Показатели свойств цементного камня

Показатели свойств цементного камня

Структура цементного камня в значительной степени определяется механизмом его гидратации. В результате взаимодействия цемента с водой образуются «внутренние» продукты гидратации в пространстве, первоначально занятом цементными зернами, и «внешние» продукты гидратации, заполняющие пространство, первоначально занятое водой.

Количество внутреннего гидросиликата кальция намного больше, чем внешнего С—S—Н. Внутренний гидросиликат получается в результате топохимической гидратации алита и белита, т. е. путем непосредственного присоединения воды к твердой фазе. Внутренний гидросиликат имеет тонкую и плотную структуру; отношение CaO/SiO2 может быть от 0,5 до больших величин по Тейлору.

Внешние продукты гидратации образуются через растворение вне зерен цемента и состоят из небольшого количества внешнего гидросиликата, крупных кристаллов Са(ОН)2 и эттрингита. Частицы геля гидросиликата (сг аллиты) представляют собой субмикрокристаллические тонкие пластинки (фольгу) из двух-трех структурных слоев; толщина каждого слоя примерно 0,6 нм, диаметр частицы менее 10 нм. Следовательно, твердая фаза в гидратированном цементе находится в тонкодисперсном состоянии. Удельная поверхность портландцемента составляет 0,3—0,45 м2/г; в процессе гидратации удельная поверхность твердой фазы возрастает в 100—200 раз. Например, удельная поверхность цементного камня, изготовленного с водоцементным отношением 0,6, после 512 сут твердения при 100 %-ной влажности была равна 782 м2/г (при гидратации 91 % цемента).

В. Н. Юнг ввел представление о цементном камне как «микробетоне», состоящем из гелевых и кристаллических продуктов гидратации цемента и многочисленных включений в виде негидратированных зерен клинкера. Основная масса новообразований при взаимодействий цемента с водой получается в виде гелевидной массы, состоящей в основном из субмикрокристаллических частичек гидросиликата кальция. Гелеподобная масса пронизана относительно крупными кристаллами Са(ОН)2. Такое своеобразное «комбинированное» строение предопределяет специфические свойства цементного камня, резко отличающиеся от свойств других материалов: металлов, стекла, гранита и т. п. Например, с наличием гелевой составляющей связана усадка цементного камня при твердении на воздухе и набухание в воде, особенности работы под нагрузкой и другие свойства.

Цементный камень включает: 1) продукты, гидратации цемента: а) гель гидросиликата кальция и другие новообразования1, обладающие свойствами коллоидов; б) относительно крупные кристаллы Са(ОН)2 и эттрингита; 2) непрореагировазшие зерна клинкера, содержание которых уменьшается по мере гидратации цемента; 3) поры: а) поры геля (менее 0,1 мкм); б) капиллярные поры (от 0,1 до 10 мкм), расположенные между агрегатами частиц геля; в) воздушные поры (от 50 мкм до 2 мм), заполненные воздухом, засосанным вследствие вакуума, вызванного контракцией, либо вовлеченным при добавлении специальных воздухозовлекающих веществ, повышающих морозостойкость.

Классификация пор геля по размерам дана Р. Кондо и М. Даймоном (размер пор в данной классификации характеризуется половиной гидравлического радиуса): 1) очень мелкие поры, пронизывающие частицы геля: межкристаллитные размером менее 0,6 нм, а внутрикристаллитные до 16 нм; 2) более крупные поры между частицами геля — до 0,1 мкм. Все эти поры структурно присущи цементному гелю, т. е. в геле всегда есть поры, поскольку он является дисперсной системой, состоящей из частиц коллоидного уровня и их агрегатов, разделенных поровым пространством. В зависимости от состава цемента, начального количества воды и технологии пористость геля может составлять 28—40 % объема геля, причем около 1/4-1/3 пористости (т. е. 7—12 %) приходится на долю контракционного объема. Пористая структура геля как самого важного продукта гидратации цемента оказывает влияние на механические свойства, проницаемость и морозостойкость цементного камня; при этом следует учитывать особые физические свойства пор геля, обусловленные их малыми размерами.

