Лекция № 13

5. Физико-химические основы регулирования свойств ТР и ТК

5.1. Сущность процессов, протекающих в ТР и ТК

От момента смешения ПЦТ с ЖЗ (водой) и до момента образования ТК в рассматриваемой системе последовательно протекают следующие взаимосвязанные процессы:

T, ч

ПЦТ + ЖЗ = ТР ТК

	Гидратация		Структуро-			Схватывание			Твердение
			образование
	Период жидкого состояния ТР
			начало				конец

Курс лекций по дисциплине «Буровые промывочные и тампонажные растворы».

Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик

Лекция № 13

5.1.1. Гидратация. При взаимодействии ПЦТ с водой возможны следующие три типа реакций:

A + aq = A·aq – гидратация (присоединение воды);

A + aq = A*·aq + A**·aq – гидратация + гидролиз (разложение водой); A + B + aq = A·B·aq – гидратация + гидротермальный синтез.

T, ч

ПЦТ + ЖЗ = ТР ТК

	Гидратация		Структуро-			Схватывание			Твердение
			образование
	Период жидкого состояния ТР
			начало				конец

Курс лекций по дисциплине «Буровые промывочные и тампонажные растворы».

Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик

Лекция № 13

Обычно все эти три реакции называют одинаково – реакциями гидратации, а получаемые продукты – продуктами гидратации.

Реакция разных клинкерных минералов протекает с образованием разных продуктов гидратации, причем даже для одного и того же клинкерного минерала в зависимости от температуры, содержания воды в реакционном объеме, наличия примесей и некоторых других условий, продукты гидратации могут быть разными.

В качестве примера рассмотрим процесс гидратации основных клинкерных минералов – алита и белита при температуре до 120ºС.

Курс лекций по дисциплине «Буровые промывочные и тампонажные растворы».

Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик

Лекция № 13

При затворении ПЦТ водой в начале происходит частичное растворение поверхности клинкерных минералов (наблюдается помутнение ЖЗ).

ЖЗ

ПЦТ

Продукты растворения в виде отдельных ионов и их гидратов переходят в ЖЗ, которая постепенно насыщается продуктами реакции вплоть до полного насыщения.

Затем в этом насыщенном (пересыщенном) растворе возникают зародыши новой кристаллической фазы (новообразования).

продукты растворения (ионы и их гидраты)

Курс лекций по дисциплине «Буровые промывочные и тампонажные растворы».

Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик

Лекция № 13

Продуктом гидратации алита и белита является гидросиликат кальция C2SH2 (2CaO · SiO2 · 2H2O), который по строению своей

кристаллической решетки близок к природному минералу тобермориту - C5S6H5.

	Для тоберморита характерно слоистое
	строение, сходное со слоистым строением
	монтмориллонита. Элементарные пакеты
	тоберморита имеют вид лент (листов)
ПЦТ	толщиной 20…30 Å. Ширина лент
	составляет от 0,04 до 0,06 мкм, а длина
	может достигать 1 мкм. Вследствие малого
	размера частиц тоберморит имеет
ЖЗ	большую удельную поверхность – 300…
	400 м2/г.

новообразования (тоберморит)

Курс лекций по дисциплине «Буровые промывочные и тампонажные растворы».

Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик

Лекция № 13

Новообразования концентрируются, главным образом, вокруг частично растворенных зерен исходных минералов клинкера, образуя тонкопористую массу, которую принято называть цементным гелем.

ПЦТ

ЖЗ

Из всех рассмотренных стадий процесса гидратации (растворение поверхности зерен ПЦТ, образование пересыщенного раствора, возникновение зародышей новой фазы - новообразований) самой медленной стадией является первая – растворение поверхности зерен ПЦТ.

новообразования (тоберморит)

Курс лекций по дисциплине «Буровые промывочные и тампонажные растворы».

Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик

Лекция № 13

Скорость растворения поверхности зерен ПЦТ определяет скорость всего процесса гидратации, которая, в свою очередь, напрямую связана со скоростью схватывания и твердения.

В этой связи для управления свойствами ТР важно знать все факторы, оказывающие влияние на скорость растворения поверхности клинкерных минералов, а следовательно, и на скорость протекания процессов схватывания и твердения.

Ктаким факторам относятся следующие:

минералогический состав клинкера;

степень дисперсности ТЦ;

В/Ц;

давление;

температура.

Курс лекций по дисциплине «Буровые промывочные и тампонажные растворы».

Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик

Лекция № 13

Минералогический состав клинкера

Наиболее быстро гидратирующимся минералом портландцементного клинкера является трехкальциевый алюминат (C3A), за ним следует четырехкальциевый

алюмоферрит (C4AF), затем алит (C3S) и медленнее всего реагирует с водой белит (C2S).

Поэтому цементы с высоким содержанием трехкальциевого алюмината, четырехкальциевого алюмоферрита и алита являются быстротвердеющими, а с высоким содержанием белита – медленнотвердеющими, которые используют в основном для тампонирования в интервалах повышенных температур.

Курс лекций по дисциплине «Буровые промывочные и тампонажные растворы».

Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик

Лекция № 13

Внимание!

Минералогический состав клинкера следует учитывать и при выборе цемента для тампонирования скважин в интервалах многолетнемерзлых пород (ММП).

По интенсивности тепловыделения в процессе гидратации клинкерные минералы располагаются в следующей последовательности:

белит (C2S) – 206 Дж/г;

четырехкальциевый алюмоферрит (C4AF) – 419 Дж/г;

алит (C3S) – 502 Дж/г;

трехкальциевый алюминат (C3A) – 867 Дж/г.

Курс лекций по дисциплине «Буровые промывочные и тампонажные растворы».

Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик

Лекция № 13

Степень дисперсности ТЦ

Повышение степени дисперсности ТЦ приводит к увеличению поверхности реакции гидратации, а следовательно, и ее скорости.

Приближенно можно принять, что скорость гидратации прямо пропорциональна величине удельной поверхности ТЦ.

Курс лекций по дисциплине «Буровые промывочные и тампонажные растворы».

Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик