Robototehnika-info.ru

Робототехника Инфо
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Свойства бурового раствора

Свойства бурового раствора

Свойства бурового раствора имеют решающее значение при бурении.

Раствор, на протяжении всего бурения контролируется специальной службой. В процессе бурения раствор обрабатывается для поддержания заданных свойств.

Если плотность будет меньше заданной, уменьшится вес столба жидкости на забой, в связи с этим возможно ГНВП (газонефтеводопроявление).

Увеличение плотности сверх заданной, увеличит вес столба жидкости на забой, что в свою очередь может привести к разрыву пласта, поглощению раствора.

Вязкость влияет на способность выноса продуктов бурения от забоя.

Фильтрационные свойства влияют на стойкость стенок скважины к обваливанию и на способность бурового раствора впитываться в породу.

  • Плотность
  • Удельная теплоемкость
  • Коэффициент теплопроводности
  • Термический коэффициент объемного расширения
  • Термический коэффициент давления
  • Условная вязкость
  • Пластическая вязкость
  • Динамическое напряжение сдвига
  • Эффективная вязкость
  • Статическое напряжение сдвига
  • Коэффициент коллоидальности твердой фазы
  • Показатель коллоидальности твердой фазы
  • Показатель консистенции
  • Показатель неньютоновского поведения
  • Касательное напряжение сдвига
  • Показатель седиментации
  • Показатель фильтрации
  • Толщина фильтрационной корки
  • Удельное электрическое сопротивление
  • Нарпяжение электропробоя
  • Показатель минерализации
  • Водородный показатель
  • Щелочность

Плотность – масса единицы объема бурового раствора. Плотность буровых растворов измеряется буровым ареометром и составляет, как правило, от 900 до 2500 кг/м 3 . Единица измерения — кг/м 3 (г/см 3 )

Удельная теплоемкость — количество теплоты, необходимой для нагревания единицы массы бурового раствора на один градус. Единица измерения — Дж/(кг∙°С)

Коэффициент теплопроводности – удельный тепловой поток, направленный по нормали к изотермической поверхности при градиенте температур, равном 1° на 1 м длины вдоль теплового потока.

Термический коэффициент объемного расширения — величина, характеризующая изменение объема бурового раствора с изменением температуры при постоянном внешнем давлении и определяемая относительным изменением объема при нагревании на 1К, отнесенного к объему бурового раствора при данной температуре.

Термический коэффициент давления — величина, характеризующая изменения давления постоянного объема бурового раствора при изменении температуры, определяемая относительным изменением давления в системе при нагревании на 1К, отнесенного к давлению при данной температуре.

Условная вязкость — величина, косвенно характеризующая гидравлическое сопротивление течению, определяемая временем истечения заданного объема бурового раствора через вертикальную трубку. Единица измерения – с

Пластическая вязкость — величина, характеризующая темп роста касательных напряжений сдвига, при увеличении скорости сдвига, когда зависимость касательного напряжения сдвига от градиента скорости сдвига представлена в виде прямой (не проходящей через начало координат), определяемая углом наклона этой прямой. Единица измерения — Па∙с

Динамическое напряжение сдвига — величина, косвенно характеризующая прочностное сопротивление бурового раствора течению, определяемая отрезком на оси касательного напряжения сдвига, отсекаемым прямой, отображающей зависимость касательной напряжения сдвига от градиента скорости сдвига при течении бурового раствора. Единица измерения — Па

Эффективная вязкость — величина, косвенно характеризующая вязкость бурового раствора, определяемая отношением касательного напряжения сдвига к соответствующему градиенту скорости сдвига. Один из наиболее важных показателей, характеризующий сумму вязкостного и прочностного сопротивлений течению бурового (цементного) раствора. Единица измерения – Па∙с

Статическое напряжение сдвига — величина, характеризующая прочностное сопротивление бурового раствора, находящегося в покое заданное время. Также можно описать, как касательное напряжение сдвига, соответствующее началу разрушения структуры бурового раствора, находящегося в покое определенное время. Единица измерения – Па

Коэффициент коллоидальности твердой фазы — величина, равная отношению показателя коллоидальности дисперсной фазы бурового раствора к показателю коллоидальности эталонной дисперсной фазы бурового раствора.

Показатель коллоидальности твердой фазы — величина, косвенно характеризующая физико-химическую активность дисперсной фазы бурового раствора, определяемая количеством вещества, адсорбированного единицей массы дисперсной фазы.

Показатель консистенции — коэффициент степенной функции, отображающей зависимость касательного напряжения сдвига от градиента скорости сдвига в выбранном интервале скоростей при течении бурового раствора. Единица измерения – Па

Показатель неньютоновского поведения — показатель степени функции, отображающей зависимость касательного напряжения сдвига от градиента скорости сдвига при течении бурового раствора.

Касательное напряжение сдвига — величина, характеризующая сопротивление бурового раствора сдвигу, определяемая силой, вызывающей этот сдвиг и приложенной к единице поверхности сдвига. Единица измерения – Па

Показатель седиментации — величина, косвенно характеризующая стабильность бурового раствора и определяемая количеством дисперсной фазы, отделившейся от определенного объема бурового раствора в результате гравитационного разделения компонентов за определенное время.

Показатель фильтрации — величина, косвенно характеризующая способность бурового раствора отфильтровываться через стенки ствола скважины, определяемая количеством дисперсионной среды, отфильтрованной через проницаемую перегородку ограниченной площади под действием определенного перепада давления за определенное время. Единица измерения – см 3

Читайте так же:
Станок для производства цементных блоков

Толщина фильтрационной корки — величина, косвенно характеризующая способность бурового раствора к образованию временной крепи на стенках скважины, определяемая толщиной слоя дисперсной фазы, отложившейся на ограниченной поверхности проницаемой перегородки под действием определенного перепада давления за определенное время. Единица измерения – мм

Удельное электрическое сопротивление — сопротивление бурового раствора проходящему через него электрическому току. Единица измерения – Ом

Нарпяжение электропробоя — величина, косвенно характеризующая стабильность пробоя буровых растворов на углеводородной основе, определяемая разностью потенциалов в момент разряда тока между расположенными на определенном расстоянии электродами, погруженными в буровой раствор. Единица измерения – В

Показатель минерализации — величина, косвенно характеризующая содержание водорастворимых солей в буровом растворе, условно определяемая эквивалентным содержанием солей хлористого натрия.

Водородный показатель — величина, характеризующая активность или концентрацию ионов водорода в буровом растворе, равная отрицательному десятичному логарифму активности или концентрации ионов водорода

Щелочность — объединенная способность основания, измеряемая максимальным количеством эквивалентов кислоты, с которой оно вступает в реакцию и образует соль. В анализах воды она представляет карбонаты, бикарбонаты, гидроокислы, а иногда силикаты и фосфаты в воде. Определяется титрованием со стандартной кислотой до определенных точек.

ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ВЯЗКОСТЬЮ ЦЕМЕНТНЫХ СИСТЕМ И ИХ РЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Введение. Теоретической основой регулирования подвижности и удобоукладываемости бетонных смесей и других реологически сложных тел является реология. В технической литературе по реологическим свойствам бетонных смесей широко используются названия добавок: пластификатор, суперпластификатор, гиперпластификатор. Названия предложены фирмами-изготовителями этих добавок в рекламных целях. В статье авторами дано уточнение физического смысла терминов пластификатор, суперпластификатор, разжижитель цементных систем.

Материалы и методы. Для характеристики реотехнологических свойств суспензий и паст в строительной индустрии широко используют величину расплыва конуса, которая не всегда обеспечивает адекватность их подвижности. Установлено, что взаимосвязь между пластической вязкостью и расплывом конуса зависит от степени разжижения их модифицирующими добавками. Авторами рассмотрены экспериментальные данные цементных суспензий без добавки и с умеренной дозировкой добавок, которые являются реологическими сложными упруго-вязко-пластическими телами.

Результаты. Показано, что величина расплыва конуса, особенно в области умеренных дозировок добавок, адекватно отражает реологические свойства цементных систем. При больших и малых величинах пластической вязкости расплыв конуса слабо отражает реологические свойства дисперсных систем.

Обсуждение и выводы. Даны рекомендации по рациональному применению расплыва конуса для характеристики реотехнологических свойств цементных систем.

Ключевые слова

Об авторах

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры строительного материаловедения, изделий и конструкций,

308012, г. Белгород, ул. Костюкова 46

доктор технических наук, доцент, профессор кафедры строительного материаловедения, изделий и конструкций,

308012, г. Белгород, ул. Костюкова 46

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры строительного материаловедения, изделий и конструкций,

308012, г. Белгород, ул. Костюкова 46

Список литературы

1. Рахимбаев Ш.М., Шахова Л.Р., Твердохлебов Д.В. Реологические свойства пеноцементных систем с добавкой анионного пенообразователя // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2003. № 4. С. 6–14.

2. Твердохлебов Д.В. Влияние компонентного состава на реологические и другие технологические свойства пеноцементных смесей // Дисс…канд. техн. наук 05.23.05. – Белгород, 2006. 148 с.

3. Донец А.В., Бабушкин В.И., Плугин А.А., Рахимбаев Ш.М., Олефир И.А. Контроль технологичности строительных смесей с помощью прибора ЭШ-1 // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2003. № 5. С. 40–45.

4. Baoguo M.A., Huixian Wang. Rheological properties of self-compacting concrete paste containing chemical admixtures. Journal of Wuhan University of TechnologyMater. Sci. Ed. 2013, Volume 28, Issue 2, pp 291–297.

5. Hsu K.C., Chiu J.J., Chen S.D. Effect of addition time of a superplasticizer on cement adsorption and on concrete workability. Cement and Concrete Composites, 1999, 21(5– 6), 425–430.

6. Рейнер М. Реология. М: Наука. 1965. 223 с.

7. Petit J.Y., Wirquin E., Helnan-Moussa B. Effect of W/C and superplasticizer type on rheological parameters of SCC pepair mortar for gravitational or light pressure Injection. Cement and Concrete Composites, 2011, 33(10), pp. 1050– 1056.

Читайте так же:
Расчет цементной стяжки кровли

8. Перцев В.Т., Леденев А.А. Разработка эффективных комплексных органоминеральных добавок для регулирования реологических свойств бетонных смесей: монография. Воронеж: Воронежский ГАСУ, 2012. 136 с.

9. Papo A., Piani L. Effect of various superplasticizers on the rheological properties of portland cement pastes. Cement and Concrete Research. 2004. Volume 34. Issue 11. pp. 2097-2101.

10. Слюсарь А.А. Реологические свойства и агрегативная устойчивость водных минеральных суспензий с модификаторами на основе оксифенолфурфурольных олигомеров // Дисс. д.т.н. 02.0.11. Белгород, 2009. 408 с.

11. Ming L., Jiaheng L., Yao B., Xiaodi D., Qinglin Z., Xuqing Z. Preparation of polycarboxylate-based superplasticizer and its effects on zeta potential and rheological property of cement paste. Journal of Wuhan University of Technology-Mater. Sci. Ed. 2015. Volume 30. Issue 5. pp. 1008 –1012.

12. Menon S.M. Sathyan D., Anand K.B. Studies on rheological properties of superplasticised PPC paste. International Journal of Civil Engineering and Technology (IJCIET), 2017. Volume 8. Issue 10. pp. 939–947.

13. Рахимбаев Ш.М. Регулирование технологических свойств тампонажных растворов // Ташкент: ФАН, 1976. 159 с.

14. Chiara F.F., Karthik H.O., Russell H. The influence of mineral admixtures on the rheology of cement and concrete. Cement and Concrete Research, 31(2), 2000. pp. 245-255.

15. Рахимбаев Ш.М., Толыпина Н.М., Хахалева Е.Н. Влияние мелкого заполнителя из песка на эффективность действия добавок-разжижителей // Вестник СибАДИ. 2016. № 3 (49). С. 74–79.

16. Рахимбаев Ш.М., Толыпина Н.М., Карпачева Е.Н. Эффективность действия добавок пластифицирующего действия в зависимости от качества песка // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2013. № 4. С. 59–61.

17. Рахимбаев Ш.М., Толыпина Н.М., Карпачева Е.Н. Катионактивная добавка для разжжения цементо-песчаных смесей // Бетон и железобетон. 2013. № 6. С. 9–10.

18. Лыков А.В., Шульман З.П. Предисловие. Реофизика и реодинамика текучих систем. Минск: Наука и техника. 1970. С. 3–4.

19. Матвеенко О.И. Цементные системы с добавкой экологически чистых модификаторов // Дисс…канд. техн. наук 05.23.05. Белгород, 1999. 160 с.

20. Пивинский Ю.Е. Керамические вяжущие и керамобетоны. М.: Металлургия, 1990. 270 с.

