Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса, цель и задачи исследований 10
1.1. Расширяющиеся, безусадочные и напрягающие цементы 11
1.2. Теория и практика получения расширяющихся цементов в России и за рубежом 20
1.2.1. Расширяющие добавки к цементу 25
1.2.2. Способы получения расширяющихся цементов 29
1.3. Тампонажные цементы 3 0
1.3.1. Условия эксплуатации тампонажных материалов 3 4
1.3.2. Требования ГОСТ к тампонажным материалам 3 5
1.3.3. Специальные тампонажные цементы
1.4. Грунтовые растворы для заполнения пазух при устройстве буроопускных свай в условиях вечномерзлых грунтов
1.5. Характеристика климатических и мерзл отно-грунтовых уеловий строительства в криолитозоне 43
1.6. Цель и задачи исследований
2. Характеристика исходных материалов и методика исследований 44
2.1. Характеристики исходных материалов 44
2.2. Методы исследований и используемое оборудование 48
2.3. Планирование эксперимента и математическая обработка результатов 49
3. Разработка расширяющихся вяжущих материалов для бетонных смесей, твердеющих в условиях вечномерзлых грунтов 50
3.1. Обоснование выбора местного сырья для создания расширяющихся цементов 50
3.2. Влияние механохимической активации на структуру и свойства используемых активных минеральных добавок 56
3.3. Исследование свойств расширяющегося цементного материала с применением горелой породы 59
3.4. Исследование свойств расширяющегося цементного материала с применением цеолитсодержащей породы 93
3.5. Выводы по результатам экспериментальных исследований 109
4. Опытно-производственная реализация результатов исследования 111
4.1. Технологические указания по получению расширяющегося цементного материала РГЦКВ и бетонных смесей на его основе 111
4.2. Технические условия на расширяющую добавку на основе гипса и горелой породы 116
4.3. Технологические указания по получению расширяющегося цементного материала РГЦЦВ и бетонных смесей на его основе 119
4.4. Экспериментальная оценка свойств грунтовых растворов, используемых в условиях вечномерзлых грунтов 123
4.4.1. Определение температуры замерзания и продолжительности замерзания грунтовых растворов 127
4.4.2. Определение сопротивления мерзлого раствора сдвигу по поверхности смерзания с материалом фундамента 132
4.5. Технико-экономические показатели опытно-производственной реализации результатов исследования 134
Основные выводы 138
Список литературы 141
Приложения
- Теория и практика получения расширяющихся цементов в России и за рубежом
- Характеристика климатических и мерзл отно-грунтовых уеловий строительства в криолитозоне
- Обоснование выбора местного сырья для создания расширяющихся цементов
- Технологические указания по получению расширяющегося цементного материала РГЦКВ и бетонных смесей на его основе
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие промышленности строительных материалов во всех технически развитых странах направлено на разработку эффективных высококачественных материалов, применение которых является экономически целесообразным и позволяет сократить энергетические затраты и расход сырьевых ресурсов. Эта тенденция распространяется и на разработку высокоэффективных вяжущих веществ с широким применением различных минеральных добавок, в частности, для создания расширяющихся цементов, а на их основе бетонных смесей для заполнения пазух буроопускных свай фундаментов зданий, а также для цементирования (тампонирования) эксплуатационных колонн газовых и нефтяных скважин в условиях вечномерзлых грунтов с температурой порядка -2С -9С.
Для повышения несущей способности буроопускных свай в вечномерзлых грунтах следует увеличить скорость набора прочности грунтового раствора и его прочности смерзания со сваей. Для заполнения пазух буроопускных свай, как правило, используют известково-песчаный и цементно-песчаный растворы. Известково-песчаный раствор рекомендуется применять в низкотемпературных вечномерзлых грунтах. Однако в нескальных грунтах, где верхние слои отложений представлены пылевато-глинистыми супесями и песками с широко развитым комплексом подземных льдов и таликов, местами значительной мощности (до 15 м и более), средняя температура составляет всего О -s--2C. При таких температурах глинистый грунт находится в пластично-мерзлом состоянии и не обеспечивает достаточной несущей способности за счет смерзания железобетонной сваи с из-вестково-песчаным раствором. Бетоны марок Ml00, М200 и 300, уложенные в вечномерзлые грунты с температурой не ниже -5С, набирают прочность 15-20% от R2g за месяц и 35-40% R28 за 6 месяцев. Поэтому примене-
ниє в низкотемпературных грунтах г. Якутска цементно-песчаного раствора неэффективно.
