化學(xué)組分和溫度對水化硅鋁酸鈣凝膠結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能影響的分子動力學(xué)研究

摘要：通過分子動力學(xué)方法研究化學(xué)組分和溫度對水化硅鋁酸鈣（C-A-S-H）凝膠結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響規(guī)律，結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)為超高溫固井水泥砂鋁配比提供試驗(yàn)指導(dǎo)。構(gòu)建 C-A-S-H凝膠模型，研究溫度、Ca/Si、Al/Si對硅氧四面體結(jié)構(gòu)Qn分布、平均鏈長的影響規(guī)律。通過C-A-S-H凝膠斷裂過程的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，結(jié)合Al、Si原子平均受力特征，揭示富鋁相C-A-S-H的增強(qiáng)機(jī)制。結(jié)果表明：Al的加入能夠有效填補(bǔ)硅氧鏈橋位缺陷，增加平均鏈長，增強(qiáng)橋聯(lián)層間硅氧結(jié)構(gòu)，促進(jìn)形成聚合度更高的硅氧四面體，進(jìn)而提升強(qiáng)度；超高溫220～260 ℃時，Ca、Si、Al物質(zhì)的量比為0.9∶1∶0.15～0.2，對應(yīng)加砂55%、鋁質(zhì)材料7%～10% BWOC，可滿足固井水泥強(qiáng)度要求。

關(guān)鍵詞：超高溫； 硅鋁酸鈣凝膠； 固井水泥設(shè)計； 力學(xué)性能； 分子動力學(xué)

中圖分類號：TQ 172""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2024-03-20

基金項(xiàng)目：中國石油天然氣股份有限公司科技項(xiàng)目（2023DQ0529）

第一作者：劉慧婷（1987-），女，高級工程師，博士，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦咝阅芄叹牧霞八酀{體系。E-mail： liuhtdr@cnpc.com.cn。

通信作者：李妍（1978-），女，講師，博士，研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楣叹喽喑叨攘W(xué)性能。E-mail： liyancup@cup.edu.cn。

文章編號：1673-5005（2025）01-0211-09""" doi：10.3969/j.issn.1673-5005.2025.01.023

引用格式：劉慧婷，李妍，于永金，等.化學(xué)組分和溫度對水化硅鋁酸鈣凝膠結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能影響的分子動力學(xué)研究［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2025，49（1）：211-219.

LIU Huiting， LI Yan， YU Yongjin， et al. Influence of chemical composition and temperature on structural and mechanical properties of C-A-S-H with molecular dynamics［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2025，49（1）：211-219.

Influence of chemical composition and temperature on structural

and mechanical properties of C-A-S-H with molecular dynamics

LIU Huiting1， LI Yan2， YU Yongjin1， ZHANG Chi1， XIA Xiujian1， ZHANG Jiaying1， ZHANG Hanqi3， DU Tao4

（1.CNPC Engineering Technology Ramp;D Company Limited， Beijing 102200， China;

2.School of Petroleum Engineering， China University of Petroleum（Beijing）， Beijing 102249， China;

3.College of Geoscience And Surveying Engineering， China University of Mining amp; Technology（Beijing）， Beijing 102206， China;

4.School of Mechanics and Civil Engineering， China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116， China）

Abstract：The influence of chemical composition and temperature on the structure and mechanical properties of calcium aluminosilicate hydrate （C-A-S-H） gel was studied by molecular dynamics method. Integrated into the compression experiments， the experimental guidance for the ratio of sand and aluminum in well cement at ultra-high temperature was" provided. The C-A-S-H gel model was constructed to study the influence of temperature， Ca/Si， Al/Si on the Qn distribution and the mean chain length of the silica tetrahedron structure. Subsequently， by analyzing the stress-strain curves during the fracture process of the C-A-S-H gel， along with the evolution of atomic stresses of Al and Si atoms， the mechanism behind the enhancement of mechanical properties in the aluminum-rich C-A-S-H phase was revealed. It is found that the incorporation of Al can effectively fill the defects at the bridging sites of silicon-oxygen dreierketten chains， increase the mean chain length， enhance the bridged interlayer silicon-oxygen structure， and promote the formation of higher polymerized silicon-oxygen tetrahedra， thereby improve the strength of cement. When the ultra-high temperature is 220-260 ℃， molar ratio of Ca，Si and Al is 0.9∶1∶0.15-0.2， corresponding to 55% sand and 7%-10% BWOC of aluminum material， can meet the strength requirements of well cement.