Для цитирования:

Рахимбаев Ш.М., Толыпина Н.М., Хахалева Е.Н. ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ВЯЗКОСТЬЮ ЦЕМЕНТНЫХ СИСТЕМ И ИХ РЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ. Научный рецензируемый журнал «Вестник СибАДИ». 2018;15(2):276-282. https://doi.org/10.26518/2071-7296-2018-2-276-282

For citation:

Rakhimbayev S.M., Tolypina N.M., Khakhaleva E.N. INTERRELATION BETWEEN PLASTIC VISCOSITY OF CEMENT SYSTEMS AND THEIR RETHEHNOLOGICAL CHARACTERISTICS. The Russian Automobile and Highway Industry Journal. 2018;15(2):276-282. (In Russ.) https://doi.org/10.26518/2071-7296-2018-2-276-282

alt=»Creative Commons License» width=»» />
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.

Буровой раствор

Буровой раствор — сложная многокомпонентная дисперсная система суспензионных, эмульсионных и аэрированных жидкостей, применяемых для промывки скважин в процессе бурения.

Использование буровых растворов для бурения скважин предложено впервые в 1833 году французским инженером Фовеллем, который, наблюдая операцию канатного бурения, при которой аппарат бурения наткнулся на воду, заметил, что фонтанирующая вода очень эффективно удаляет буровой шлам из скважины. Он изобрёл аппарат, в котором предполагалось закачивать воду под буровую штангу, откуда буровой шлам вымывался водой на поверхность между буровой штангой и стволом скважины. Принцип остался неизменным до сих пор.

·        Компенсирует пластовое давление;

·        формирует фильтрационную корку на стенках скважины, укрепляя таким образом неустойчивые отложения. Уменьшает воздействие фильтрата бурового раствора на породы разобщением разбуриваемых пластов и открытого ствола;

·        транспортирует выбуренную породу из скважины и удерживает её во взвешенном состоянии после прекращения циркуляции;

·        передаёт гидравлическую энергию на забойный двигатель и долото;

·        обеспечивает качественное вскрытие продуктивных пластов;

·        обеспечивает смазывающее и антикоррозионное действие на буровой инструмент;

·        предотвращает возможность возникновения осложнений при бурении (дифференциальный прихват, поглощения, нефтегазопроявления и т. п.);

·        обеспечивает информацией о геологическом разрезе.

Содержание

Состав буровых растворов [ править | править код ]

В практике бурения применяют буровые растворы на водной (техническая вода, растворы солей и гидрогеля, полимерные, полимер-глинистые и глинистые растворы), углеводородной (известково-битумный раствор, инвертная эмульсия) и аэрированных основах.

Читайте так же:
Сульфоалюминатный цемент что это

При бурении в хемогенных отложениях применяют соленасыщенные глинистые растворы, гидрогели, в случае возможного осыпания и оползней стенок скважины — ингибированные растворы, при воздействии высоких температур — термостойкие глинистые растворы и растворы на углеводородной основе, которые эффективны также при вскрытии продуктивных пластов и при разбуривании терригенных и хемогенных неустойчивых пород.

При бурении в условиях, характеризующихся аномально высокими давлениями, применяют утяжеленные буровые растворы, в неосложненных условиях — техническую воду, полимерные безглинистые и полимер-глинистые растворы с низким содержанием твердой фазы.

Свойства и их регулирование [ править | править код ]

Эффективность применения буровых растворов зависит от их свойств, к которым относятся плотность, вязкость, водоотдача, статическое напряжение сдвига, структурная однородность, содержание газов, песка; тиксотропия, содержание ионов Na, K, Mg.

Водоотдача бурового раствора характеризуется объёмом фильтрата (от 2 до 10 см³), отделившегося от раствора через стандартную фильтровальную поверхность при перепаде давления

100 кПа в течение 30 мин. Толщина осадка на фильтре (фильтрационная корка), которая образуется при определении водоотдачи, изменяется в пределах 1-5 мм.

Содержание твердой фазы в буровом растворе характеризует концентрацию глины (3-15 %) и утяжелителя (20-60 %). Для обеспечения эффективности бурения (в зависимости от конкретных геолого-технических условий) свойства бурового раствора регулируют изменением соотношения содержания дисперсной фазы и дисперсионной среды и введением в них специальных материалов и химических реагентов. Для предупреждения водонефтегазопроявлений при аномально высоких пластовых давлениях увеличивают плотность бурового раствора путём введения специальных утяжелителей (например, мелом до 1500 кг/м³, баритом и гематитом до 2500 кг/м³ и более) или уменьшают её до 1000 кг/м³ за счет аэрации бурового раствора или добавления к нему пенообразователей (сульфанола, лигносульфоната). Содержание твердой фазы бурового раствора регулируется трехступенчатой системой очистки на вибрационных ситах; газообразные агенты отделяют в дегазаторе. Кроме того, для регулирования содержания твердой фазы в раствор вводят селективные флокулянты.