Контракция (стяжение) — это явление уменьшения абсолютного объема системы .(цемент + вода) в процессе гидратации. Для примера рассмотрим систему:

ЗСаО- А12О3 + 6Н2О = ЗСаО-А12О3-6Н2О.

Абсолютный объем реагирующих веществ — СзА и воды — составит 196,97 см3, а объем гидроалюмината только 150,11 см3. Следовательно, контракция в данном примере составила 46,86 см3. Поскольку контракция почти не уменьшает внешний объем системы, ее следствием является образование в гидратированном цементе контракционного объема. В цементном камне и бетоне возникает вакуум, под влиянием которого эти поры заполняются водой или воздухом в зависимости от среды, в которой твердеет цементное тесто. Контракция для обычных портландцементов, затворенных водой после 28 сут твердения составляет 6—8 л на 100 кг цемента, т. е. в 1 м3 бетона с расходом вяжущего 300 кг/м3 контракционный объем занимает 18—24 л.

Каждому минералу цемента свойственна контракция; она начинается после его смешения с водой и достигает максимума при полной гидратации. Самая большая контракция происходит при гидратации трехкальциевого алюмината (более 15 %); она может быть причиной внутренних напряжений в цементном камне. Двуводный гипс, добавляемый при помоле клинкера, выравнивает контракцию, так как в химической реакции образования эттрингита из СзА, гипса и воды контракция составляет лишь 6,14 %.

Поры геля представляют собой микропоры менее 0,1 мкм. Вода, заполняющая поры геля (сокращенно «вода геля»), имеет с твердой фазой физико-химическую связь, так как адсорбционный полимолекулярный слой воды имеет толщину до 0,15 мкм. Вода геля замерзает при низкой температуре (по некоторым данным при —78 °С) и не переходит в лед даже при сильных морозах. Следовательно, поры геля не сказываются отрицательно на морозостойкости цементного камня и бетона. Вода, адсорбированная в порах, уменьшает живое сечение и без того малых гелевых пор, поэтому водопроницаемость цементного геля весьма мала. Часть воды затворения, не уместившейся в порах геля, располагается вне геля и образует капиллярные поры. Капиллярные поры имеют больший эффективный диаметр, чем поры геля, и доступны для воды при обычных условиях насыщения. При значительном объеме капиллярных пор, пронизывающих цементный камень, бетон имеет низкую морозостойкость и большую проницаемость, плохо сопротивляется химической коррозии и не защищает надежно стальную арматуру.

Вода является активным элементом структуры цементного камня, участвующим в образовании гидратных соединений и формировании пор. Пористость цементного камня зависит не только от начального водоцементного отношения, но и от форм связи воды с твердой фазой.

Согласно классификации П. А. Ребиндера, построенной по принципу интенсивности энергии связи, выделяют три формы связи воды в цементном камне: химическая связь является наиболее сильной. Химически связанная вода удаляется при прокаливании. Количество химически связанной воды обычно выражают в % или долях от массы цемента; физико-химическая связь характерна для адсорбционно связанной воды, находящейся в порах цементного геля; связь эта нарушается при высушивании; физико-механическая связь — в данном случае капиллярное давление — обусловливает удержание воды в капиллярных порах цементного камня. Адсорбционно связанная и капиллярная вода, удаляемая при высушивании, называется еще испаряемой. Потери при прокаливании высушенной пробы цементного камня определяют химически связанную (неиспаряемую) воду.

В порах цементного камня обычно присутствует жидкая фаза, которая представляет собой водные растворы щелочей, прежде всего Са(ОН)2. Это обусловливает отсутствие коррозии стальной арматуры в цементном бетоне при достаточной концентрации раствора Са(ОН)2 вследствие «пассивирующего» действия щелочи по отношению к стали.

