Тампонажний портландцемент

Тампонажний портландцемент є різновидом портландцементу - порош­коподібного мінерального (неорганічного) в'яжучого матеріалу, який скла­дається головним чином (55-95%) із високоосновних силікатів кальцію (трикальцієвий силікат 3CaOSi0₂; двокальцієвий силікат 2Ca0Si0₂) [200]. Портландцемент є основою багатьох видів тампонажних матеріалів.

Як сировину при виробництві портландцементу використовують го­ловним чином вапняк або крейду (містять після випалювання лужний оксид кальцію - вапно СаО) і глини (містять кислотні оксиди кремнію -кремнезем Si0₂, алюмінію - глинозем А1₂0₃, заліза - гематит Fe₂0₃), хоч можуть використовуватися й інші природні матеріали (гіпс, леей, сланці, суглинки, мергелі), а також деякі промислові відходи, що містять названі сполуки, зокрема доменні і нефелінові шлаки.

Процес виробництва портландцементу містить подрібнення сировини, випалювання сировинної суміші, подрібнення випаленого продукту (клін­керу) в тонкий порошок з одночасним додаванням деяких речовин-додат-ків. На стадії помолу додають (3-6%) сульфат кальцію (гіпс) у вигляді природного гіпсового каменю, який містить 65-90% CaS0₄-2H₂0 з метою регулювання швидкості схоплювання. Цемент, який не містить гіпсу, при водоцементних відношеннях нижче 0, 35 і поверхневих температурах схоплюється практично миттєво. При водоцементних відношеннях понад 0, 4 гіпс є прискорювачем схоплювання, особливо за понижених темпе­ратур (до 100-120°С) [200].

Заміна 10% клінкеру значно дешевшими інертними (у звичайних умовах лише незначно хімічно взаємодіють з основною речовиною порт­ландцементу в процесі твердіння) мінеральними додатками (найчастіше вапняком і кварцовим піском) без їх випалювання зменшує вартість портландцементу, але вони підвищують рухомість цементного розчину і знижують його седиментаційну стійкість.

Активні мінеральні додатки здатні хімічно взаємодіяти з основною ре­човиною портландцементу (в більшості з гідроксидом кальцію Са(ОН)₂, який виділяється портландцементом в процесі твердіння). Вони підрозді­ляються на додатки походження осадового (діатоміти, трепели, опоки, глієжі), вулканічного (вулканічний попіл, туфи, пемзи, трасси та ін.) і тех­ногенного (металургійні шлаки, пилоподібна паливна зола, нефеліновий шлам). Усі активні додатки підвищують корозійну стійкість портландце­менту в сульфатних водах, а додаток шлаку - до магнезіальної корозії. Додатки осадового походження за вмісту понад 5% погіршують рухо­мість цементного розчину, підвищують седиментаційну стійкість, погір­шують властивості цементу при тривалому зберіганні. Металургійні шла­ки покращують рухомість, але знижують седиментаційну стійкість за ма­сового вмісту понад 10%.

Пластифікувальні додатки вводять (менше 1%-мас.) для покращення рухомості цементних розчинів і бетонів. Як додатки-пластифікатори, які вводяться на стадії помолу, застосовують поверхнево-активні речовини (ПАР), а саме лігносульфонати кальцію, аммонію, натрію (сульфіт-спир-това барда - ССБ, сульфіт-дріжджева бражка - СДБ та ін).

Гідрофобізувальні додатки вводять для покращення збереженості цементу при тривалому зберіганні Для цього використовують асідол (0, 1%), милонафт (0, 2%), олеїнову кислоту (0, 1%).

Під час мелення можуть вводити також додатки-прискорювачі твер­діння (кренти, випалені алуніти і каоліни, сульфоалюмінатно- і сульфофе-ритосилікатні продукти) з масовим вмістом не більше 5%.

Основними в складі клінкеру є мінерали-силікати - аліт (54СаО Al₂0₃Mg016Si0₂) і беліт (β -2CaOSi0₂). Аліт (містить 97% 3CaOSi0₂) зумовлює швидке твердіння при поверхневих температурах, високу міц­ність і помірно швидке схоплювання. Беліт (в основному це β -модифікація 2CaOSi0₂) зумовлює довговічність цементного каменю, повільно реагує з водою, перешкоджає процесам перекристалізації.

Чим нижча температура використання, тим вищим повинен бути вміст аліту, а з ростом температури покращуються властивості цементу зі збільшенням вмісту беліту (в доброму портландцементі мінерали-силікати повинні складати 74-77%). Вміст трикальцієвого алюмінату ЗСаОА1₂0₃ і чотирикальцієвого алюмофериту 4СаО Al₂0₃Fe₂0₃ у порт-

ландцементі є корисним при низьких температурах (швидше затвердіння, нагрівання) і шкідливе при високих (пришвидшує схоплювання, знижує термо- і корозійну, окрім солей магнію, стійкість).

