淺談硅酸鹽水泥特性與應用

錢子杰

【摘要】：水泥漿護壁堵漏是鉆探施工對付復雜地層的有效方法之一，常用硅酸鹽水泥通過外加劑改性可以獲得與多種特種水泥同性能的水泥漿液。因而合理使用外加劑可以使常用普通水泥在現場處理復雜地層時，代替特種水泥，取得良好的技術、經濟效益。

【關鍵詞】：硅酸鹽水泥；外加劑；復雜地層鉆井護壁

近年來，隨著材料工業的發展，如快干早強水泥、膨脹水泥、觸變性水泥等諸多特種水泥和地質專業水泥的問世，為水泥漿護壁堵漏提供了更可靠的施工材料。然而具有特定性能的特種水泥也很難適應多種多樣的井內復雜情況，況且特種水泥貨緊價高。因此，尋找一種可大范圍調節其性能的廉價的護壁堵漏水泥非常緊迫。

1 硅酸鹽水泥的特性

硅酸鹽水泥是目前建筑工程中最常見的原材料之一，抗硫水泥是硅酸鹽水泥的一個品種，屬于硅酸鹽水泥的體系，具有以下特性：

1.1耐腐蝕性能：由于限制了水泥中某些礦物組成的含量，從而提高了對硫酸根離子的耐腐蝕性，但它能具有硅酸鹽水泥的基本性質，所以它不是廣義上的耐腐蝕水泥。抗硫水泥只是對一定濃度的硫酸根離子的純硫酸鹽有耐蝕性，并不能耐一切硫酸鹽介質的腐蝕，如對硫酸銨、硫酸鎂介質就不耐蝕，對硫酸、亞硫酸也不耐蝕，也不耐二氧化硫、三氧化硫氣體的腐蝕。因此抗硫水泥不能誤認為對所有的硫酸鹽介質均有耐蝕性。

1.2使用部位：抗硫水泥的腐蝕試驗，是將試件浸泡在低濃度的硫酸鈉溶液中，它不可能具備硫酸鈉的結晶條件，是純粹的化學腐蝕。國標GB748—1996推薦使用于受硫酸鹽腐蝕的海港；水利、地下、隧道、引水、道路和橋梁基礎等工程。西南鐵路一些隧道工程，由于遭受硫酸鹽的腐蝕，采用了抗硫水泥，但后來效果并不好，這可能是含有硫酸鹽介質的地下水滲透隧道襯里后，由于風干作用，而使介質濃縮，產生結晶，造成襯里開裂破壞。

1.3抗硫酸鹽硅酸鹽水泥的代用：由于抗硫水泥的配方和產生過程要求嚴格，應用面不太廣，一般水泥廠是按需生產，同時生產成本也較高，價格較貴。小批量水泥廠大都不愿生產，供應相對困難。普通水泥、礦渣水泥、大壩水泥中只要水泥中鋁酸三鈣含量低于5%，可作為中抗硫水泥的代用品。

2 外加劑的合理應用是普通水泥護壁堵漏成功的關鍵

2.1 按水泥品種合理選用外加劑

使用不同品種的普通水泥應著重對早期強度標注號加以區別而選用外加劑。

2.2 明確改善水泥性能的目的，合理選用外加劑。綜合選用外加劑，是合理使用外加劑的關鍵。如井內注漿主要目的為堵漏時，應選用減少劑、還凝劑為主要外加劑，以縮短終凝時間。

2.3準確確定外加劑摻量并以室內試驗校正。在合理選用外加劑品種的基礎上，還要準確確定最優摻量。

2.4充分考慮施工條件，確定外加劑摻量。

外加劑摻量是在綜合考慮工程要求和外部環境條件的情況下加以確定的。

2.5盡可能選用復合外加劑。外加劑復合使用往往可以使各種外加劑的優越性充分體現，相互促進，以適應多種工程的特殊需要。

3 水、灰等材料的選擇和影響

水和水泥是護壁堵漏工程的主要材料，能否正確掌握材料特性并合理應用材料，關系到工程質量與護壁堵漏的成敗。

3.1水泥的選擇與應用

3.1.1硅酸鹽水泥是以硅酸鈣為主要成分的硅酸鹽水泥熟料，加入適量石膏制成的水硬性膠凝材料。

硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥在常用水泥中標號較高，凝結硬化速度快，早期強度高，故一般護壁堵漏工程應用較多，尤其在造壁強度要求高時更為適用。