Свойства цементного раствора

Для надежной кольматации трещин и пор горных пород стенок скважин предварительно следует изучить их физико-механические свойства (в первую очередь минералогический и гранулометрический состав, величину раскрытия трещин), наметить цели кольматации и на. основании этого подобрать цемент с нужными параметрами, состав тампонажной смеси с параметрами, соответствующими свойствам горной породы и поставленной цели.

Для цементных растворов, предназначенных для кольматации трещин, определяют следующие параметры цемента: марку, плотность и объемный вес тампонажного цемента, тонкость помола, а затем параметры цементного раствора: 1 — плотность, 2 — водоцементное отношение, 3 — устойчивость цементного раствора к размыванию промывочной жидкостью и подземными водами, 4 — устойчивость к воздействию агрессивных подземных вод, 5 растекаемостъ, 6 — пластическая прочность, 7 — сроки схватываний, 8 — время загустевания, 9 — стабильность и водоудерживающая способность, 10 — проникаемость раствора в трещины, 11 — закупоривающая способность, 12 — реологические свойства.

Марку портландцемента определяют по величине прочности цементного камня на сжатие при добавлении песка в соотношении 1:3 через 28 суток после затворения. Для приготовления тампонажной смеси выбирают сухой цемент, транспортируемый в специальных плотных упаковках. Для кольматации трещин в прочных скальных породах к марке цемента особых требований не предъявляется. Считается, что для кольматации трещин цементный камень может иметь прочность на сжатие 3 МПа и даже меньше.

Тонкость помола определяют с помощью комплекта сит, установленных друг на друга. Размеры отверстий верхнего сита 0,2×0,2 мм (900 отверстий на 1см 2 ), а нижнего 0,09×0,09 мм (3900 отверстий на 1 см 2 ). Тонкость помола влияет на все свойства цементного раствора: плотность, водоцементное отношение, растекаемость, стабильность, проникаемость и т.д.

Наличие тонкой фракции (размером менее 10 мм) в большом количестве приведет к увеличению удельной поверхности и активности цемента, что повышает водоцемент-ное отношение. Большое содержание воды влечет за собой снижение плотности и прочности цементного камня. С увеличением количества грубодисперспой фракции с размерами выше допустимого значения активность цемента понизится, качество цемента (растворимость, прочность структуры и т.д.) ухудшится. Поэтому рекомендуется использовать цемент с оптимальным фракционным составом: 10 мкм — 45 %, от 10 до 50 мкм — 55 %. Тонкость помола портландцемента должна соответствовать остатку на сите с 900 отверстиями на см 2 не более 2 %, а на сите с 3900 отверстиями на см 2 не более 20 %.

Плотность цементного раствора выбирают в соответствии с пластовым давлением в скважине.В скважинах с аномально высоким пластовым давлением (АВПД) применяют тяжелые цементные растворы и наоборот в скважинах с аномально низким пластовым Давлением (АНДП) – легкие цементные растворы.

По плотности цементные растворы делят на легкие плотностью менее 1,3 г/см 3 , облегченные плотностью 1,3-1,65 г/см 3 , нормальные плотностью 1,65-1,90 г/см 3 , утяжеленные плотностью 1,9-2,2 г/см 3 и тяжелые плотностью более 2,2 г/см 3 .

Плотность раствора определяют с помощью приборов — плотномера ВРП, пикнометра и ареометра АГ-ЗПП.

Водоцементноё отношение так же, как и плотность, оказывает влияние на многие свойства цементного раствораплотность, растекаемость, сроки схватывания, проникаемость, стабильность и т.д. Водоцементное отношение — это количество воды на единицу веса цемента:

Для нормальных растворов из портландцемента ПЦТ ДО и ПТЦ Д20 водоцементное отношение принимают равным 0,4-0,6; для легких цементных растворов (на основе ПТЦ_лсг) m=1,3-1,5, облегченных растворов (на осно­ве ПЦТ_обл) т=0,6-1,3, утяжеленных (ПЦТ_ут) m=0,3-0,4.