Основным недостатком известных составов расширяющегося тампонажного материала является медленный набор прочностных показателей в условиях твердения при отрицательной температуре вечномерзлых грунтов криолитозоны из-за большого срока начала схватывания (от 7 ч. 20 мин. до 8 ч. 50 мин.) вследствие быстрого охлаждения пластично-вязкой массы первоначальной смеси.
В связи с вышеизложенным обстоятельством целесообразно разработать составы расширяющихся цементов с использованием местного минерального сырья (гипса, горелой породы, цеолита) для бетонных смесей, обеспечивающих высокое качество цементирования буроопускных свай и эксплуатационных колонн в условиях вечномерзлых грунтов за счет устойчивого расширения и ускорения режима твердения цементного материала, приобретения им заданной прочности.
Работы выполнялись в рамках Тематического плана НИР ЯГУ на 2006-2008 гг. по заданию Федерального агентства по образованию (per. № 1.11.06) и республиканской научно-технической программы «Проблемы строительного комплекса на Севере».
Целью работы является разработка составов расширяющихся цементов из местного минерального сырья для бетонных смесей, обеспечивающих высокое качество цементирования буроопускных свай фундаментов зданий и эксплуатационных колонн газовых и нефтяных скважин в условиях вечномерзлых грунтов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- изучение состава и свойств горелой породы и природного цеолита как сырья для получения активных минеральных добавок к цементу;
разработка составов, изучение свойств и особенностей структуро-образования цементов с использованием активных минеральных добавок из горелой породы и цеолита;
изучение свойств бетонных смесей на основе разработанных составов вяжущих материалов в условиях вечномерзлых грунтов;
подготовка нормативных документов для реализации результатов исследований в опытно-производственных условиях.
Научная новизна работы.
Для обеспечения требуемых свойств тампонажных материалов предназначенных для строительных работ в условиях вечной мерзлоты эффективно введение в состав цементно-гипсовых композиций добавок горелых пород с содержанием Si02 65-70 % и А1203 16-25 % и цеолитов. При этом добавка цеолита (месторождение Хонгуруу) может использоваться в непрокаленном состоянии.
При использовании добавки, содержащей 50-60 % мае. горелой породы и 50-40 % мае. гипса наиболее высокое значение предела прочности при сжатии после 14 суток нормального твердения (13 МПа) обеспечивается при количестве добавки 10 % от массы цемента. Замена до 20 % портландцемента такой добавкой практически не приводит к снижению активности цемента. Введение в состав портландцемента добавки на основе горелой породы и гипса незначительно влияет на нормальную густоту цементного теста. Оптимальное расширение при твердении полученного материала (до 0,7 %) соответствует количеству добавки 10-20 % при содержании в ней 45-60 % горелой породы.
В комплексной добавке к гипсовому компоненту оптимальное соотношение между портландцементом и предварительно измельченным цеолитом составляет от 1:0,85 до 1:1,45. После 7 суток твердения при нормальных условиях наибольшую прочность при сжатии (40,0-42,0 МПа) и при изгибе (8,5-12,0 МПа) имеют составы, содержащие 25-40 % такой
добавки. В ранние сроки твердения (2 часа) наиболее высокую прочность при сжатии (8,0-9,5 МПа) имеют составы содержащие 70-80 % гипсового компонента и не менее 2 % суперпластификатора С-3 от массы вяжущего. Расширение при твердении в течение первых суток составляет 0,28-0,32 % и имеет тенденцию к стабилизации к 7 суткам твердения (0,4 %). Прочность при изгибе после двух суток твердения составляет 3,7-4,0 МПа, прочность сцепления с поверхностью металлической трубы — 4,3-4,7 МПа. 4. В качестве тампонажных материалов, обеспечивающих необходимый уровень свойств для строительных работ в условиях вечной мерзлоты, могут быть рекомендованы составы, мае. %: 1) портландцемент 901, гипс 4-5, молотая горелая порода 5-6; 2) портландцемент 22-30, гипс 50-60, цеолит 18-20, суперплатификатор С-3 2. Практическая значимость работы.
Предложены составы тампонажных материалов на основе портландцемента, гипса, активных минеральных добавок из горелой породы и цеолита, суперпластификатора С-3 для заполнения пазух буроопускных свай фундаментов зданий, а также для цементирования (тампонирования) эксплуатационных колонн газовых и нефтяных скважин в условиях вечномерзлых грунтов с температурой порядка -2 С -9 С.
Предложена технология производства расширяющих добавок к цементу на основе гипса и горелой породы, а также технология получения расширяющихся материалов на месте применения на основе портландцемента, гипса, суперпластификатора С-3 и заранее приготовленного тонкоизмельченного цеолита их перемешиванием.