Keywords： ultra-high temperature; calcium aluminosilicate hydrate; well cement design; mechanical properties; molecular dynamics

隨著油氣勘探開發(fā)不斷向超深井拓展，超高溫下水泥石強(qiáng)度衰退問題嚴(yán)重，對提高超深井及地?zé)峋喹h(huán)密封完整性提出了巨大挑戰(zhàn)［1-4］。目前國內(nèi)外普遍采用方法是選取超過35% BWOC（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的適當(dāng)粒度、種類石英砂等硅質(zhì)外摻料加入G級油井水泥中，形成微觀結(jié)構(gòu)更致密的網(wǎng)絡(luò)狀水化產(chǎn)物，從而抑制強(qiáng)度衰退［2，5-8］。然而加砂水泥在 200 ℃以上超高溫下水化產(chǎn)物發(fā)生變化，致使其力學(xué)性能仍舊衰退［6-7，9］，導(dǎo)致水泥環(huán)層間封隔失效，所以研發(fā)能夠抵抗超高溫的水泥對固井工程具有實(shí)際意義。鋁酸鹽水泥材料具有耐高溫、低碳、快硬高強(qiáng)和抗侵蝕等優(yōu)異特性，在抗高溫耐火材料行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用［7，10-11］。因此在油井水泥中加入硅鋁酸鹽膠凝材料抵抗超高溫強(qiáng)度衰退具有可行性［6，11-12］，同時還可促進(jìn)推動固井水泥綠色低碳、可持續(xù)性發(fā)展［7，10］。油井水泥中加入鋁質(zhì)材料會形成水化產(chǎn)物硅鋁酸鈣（C-A-S-H）凝膠，利用分子動力學(xué)［13-14］研究其性能首先需要構(gòu)建C-A-S-H模型，而建模的基礎(chǔ)和關(guān)鍵是確定C-A-S-H凝膠結(jié)構(gòu)特性。在硅鋁酸鹽中Al原子以四配位Al（Ⅳ）、五配位Al（Ⅴ）和六配位Al（Ⅵ）三種形態(tài)存在，低鈣硅比時C-A-S-H中Al的穩(wěn)定形態(tài)是Al（Ⅳ）［15-17］，這與試驗(yàn)結(jié)果［16-17］和理論研究［15，18-19］一致。29Si核磁（NMR）和27Al-NMR實(shí)驗(yàn)表明，四配位 Al（IV）在橋接位點(diǎn)處與硅氧鏈（C-S-H）結(jié)合［17，20］，通過橋接相鄰的平行硅氧鏈增強(qiáng)了層間結(jié)構(gòu)交聯(lián)，形成空間交聯(lián)的網(wǎng)狀凝膠結(jié)構(gòu)。C-A-S-H中硅鋁氧鏈的鋁氧單元在承受應(yīng)力時起到支撐作用，從而提高抗拉壓能力，增強(qiáng)凝膠體積模量［13，21-22］。鋁相加入會促進(jìn)硅氧結(jié)構(gòu)聚合，增加硅氧鏈平均長度以及支鏈和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)數(shù)量，從而提升凝膠的性能［15，20，23］。筆者運(yùn)用分子動力學(xué)理論研究溫度、Ca原子與Si原子物質(zhì)的量比（x1）、Al原子與Si原子物質(zhì)的量比（x2）對水化硅鋁酸鈣凝膠C-A-S-H力學(xué)性能的影響規(guī)律，分析C-A-S-H凝膠結(jié)構(gòu)的聚合度及增強(qiáng)機(jī)制。運(yùn)用以上規(guī)律并結(jié)合分子動力學(xué)模擬、強(qiáng)度試驗(yàn)方法對超高溫220～260 ℃固井水泥進(jìn)行Ca原子、Si原子、Al原子的物質(zhì)的量比（x3）的配比設(shè)計，優(yōu)化加砂量和加鋁量，提升超高溫條件水泥石的力學(xué)性能。