Растекаемость — это способность цементного раствора течь. Обусловлена она вязкостью тампонажной смеси и позволяет судить о возможности прокачивания раствора насосом через бурильные трубы, косвенно определять гидравлические сопротивления в трубах и трещинах, вероятность заполнения трещин и пор.

Нормальным цементным раствором при кольматации трещин для всех цементов (кроме ПЦТ ДО и ПТЦ Д20) считается раствор с растекаемостыо 18-22 ей. Если растекаемость раствора окажется менее 18 или более 22 см, то водоцементное отношение изменяют (увеличивают при m 22) до указанных пределов. Определяют растекаемость на приборе «Конус АзНИИ».

Устойчивость раствора к размыванию промывочной жидкостью.Размывание раствора — это активное перемеши­вание цементного и бурового растворов, которое возможно при наличии свободной воды в растворах и высокой гидрофильности твердой фазы. Для определения устойчивости раствора к размыванию промывочной жидкостью используют стекляный цилиндр с делениями, его заполняют наполовину цементным раствором и наполовину промывочной жидкостью. После выдерживания растворов в течение 3 . часов определяют плотность цементного раствора в контакте с промывочной жидкостью, содержание воды в цементном растворе и реологические свойства смеси.

С целью предотвращения размывания цементного раствора промывочной жидкостью используют буферные жидкости.

Устойчивость цементного раствора к агрессии подземных вод. На твердение раствора в процессе тампонирования трещиноватой зоны могут оказывать вредное влияние агрессивные подземные воды. В результате взаимодействия ионов солей с составными элементами цемента затвердевание может не произойти.

Различают сульфатную, сероводородную, магнезиальную, углекислотную и общекислотную агрессии.

Сульфатная агрессия характеризуется повышенным содержанием в воде сульфат-анионов SO₄ 2- (подробнее будет рассмотрена ниже).

При угяекислотной агрессии под воздействием углекислоты, СО₂ происходит выщелачивание и вымывание составных частей цемента, главным образом извести СаО:

Общекислотная агрессия обусловлена наличием в подземных водах ионов водорода, способных вытеснять в минералах цемента другие катионы или нейтрализовать щелочь и таким образом ухудшать качество цементного раствора:.

Допустимый показатель рН подземных вод должен быть не менее 5. При сероводородной агрессии образуются сульфиды кальция, алюминия, железа, например,

Пластическая прочность характеризует прочность структуры раствора при его пластично-вязком разрушении пол воздействием, конуса. Она характеризует устойчивость раствора к размывающему действию циркулирующей промывочной жидкости. Это величина не постоянна. С течением времени пластическая прочность возрастает сначала весьма интенсивно, затем более плавно, а через некоторый промежуток времени темп повышения прочности резко падает. Пластическая прочность в момент снижения темпа упрочнения раствора должна быть достаточной, чтобы выдержать размывающее действие потока циркулирующей промывоч-
ной жидкости.

Замеряют пластическую прочность на приборе Вика, в котором вместо иглы в нижней части стержня закреплен конус.

Сроки схватывания растворов (начало и конец схватывания) — показатели, позволяющие определить резерв времени закачивания цементного раствора до его схватывания, а также, время твердения раствора (ожидание затвердевания цементного раствора ОЗЦ) в трещинах.

Начало схватывания выбирают в зависимости от глубины скважины и скорости закачивания раствора (от нескольких минут до нескольких часов), а конец схватывания в зависимости от ширины раскрытия трещин, скорости циркуляции подземных вод и др.

Сроки схватывания зависят от тонкости помола цемента, водоцементного отношения, активности цементных частиц и температуры. Определяют сроки схватывания на приборе Вика.

Время загустевания раствора необходимо знать для более точного определения резерва времени закачивания тампонажной смеси. Его определяют на консистометре КЦ-5 (для нормальных температур в скважине) и консистометре КЦ-3 (для повышенных температур). На время загустевания оказывают влияние те же характеристики раствора; активность цементных частиц, водоцементное отношение, тонкость помола, давление, температура.