3.1.2火山灰硅酸鹽水泥。該水泥密度較小，水化硬化較慢，早期強度低，水泥結石在濕熱條件下養護，具有較高的不透水性，需水量大，結石收縮大的缺點。

3.1.3礦渣硅酸鹽水泥

早期強度較硅酸鹽水泥低，體積安定性好，耐熱性好，但保持水份性能差，干縮性較大。礦渣硅酸鹽水泥較適用于大口徑鉆井和大井段護壁堵漏，尤其適用于地溫較高的鉆井護壁堵漏，但必須解決好水泥漿泌水性大和干縮的問題。

3.1.4粉煤灰硅酸鹽水泥。 其特性與火山灰硅酸鹽水泥相近，優點是水泥漿液動性好，但失水較嚴重，適用于大井段灌注工程。

3.2配漿用水的選擇與應用

一般地，含無機鹽的水對水泥漿起保凝作用，而天然水中所含腐植酸等有機物又往往引起水泥緩凝。現場用水應利用方便水源。只要不是顯著含鹽或具有堿味的水，一般都可以用。

4 普通工藝與工程質量

普通水泥護壁堵漏能否成功，除合理選擇水泥漿灌注材料及外加劑外，針對工程特點正確掌握灌注工藝至關重要。

4.1把握施工要求嚴格控制水灰比

嚴格控制漿液水灰比關系到護壁堵漏的成敗。理論要求水泥充分水化凝固的水灰比是0.21-0.25，現場應用一般為0.35-0.6。因此，現場必須把握好水灰計量關，按設計配方配漿。

4.2選擇合適的水泥漿攪拌方式和設備

在水泥用量較小，水灰比較大時，可以人工攪拌，在配漿用灰超過500kg時，盡可能使用機械攪拌或水力攪拌方式。當配方中有速凝劑時，必須使用高效能攪拌設備。

4.3選擇灌注方式

水泥的灌注方式可分為水泵灌注法、輸送器注入法和干料投入法。

當灌注漿液量較大且鉆井較深時，一般采用水泵灌注法。水泵灌注時，必須將鉆桿下到井底后才能開泵注漿。

封堵較薄的坍塌漏失層或大溶洞裂隙，需較小水灰比或速凝漿液注入堵漏時，一般采用專用輸送器灌注。

干料投入多用于地下水活動量大的封堵層位或較大空洞漏失時的落柱。可按一定的比例將干料與干水泥經地面預混合裝入小袋送入井底，用無芯鉆頭鉆破小袋使水泥與水混合以達到速凝效果。

4.4把好壓水工序關，準確計算頂替排水量

注漿后的頂替壓水目的有兩個：一是將管道中的水泥漿壓送到井底，二是清洗鉆桿及注漿泵等。

4.5候凝與透井

透井期確定得合適與否往往會影響整個灌注的成敗。透井期過早，水泥結石強度低，透井后封堵質量下降甚至封堵失敗。而透井過晚，往往會因水泥結石強度太高，圍巖強度低而導致透井傾斜，或降低透井效率 ， 實踐證明，應用普通硅酸鹽水泥或礦渣水泥等普通水泥，通過合理摻和使用外加劑，可以適應各種復雜地層處理，從而用廉價簡捷的辦法解決鉆探生產中的大難題。

【參考文獻】：

[1] 杜煥文，胡忠義.常用硅酸鹽水泥護壁堵漏實踐與探討 [J].煤田地質與勘探，1992.

[2] 葉正茂.硫鋁酸鹽水泥基防滲堵漏材料的研究[D].南京工業大學，2004.