1" C-A-S-H分子動力學(xué)模擬與試驗(yàn)方法

1.1" C-A-S-H模型構(gòu)建及模擬方法

采用Pellenq等［24］的模擬方法建立C-S-H分子結(jié)構(gòu)模型，以11 Tobermorite ［Ca4.5Si6O16（OH）·5H2O］［25］作為起始構(gòu)型，其原子坐標(biāo)等信息見文獻(xiàn)［25］。采用Atomsk軟件［26］進(jìn)行晶格正交化，運(yùn)用OVITO軟件擴(kuò)大成超晶胞并完全去除晶胞內(nèi)水分子。將超晶胞中一半的橋接硅氧四面體替換成鋁氧四面體，形成x1=0.9、x2=0.2的C-A-S-H模型，然后隨機(jī)去除部分硅氧和鋁氧四面體，最終得到不同鈣硅比x1=0.9、1.8及x2=0、0.1、0.2的鋁氧骨架，并通過加入適量的氫原子來確保電荷平衡。通過LAMMPS軟件平臺，采用巨正則蒙特卡羅（Grand Canonical Monte Carlo）方法在C-A-S-H模型中進(jìn)行吸附水并使其達(dá)到平衡。

C-A-S-H模型中Ca/Si/Al考慮6種情況，分別為x3=0.9∶1∶0、0.9∶1∶0.1、0.9∶1∶0.2、1.8∶1∶0、1.8∶1∶0.1、1.8∶1∶0.2。文獻(xiàn)［2，5，9，27-28］表明，高溫下在固井水泥中增加砂量有助于提高其力學(xué)性能，最佳加砂量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為40%～70% BWOC，相應(yīng)x1約為0.83～1.0。取x1=0.9，接近于加砂量為55% BWOC。此外再取x1=1.8作為參考，對應(yīng)無砂或加砂量很少。低x1時C-A-S-H中鋁的配位數(shù)為4，用Al全部填補(bǔ)橋位Si時，完整的11 Tobermorite晶體中存在2/3的Q2單元和1/3 Q3單元（Qn表示硅氧四面體的聚合狀態(tài)，n為四面體的橋位氧原子個數(shù)）［15-17］。根據(jù)硅鋁氧結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，只有Q3位置能被Al替換，而且鋁氧單元不能直接相連，因此最多1/6 Q3單元能被Al取代，進(jìn)而x2理論最大比值為1/6∶5/6=0.2。x2的上限值0.2接近于實(shí)驗(yàn)結(jié)果［15-16，29］和理論分析［18-19］，同時也符合Lowenstein規(guī)則的C-A-S-H模型的上限［22］。作為對照，選取其他兩種情況x2=0、0.1作為參考項(xiàng)，分別代表無鋁和中間值。

采用LAMMPS軟件進(jìn)行分子動力學(xué)力學(xué)行為與斷裂性能模擬，其中原子間的相互作用采用反應(yīng)力場ReaxFF。反應(yīng)力場由van Duin等［30］開發(fā)，通過計算原子之間的鍵級（Bond order）來判斷成鍵信息。所用反應(yīng)力場中鈣、硅、鋁、氫、氧參數(shù)來自文獻(xiàn)［31］。吸附水分子后的C-A-S-H模型在等溫等壓（NPT）系綜下，分別在目標(biāo)溫度27、90、110、150、180、240 ℃ 和零壓強(qiáng)下進(jìn)行結(jié)構(gòu)弛豫。C-A-S-H模型由于z方向?qū)娱g較弱的范德華作用所以其強(qiáng)度最弱，而x、y方向由于共價鍵結(jié)合，強(qiáng)度均高于z方向［32］。因此本文中對C-A-S-H模型在對應(yīng)溫度下進(jìn)行z向拉伸模擬，加載速率為應(yīng)變0.004/ps，用以研究C-A-S-H力學(xué)性能和斷裂行為。