Стабильность раствора — один из важных показателей цементных растворов, оказывающий влияние на качество тампонирования. При малой стабильности в процессе твердения из раствора выпадает твердая фаза и трещины оказываются не затампонироваными или затампонироваными частично, поэтому, производят повторное тампонирование, на что затрачиваются дополнительные материальные средства, время и труд рабочих.

Стабильность определяют по величине объема выделившейся воды из раствора, находящегося в покое в течение трех часов. О ней можно судить и по водоудерживающей способности (водоотдаче) раствора на приборе ВМ-6 . Величина водоотдачи зависит от тонкости помола цемента, активности цементных частиц, перепада давления и температу-ры твердения. С ростом давления и температуры водоотдача раствора возрастает.

Существенное влияние на эффективность тампонирования трещиноватых пород имеет и проникаемость раствора, т.е. глубина проникновения тампонажной смеси в трещины пласта. При незначительной глубине проникновения под воздействием бурильной колонны и давления циркулирующей промывочной жидкости цемент разрушается и вымывается из трещин. Требуется повторное тампонирование.

Проникаемость тампонажного раствора зависит от величины раскрытия трещин, гидрофильности горных пород и растекаемости раствора. Определяют проникаемость на щелевом имитаторе.

Водные растворы тампонажного цемента довольно широко применяют для предупреждения потерь промывочной жидкости. Однако закупоривающая способность их при наличии циркулирующих подземных вод весьма низка, так как в течение; длительного времени в них отсутствует кристаллическая структура, вследствие чего под. действием циркулирующей жидкости незатвердевший раствор продавливаете в трещдны. Такие растворы требуют специальной обработки. Закупоривающую способность тампонажных смесей определяют на щелевом имитаторе. Один из таких имитаторов представляет систему дисков с регулируемыми зазорами, через Которые продавливается тампонажный раствор.

Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Студалл.Орг (0.005 сек.)

Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях

Исследование влияния структуры цементного камня на морозостойкость

Анализ ряда работ, посвященных изучению долговечности цементного камня и бетона [1—2 и Др.], позволяет сделать вывод, что одним из решающих факторов морозостойкости является структура пор материала. Это вполне закономерно, так как морозостойкость материала определяется наличием пор, наполненных водой. Следовательно, одним из путей исследования морозостойкости цементного камня и бетона, как и других материалов, является изучение их пористой структуры.

Вместе с тем необходимо отметить, что до сих пор нет общепризнанных критериев для оценки строения цементного камня с точки зрения его морозостойкости. Лишь в немногих исследованиях [2, 3] осуществлена попытка установить количественную связь между морозостойкостью и структурой пор цементного камня и бетона, причем полученные выводы во многом противоречат друг другу. Зависимость морозостойкости цементного камня от его структуры в связи с минералогическим составом цемента вообще не изучалась. Использование расчетных характеристик пористости, разработанных Г. И. Горчаковым, не дает полного представления о характере пористости цементного камня, так как, по нашему мнению, структура последнего определяется не только степенью гидратации и водоцементным отношением, но и кинетикой гидратации, зависящей от условий твердения и минералогического состава цемента.

Цель проведенного авторами исследования — установление связи между морозостойкостью и структурой цементного бетона, что диктуется потребностями практики. Изучение структуры пор цементного камня и ее связи с морозостойкостью представляет теоретический и практический интерес, поскольку «изучение цементного теста прокладывает мост от химии цемента к технологии бетона» [4].

Исследование проводилось на цементах различных минералогических составов, полученных помолом до удельной поверхности порядка 2500 см2/г клинкеров заводского обжига (табл. 1).

За немногими исключениями результаты испытаний выявили определенную тенденцию к изменению морозостойкости. Уменьшение капиллярной пористости цементного камня примерно от 18 до 8% сопровождалось заметным, но сравнительно небольшим повышением морозостойкости. Дальнейшее уменьшение капиллярной пористости до 4—4 % и менее сопровождалось резким возрастанием морозостойкости. Наибольшую морозостойкость имели образцы цементного камня с капиллярной пористостью 0,6—3%.