Особый класс реагентов применяют при регулировании свойств растворов на углеводородной основе. К ним относятся эмульгаторы (мыла жирных кислот, эмультал и другие), гидрофобизаторы (сульфанол, четвертичные амины, кремнийорганические соединения), понизитель фильтрации (органогуматы).

Готовят буровые растворы непосредственно перед бурением и в его процессе.

Сырьё [ править | править код ]

Для приготовления буровых растворов используются тонкодисперсные, пластические глины с минимальным содержанием песка, способные образовывать с водой вязкую, долго не оседающую суспензию. Лучшие свойства имеют существенно щелочные (натрий) разновидности монтморилонитовых (бентонитовых глин), глинопорошки, которые применяются главным образом при бурении нефтяных и газовых скважин и для приготовления глинистых растворов с низкой плотностью.

Вредными примесями в глинах, ухудшающими стабильность глинистых растворов, являются гипс, растворимые соли, известняк.

Согласно техническим условиям (ТУ У 39-688-81 [1] ) основным показателем качества глинистого сырья и глинопорошков, предназначенных для приготовления буровых растворов, является выход раствора — количество кубометров раствора (взвеси) заданной вязкости, получаемого из 1 т глинистого сырья. Кроме того, регламентируются плотность раствора и содержание песка.

Обращение бурового раствора в скважине [ править | править код ]

Большинство буровых растворов при буровых операциях рециркулирует по следующему циклу:

  1. Буровой раствор замешивается и хранится в специальных ёмкостях.
  2. Буровой насос перекачивает буровой раствор из ёмкости через колонну бурильных труб в скважину.
  3. Буровой раствор по трубам доходит до забоя скважины, где буровое долото разбуривает породу.
  4. Затем буровой раствор начинает возвращаться на поверхность, вынося при этом частицы породы (шлам), которые были отделены долотом.
  5. Буровой раствор поднимается по затрубу — пространству между стенками скважины и бурильной трубой.
  6. На поверхности буровой раствор проходит через линию возврата — трубу, которая ведёт к вибрационному ситу.

Сито состоит из ряда вибрирующих металлических решеток, которые используются для отделения раствора от шлама. Раствор протекает через решетку и возвращается в отстойник.

Частицы шлама попадают в жёлоб для удаления. Перед выбросом они могут быть очищены, исходя из экологических и других соображений. Некоторые частицы шлама отбираются геологами для исследований состояния внутри скважины.

Разновидности [ править | править код ]

Раствор буровой лигнитовый щелочной — буровой раствор, в который вводят определенное количество лигнитов, имеющих щелочной характер.

Раствор известково-битумный — буровой раствор на нефтяной основе, дисперсионной средой которого является дизельное топливо или нефть, а дисперсной фазой — высокоокисленный битум, оксид кальция, барит и небольшое количество воды, необходимой для гашения извести.

Читайте так же:
Резиновый рукав для цемента

Раствор облегченный — буровой раствор, уменьшенный в весе, облегченный, который имеет меньшую плотность. Т. о. применяется для бурения и глушения скважин в пластах с низким пластовым давлением.

Раствор полимерный — буровой раствор на водной основе, который содержит высокомолекулярные полимеры линейного строения; применяется обычно при бурении крепких пород.

Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЦЕМЕНТНОГО РАСТВОРА

Высококонцентрированные дисперсные системы имеют большое рас­пространение в природе и народном хозяйстве. В отраслях промышлен­ности, связанных с разведкой и эксплуатацией месторождений полезных ископаемых, широкое применение находят системы цемент — вода, от рео­логических показателей которых зависит успешное проведение целого ря­дя технологических операций, определяющих надежность и. качество строительства скважин. Под реологическими характеристиками понима­ются динамическое напряжение сдвига и пластическая вязкость, которые положены в основу гидравлических расчетов течения цементных суспен­зий, подчиняющихся модели Шведова — Бингама. Однако реологические показатели как в теоретическом, так и в экспериментальном плане изу­чены недостаточно. В основном это связано с большой трудоемкостью и длительностью эксперимента, а также с разнообразием составов и физи­ко-химической нестабильностью цементных суспензий. Современное со­стояние вопроса, а также практические приложения результатов доста­точно полно освещены в работе [64]. В настоящем разделе излагаются новые исследования [51].

