关于水泥石增韧材料研究的现状分析

2019-12-03杜琴岚俞嘉敏

四川水泥 2019年10期

杜琴岚俞嘉敏高哲

（西南石油大学材料科学与工程学院，四川成都 610500）

水泥是一种水硬化无机胶黏材料，因其原材料易获取、生产工艺简单、成本低、强度大等特点，目前被广泛地应用在建筑、道路、桥梁、油井等领域[1-2]。本文将全面介绍纤维等水泥石增韧材料的研究现状，梳理分析各类增韧材料的优点与不足。

1 国内外研究现状

纤维是指粗细为几微米到上百微米的柔软细长体，包括矿物纤维、无机纤维和合成纤维，具有较大的长径比（>1000）。晶须是一种纤维类的单晶材料，其直径与长径比较小，晶体内部不存在晶界、位错、空穴等缺陷，因此其具有较高的拉伸强度与模量[1,2]。学者研究得出：纤维水泥石不仅在各种性能方面超过了普通水泥石的性能，而且还弥补了在各种工况条件下的不利因素，因此关于纤维水泥石的研究成为国内外学者的研究热点[3]。目前应用较多的纤维类材料分类如表1所示[4,5]：

表1 纤维的分类

由于纤维材料具有较高的拉伸强度与弹性模量被用来增强水泥基材料的技术在较早之前就得到了应用。早在50年前，将尼龙、聚丙烯这两种有机纤维与玻璃、碳纤维这两种有机纤维混杂来提高水泥基材料的微观结构与抗冲击能力。二十世纪末，研究了高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)，从纤维、基体和界面微观力学性质出发，预测了不连续纤维复合材料的各种单轴载荷-变形行为，得出了ECC材料相对于传统水泥基材料具有更好的耐久性和安全性。

近年来，纤维类增强材料在油井水泥上也得到了进一步的研究。碳纤维具有较高的强度与弹性模量，优异的耐高温和耐腐蚀性能，是一种高强度纤维。李明等[5]探讨甲基纤维素（MC）和羧甲基纤维素（CMC）对碳纤维在水泥浆体中的分散效果，实验得出：0.2wt%的CMC溶液可以将碳纤维在基体溶液中较好的分散；在经过 28d的养护时间后，与空白试样相比，0.3wt%的碳纤维加量能够提高水泥石的抗拉强度接近 52%，降低弹性模量 49.5%。水镁石纤维是一种天然的无机矿物纤维材料，其具有较高的强度、优异的耐碱性能和生产成本低的特点，与水泥基材料有很好的相容性。

玄武岩纤维是一种新发现的无机绿色环保纤维材料，其特点是模量高、拉伸强度高和较高的耐温性能（1400～1500℃）。使用玄武岩纤维来解决油井水泥石脆性大的缺点，加入玄武岩纤维后其抗压强度、抗折强度和抗冲击性能都得到了提高。

在油井水泥中掺入聚丙烯纤维对浆体的流变性和稳定性无影响，并且可以改善水泥石的早期抗压强度，能够起到很好的防漏效果。研究还发现，纤维的存在可以抑制裂纹的扩展，宏观表现为水泥石具有较高的强度。

在油井水泥中加入耐碱玻璃纤维考察对水泥石抗拉伸破坏能力及其强度与韧性的影响，当水泥石中含有5wt%的耐碱玻璃纤维时，水泥石的抗折强度改善20%，抗冲击功改善10%，在50℃的养护条件下能够有效的减少毛细孔的比例并能够增加胶凝孔，使水泥石表现出更好的致密性。

在油井水泥中加入纤维素纤维(CBF)，当CBF加量在8%，硅灰含量为15%时的试样表现出较好的机械性能和耐久性。采用 10%的氢氧化钠溶液对竹纤维(BF)进行碱处理，将处理后的纤维对油井水泥进行增韧，适当的碱处理量可以有效地提水泥石的韧性，BF与水泥基体有较好的界面粘结性，在水泥浆体中加入碱化处理后的BF可以使微观结构更加致密。

碳酸钙晶须是一种尺寸很小的须状单晶体，具有矿物材料的纤维材料的特性，作为一种理想的增强材料，碳酸钙晶须与水泥基材料有良好的相容性。采用碳酸钙晶须对固井水泥进行了改性，碳酸钙晶须的掺入增大了浆体的初始稠度，加入适合的缓凝剂可以控制稠化时间。碳酸钙晶须在水泥浆中加量为10%wt时，水泥石的抗折强度与抗拉强度提升明显达54%和28%，体积线收缩率减小82.97%，其综合性能依然满足固井作业的要求。使用碳酸钙晶须/碳纤维混杂来改性油井水泥石，实验结果显示：纤维/晶须混杂可以改善水泥石的抗压、抗折、抗拉强度分别达 25.5%、25.2%、37.3%，碳酸钙晶须由于其较小的尺寸可以试样的孔隙度和渗透率降低 14.3%和 23.4%，成型的水泥石具有较好的防气窜性能；混杂纤维/晶须水泥石能够提高基体的极限应变和降低弹性模量，使水泥石体现出更为优良的韧性。纤维/晶须的混杂相比于单掺1种纤维/晶须的增韧作用更加明显，表现出正混杂效应。

实验论证了晶须对油井水泥石的改性效果，晶须的加入能提高水泥石的 28d抗压、抗拉、抗折强度达8.96%、137.44%、27.96%。还研究了其增韧机理：锌晶须在水化反应过程中吸附了大量颗粒形成特殊的簇状结构，通过这种特殊的结构实现晶须阻裂增强的多向性。

含有聚酯纤维和碳酸钙晶须的新型纤维混杂技术提高了基体多尺度抗裂性，提高韧性和机械性能，碳酸钙晶须与聚酯纤维混杂能够增强水泥基的抗压强度。镁质晶须对油井水泥石力学性能的影响实验结果表明：随着晶须加量的提高，水泥石的抗压与抗折强度得到提高，并通过晶须自身较小的尺寸填充与水泥基体内部的有害孔隙中，提高了基体的致密度。