Для большей точности оценки показателя морозостойкости цементного камня по данным о его капиллярной пористости необходимо учитывать данные об объемах крупных пор радиусом более 1 мк и микропор, главным образом пор геля. На наш взгляд, морозостойкость цементного камня увеличивается при повышенном (до определенного предела) содержании крупных пор, являющихся «резервными». Поры геля (менее 100А) способны понижать водонасыщение капиллярных пор за счет отсоса влага, увеличивать в целом прочность структуры н, таким образом, также способствовать повышению морозостойкости цементного камня.

При помоле к клинкерам добавлялось 3% полуводного гипса. Испытаниям подвергались образцы размером ЗХЗХ ХЗ см, изготовленные из теста (1:0)нормальной густоты или с В/Ц = 0,4. Температура твердения : 90, 20, 0 и —10°С. Образцы пропаривали в металлических формах с герметически закрывающимися крышками по режиму: 1,5-г8 ч+1,5 ч.

Морозостойкость цементного камня определялась путем контроля прочности и веса образцов после определенного числа циклов замораживания в холодильнике (не менее 5 ч при —15-1 20°С) и оттаивания в ванне с водой (3 ч при 20±3°С). Степень гидратации цементного камня определялась методом количественного рентгеновского анализа, удельная поверхность камня — методом низкотемпературной адсорбции азота.

Физическая структура (структурная пористость) цементного камня изучалась с помощью ртутной порометрии. Характер распределения пор по размерам и суммарная пористость определялись с помощью поромеров низкого и высокого (марки ПА-Зм) давлений в диапазоне радиусов пор от 30 мк до 40А.

Исследование показало зависимость морозостойкости цементного камня от его структуры. На основе анализа и сопоставления данных ,по структуре и морозостойкости цементного камня (табл. 2 и 3) удалось установить, что капиллярные

Влияние капиллярной пористости на морозостойкость цементного камня

Результаты анализа экспериментальных данных о структуре пор цементного камня в связи с его морозостойкостью з основном соответствуют соображениям [5—16] о возможном интервале так называемых «опасных» (с точки зрения морозостойкости) пор в структуре камня. Вода в микропорах (менее 10

5 см) замерзает при весьма низких температурах (ниже —30°С). Поэтому исходя из принятых методов испытания к.а морозостойкость, можно считать микропоры практически не участвующими в процессе деструкции замораживаемого цементного камня. С другой стороны, поры с радиусом более 1 мк не могут представлять опасности с точки зрения морозостойкости цементного камня вследствие того, что они не з состоянии удержать влагу, необходимую для их полного заполнения, так как капиллярные силы в них меньше сил гравитационных. К тому же в этих порах неизбежны процессы десорбции влаги в окружающую среду и адсорбции примыкающими более мелкими капиллярами.

Таким образом, «опасными» являются в основном поры размером 0,1—1 мк, которые могут находиться в водонасыщенном состоянии, причем замерзание влаги в них происходит при температуре выше от —25 до —30°С.

Безусловно, установленная зависимость не отражает полностью связь между морозостойкостью и структурой цементного камня, так же как не исключает влияние ма его долго_ вечность других факторов. Однако можно полагать, что полученные данные достаточно объективно отражают определяющее влияние пористой структуры цементного камня и, в частности, капиллярной пористости на его морозостойкость. Исходя из этих соображений, ниже излагаются представления о взаимосвязи между морозостойкостью и структурой цементного камня, являющейся результатом влияния различных параметров.