Цель исследований заключалась в экспериментальном изучении рео­логических свойств дисперсной системы цемент — вода в зависимости от температуры. Объемная концентрация твердой фазы, представляющая собой отношение объема цемента к объему суспензии, принималась рав­ной 0,39 (водоцементный фактор 0,5), поскольку системы такой концен­трации обычно применяют на практике. Для приготовления суспензии плотностью 1820 кг/м3 использовался цемент марки 600 (тампонажный цемент) Здолбуновского завода. Химический состав цемента, %: СаО 61, SiC>2 23,8, АЬОз 5,2, РегОз 3,7, SO3 2,3, MgO 0,9, К2О 0,43, ЫагО 0,26, потери при прокаливании 2,4. Химический состав определен экспериментально. Удельная поверхность цементного порошка, определенная способом воз­духопроницаемости, составляла 270 м2/кг. Плотность цемента 3150 кг/м3.

Перемешивание суспензии производили при 20°С лопастной мешалкой со скоростью 6 с-1 в течение 1800 с. После приготовления систему залива­ли в измерительный стакан, где термостатировали в течение 300 с с пере­мешиванием 2 с-1. Использовали ротационный вискозиметр ВСН-3. С целью исключения расслоения системы продолжительность одного опыта ограничили периодом времени около 60 с. Для получения каждой точки готовилась свежая порция суспензии.

Статистической обработкой экспериментальных данных, которые пред­ставлены в работе [51], получены расчетные соотношения для определе­ния средних значений пластической вязкости г] и динамического напря­жения сдвига то системы цемент — вода в зависимости от вязкости воды rj:

Л = 0,0475+47,5f)-exp(2,953—1,44-104т0; (5.1)

т0 = (0,151—637if)/(0,085—25л). (5.2)

Характер изменения реологических показателей своеобразен: по мере снижения вязкости воды отмечается тенденция к уменьшению вязкости и по­вышению динамического напряжения сдвига дисперсной системы, которая вначале подчиняется линейному закону. Однако при вязкости воды, соответ­ствующей 45°С, скорость изменения реологических показателей резко, а затем и лавинообразно увеличивается. Учитывая лиофильность и высо­кую степень дисперсности цементных частиц, естественно принять, что отмеченная выше особенность изменения реологических показателей во многом определяется характером взаимодействия на разделе фаз, и в частности толщиной граничного слоя воды. В этой связи представляет интерес вычисление толщины слоя воды с особой структурой по методике, изложенной в работе [Кулезнев В. Н., 1980 г.]. В работе [51] представ­лены результаты теоретического расчета вязкости дисперсной системы, полученные из уравнения Муни (см. гл. 1):

где ф — концентрация твердой фазы в дисперсной системе; k — коэффи­циент Эйнштейна, равный 2,5 для частиц сферической формы; S — коэф­фициент, учитывающий структуру цементных частиц.

Коэффициент S, который можно представить в виде отношения S = = 1 /ф, был определен экспериментально. Здесь <р — реальный коэффици­ент предельной упаковки. Численное значение ф было определено по объе­му пустот между частицами, который остается после встряхивания сухого цемента. Методика изложена в гл. 1. Коэффициент ср составил 0,53, а соответствующее значение S = 1,87.

Выражение (5.3) рекомендовано для дисперсных систем, в которых частицы твердой фазы не взаимодействуют друг с другом. Для проверки справедливости (5.3) экспериментально изучены реологические свойства дисперсной системы цемент — этиловый спирт с концентрацией твердой фазы 0,39, соответствующей концентрации цемент — вода. Из представ­ленных в работе [51] результатов следует удовлетворительное совпаде­ние расчетных и экспериментальных данных.

Читайте так же:
Цемент по акмолинской области

Толщину граничного слоя воды А на частице радиуса г можно опреде­лить из выражения [Кулезнев В. Н., 1980 г.]

где фо — кажущаяся концентрация частиц цемента в системе, различие которой с фактической концентрацией ф принимаем зависящим от толщи­ны граничных слоев воды.

