назву, яка визначається за ГОСТ 1581-85. Необхідно мати докладніші відомості про його склад та властивості, перш за все необхідно знати мінералогічний склад клінкеру, характерний для цементу даного заводу, та тонкість помелу.

233

Таблиця 2.14 - Можливі і рекомендовані області використання будівельного портландцементу і

його різновидів як тампо­нажних матеріалів

Умови використання		Температура, С
	<20	20-60	60-120	>120
Звичайні (замість тампонажного портландцементу ПЦТ- ДО і ПЦТ-Д20 за ГОСТ 1581-85)	Портландцемент бездодатковий, портландцемент високоміцний, портландцемент швидкотвердіючий	Портландцемент бездодатковий, портландцемент з активними мінеральними додатками до 5%, портландцемент з активними мінеральними додатками, портландцемент дорожній, портландцемент для азбоцементних виробів	Портландцемент бездодатковий, гідротехнічний, портландцемент, шлакопортландцемент, швидкотвердіючий шлакопортландцемент, шлакопортландцемент гідротехнічний	Портландцемент піщанистий
Для розчинів пониженої густини	Портландцемент пуцолановий	Портландцемент пуцолановий	Портландцемент гідротехнічний пуцолановий	Портландцемент гідротехнічний пуцолановий
Для розчинів підвищеної густини	Портландцемент пластифікований, портландцемент піщанистий	Портландцемент пластифікований, портландцемент піщанистий	Портландцемент пластифікований, портландцемент піщанистий	Портландцемент піщанистий
За наявності сульфатних пластових вод густиною <1100кг/м3	Портландцемент сульфатостійкий	Портландцемент сульфатостійкий	Портландцемент сульфатостійкий, портландцемент сульфатостійкий пуцолановий, шлакопортландцемент сульфатостійкий	Портландцемент піщанистий, портландцемент сульфатостійкий пуцолановий
За наявності сильно мінералізованих (густиною >1100 кг/м ) пластових вод, які містять іон магнію >3 г/дм3	Шлакопортландцемент швидкотвердіючий, портландцемент піщанистий	Шлакопортландцемент швидкотвердіючий, портландцемент піщанистий	Шлакопортландцемент гідротехнічний, шлакопортландцемент, портландцемент піщанистий	Портландцемент піщанистий. шлакопортландцемент гідротехнічний

234

У свердловинах з низькою температурою та особливо в холодний період року краще використовувати цементи ПЦТ-ДО, які містять віднос­но велику кількість трикальцієвого алюмінату. У процесі гідратації таких цементів на початковій стадії виділяється більша кількість теплоти, що зменшує небезпеку замерзання розчину за низької температури стінок свердловини. Ці ж цементи, як правило, сприятливіші до дії прискорювачів тужавіння. Прискоренню гідратації та тужавінню, підсиленню раннього тепловиділення сприяє тонший помел цементу.

Для зниження температури замерзання цементного розчину у воду замішування вводять неорганічні солі, які є одночасно і прискорювачами тужавіння, із яких краще використовувати сульфати, карбонати, нітрати й нітрити, котрі вступають у реакцію з алюмінатами кальцію, що містяться в цементі, з утворенням корисних комплексних солей і з виділенням великої кількості теплоти. Перспективним для цих умов є застосування глиноземистого цементу.

Тампонажні портландцемента ПЦТ-ДО та ПЦТ-Д20 є термостійкими тільки до 60°С. Вище цієї температури появляються деструктивні про­цеси, що викликають поступове зниження міцності та підвищення проник­ності цементного каменю. До 100°С головну роль у цих процесах відіграє розкладання комплексних солей, а вище - перекристалізація гідроси­лікатів кальцію. До 100°С ступінь розвитку цих процесів практично є не настільки великим, що слід було б відмовитися від використання звичай­них тампонажних портландцементів, однак під час вибирання цементів їх бажано враховувати. Вище цієї температури необхідно використовувати спеціальні термостійкі цементи ПЦТ-Д70-150. Зменшенню впливу де­структивних процесів за температур до 100°С сприяють: підвищення вмісту в цементі силікатів кальцію за рахунок зменшення вмісту алюмі­натів та алюмоферитів кальцію; зменшення вмісту гіпсу; більш грубий помел цементу; зменшення водовмісту розчину; зменшення вмісту трикальцієвого силікату за рахунок двокальцієвого. Ці ж заходи полег­шують регулювання процесу тужавіння за допомогою уповільнювачів.