Для внедрения результатов работы при устройстве буроопускных свай фундаментов зданий и эксплуатационных колонн газовых и нефтяных скважин в условиях вечномерзлых грунтов разработаны следующие нормативные документы:
технологические указания по получению расширяющегося гипсо-цементно-кремнеземистого вяжущего и бетонных смесей на его основе;
технологические указания по получению расширяющегося водостойкого гипсо-цементно-цеолитового вяжущего и бетонных смесей на его основе;
технические условия на расширяющую добавку на основе гипса и горелой породы.
Результаты работы внедрены на предприятиях РС(Я):
При строительстве школы на 120 учащихся в с. Сегян-Кюель Кобяй-ского района и 48-квартирного жилого дома в пос. Жатай. Опытная партия активно-минеральных добавок из горелой породы (1100 кг) и цеолита (300 кг) выпущена в помольном цехе учебно-производственной базы Инновационно-технологического центра ИТФ ЯГУ.
Теоретические положения, результаты экспериментальных лабораторных исследований и опытно-производственного внедерения используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 270106, что отражено в учебных программах и УМК дисциплин «Вяжущие вещества», «Технология строительного производства» и «Технология изделий из местного сырья».
На составы расширяющихся материалов с использованием горелых пород и цеолитов получены 2 положительных решения Роспатента о выдаче патентов на изобретения.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены: на Международном. семинаре AT AM «Стандарты XXI века» (Новосибирск, 2006 г.), Международной конференции, посвященной 40-летию кафедры бетонов, керамики и вяжущих Пензенского ГАСУ (Пенза, 2006 г.), Международной конференции «Научные исследования, наносисте-мы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» (Белгород, 2007 г.), 64-й научно-технической конференции НГАСУ (Сибстрин» (Новоси-
бирск, 2007 г.), 1-ой Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы строительства и жизнеобеспечения: безопасность, качество, энерго- и ресурсосбережение» (Якутск, 2008 г.), 65-й научно-технической конференции НГАСУ (Сибстрин» (Новосибирск, 2008 г.).
Публикации. Основные результаты опубликованы в 6 научных статьях и тезисах докладов, в том числе в журнале с внешним рецензированием «Изв. Вузов. Строительство» (2008 г.), а также в 2-х патентах РФ на изобретение (новые составы расширяющихся цементов с использованием горелой породы и цеолита).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений. Она содержит 151 страниц основного (компьютерного) текста, включая 45 таблиц, 23 рисунка и 135 литературных источников, 8 приложений.
На защиту выносятся:
особенности влияния активированной минеральной добавки на основе гипса и горелой породы (расширяющей добавки) на технологические параметры и эксплуатационные свойства цементов;
особенности влияния активированной минеральной добавки на основе цеолита с суперпластификатором С-3 на смешанное вяжущее из портландцемента и гипса на технологические параметры и эксплуатационные свойства расширяющихся цементов;
зависимости нормальной густоты смеси, скорости твердения, продолжительности набора требуемой прочности и устойчивого расширения цементного камня от состава многокомпонентного вяжущего вещества, вида и тонкости помола активных минеральных добавок;
технология получения многокомпонентных расширяющихся там-понажных материалов с использованием активно-минеральных добавок для бетонных смесей, твердеющих в условиях вечномерзлых грунтов;
- результаты внедрения разработанных составов расширяющихся
цементов.
Теория и практика получения расширяющихся цементов в России и за рубежом
Анализ многочисленной информации позволяет с определенной условностью подразделить расширяющие добавки на следующие группы: Особенностью РД этой группы является то, что основным компонентами состава являются, с одной стороны, различные А1 содержащие фазы: С3А, СізА7, С4АНіз,СА2, и другие, а с другой - фазы, содержащие сульфат-ион (S04) 2 гипс, полугидраты сульфата кальция, ангидрит и др. Расширение цементов, содержащих эту группу добавок, происходит в результате взаимодействия этих фаз с образованием эттрингита [50]. Японские ученые [51] предлагают получать клинкер, содержащий C4A3S,CnA7CaF2, к которому затем добавляют ангидрит, полученный обжигом гипса при 600 С, эта РД в количестве 5-40 % смешивается с портландцементом или шлакопортландцементом. Полученный цемент может быть использован в производстве специальных бетонов. Расширяющую добавку предлагается получать на смеси известкового компонента и боксита, путем обжига при 1750 С (плавление) [52]. Основным компонентом полученного клинкера является СА2. НИИ цементом и Куйбышевским КСМ [53] предлагается способ производства РД к цементу путем совместного помола гидроалюминатов, (получают нейтрализацией шлама АІСІз известковым молоком) и гипса. Японские ученые [54] предлагают технологию РД к цементу, которая получается путем совместного помола гипса, эттрингита, извести, и глино-земосодержащего компонента (C4AHi3). К портландцементу прибавляют до 18 % добавки. Технология РД [55] заключается в плавлении сырьевой смеси, состоящей из боксита 18 %, извести 14 % и ангидрита 68 %. К смеси добавляется 6 % CaF2. Охлажденный расплав измельчается и добавляется к цементу. ТашНИИстройпроектом [56] разработана технология расширяющегося цемента, по которой РД получают путем совмещенного измельчения гипса (1 мас.ч.) и белитовосульфоалюминатного гидравлического вяжущего (2 мас.ч.), затем добавляется 25-39 % РД к портландцементу. Технология сульфоалюминатной добавки [57] к цементу предусматривает совместное смешение гипса и ангидрита и водорастворимых алюминатов кальция (СА, СзА, Ci2A7 и др.) в определенном соотношении и последующий обжиг смеси при 800-1400 С до получения C4A3S. Рекомендуется вводить 5-30 % РД к портландцементу. Алюминатно-оксидные добавки. Добавки этой группы характеризуются тем, что наряду с компонентами, несущими ионы АГ и SO_/ , в их составе обязательно содержится некоторое количество свободного оксида кальция (СаОсв). Таким образом, расширение цементов с РД этой группы происходит не только из-за образования эттрингита, но и в результате гидратации СаОсв. РД на основе плавленого клинкера (медленного охлаждения), состав которой помимо СаОсв представлен Ci2A7, C4A3S, CaS04, C2F и разработанный японскими учеными [58], показывает, что использование этой добавки приводит к незначительному снижению прочности цемента. Японские ученые [59] предлагают состав расширяющейся добавки, полученной обжигом сырьевой смеси, приготовленной из боксита, глины и извести, причем содержание СаОсв в РД колеблется от 10 до 60 %. Рекомендуется использовать РД для вяжущих в воздушно-сухих условиях. Технология производства и состав РД приводятся в другом японском патенте [60], по которому сырьевая смесь из извести, белого боксита и ангидрита с добавкой 11 % Na2 Si F6 плавится при 1380 С, указывается, что действие добавки на твердеющую систему не прекращается в течение 28 суток. Известна расширяющая добавка [61] для цемента, получаемая из сырьевой смеси (известь, глина, сульфат кальция), обожженная при 1300-1600С. Состав РД выражается алюминатами кальция, CaS04, СаОсв, CaS. Продукт сжигания измельчается до остатка на сите 003 в пределах 1-40 %. Авторы предлагают технологию получения РД из приготовленных отдельно алюминатов кальция, CaS04, СаОсв, которые в определенной пропорции дозируются и подвергаются совместному измельчению, причем известь используется высокообоженная. Способ производства расширяющегося шлакового цемента [62] предусматривает получение РД (2-3 % диалюминатного пятигидрокси-хлорида + 4-16 % гипса + 1,0-14 % извести +2 % щелочного или щелочноземельного нитрата), которая в количестве 7-40 % смешивается в сухом виде с 60-93 % шлакового цемента. Алюмокальциевая сульфатная РД [63] к цементу готовится из сырьевой смеси (31,5 % извести, 7,9 % белого боксита, 4,2 % алюмосодержащей золы, 55 % гипса), подвергнутой обжигу при 1380 С. Продукт обжига (клинкер) после измельчения используется как РД. В авторском свидетельстве НРБ [64] предлагается способ получения расширяющегося цемента, включающий сухое смешение портландцемента с РД, состоящей из А12(ОН)5 С1.2,5 Н20, гипса и известняка. Расширяющийся компонент [65] для цемента получается путем обжига сырьевой смеси, состоящей из известняка, А12Оз и гипса, рассчитанной на образование в продукте обжига 10-40 % C4A3S, 20-60% CaSC 4 и 10-20 % СаОсв- Дозировка РД к портландцементу определяется ее составом и требуемой характеристикой расширяющегося цемента. Весьма близкая к вышеприведенным является технология РД [66], заключающаяся в обжиге при 1100-1300 С сырьевой смеси, состоящей из 48-70 % известняка, 11-38 % гипса и 14-21 % суглинка. К полученному продукту обжига добавляется 30-50 % ангидрида. РД [67] готовится обжигом при температуре более 1200 С сырьевой смеси, рассчитанной на получение продукта обжига, содержащего 6-52 % С3А, 30-70 % CaS04, 9-38 % СаОсв. Клинкер [68] для получения расширяющегося цемента предлагается производить обжигом сырьевой смеси, рассчитанной на получение в его составе силикатов кальция, A-F фазы, сульфоферритов Са, CaS04 и 1-10 % СаОсв. Технология РД [69] к цементу, предусматривает получение обжигом сырьевой смеси клинкера, содержащего в своем составе 15-60 % СаОсв, 5-30 % CaF2, 30-80 % CnA7CaF2 и менее 10% других компонентов. Анализируя технологию изготовления РД этой группы, можно отметить общее: все они изготавливаются путем составления многокомпонентной сырьевой смеси, рассчитанной на получение в процессе обжига продукта с определенным минералогическим составом, причем допускается существенная разница (в 2 и более раз) в содержании отдельных минералов. Последнее обстоятельство, вероятно, обусловливает необходимость проведения предварительных (пробных) испытаний бетонных составов перед серийным их производством.
Характерным для РД этой группы является то, что расширение цементов, их содержащих, происходит в результате гидратации СаОсв, или MgOcB, т.е. эти оксиды являются главными компонентами добавок. Причем рекомендации использовать добавку, содержащую СаОсв встречаются гораздо чаще, чем добавку, содержащую MgOCB.
Добавки этой группы рекомендуют получать из сырьевой смеси, содержащей известняк и (или) доломит и железную руду (с глиноземом или без), которую спекают при 1200-1450 С [70]. В составе продукта обжига, помимо ферритов и алюминатов кальция, содержится от 20 до 29 % СаОсв и MgOCB.
Американский патент [71] рекомендует получать добавку, в состав которой помимо спеченной извести входит, как минимум, один из следующих компонентов: Ре2Оз, CaF2, CaS04. Вероятно, эти компоненты выполняют роль минерализаторов в процессе спекания СаОсв.
Характеристика климатических и мерзл отно-грунтовых уеловий строительства в криолитозоне
Песчано-глинистые растворы могут быть приготовлены на растворном узле или на строительной площадке с использованием бурового шлама. Область применения растворов ограничена высокотемпературными вечномерзлыми грунтами, при использовании бурового шлама раствор разрешается готовить только в теплое время. Температура замерзания глинистых растворов составляет -0,3 —0,4 С. Срок вмерзания сваи в скважины с глинистым раствором — от нескольких дней при температуре грунтов основания -5 С до нескольких месяцев при температуре —0,5 —1 С. Применение данных растворов в нескальных фунтах понижает несущую способность свайных фундаментов примерно на 25- 30 % по сравнению с расчетной. Это объясняется тем, что прочность смерзания боковой поверхности железобетонной сваи на 30 % меньше прочности смерзания песчаного грунта основания.
Песчано-известковый раствор готовится на растворном узле с использованием известкового теста или известкового молока. При попадании в скважину негашеной извести, которая будет выделять тепло, срок вмерзания свай в высокотемпературных вечномерзлых грунтах займет длительное время, поэтому известково-песчаный раствор применяют в низкотемпературных вечномерзлых грунтах. Прочность смерзания железобетонной сваи с известково-песчаным раствором составляет 0,35 МПа при температуре грунтов основания -4 С.
В состав песчано-цементного раствора входит портландцемент марки 300. Раствор рекомендуется применять при наличии грунтовых и агрессивных вод, а также в высокотемпературных вечномерзлых грунтах. Данных о смерзании цементно-песчаного раствора с железобетонной сваей в литературе нет.
Температура грунтовых растворов в теплое время года должна быть +5 - +20 С. в холодное время не выше +20 - +40 С. Осадка конуса 12-14 см, при подготовке раствора на строительной площадке — 10-16 см.
Кроме вышеперечисленных грунтовых растворов применяется песчаный заполнитель [80]. Скважину заполняют на 10-15 % глубины чистой водой с температурой 15 С при положительной температуре наружного воздуха и до 60 С при отрицательной. После установки сваи в скважину производят засыпку сухого песка с периодической вибрацией сваи, скважину наполняют песком до верха. Применение песчаного раствора и приведенная технология заполнения скважины позволяют сократить глубину погружения сваи на 15-20 % при сохранении ее несущей способности.
В г. Якутске при устройстве буроопускных свай в скважину заливают цементно-песчаный раствор, в некоторых случаях используется буровой шлам (при ударно-канатном бурении для опор теплотрасс).
Применение цементно-песчаного раствора при любых мерзлотно-грунтовых условиях в г. Якутске, по мнению авторов работ [78, 79], неэффективно. Рассмотрим это положение. В пособии к СНиП 3.02.01 — 83 указана марка — Ml 00 и выше. В г. Якутске вечномерзлые грунты оснований имеют в среднем температуру -3 С на глубине 10 м, то есть являются низкотемпературными. В книге Березовского Б.И. [81] приводятся данные о том, что бетоны марок Ml00, М200 и 300 уложенные в вечномерзлые грунты с температурой не ниже -5 С, набирают прочность 15-20 % от R28 за месяц и 35-40 % R28 за 6 месяцев. Таким образом, в низкотемпературных вечномерзлых грунтах песчано-цементный раствор набирает 40 % марочной прочности за 6 месяцев.
