關(guān)于水泥石增韌材料研究的現(xiàn)狀分析

杜琴嵐 俞嘉敏 高 哲

（西南石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610500）

水泥是一種水硬化無機(jī)膠黏材料，因其原材料易獲取、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本低、強(qiáng)度大等特點(diǎn)，目前被廣泛地應(yīng)用在建筑、道路、橋梁、油井等領(lǐng)域[1-2]。本文將全面介紹纖維等水泥石增韌材料的研究現(xiàn)狀，梳理分析各類增韌材料的優(yōu)點(diǎn)與不足。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

纖維是指粗細(xì)為幾微米到上百微米的柔軟細(xì)長(zhǎng)體，包括礦物纖維、無機(jī)纖維和合成纖維，具有較大的長(zhǎng)徑比（>1000）。晶須是一種纖維類的單晶材料，其直徑與長(zhǎng)徑比較小，晶體內(nèi)部不存在晶界、位錯(cuò)、空穴等缺陷，因此其具有較高的拉伸強(qiáng)度與模量[1,2]。學(xué)者研究得出：纖維水泥石不僅在各種性能方面超過了普通水泥石的性能，而且還彌補(bǔ)了在各種工況條件下的不利因素，因此關(guān)于纖維水泥石的研究成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)[3]。目前應(yīng)用較多的纖維類材料分類如表1所示[4,5]：

表1 纖維的分類

由于纖維材料具有較高的拉伸強(qiáng)度與彈性模量被用來增強(qiáng)水泥基材料的技術(shù)在較早之前就得到了應(yīng)用。早在50年前，將尼龍、聚丙烯這兩種有機(jī)纖維與玻璃、碳纖維這兩種有機(jī)纖維混雜來提高水泥基材料的微觀結(jié)構(gòu)與抗沖擊能力。二十世紀(jì)末，研究了高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(ECC)，從纖維、基體和界面微觀力學(xué)性質(zhì)出發(fā)，預(yù)測(cè)了不連續(xù)纖維復(fù)合材料的各種單軸載荷-變形行為，得出了ECC材料相對(duì)于傳統(tǒng)水泥基材料具有更好的耐久性和安全性。

近年來，纖維類增強(qiáng)材料在油井水泥上也得到了進(jìn)一步的研究。碳纖維具有較高的強(qiáng)度與彈性模量，優(yōu)異的耐高溫和耐腐蝕性能，是一種高強(qiáng)度纖維。李明等[5]探討甲基纖維素（MC）和羧甲基纖維素（CMC）對(duì)碳纖維在水泥漿體中的分散效果，實(shí)驗(yàn)得出：0.2wt%的CMC溶液可以將碳纖維在基體溶液中較好的分散；在經(jīng)過 28d的養(yǎng)護(hù)時(shí)間后，與空白試樣相比，0.3wt%的碳纖維加量能夠提高水泥石的抗拉強(qiáng)度接近 52%，降低彈性模量 49.5%。水鎂石纖維是一種天然的無機(jī)礦物纖維材料，其具有較高的強(qiáng)度、優(yōu)異的耐堿性能和生產(chǎn)成本低的特點(diǎn)，與水泥基材料有很好的相容性。

玄武巖纖維是一種新發(fā)現(xiàn)的無機(jī)綠色環(huán)保纖維材料，其特點(diǎn)是模量高、拉伸強(qiáng)度高和較高的耐溫性能（1400～1500℃）。使用玄武巖纖維來解決油井水泥石脆性大的缺點(diǎn)，加入玄武巖纖維后其抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和抗沖擊性能都得到了提高。

在油井水泥中摻入聚丙烯纖維對(duì)漿體的流變性和穩(wěn)定性無影響，并且可以改善水泥石的早期抗壓強(qiáng)度，能夠起到很好的防漏效果。研究還發(fā)現(xiàn)，纖維的存在可以抑制裂紋的擴(kuò)展，宏觀表現(xiàn)為水泥石具有較高的強(qiáng)度。

在油井水泥中加入耐堿玻璃纖維考察對(duì)水泥石抗拉伸破壞能力及其強(qiáng)度與韌性的影響，當(dāng)水泥石中含有5wt%的耐堿玻璃纖維時(shí)，水泥石的抗折強(qiáng)度改善20%，抗沖擊功改善10%，在50℃的養(yǎng)護(hù)條件下能夠有效的減少毛細(xì)孔的比例并能夠增加膠凝孔，使水泥石表現(xiàn)出更好的致密性。

在油井水泥中加入纖維素纖維(CBF)，當(dāng)CBF加量在8%，硅灰含量為15%時(shí)的試樣表現(xiàn)出較好的機(jī)械性能和耐久性。采用 10%的氫氧化鈉溶液對(duì)竹纖維(BF)進(jìn)行堿處理，將處理后的纖維對(duì)油井水泥進(jìn)行增韌，適當(dāng)?shù)膲A處理量可以有效地提水泥石的韌性，BF與水泥基體有較好的界面粘結(jié)性，在水泥漿體中加入堿化處理后的BF可以使微觀結(jié)構(gòu)更加致密。

碳酸鈣晶須是一種尺寸很小的須狀單晶體，具有礦物材料的纖維材料的特性，作為一種理想的增強(qiáng)材料，碳酸鈣晶須與水泥基材料有良好的相容性。采用碳酸鈣晶須對(duì)固井水泥進(jìn)行了改性，碳酸鈣晶須的摻入增大了漿體的初始稠度，加入適合的緩凝劑可以控制稠化時(shí)間。碳酸鈣晶須在水泥漿中加量為10%wt時(shí)，水泥石的抗折強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度提升明顯達(dá)54%和28%，體積線收縮率減小82.97%，其綜合性能依然滿足固井作業(yè)的要求。使用碳酸鈣晶須/碳纖維混雜來改性油井水泥石，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：纖維/晶須混雜可以改善水泥石的抗壓、抗折、抗拉強(qiáng)度分別達(dá) 25.5%、25.2%、37.3%，碳酸鈣晶須由于其較小的尺寸可以試樣的孔隙度和滲透率降低 14.3%和 23.4%，成型的水泥石具有較好的防氣竄性能；混雜纖維/晶須水泥石能夠提高基體的極限應(yīng)變和降低彈性模量，使水泥石體現(xiàn)出更為優(yōu)良的韌性。纖維/晶須的混雜相比于單摻1種纖維/晶須的增韌作用更加明顯，表現(xiàn)出正混雜效應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)論證了晶須對(duì)油井水泥石的改性效果，晶須的加入能提高水泥石的 28d抗壓、抗拉、抗折強(qiáng)度達(dá)8.96%、137.44%、27.96%。還研究了其增韌機(jī)理：鋅晶須在水化反應(yīng)過程中吸附了大量顆粒形成特殊的簇狀結(jié)構(gòu)，通過這種特殊的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)晶須阻裂增強(qiáng)的多向性。

含有聚酯纖維和碳酸鈣晶須的新型纖維混雜技術(shù)提高了基體多尺度抗裂性，提高韌性和機(jī)械性能，碳酸鈣晶須與聚酯纖維混雜能夠增強(qiáng)水泥基的抗壓強(qiáng)度。鎂質(zhì)晶須對(duì)油井水泥石力學(xué)性能的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著晶須加量的提高，水泥石的抗壓與抗折強(qiáng)度得到提高，并通過晶須自身較小的尺寸填充與水泥基體內(nèi)部的有害孔隙中，提高了基體的致密度。

2 結(jié)論

（1）碳酸鎂晶須的加入可改善水泥石的力學(xué)性能，在一定范圍內(nèi)，強(qiáng)度隨著晶須加量的增加而增大；

（2）水泥漿中加入硼酸鎂晶須有利于改善水泥石的化學(xué)性能，但摻量應(yīng)該控制在一定的范圍之內(nèi)，當(dāng)其摻量為3%時(shí)，抗折強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度同比增加，且增加量大；

（3）聚酯纖維對(duì)水泥基材料有良好的增強(qiáng)增韌作用，聚酯纖維水泥在各個(gè)強(qiáng)度上相比空白樣水泥均有增強(qiáng)。

（4）碳酸鎂晶須、硼酸鎂晶須與聚酯纖維在水泥基材料中的增強(qiáng)增韌的微觀作用機(jī)理均表現(xiàn)出明顯的晶須纖維拔出作用。