采用分子動力學(xué)模擬，對C-A-S-H模型施加應(yīng)變，計算彈性性能變化分析獲得力學(xué)性能參數(shù)，包括體積模量、剪切模量和拉伸模量。剛度矩陣C=（Cij）（i，j對應(yīng)不同方向）為能量（U）對應(yīng)變（ε）的二次偏導(dǎo)［33］：

Cij=1VUεiεj. （1）

式中，V為體積。柔度矩陣S為

S=C-1，（2）

體積模量B為

B-1=S11+S22+S33+2（S31+

S21+S32），（3）

剪切模量G為

G=154（S11+S22+S33-S12-S13-S23）+3（S44+S55+S66），（4）

拉伸模量E為

E-1k=Skk，k=1，2，3.（5）

1.2" 試驗(yàn)材料及方法

采用單軸壓縮試驗(yàn)，測試超高溫下填加砂和鋁質(zhì)材料的固井水泥石的強(qiáng)度。采用G級嘉華油井水泥，水灰比0.44，填加二氧化硅粉（SF）和含氧化鋁（AF）填料。根據(jù)GB/T 19139-2012《油井水泥試驗(yàn)方法》制備和養(yǎng)護(hù)水泥漿，形成50.8 mm×50.8 mm×50.8 mm的立方體試樣。采用高溫養(yǎng)護(hù)釜對試件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，試件的配比及養(yǎng)護(hù)條件見表1所示。其中x3是依據(jù)原料（水泥、SF和AF）計算得到的Ca原子、Si原子、Al原子的物質(zhì)的量比。

2" 結(jié)果分析

2.1" 模型合理性檢驗(yàn)

圖1為C-A-S-H模型對分布函數(shù)g（r），描述了給定體積內(nèi)包含的原子對之間的距離，分布其中峰位0.98 、1.64 和1.88 分別對應(yīng)H—O，Si—O和Al—O鍵的平均鍵長。文獻(xiàn)［13］中Si—O和Al—O鍵長分別為1.632～1.655 和1.873～1.894 ，文獻(xiàn)［34］實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示Si—O鍵長為1.639 ，因此與文獻(xiàn)結(jié)果吻合。

由圖1可知，模型整體呈現(xiàn)近程有序、遠(yuǎn)程無序的特點(diǎn)，符合水泥無定型結(jié)構(gòu)形態(tài)特征。Al—O位置處，無Al時（x2=0）沒有峰值，隨Al的增多峰值變大，最高峰對應(yīng)x2=0.2。圖1計算的是體系中所有的原子對，由于Al—O間距在這個范圍內(nèi)，故在該區(qū)域形成峰值。對比圖1（a）和（b），Si—O峰值隨Si的增多而升高。圖1（a）的H—O峰值比圖（b）的低，這是由于x1=0.9體系中的吸附水相對較少。x1=1.8的體系是在x1=0.9的基礎(chǔ)上移除了部分SiO2和AlO2單元，x1=1.8的體系會存在更多的孔隙和缺陷，在后續(xù)的水吸附模擬中能夠提供吸附位置更多，因此x1=1.8的體系吸附水含量相對較多，而x1=0.9的吸附水相對較少。H—O峰值隨x2增加而下降，說明C-A-S-H模型隨Al的增加吸附水量逐漸減少?？傮w上g（r）中H—O、Al—O和Si—O峰值隨不同x1、x2的變化趨勢合理。因此，根據(jù)g（r）分析模型的結(jié)構(gòu)形態(tài)特征與變化特點(diǎn)，說明所建C-A-S-H模型是合理的。