Наибольшей морозостойкостью характеризуется цементный камень нормально-влажностного твердения, поскольку его структура формируется без отрицательных воздействий окружающей среды и отличается минимальным, по сравнению с другими условиями, содержанием капиллярных пор и максимальных гелевых пор. Повышенное содержание крупных пор (более 1 мк) в цементном камне на основе алитовых цементов, обусловленное особенностями гидратации C3S, является одним из факторов, придающих высокоалитовому цементному камню высокую морозостойкость. Повышенное содержание капиллярных пор и пониженное содержание пор геля в структуре цементного камня на основе белитовых цементов, обусловленное, при прочих равных условиях, их меньшей степенью гидратации, является одной из основных причин пониженной морозостойкости белитовых цементов в сравнении с алитовыми. Немаловажную роль при этом играет тот факт, что цементный камень на основе белитовых цементов отличается весьма низким содержанием крупных пор, являющихся «резервными» при замораживании.

В цементном камне на основе высокоалюминатных цементов образуется повышенное количество капиллярных пор за счет углубления при положительных температурах процессов перекристаллизации алюмосодержащих гидратов. В связи г этим значительно пониженную морозостойкость пропаренных цементов (особенно при больших В/Ц), содержащих количество СзА, можно объяснить особенностями sx пористой структуры (более высоким содержанием капиллярных пор по сравнению с цементным камнем на основе низко-алюминатных цементов). В то же время увеличение содержания С3А в цементах, твердевших при температуре 0=С. придает структуре новообразований микропористый характер, значительно снижает объем капиллярных пор и делает камень более морозостойким по сравнению с цементным камнем на основе ннзкоалюмпнатных цементов (табл. 2).

Таким образом, влияние минералогического состава цементов на морозостойкость цементного камня тесно сзязао с условиями твердения. Высокоалюминатные цементы, обьгздо считающиеся неморозостойкими после пропаривания и твердения при обычных температурах, при температур аде близких к 0°С, способны твердеть с образованием более морозозостойкого камня, чем низкоалюминатные цементы. Определяющим здесь является структура пор цементного камня.

Повышение водоцементного отношения отрицательно сказывается на структуре цементного камня, вызывая увеличение содержания капиллярных и уменьшение содержания и в результате этого —снижение морозостойкости камД в особенности твердевшего в условиях пропаривания.

Наши данные в целом не противоречат выводам, полученным при применении иных методов исследования. Необходимо, однако, отметить, что в некоторых работах понятие «капиллярная пористость» определено в весьма широк-х пределах и касается также пор размером более 1 мк, что по нашему мнению, в применении к цементном) камню было б-з? не совсем верно. С этой точки зрения полезно дальнейшее исследование зависимости технических свойств бетонов -хл структуры цементного камня и раствора в бетоне. Морозостойкость цементного камня в значительной степени определяется его структурой. Капиллярные поры радиусом 0,1—1 мк являются одним из основных дефектов строения цементного камня, понижающим его морозостойкость.

На основе выявленной зависимости объяснено влияние различных параметров (минералогического состава цемента, условий твердения, водоцементного отношения) на морозостойкость цементного камня. Показано, что влияние минералогического состава цемента (в первую очередь СзА) на морозостойкость цементного камня непосредственно связано с условиями твердения и определяется структурой пор цементного камня.

Свойства цементных растворов и цементного камня

С точки зрения гарантии успешности бурения наиболее часто определяют следующие свойства цементов:

1) плотность, ρ, кг/м 3 ;

2) растекаемость, мм;

3) начало схватывания, час, мин.;

4) конец схватывания, час, мин.;

5) предел прочности на изгиб, σ_И, кгс/см 2 ;

6) равномерность изменения объёма, да/нет;

7) тонкость помола, да/нет;

8) содержание вредных примесей, %

Свойства цементных растворов прямо зависят от водоцементного отношения ВЦО, которое соответственно определяется как отношение массы затворённой воды m_В к массе цемента m_Ц:

Обычно у портландцементов свойства определяют при ВЦО = 0,5. Если ВЦО будет меньше 0,5, то плотность цементного раствора увеличится, а скорость схватывания уменьшится. Это важно для присмотра за оперативным расходом цемента. Имеется в виду, что обычная плотность буровых тампонажных растворов от строительных портландцементов равна 1,65 г/см 3 , а заявленная их плотность обычно равна 1,85 г/см 3 , то есть с меньшим ВЦО. И если, без соответствующей лабораторной проверки, при цементировании не экономят цемент для оперативных производственных надобностей, а делают плотность цемента равной проектной, то ретивые исполнители часто получают козла.