Применение противоморозных химических добавок в песчано-цементном растворе недопустимо из-за возможной миграции солей в вечномерзлые грунты, следствием этого явится понижение температуры замерзания фунтов.
Таким образом, для повышения несущей способности буроопускных свай в вечномерзлых грунтах следует увеличить прочность смерзания грунтового раствора со сваей. Применение в низкотемпературных грунтах г. Якутска цементно-песчаного раствора без особых на то причин неэффективно. Грунтовый раствор для буроопускных свай, устраиваемых в твердомерзлых грунтах, должен отвечать следующим требованиям: быть экономичным; отепляющее воздействие на окружающие грунты должно быть минимальным; прочность смерзания со сваей не ниже прочности смерзания с грунтами оснований; несложная технология приготовления и заливки в скважину.
Выбор методов организации и технологии строительства на вечно-мерзлых грунтах во многом определяется суровыми природно-климатическими и мерзлотно-грунтовыми условиями.
Республика Саха (Якутия) расположена на северо-востоке Азиатской территории России и почти половина ее находится за Полярным кругом. Согласно СНиП [82-83] Республика Саха (Якутия) относится к подрайонам IA и ІБ. Климат республики суров, засушлив, резко континентален, с большими годовыми амплитудами температуры воздуха и повышенной солнечной радиацией. Средняя годовая температура воздуха в республике -10-11 С. Продолжительность теплого периода со средней суточной температурой выше 0 С оставляет 155-165 дней в центральных и юго-западных районах, 105-107 дней на побережьях морей. Холодный период длится 204-260 дней.
По всей территории республики распространены мощные толщи многолетней мерзлоты. Среди сплошной мерзлоты встречаются талики, которые на юге республики занимают до 50 % площади. Для вечномерз-лых грунтов республики характерно высокое содержание льда и различных солей: NaCl, MgCb, СаС12 и CaSC»4. Деятельный слой грунта составляет 0,3 м в тундровой зоне, до 2 м — в центральных районах, на юге чуть больше. Окраины района Центральной Якутии сложены палеозойскими отложениями, а внутренняя часть - юрскими, меловыми, третичными и четвертичными отложениями, которые представлены заиленными породами: в верхней части разреза - супесями и суглинками, а в нижней - песками и галечниками.
На преобладающей части площади района мощность многолетне-мерзлых пород находится в пределах 300 - 600 м, в юго-восточной части 100 - 250 м, в центре северной части до 600 м и более. Температура много-летнемерзлых пород на глубине 20 м изменяется от -2 С до -5 С, в северной части -6 С -9 С [84].
В районе Якутска, в пределах первой и второй надпойменных террас, преимущественно распространены до глубины 10-15 м пылеватые пески и супеси. Суглинки встречаются редко в виде выклинивающихся линз незначительной мощности. До глубины 1-2 м залегают в основном супесча-но-суглинистые грунты светло - коричневой окраски. К югу от широты Якутска верхние слои отложений представлены пылевато-глинистыми супесями серого цвета с широко развитым комплексом подземных льдов, местами значительной мощности (до 15 м и более).
Обоснование выбора местного сырья для создания расширяющихся цементов
С учетом ранее проведенных, а также выполненных в этом разделе исследований, при создании расширяющихся вяжущих веществ (РВВ) целесообразно применять следующие местные сырьевые материалы: - по первому варианту — портландцемент, ГВВ, горелая порода месторождения «Кюнкюй»; - по второму варианту - ГВВ, портландцемент, непрокаленный цеолит месторождения «Хонгуруу». Месторождение горелых пород «Кюнкюй» находится на территории Горного улуса Республики Саха (Якутия). Месторождение расположено в -зоне многолетнемерзлых пород. Мощность деятельного слоя колеблется от 0,5 до 3,0 м (в зависимости от рельефа и залесенности) Наиболее близким аналогом рассматриваемых составов является добавка к цементу и бетону, содержащая гипс и вулканическую породу с содержанием оксида алюминия до 30%, при следующем соотношении компонентов: гипс 15-35 % (см. табл. 3.4), вулканическая порода 65-85 %, удельная поверхность вулканической породы составляет 400-500 м /кг [106]. словливает благоприятные условия для образования высокосульфатной формы гидросульфоалюмината кальция, что приводит к высокому эффекту самонапряжения. Добавка вводилась в количестве 20 % от массы ПЦ. Из-за отсутствия больших месторождений вулканических пород на территории РС(Я) для исследования была взята горелая порода, образованная также под воздействием высоких температур, вследствие горения бурых углей. Исследования горелой породы и возможности ее использования для производства вяжущих, специальных бетонов и как активной минеральной добавки в портландцементе проводились активно, начиная с 60-х годов [107-111]. В ходе исследований проф. Г.И. Книгиной [107] было установлено, что горелые породы являются типичными представителями группы гидравлических веществ глинитного характера. Твердение вяжущих на основе горелых пород следует рассматривать как процесс, происходящий в сложной полиминеральной системе А1203 — СаО - Si02 — Fe203 — Н20. Горелые породы применяли как активную добавку в портландцемент, выпускаемый Карагандинским и Стерлитамакским цементными заводами. Исходя из выше описанного, можно заключить, что горелая порода с месторождения "Кюнкюй" РС(Я) имеет химический состав близкий к горелой породе, исследованной проф. Г.И. Книгиной [107], а согласно патенту [106], можно предположить, что, чем выше степень обжига горелых пород, тем больше будет образовываться высокосульфатная форма гидросульфоалюмината кальция, что приводит к эффекту линейного расширения и самонапряжения [112]. Высокоэффективные вяжущие вещества, в частности, расширяющиеся цементы получают способом механохимической активации - введением минеральных и органических добавок в цемент с последующим их совместным помолом. 3.2. Влияние механохимической активации на структуру и свойства используемых активных минеральных добавок В работах [1-6, 89, 90, 103-105, 108-111 и др.] указывается, что свойства смешанных вяжущих, включающих в свой состав цемент и гипсовое вяжущее зависят от вида и количества комплексной добавки и соотношения между портландцементом и АМД в ней. Активность добавок определялась согласно ТУ [89, 90], где специальной методикой регламентируется содержание гидроксида кальция, которое не должно превышать на 5 и 7-е сутки 1,1 и 0,85 г/л соответственно. Без домола АМД оптимальным являются следующие соотношения между портландцементом и добавкой: портландцемент : горелая порода -1:1,76; портландцемент : цеолит - 1:1,62. Дальнейшие исследования были продолжены в направлении изучения влияния домола этих добавок на их активность. Домол производился в лабораторной шаровой мельнице, а в ряде случаев в вибромельнице до разных величин удельной поверхности Результаты исследований показали (табл.3.5, рис.3.1 и 3.2), что помол низкоактивных добавок повышает их активность и, как следствие, снижает требуемое соотношение между портландцементом и добавкой, что способствует улучшению эксплуатационных свойств расширяющихся цементов.
На рис.3.1 показана зависимость удельной поверхности от продолжительности помола горелой породы и цеолита, из которой хорошо видно, что горелая порода больше сопротивляется измельчению, а значит, требуется затрачивать большее количество времени и энергии на ее помол. На рис.3.2 приведена зависимость минимально допустимого соотношения портландцемент: добавка от удельной поверхности добавки, при этом видно, что активность цеолита и горелой породы возрастает с увеличением тонкости помола.
Технологические указания по получению расширяющегося цементного материала РГЦКВ и бетонных смесей на его основе
Анализ уравнения регрессии (3.8) показывает, что каждый из рассмотренных переменных факторов как самостоятельно, так и в совокупности с остальными способен значительно повлиять на прочность вяжущего через 7сут. нормального твердения. Полученные зависимости (3.8...3.9) указывают на то, что высокая прочность вяжущего достигается в большей степени за счет уменьшения его пористости. На ранней стадии твердения пористость камня определяется водопотребностью вяжущего, понижающаяся при введении суперпластификатора. Образующиеся при гидратации вяжущего гидросиликаты кальция заполняют поры камня, способствуя повышению его прочности и плотности.
В связи с этим, при длительном твердении вяжущего повышение содержания комплексной добавки до соотношения 1:1 способствует получению более высоких прочностей. Так, к 7сут. твердения в нормальных условиях наибольшая прочность при сжатии — 40,0...42,0 МПа и при изгибе - 8,5...12 МПа (в сухом состоянии) отмечена у вяжущих, содержащих 25...40 % комплексной добавки (рис.3.16-3.17).
Повышение соотношения между цементом и молотой добавкой отрицательно сказывается на прочности при сжатии при длительном твердении (рис.3.16). Это влияние наиболее ярко выражено при пониженном содержании комплексной добавки в составе РВГЦЦВ, но при этом наименьший предел прочности при сжатии составил 27,0 МПа при соотношении 1:1,45, поэтому оптимальное соотношение между портландцементом и предварительно молотым цеолитом находится в пределах 1:0,85...1:1,45.