通過計算分析C-A-S-H模型Qn［35］分布和平均鏈長（MCL，其值為LMCL）［35］驗(yàn)證模型的合理性。雖然文獻(xiàn)中并無完全相同的組分作為對照，但是本文的研究結(jié)果和文獻(xiàn)相近組分的數(shù)據(jù)結(jié)果接近。常溫下，文獻(xiàn)［35］根據(jù)29Si核磁共振（NMR，29Si表示原子量為29的硅的同位素）測試，Q1為60%～70%，Q2為30%～40%，本文Q1為63%，Q2為36%；文獻(xiàn)［19］中Ca/（Al+Si）=1.7時LMCL=2.2，文獻(xiàn)［35］根據(jù)NMR測試算得x1=1.86時LMCL=3.2，本文x1=1.8時LMCL=2.2-3.5；文獻(xiàn)［36］中Ca/（Al+Si）=0.9時LMCL=9.3，本文x1=0.9、x2=0-0.1時LMCL=5.5～8.6；x1=0.9、x2=0.2時，計算LMCL=151，接近文獻(xiàn)［37］所提到的理論無限值。由此根據(jù)Qn分布和LMCL分析，可以進(jìn)一步證明所建C-A-S-H模型的合理性。此外模擬了27 ℃常溫條件下C-A-S-H拉伸過程，其應(yīng)力應(yīng)變曲線與文獻(xiàn)［22］是比較接近的，這進(jìn)一步證明了所建模型的可靠性。

2.2" Ca/Si/Al配比和溫度對C-A-S-H力學(xué)性能影響

采用分子動力學(xué)模擬研究C-A-S-H模型拉伸過程中的力學(xué)性能。分別考慮多種溫度（27～240 ℃）、x1（0.9、1.8）、x2（0、0.1、0.2）條件，獲得相應(yīng)的C-A-S-H應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖2所示。在每種x1、x2條件下，強(qiáng)度均隨溫度升高而降低，但卻隨x1的降低而增加，例如對比圖2（a）、（d），x1從1.8降為0.9，強(qiáng)度提高超過50%。增強(qiáng)效果更為明顯的是增加x2，對比圖2（a）～（c），高x1=1.8時，x2=0.1、0.2時強(qiáng)度分別比x2=0提高約60%、100%；低x1=0.9時，如圖2（d）～（f），x2=0.1、0.2時強(qiáng)度分別比x2=0提高約2倍和7倍。這說明低x1時加入Al增強(qiáng)效果更好。此外從圖2可以看到，應(yīng)力應(yīng)變曲線均有波動，但隨x2增加和x1降低，系統(tǒng)性能逐漸提高，因此曲線的信噪比也顯著增強(qiáng)，例如x1=0.9、x2=0.2（圖2（f））的曲線波動明顯小于其他情況。模型隨著應(yīng)變的增加而斷裂，最終破壞發(fā)生在鈣氧層。

將圖2中部分溫度（T）及x3下的強(qiáng)度值繪于圖3中。若以27 ℃、x1=1.8、x2=0時C-A-S-H的強(qiáng)度作為滿足工程強(qiáng)度要求的標(biāo)準(zhǔn)，則通過降低x1至0.9，即砂含量增至55%時，150、180 ℃強(qiáng)度基本不衰退，但240 ℃衰退，這與文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果一致［2，5-6］，即高溫下可以通過增加砂含量提高水泥強(qiáng)度達(dá)到工程需要。通過加少量含鋁質(zhì)材料、多砂（x2=0.1、x1=0.9，對應(yīng)約7%氧化鋁，加砂約55%），能保證240 ℃強(qiáng)度不衰退。繼續(xù)增加含鋁質(zhì)材料、多砂（x2=0.2、x1=0.9，對應(yīng)約10%氧化鋁，加砂約55%），240 ℃強(qiáng)度會進(jìn)一步提高。說明在約240 ℃，設(shè)計抗高溫水泥時嘗試x1=0.9、x2=0.1～0.2的配比具有合理性，這與超高溫下通過加鋁質(zhì)材料能夠增強(qiáng)水泥的試驗(yàn)結(jié)果也是一致的［6，38-40］。