Преобразуя выражение (5.3) относительно ф и подставляя в правую часть равенства экспериментальные результаты вязкости суспензии, полу­чаем численные значения фо. В интервале 0—20°С, который не был иссле­дован экспериментально, вязкость суспензии определяли экстраполирова­нием формулы (5.1).

Полученные из выражения (5.4) результаты представлены в работе [51], откуда следует, что отношение h/r по мере повышения темпера­туры увеличивается до максимального значения, а затем резко падает до нуля. Такой характер изменения толщины граничного слоя воды мож­но объяснить следующим образом. Во-первых, хорошо известно, что при пониженных температурах взаимодействие цемента с водой (гидрата­ция) проявляется достаточно слабо. Другими словами, поверхность це­ментных зерен при низких температурах можно представить как менее гидрофильную. Соответственно этому граничный слой воды имеет мень­шую толщину. По мере повышения температуры взаимодействие цемента с водой усиливается. Однако параллельно протекает процесс термическо­го разрушения граничных слоев воды, который приводит к постепенному уменьшению скорости роста h/r и завершается вблизи температуры 65°С. Этот результат хорошо согласуется с данными обзора [Чураев Н. В., 1983 г.], в котором также отмечается завершение теплового разрушения особой структуры воды в тонких порах примерно при 65°С.

Используя полученные результаты, можно оценить абсолютное значе­ние толщины граничных слоев воды с особой структурой на поверхности цементных зерен. Заметим, что ответственными за отличие вязкости це­ментной суспензии в ранние сроки гидратации от вязкости системы це­мент — этиловый спирт [51] в основном являются мелкие частицы с ра­диусом 0,05—0,5 мкм. Для цементных частиц такого размера максималь-

uoe значение толщины граничных слоев воды будет находиться в преде­лах 13—130 А, что соответствует значениям для гидрофильных, хорошо смачиваемых поверхностей. ■

В работе [51] представлена также величина (сро/0,39—1), значения ко­торой указывают на небольшое превышение кажущегося объема твердой фазы над фактическим. Несмотря на это, наличие граничных слоев воды оказывает существенное влияние на реологические показатели суспензии цемент — вода.

Формулой (5.2) представлены данные измерения динамического напряжения сдвига дисперсной системы цемент — вода. Результаты формулы (5.2) показывают, что по мере снижения вязкости воды (увеличения температуры) значение то закономерно возрастает, что связано с усилением молекулярного взаимодействия частиц цемента между собой. Напротив, при увеличении вязкости воды (сни­жении температуры) то монотонно снижается, что объясняется уменьше­нием степени взаимодействия цементных частиц. Характер изменения ди­намического напряжения сдвига системы цемент — этиловый спирт ясно указывает на отсутствие взаимодействия частиц цемента между собой [51]. При этом численные значения то удовлетворительно соответствуют зна­чениям динамического напряжения сдвига системы цемент — вода при по­ниженных температурах, когда молекулярное взаимодействие частиц цемента постепенно ослабляется.

На практике движение цементных суспензий происходит при различ­ных температурах, поэтому для повышения точности и достоверности расчетов необходимы сведения о температурной зависимости реологи­ческих показателей. Статистической обработкой экспериментальных дан­ных, отражаемых формулами (5.1) и (5.2), получены соотношения для определения средних значений пластической вязкости и динамического напряжения сдвига

л = 0,47—1,27- 10“3Г; (5.5)

Зависимости (5.5) и (5.6) имеют простую форму и будут полезны при выполнении практических расчетов.

Добавка к цементным растворам (цемент Стерлитамакского завода) при температуре 20—25°С неорганических солей А1С1з и СаСЬ вызывает рост пластической вязкости т) и динамического напряжения сдвига т<>. При этом с увеличением концентрации ускорителей значения rj и то все более возрастают. Такая же картина отмечается при введении в жидкость затво­рения соли NaCl, но пока концентрация ее в растворе не достигнет опре­деленного значения, зависящего от температуры. Например, при темпера­туре 20°С динамическое напряжение сдвига увеличивается до концентра­ции NaCl, равной 4%. Пластическая вязкость принимает максимальное значение при концентрации NaCl 7%. В дальнейшем значения т) и то сни­жаются. Экспериментально определено, что предельные концентрации хлористого натрия, соответствующие максимальным величинам реологи-

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector