56.Сущность процессов гидратации, структурообразования, схватывания и твердения тампонажных цемента, раствора и камня.
От момента смешения ПЦТ с ЖЗ (водой) и до момента образования ТК в рассматриваемой системе последовательно протекают следующие взаимосвязанные процессы:
Гидратация.
Гидратация
цемента — химическая
реакция клинкерных
составляющих цемента с водой (присоединение
воды), причем образуются твердые
новообразования (гидраты),
которые заполняют первоначально залитый
цементом и водой объём плотным наслоением
гелевых частиц, вызывая тем самым
упрочнение. Первоначально жидкий или
пластичный, цементный клей превращается
в результате гидратации в
цементный камень. Первая стадия этого
процесса называется загустеванием, или
схватыванием, дальнейшая — упрочнением,
или твердением.
Скорость растворения поверхности зерен ПЦТ определяет скорость всего процесса гидратации, которая, в свою очередь, напрямую связана со скоростью схватывания и твердения.
Факторы, оказывающие влияние на скорость растворения поверхности клинкерных минералов, а следовательно, и на скорость протекания процессов схватывания и твердения.
К таким факторам относятся следующие:
минералогический состав клинкера;
степень дисперсности ТЦ;
В/Ц;
давление;
температура.
Структурообразование.
СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ в дисперсных системах, самопроизвольное соединение частиц дисперсной фазы и их агрегатов в пространств. структуры. Наблюдается в системах с твердой дисперсной фазой и жидкой или газовойдисперсионной средой (суспензии, золи, латексы, биол. системы, порошки и т.п.), в концентрир. эмульсиях, в т.ч. стабилизированных микроэмульсиями пенах.
Схватывание.
По мере роста кристаллов новообразований прочность коагуляционной структуры повышается, увеличивается число связей и возникает непосредственная связь (а не через гидратные оболочки) между частицами, все больше и больше появляется контактов срастания новообразований, увеличивается площадь таких контактов, преобладающее влияние в системе приобретают прочные химические связи.
Твердение
Происходит окончательное формирование кристаллизационной структуры, имеющей высокую механическую прочность и упруго-хрупкие свойства.
Разрушение связей между частицами таких структур необратимо.
57.Влияние минералогического состава клинкера, степени его дисперсности, В/Ц, давления и температуры на скорость растворения поверхности клинкерных минералов (скорость гидратации тампонажного цемента).
Минералогический состав клинкера.
Наиболее быстро гидратирующимся минералом портландцементного клинкера является трехкальциевый алюминат (C3A), за ним следует четырехкальциевый алюмоферрит (C4AF), затем алит (C3S) и медленнее всего реагирует с водой белит (C2S).
Поэтому цементы с высоким содержанием трехкальциевого алюмината, четырехкальциевого алюмоферрита и алита являются быстротвердеющими, а с высоким содержанием белита – медленнотвердеющими, которые используют в основном для тампонирования в интервалах повышенных температур.
Минералогический состав клинкера следует учитывать и при выборе цемента для тампонирования скважин в интервалах многолетнемерзлых пород (ММП).
По интенсивности тепловыделения в процессе гидратации клинкерные минералы располагаются в следующей последовательности:
белит (C2S) – 206 Дж/г;
четырехкальциевый алюмоферрит (C4AF) – 419 Дж/г;
алит (C3S) – 502 Дж/г;
трехкальциевый алюминат (C3A) – 867 Дж/г.
Степень дисперсности ТЦ
Повышение степени дисперсности ТЦ приводит к увеличению поверхности реакции гидратации, а следовательно, и ее скорости.
Приближенно можно принять, что скорость гидратации прямо пропорциональна величине удельной поверхности ТЦ.
В/Ц
При значениях В/Ц, наиболее часто используемых в практике тампонирования скважин (0,45…0,55), его влияние на скорость гидратации не очень существенно.
В принципе же, скорость гидратации с ростом В/Ц увеличивается.
При высоких значениях В/Ц период интенсивной гидратации идет быстро, затем замедляется. При низком В/Ц процесс интенсивной гидратации растянут во времени.
С ростом температуры до 70…90 ºС эти отличия выражены уже менее четко.
.
Давление
С повышением давления скорость гидратации увеличивается.
Так, известно, что с ростом давления от атмосферного до 50…60 МПа сроки схватывания сокращаются примерно вдвое.
Температура
Скорость растворения поверхности клинкерных минералов (скорость гидратации) возрастает с ростом температуры экспоненциально, т.е. температура является главным фактором, определяющим скорость схватывания и твердения ТР.