溫度、x2對C-A-S-H凝膠力學(xué)性能參數(shù)（體積模量B、剪切模量G和拉伸模量E）的影響如圖4所示。在相同x2下，體積模量、拉伸模量和剪切模量隨溫度升高而降低。增加x2會提升體積模量、拉伸模量和剪切模量。已有研究［32］表明降低x1，拉伸模量和剪切模量會增加。因此，通過增加x2、降低x1，會提升C-A-S-H力學(xué)性能。

2.3" C-A-S-H凝膠結(jié)構(gòu)聚合度及增強(qiáng)機(jī)制

圖5為不同x2時C-A-S-H模型結(jié)構(gòu)示意圖。如圖5（b）紅框所示，最多1/6 Q3單元被Al取代，因此x2理論最大值為1/6∶5/6=0.2。Al原子的加入填補(bǔ)了硅氧鏈層間橋位缺陷。隨著Al的增加，形成更長的高度聚合的硅鋁氧鏈，層間聯(lián)接結(jié)合增強(qiáng)，提高了C-A-S-H抵抗外力和變形的能力，有利于宏觀強(qiáng)度的提升。

平均鏈長體現(xiàn)了硅氧鏈平均聚合度［16］，采用文獻(xiàn)［41］方法計算C-A-S-H的MCL，如圖6（a）所示。相同x1下，隨著Al的增多MCL增長。低x1時MCL增長幅度更大，例如x1=0.9時x2為0.1比0時MCL增加55%。此外相同x2下，x1越低MCL越大，例如x2=0.1時，低x1時的MCL約是高x1的3倍。由于x1=0.9、x2=0.2時，計算MCL為151，接近理論無限值，故沒有在圖中顯示。Qn含量的變化表明了硅氧四面體聚合態(tài)的變化，n越大表明硅氧四面體聚合度越高，越有利于強(qiáng)度的提升［16］。在超高溫240 ℃時（圖6（b）），不加Al時僅有Q1（一個橋氧連接兩個硅氧四面體）和Q2（硅氧鏈中有兩個橋氧）［16］，但隨著Al的加入Q2～Q4增多，其中x2=0.2時最多，而且此時Q1短鏈很少，表明Al原子的加入促進(jìn)形成聚合度更高的硅氧四面體。另外前期研究［32］已表明，隨x1降低Q2～Q4也會增多。其他溫度時Qn也具有相近的變化趨勢，不再圖示。由此可以看出，Al原子能夠有效地填補(bǔ)硅氧鏈橋位缺陷，促進(jìn)形成更穩(wěn)定的硅鋁氧鏈結(jié)構(gòu)，例如Q3（1Al）、Q4（1Al）（硅氧四面體中分別有3個和4個橋氧，其中有1個橋氧與鋁氧四面體連接）［16］。由于C-A-S-H中的強(qiáng)度主要來源于硅鋁氧鏈，因此硅鋁氧鏈聚合度的提高是提升強(qiáng)度的關(guān)鍵。

為進(jìn)一步揭示Al填補(bǔ)橋位對強(qiáng)度的影響機(jī)制，分別計算了Si和Al原子在z方向的平均受力（σzz）隨應(yīng)變的變化。如圖7（a）所示，在沒有Al原子時，Si原子的受力基本不因應(yīng)變變化而受到影響，說明硅氧鏈對z方向強(qiáng)度沒有起到增強(qiáng)作用。由于Al原子能夠橋連z方向的層間硅氧結(jié)構(gòu)，在受拉過程中，Si原子的受力隨Al含量增加而顯著增加，說明硅氧鏈對z方向強(qiáng)度有提升作用。同時，如圖7（b），Al原子的受力隨Al含量增加而提高，驗(yàn)證了Al在z方向強(qiáng)度起到的重要提升作用。

