稻殼灰對固井水泥石性能影響研究

楊建國 程小偉

摘 要：本實驗通過在實驗室制備稻殼灰并測試其相關(guān)性能，然后將稻殼灰按照實驗設(shè)定的方案加入水泥中，待其水化硬化再從宏觀和微觀兩個方面進行分析，以此來評價稻殼灰對固井水泥石的影響因素。結(jié)果表明：稻殼灰含有孔狀結(jié)構(gòu)，是一種多孔材料，同時它易磨，易制備，經(jīng)過研磨后的稻殼灰比表面積較大，微集料填充效應(yīng)良好。另外本實驗探究得出稻殼灰摻量為12%時，養(yǎng)護得到的水泥石試樣早期強度同比凈漿一天增長15%～20%，兩天增長25%～30%，因此可得出稻殼灰能改善固井水泥石的早期強度，最佳摻量為12%。利用XRD、SEM、EDS和TG等實驗設(shè)備分析稻殼灰提高固井水泥石早期強度的原理為稻殼灰可以使水泥石中不同粒度的原料呈最密堆積，提高水泥石的致密度；稻殼灰中的高活性SiO2會與水泥的水化產(chǎn)物Ca（OH）2發(fā)生火山灰反應(yīng)促進水泥的二次水化，生成了大量膠凝相即水化硅酸鈣，提高水泥石的力學(xué)性能和改善水泥石微觀結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：稻殼灰；火山灰活性；固井水泥石；早期強度；微觀分析

中圖分類號：TE256 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

近年來，隨著眾多實驗室對油井水泥及其漿體相關(guān)性能的不斷研究，高強、早強、速凝等水泥漿的研究工作有了新的進展和突破，但是當(dāng)今工業(yè)發(fā)展必須遵循全面協(xié)調(diào)可持續(xù)的標(biāo)準(zhǔn)，讓盡可能少的資源使用價值最大化，這為實驗室研究固井水泥的相關(guān)性能提出了挑戰(zhàn)。諸多研究已經(jīng)證實稻殼灰在混凝土早強方面有著積極的作用，通過探究其原因可知稻殼灰是一種高性能的火山灰活性材料，在水泥水化后可以引發(fā)二次水化反應(yīng)，從而提高混凝土的強度。

1 實驗

1.1 實驗材料和設(shè)備

水泥采用四川夾江水泥廠的G級油井水泥，降失水劑為G33S，另外還有SXY-2型的分散劑，稻殼灰（A、B、C）。主要實驗設(shè)備為：掃描電子顯微鏡/X射線能譜儀Quanta 450型，氮吸附比表面積及孔徑分布儀F-Sorb 3401型，組織搗碎機JJ-Z型，梅特勒-托利熱分析儀TGA/SDTA851e型等。

1.2 實驗方法

（1）稻殼灰燒成

將選取好的稻殼裝入電阻爐中，從室溫升到275℃（保溫30min），再從275℃升溫到575℃（保溫120min），之后隨爐冷卻稻殼灰制備完成。

（2）水泥漿制備

用正交的實驗方法，通過控制稻殼灰粒度不同、加量不同、養(yǎng)護時間以及養(yǎng)護溫度不同來探索稻殼灰影響固井水泥石性能的機理。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 稻殼灰分散性分析

通過圖1稻殼灰分散性測試結(jié)果圖分析可知：燒杯①中的稻殼灰經(jīng)過超聲分散30min后在水中分散均勻，但是將其靜置120min后稻殼灰?guī)缀跞砍恋碓跓撞?；而在燒杯②中加入了降失水劑之后超聲分散后和燒杯①的現(xiàn)象相同，但是靜置120min后溶液仍然呈顯渾濁狀態(tài)，在燒杯底部只沉淀了微量稻殼灰，可見稻殼灰本身分散性較差，但是適量的降失水劑能夠改善稻殼灰的分散性。

2.2 稻殼灰激光粒度和比表面積分析

3種稻殼灰的激光粒度和比表面積測試結(jié)果見表1和表2。

由表1和表2分析可知，加工工藝對稻殼灰激光粒度和比表面積影響較大，但是實驗材料差異較大勢必會造成實驗結(jié)果也有較大的差異，便于進一步比對分析。

2.3 稻殼灰SEM分析

通過對稻殼灰SEM分析圖（圖2）可知，兩種稻殼灰都沒有固定的形態(tài)且都含有孔狀結(jié)構(gòu)，唯一的區(qū)別是稻殼灰A的粒度更小。

2.4 稻殼灰A、B、C選用

將稻殼灰A、B、C分別按配方要求加入水泥石中在20℃養(yǎng)護一天和兩天，其強度變化折線圖如圖3所示，可以清楚的看出稻殼灰C對水泥石的早期強度貢獻(xiàn)最大，故本實驗選用稻殼灰C作為本實驗的主要添加材料。

2.5 稻殼灰XRD/EDS分析

通過DES分析可知，在稻殼灰中存在大量的Si元素，通過計算可知這種Si是以SiO2的形式存在的；為了進一步探究SiO2的晶型，對稻殼灰做了XRD測試，測試結(jié)果如圖4所示，經(jīng)過分析稻殼灰中存在的SiO2是非晶（無定形）態(tài)，這與實驗預(yù)期相符，也是之所以選用稻殼灰的基本原因。

2.6 稻殼灰水泥漿密度和流動度分析

通過測試稻殼灰水泥漿的密度和流動度可知（見表3），稻殼灰對水泥漿的密度影響不大（可忽略），但是隨著稻殼灰加量的增加，水泥漿的流動度呈減小趨勢，從圖5可以清楚地看出稻殼灰水泥漿流動度的變化趨勢。

后生成的Ca（OH）2與稻殼灰中的高活性SiO2發(fā)生了二次水化反應(yīng)，降低了水泥石Ca（OH）2的含量，生成了大量二次水化產(chǎn)物，提高了水泥石的早期強度。

結(jié)論

（1）稻殼灰對水泥漿密度無影響，但對其流動度有顯著影響。

（2）稻殼灰含量為12%時對固井水泥石早期強度貢獻(xiàn)最大。

參考文獻(xiàn)

[1]郭小陽，程小偉，張春梅，等.油氣井水泥生產(chǎn)與應(yīng)用[D].西南石油大學(xué)，2014.