Для исследования свойств цементов количество цементного порошка и воды затворения рассчитывают следующим образом. Например, если ВЦО = 0,4, то это значит, что для замеса цементного раствора надо взять четыре массовых части воды и десять массовых частей цементного порошка, а всего четырнадцать массовых частей. То есть, например, на четыре килограмма воды надо взять десять килограмм цементного порошка. Или, четыреста грамм воды надо смешать с одним килограммом цемента.

Если, например, требуется сделать один литр цементного раствора с ВЦО = 0,5 и плотностью ρ_ЦР = 1,65 г/см 3 , то всего надо взять всего 1650 г воды и цементного порошка. Причём в этой массе всего будет 5 частей воды и 10 частей цемента. А на одну часть будет приходиться массы 1650 / (5+10) = 110 г. Отсюда следует, что для образования одного литра цементного раствора надо взять 5 × 110 = 550 г воды и 10 × 110 = 1100 г цемента.

Плотность.

Плотность цементного раствора определяется аналогично плотности промывочной жидкости в пункте 6.2.1.

Растекаемость.

Идея растекаемости заключается в том, что цементный раствор при цементировании, поднимаясь снизу вверх по затрубному пространству ОК, под действием силы тяжести этой более плотной жидкости, чем промывочная, должен достаточно хорошо растекаться на стороны, чтобы хорошо заполнять каверны в стенках скважины. В результате чего должен получаться непроницаемый тампонаж затрубного пространства ОК, независимо от режимов цементирования, всяких там ламинарных, турбулентных или структурных. Но это для дополнительного образования. Однако при этом надо не забывать, что растекаемость цементного раствора в скважине лучше при большем времени цементирования.

Растекаемость цементного раствора определяется на приборе конус АзНИИ (Рисунок 76), названного в честь Азербайджанского научно-исследовательского института. Он представляет из себя усечённый конус, объёмом 120 см 3 .

Определение растекаемости производится по следующей последовательности. Конус устанавливают посередине на горизонтально поставленный диск с концентрической шкалой и пузырьковым прибором определения горизонтальности посредине. Этот диск есть не конус, а диск, несмотря на то, что на нём написано, что он есть конус (КР-1). Затем приготавливают соответствующее количество цементного раствора, который перемешивают в течение двух минут с момента затворения цемента с водой. Затем наполняют цементным раствором конус заподлицо (за под лицо). Излишек цементного раствора срезается ровным предметом, и затем конус рукой поднимается вверх. Средний диаметр растёкшейся при этом цементной лепёхи и есть величина растекаемости. Растекаемость должна быть не меньше 180 мм.

Рисунок 76. Конус АзНИИ, он же конус растекаемости КР-1

Начало схватывания.

Начало схватывания есть промежуток времени от момента начала затворения цементного порошка в воде до момента начала схватывания этого цементного раствора.

Момент времени начала схватывания определяют на приборе игла Вика (Рисунок 77). Этот прибор оборудуется привинчиваемой иглой 1 диаметром 1,1. Игла привинчивается вместо привинчиваемого пестика 2, который используется для определения нормальной густоты цементного теста. Прибор имеет давящий груз 2, массой 300 г. При этом в сборный стакан 3 с подложкой 4 наливают 300 мл цементного раствора и производят ОЗЦ. В течение этого времени несколько раз, через заданные промежутки времени, иглу подводят до поверхности цемента и отпускают под действием груза. Укол теста производят каждый раз в новое место. Моментом начала схватывания считается момент времени, при котором игла Вика не доходит до дна стакана 1÷2 мм. Это определяют по шкале 6.

Рисунок 77. Игла Вика ИВ-2

Конец схватывания.

Определяется аналогично началу схватывания. Моментом конца схватывания считается момент, когда игла Вика может только воткнуться в цемент на 1÷2 мм.