2.4" 超高溫下固井水泥Ca/Si/Al配比設(shè)計

基于以上理論與模擬結(jié)果，當(dāng)x1=0.9、x2=0.1～0.2時，C-A-S-H可以滿足力學(xué)性能要求?？紤]到實(shí)際上不能保證所有原料完全參與水化并生成圖5（b）所示的理想C-A-S-H凝膠結(jié)構(gòu)，因此同時兼顧經(jīng)濟(jì)性和水泥水化程度，設(shè)計超高溫度220～260 ℃下固井水泥的加砂、加鋁配比時，最終考慮兩種試件配比，即x3=0.9∶1∶0.15、0.9∶1∶0.2。依據(jù)原料化學(xué)組分計算x3對應(yīng)的加砂量約為55%BWOC、鋁質(zhì)材料分別為約7%、10% BWOC。運(yùn)用分子動力學(xué)模擬方法計算220～260 ℃下C-A-S-H應(yīng)力應(yīng)變反應(yīng)，若仍把常溫下的分子動力學(xué)結(jié)果作為滿足強(qiáng)度要求的標(biāo)準(zhǔn)，圖8顯示所選兩種配比均可滿足強(qiáng)度要求。

表2為加砂、鋁質(zhì)材料的固井水泥強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，其中A1-1、A1-2等對應(yīng)表1中的試件編號。從表2中可以看出，在220～240 ℃，通過填加鋁質(zhì)材料和增加砂含量，固井水泥強(qiáng)度均超過50 MPa，滿足工程要求；250～260 ℃，同樣配比強(qiáng)度超過42 MPa，基本滿足工程要求。由此可以說明，x1=0.9、x2=0.1～0.2是抗超高溫固井水泥在220～260 ℃內(nèi)可行的Ca/Si/Al配比結(jié)果。因此分子動力學(xué)模擬能夠有效預(yù)測其力學(xué)性能，定量地獲取高溫、超高溫下水泥Ca/Si/Al的優(yōu)化配比，為宏觀制品的研發(fā)設(shè)計提供理論與參考依據(jù)。值得注意的是，實(shí)際試件加鋁加砂后的增強(qiáng)程度小于模擬結(jié)果，這是因?yàn)楦邷叵滤a(chǎn)物復(fù)雜、水化程度難以確定［42］，實(shí)際上水泥加鋁加砂后并不能保證全部生成圖5（b）所示的完全理想的C-A-S-H。一方面由于所有原料不一定完全參與水化反應(yīng)，已有測試結(jié)果［16，42-44］表明水化程度能達(dá)到約80%；另一方面即使參與水化后也可能產(chǎn)生不同于圖5（b）所示的完全理想的C-A-S-H。這些因素都會導(dǎo)致實(shí)際增強(qiáng)效果小于模擬結(jié)果，若要獲得各溫度下更精確的優(yōu)化配比，需要進(jìn)一步精細(xì)確定超高溫下水泥水化程度和水化產(chǎn)物。

3" 結(jié)" 論

（1）隨溫度升高，C-A-S-H力學(xué)性能下降，但通過降低 x1（例如0.9），150、180℃時強(qiáng)度基本滿足要求，240 ℃時強(qiáng)度衰減不能滿足要求；保持低x1的同時提高x2到0.1～0.2，能保證240 ℃超高溫下時強(qiáng)度滿足要求。

（2）隨著Al的加入Q2～Q4增多、平均鏈長增長。這說明Al原子的加入能夠有效填補(bǔ)硅氧鏈橋位缺陷，促進(jìn)形成聚合度更高的硅氧四面體。Al原子的平均受力隨Al含量增加而提高，驗(yàn)證了Al在z方向增強(qiáng)了橋聯(lián)層間硅氧結(jié)構(gòu)，對強(qiáng)度起到了提升作用。

（3）超高溫220～260 ℃時，x3=0.9∶1∶0.15～0.2，對應(yīng)加砂55% BWOC、鋁質(zhì)材料7%～10% BWOC，可使固井水泥強(qiáng)度滿足要求。

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（編輯" 劉為清）