稻壳灰对固井水泥石性能影响研究

杨建国 程小伟

摘 要：本实验通过在实验室制备稻壳灰并测试其相关性能，然后将稻壳灰按照实验设定的方案加入水泥中，待其水化硬化再从宏观和微观两个方面进行分析，以此来评价稻壳灰对固井水泥石的影响因素。结果表明：稻壳灰含有孔状结构，是一种多孔材料，同时它易磨，易制备，经过研磨后的稻壳灰比表面积较大，微集料填充效应良好。另外本实验探究得出稻壳灰掺量为12%时，养护得到的水泥石试样早期强度同比净浆一天增长15%～20%，两天增长25%～30%，因此可得出稻壳灰能改善固井水泥石的早期强度，最佳掺量为12%。利用XRD、SEM、EDS和TG等实验设备分析稻壳灰提高固井水泥石早期强度的原理为稻壳灰可以使水泥石中不同粒度的原料呈最密堆积，提高水泥石的致密度；稻壳灰中的高活性SiO2会与水泥的水化产物Ca（OH）2发生火山灰反应促进水泥的二次水化，生成了大量胶凝相即水化硅酸钙，提高水泥石的力学性能和改善水泥石微观结构。

关键词：稻壳灰；火山灰活性；固井水泥石；早期强度；微观分析

中图分类号：TE256 文献标志码：A

0 引言

近年来，随着众多实验室对油井水泥及其浆体相关性能的不断研究，高强、早强、速凝等水泥浆的研究工作有了新的进展和突破，但是当今工业发展必须遵循全面协调可持续的标准，让尽可能少的资源使用价值最大化，这为实验室研究固井水泥的相关性能提出了挑战。诸多研究已经证实稻壳灰在混凝土早强方面有着积极的作用，通过探究其原因可知稻壳灰是一种高性能的火山灰活性材料，在水泥水化后可以引发二次水化反应，从而提高混凝土的强度。

1 实验

1.1 实验材料和设备

水泥采用四川夹江水泥厂的G级油井水泥，降失水剂为G33S，另外还有SXY-2型的分散剂，稻壳灰（A、B、C）。主要实验设备为：扫描电子显微镜/X射线能谱仪Quanta 450型，氮吸附比表面积及孔径分布仪F-Sorb 3401型，组织捣碎机JJ-Z型，梅特勒-托利热分析仪TGA/SDTA851e型等。

1.2 实验方法

（1）稻壳灰烧成

将选取好的稻壳装入电阻炉中，从室温升到275℃（保温30min），再从275℃升温到575℃（保温120min），之后随炉冷却稻壳灰制备完成。

（2）水泥浆制备

用正交的实验方法，通过控制稻壳灰粒度不同、加量不同、养护时间以及养护温度不同来探索稻壳灰影响固井水泥石性能的机理。

2 实验结果与分析

2.1 稻壳灰分散性分析

通过图1稻壳灰分散性测试结果图分析可知：烧杯①中的稻壳灰经过超声分散30min后在水中分散均匀，但是将其静置120min后稻壳灰几乎全部沉淀在烧杯底部；而在烧杯②中加入了降失水剂之后超声分散后和烧杯①的现象相同，但是静置120min后溶液仍然呈显浑浊状态，在烧杯底部只沉淀了微量稻壳灰，可见稻壳灰本身分散性较差，但是适量的降失水剂能够改善稻壳灰的分散性。

2.2 稻壳灰激光粒度和比表面积分析

3种稻壳灰的激光粒度和比表面积测试结果见表1和表2。

由表1和表2分析可知，加工工艺对稻壳灰激光粒度和比表面积影响较大，但是实验材料差异较大势必会造成实验结果也有较大的差异，便于进一步比对分析。

2.3 稻壳灰SEM分析

通过对稻壳灰SEM分析图（图2）可知，两种稻壳灰都没有固定的形态且都含有孔状结构，唯一的区别是稻壳灰A的粒度更小。

2.4 稻壳灰A、B、C选用

将稻壳灰A、B、C分别按配方要求加入水泥石中在20℃养护一天和两天，其强度变化折线图如图3所示，可以清楚的看出稻殼灰C对水泥石的早期强度贡献最大，故本实验选用稻壳灰C作为本实验的主要添加材料。

2.5 稻壳灰XRD/EDS分析

通过DES分析可知，在稻壳灰中存在大量的Si元素，通过计算可知这种Si是以SiO2的形式存在的；为了进一步探究SiO2的晶型，对稻壳灰做了XRD测试，测试结果如图4所示，经过分析稻壳灰中存在的SiO2是非晶（无定形）态，这与实验预期相符，也是之所以选用稻壳灰的基本原因。

2.6 稻壳灰水泥浆密度和流动度分析

通过测试稻壳灰水泥浆的密度和流动度可知（见表3），稻壳灰对水泥浆的密度影响不大（可忽略），但是随着稻壳灰加量的增加，水泥浆的流动度呈减小趋势，从图5可以清楚地看出稻壳灰水泥浆流动度的变化趋势。

后生成的Ca（OH）2与稻壳灰中的高活性SiO2发生了二次水化反应，降低了水泥石Ca（OH）2的含量，生成了大量二次水化产物，提高了水泥石的早期强度。

结论

（1）稻壳灰对水泥浆密度无影响，但对其流动度有显著影响。

（2）稻壳灰含量为12%时对固井水泥石早期强度贡献最大。

参考文献

[1]郭小阳，程小伟，张春梅，等.油气井水泥生产与应用[D].西南石油大学，2014.