Порошок портландцементу з водою утворює достатньо рухому і нерозшаровувану в певному діапазоні концентрацій суспензію (цементний розчин), яка твердіє в каменеподібне тонкопористе тіло. Твердіння відбу­вається внаслідок складних і різноманітних хімічних реакцій компонентів портландцементу з водою. Цей комплекс реакцій, який призводить до твердіння цементної суспензії, називають реакціями гідратації (оборот­ного приєднання води), хоч тут мають місце реакції і гідролізу, і гідро­термального синтезу.

Портландцементи, які використовуються в будівельній справі, промис­ловість випускає різних видів - загальнобудівельного призначення (марок 400, 500, 550, 600), високоміцний (марок 600, 700, 800), швидкотвердіючий, сульфатостійкий, дорожний, для азбесто-цементних виробів, білий, пла­стифікований, гідрофобний, гідротехнічний, піщанистий, шлакопортланд­цемент різного призначення, пуццолановий. Вони можуть бути викори­стані і як тампонажні матеріали (табл. 2.14) [200].

Тампонажний портландцемент (призначений для тампонування сверд­ловин) має декілька різновидів, які об'єднані тим, що вміст у них порт-ландцементного клінкеру на відміну від будівельного портландцементу складає не менше 30%. Вони діляться на базові і спеціальні [200].

Базові тампонажні портландцементи містять клінкеру не менше 95% (ПЦТ-Д0; ДО означає вміст додатків 0%) або не менше 75% (ПЦТ-Д20; вміст додатків 20%) і можуть використовуватися як в готовому вигляді для приготування тампонажних розчинів, так і як основа для приготування спеціальних тампонажних цементів. За складом і властивостями вони близькі до портландцементу загальнобудівельного призначення марок 400 і 500 (за тимчасовим опором стисненню відповідно 40 і 50 МПа). Базові тампонажні цементи випускають двох видів: а) для низьких і нормальних температур ПЦТ-Д20-50 (до 50°С); б) для помірних температур ПЦТ-Д20-100 (для температур 50-100°С). Перший з них має дещо тонший (м'якший) помел, а за складом і властивостями вони мало відрізняються.

Цементи деяких заводів задовольняють вимогам ГОСТ 1581-85 як для Д20-50, так і для Д20-100. Такі цементи незалежно від паспортної назви можуть використовуватися за тих чи інших умов. У ряді випадків для вибору цементу недостатньо орієнтуватися на паспортну назву, яка визначається за ГОСТ 1581-85. Необхідно мати докладніші відомості про його склад та властивості, перш за все необхідно знати мінералогічний склад клінкеру, характерний для цементу даного заводу, та тонкість помелу.

Таблиця 2.14 - Можливі і рекомендовані області використання будівельного портландцементу і

його різновидів як тампо­нажних матеріалів

У свердловинах з низькою температурою та особливо в холодний період року краще використовувати цементи ПЦТ-ДО, які містять віднос­но велику кількість трикальцієвого алюмінату. У процесі гідратації таких цементів на початковій стадії виділяється більша кількість теплоти, що зменшує небезпеку замерзання розчину за низької температури стінок свердловини. Ці ж цементи, як правило, сприятливіші до дії прискорювачів тужавіння. Прискоренню гідратації та тужавінню, підсиленню раннього тепловиділення сприяє тонший помел цементу.

Для зниження температури замерзання цементного розчину у воду замішування вводять неорганічні солі, які є одночасно і прискорювачами тужавіння, із яких краще використовувати сульфати, карбонати, нітрати й нітрити, котрі вступають у реакцію з алюмінатами кальцію, що містяться в цементі, з утворенням корисних комплексних солей і з виділенням великої кількості теплоти. Перспективним для цих умов є застосування глиноземистого цементу.

Тампонажні портландцемента ПЦТ-ДО та ПЦТ-Д20 є термостійкими тільки до 60°С. Вище цієї температури появляються деструктивні про­цеси, що викликають поступове зниження міцності та підвищення проник­ності цементного каменю. До 100°С головну роль у цих процесах відіграє розкладання комплексних солей, а вище - перекристалізація гідроси­лікатів кальцію. До 100°С ступінь розвитку цих процесів практично є не настільки великим, що слід було б відмовитися від використання звичай­них тампонажних портландцементів, однак під час вибирання цементів їх бажано враховувати. Вище цієї температури необхідно використовувати спеціальні термостійкі цементи ПЦТ-Д70-150. Зменшенню впливу де­структивних процесів за температур до 100°С сприяють: підвищення вмісту в цементі силікатів кальцію за рахунок зменшення вмісту алюмі­натів та алюмоферитів кальцію; зменшення вмісту гіпсу; більш грубий помел цементу; зменшення водовмісту розчину; зменшення вмісту трикальцієвого силікату за рахунок двокальцієвого. Ці ж заходи полег­шують регулювання процесу тужавіння за допомогою уповільнювачів.