Лекция 15. Цементы и бетоны

Основы классификации цемента и бетона. Цементом называется минеральное вяжущее, содержащее соединения кальция и способное при затвердевании превращаться в высокопрочный камень.

Водный раствор цемента с добавками песка, щебня (гравия) дли других специальных заполнителей и инертных добавок носит название бетонной смеси. Отвержденная бетонная смесь называется бе­тоном.

Цемент подразделяется на роман-цемент и портланд-цемент. Роман-цемент — продукт помола известковых или магнезиальных мергелей с содержанием свыше 20 % глинистых примесей, обожжен­ных не до спекания. Температура обжига минералов этого цемента 900 °С. Прочность при сжатии затвердевшего роман-цемента не превышает 1500 МПа, поэтому он не может быть использован в конструкциях, которые должны нести значительные нагрузки. Для этих целей широко применяется портланд-цемент, прочность которого на сжатие в несколько раз выше, чем у роман-цемента.

Портланд-цемент представляет собой продукт спекания либо искусственных смесей, содержащих углекислый кальций и глину, либо естественных горных пород мергелей аналогичного состава. Под действием высоких температур окислы вступают в химическое взаимодействие, образуя цементный клинкер, который и подвер­гается в дальнейшем тонкому измельчению. В состав цементного клинкера входит несколько соединений: трехкальциевый силикат или алит (3СаО • SiО₂), двухкальциевый силикат или белит (2СаО • SiО₂), трехкальциевый алюминат (ЗСаО • А1₂О₃), четырехкальциевый алюмоферрит или браунмилле-рит (4СаО • А1₂О₃ • Fе₂ О₃)), имеющие соответственно сокращенные обозначения С₃S С₂S, С₃А, С₄АF.

Трехкальциевый силикат, составляющий значительную часть цемента (37—60 %), обладает самой высокой прочностью, по сравнению с другими минералами, которая быстро нарастает по мере его затвердевания. Двухкальциевый силикат не обладает высокой прочностью и затвердевает медленно. Содержание этого минерала в цементе составляет примерно 15—37 %. Трехкальциевый алюминат и четырехкальциевый алюмоферрит быстро твердеют, однако прочность их ниже прочности трехкальциевого силиката. В цементе они содержатся в количестве соответственно 7—15 % и 10—18 %.

Изменение минералогического состава позволяет получить цементы с различными свойствами. Высокопрочный цемент изготовляется со значительным содержанием трехкальциевого сили­ката.

Портланд-цемент делится на шесть марок (200, 250, 300, 400, 500, 600), которые обозначают временное сопротивление (в кгс/см²) при сжатии образцов, изготовленных из смеси цемента с нормальным вольским песком (в весовом соотношении 1: 3) и испытанных через 28 дней после затворения водой. Наиболее распространены марки 300—600. На прочностные свойства цемента большое влияние оказывает качество помола. Тонкость помола цемента установлена стандартом, который предусматривает прохождение минимум 85% веса приня­того количества цемента через сито № 085 с размером отверстий 85 X 85 мк.

Портланд-цемент характеризуется следующими осповнымп свойствами: способностью вступать в химическое взаимодействие с водой; определенными сроками схватывания; способностью приобретать достаточную прочность в сравнительно короткие сроки (3, 7 и 28 дней), которая при определенных условиях может нарастать долгие годы; равномерностью изменения объема при затвердевании; стойкостью ко многим агрессивным средам; надежной сцепляемостью с металлом и другими материалами. При снижении про­цента воды затворения прочность цементов повышается. Алитовые и белитовые цементы (20% песка), затвердевающие при высоком давлении и значительной температуре, вполне приемлемы для тампони­рования «горячих» скважин. Прочность алито-белитовых и белитовых цементов несколько выше, чем у алитовых; кроме того, обжиг пер­вых производится при более низких температурах. Для предотвращения преждевременного схватывания раствора при закачивании его в глубокие и сверхглубокие «горячие» скважины с большим давлением применяются различные замедлители сульфитно-спиртовой барды (ССБ). Тампонажно-песчанистый цемент можно использовать и для тампонирования «холодных» скважин..

Волокнистый тампонажный цемент.При тампонажных работах нередко встречаются участки скважин, пробуренные через пористые или трещиноватые породы. При цементировании таких участков часть раствора уходит в трещины и поры, что вызывает значительный перерасход цемента и увеличивает сроки тампонажных работ.

Для устранения потерь раствора и времени при тампонировании трещиноватых и пористых участков АзНИИ разработан тампонаж-ный цемент с волокнистым наполнителем. Волокнистый цемент представляет собой обычный тампонажный цемент с 1,5—2,5 % волокнистого наполнителя. В качестве наполни­теля могут быть использованы различные волокна (хлопковые очесы длиной 1—3 мм и др.). Однако чаще всего для этих целей применяют самые низкие сорта асбеста, волокна которого отличаются способностью адсорбировать на своей поверхности цемент. Волокна асбеста взаимодействуют с цементной массой и служат как бы арми­рующим элементом. Цементно-волокнистая масса забивает мелкие трещины и поры трещиноватых и пористых пород стенки скважины, устраняя тем самым значительные потери цемента.

Тампонажно-волокнистый цемент при правильном изготовлении (чистота и количество волокна, его длина, качество цемента и др.) вполне удовлетворяет всем требованиям. К тому же он обладает рядом специфических свойств, отличающих его от других цементов. Прочность тампонажно-волокнистого цемента на изгиб и растяже­ние значительно выше (до 20 %). Водостойкость и водонепроницаемость волокнистых цементов также выше, чем у обычных. Тампонажно-волокнистый цемент вполне пригоден для цементи­рования «холодных» и «горячих», глубоких и неглубоких нефтяных скважин

Утяжеленный тампонажный цемент. Утяжеленный цемент представляет собой смесь обычного тампонажного цемента с инертным минеральным наполнителем, имеющим удельный вес 4,0—4,5 г/см 3. В качестве наполнителя применяется гематит или барит. Количество утяжелителя в растворе колеблется в пределах 40—60 % в зависимости от условий применения цемента. Утяжеленный цемент применяется при тампонировании скважин с высоким пластовым давлением, при бурении которых применяются глинистые растворы в качестве промывочной жидкости. В процессе цементирования скважины глинистый раствор вытес­няется цементным. Это достигается в том случае, если удельный вес цемента минимально на 0,1 г/см3 больше удельного веса глинистого раствора. Согласно техническим требованиям, предъявляемым к этому виду цемента, временное сопротивление его изгибу должно быть примерно 170 МПа, (температура испытаний 22 ± 2 °С), удельный вес раствора — не менее 2,25 г/см3, водо-цементное отношение подбирается экспериментально и зависит от количества наполнителя и технологии изготовления утяжеленного цементного порошка. Неправильное водо-цементное отношение может привести к оса­ждению утяжелителя, нарушению стабильности цементного раствора. Поэтому очень важно правильно определять количество воды для затворепия цемента.

Следует отметить, что наиболее качественный утяжеленный тампонажный цемент получается при совместном помоле клинкера с утяжелителем.