Продолжительность помола вяжущего до определенного предела положительно сказывается на прочности при сжатии при длительном твердении вяжущего (рис. 3.16). Однако, если при содержании комплексной добавки в составе РВГЦЦВ в пределах 10...30 % оптимальная продолжительность помола составляет 8 мин., это при более высоком содержании — 40...50 % уже 10... 11 мин. Данный прирост прочности РВГЦЦВ, очевидно, связан с более тонким измельчением комплексной добавки и, в частности, входящего в его состав портландцемента, при пониженном содержании гипсового компонента в составе вяжущего и меньшим ростом водопо-требности последнего при помоле.
О благоприятном воздействии помола на рост прочности при изгибе свидетельствует уравнение (3.9). При этом наибольший прирост прочности при изгибе, связанный с дополнительным помолом вяжущего, также наблюдается у РВГЦЦВ с повьппепным содержанием комплексной добавки (рис.3.17). Пониженное содержание портландцемента в составе последней вызывает падение прочности при изгибе (рис.3.17). Однако с уменьшением содержания комплексной добавки до 10 % увеличение соотношения портландцемента к цеолиту вызывает рост предела прочности при изгибе.
Анализ уравнения регрессии (3.11) для коэффициента размягчения ВГПЦЦВ показывает, что водостойкость вяжущего в большей степени зависит от содержания комплексной добавки в составе вяжущего, принятого соотношения ПЦ:Ц и количества введенного при помоле суперпластификатора. При этом значение коэффициента размягчения в пределах 0,68...0,94 имеют составы с содержанием комплексной добавки 25...40 %. На водостойкость вяжущего не оказывает заметного влияния продолжительность совместного помола компонентов РВГЦЦВ, о чем свидетельствует низкое значение коэффициента при данном переменном факторе в уравнении регрессии.
Приведенные результаты исследований свидетельствуют о том, что полученное путем механохимической активации РВГЦЦВ низкой водопо-требности по водостойкости значительно превосходит эталонное ГЦП вяжущее аналогичных составов. Последнее указывает на возможность сокращения содержания комплексной добавки, в частности, портландцемента, в составах разработанного РВГЦЦВ по сравнению с ГЦПВ в 2 раза и более, без снижения водостойкости вяжущего.
Разработанный состав РВГЦЦВ был изучен в качестве тампонажного материала для цементирования газовых и нефтяных скважин. Патентный поиск позволил выявить ряд аналогичных составов расширяющихся цементов, содержащих портланцемент и гипс, например, расширяющийся тампонажный материал, содержащий портландцемент, гипс [124]. Основным недостатком этого материала является то, что образующийся цементный камень не создает плотный контакт с колонной и породой, т.е. не решает задачу надежной герметизации затрубного пространства, вследствие чего в процессе эксплуатации могут иметь место межпластовые перетоки.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является расширяющийся тампонажный материал, содержащий портландцемент, гипс и добавку [125]. Недостатком этого материала является недостаточный набор прочностных показателей в условиях твердения при отрицательной температуре (-1,6 + —3,8С) вечномерзлых пород криолитозоны из-за большого срока начала схватывания (от 7 ч. 20 мин. до 8 ч. 50 мин.) вследствие быстрого охлаждения пластично-вязкой массы первоначальной смеси.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение — обеспечение качества цементирования эксплуатационных колонн в условиях вечной мерзлоты за счет ускорения режима твердения цементного материала и приобретения им заданной прочности сцепления с колонной и мерзлой породой. Техническим результатом является создание тампонажного материала, который обеспечивал бы заданную прочность и адгезионную способность цементного камня с колонной и вечномерзлой породой, обладал устойчивым расширением.
Поставленная задача и технический результат выполняются тем, что предлагаемый расширяющийся тампонажный материал включает портландцемент, гипс и добавку и в отличие от известного в качестве добавки содержит цеолит, а также дополнительно известный суперпластификатор С-3, при следующем содержании компонентов, масс. %: портландцемент -22-30, гипс - 50-60, цеолит - 18-20, суперпластификатор С-3 - 2 [126].
Гипсоцементно-цеолитовую смесь, состоящую из портландцемента, гипса, цеолита и суперпластификатора С-3, получают путем совместного тонкого измельчения исходных компонентов. При этом добавка, состоящая из портландцемента и цеолита, улучшает такие свойства, как водостойкость и прочность затвердевшего камня, а также обуславливает расширение, за счет образования высокоосновной формы гидросульфоалю-мината кальция - эттрингита ЗСаОА12Оз-ЗСа804-32Н20. Добавка цеолита регулирует процесс его образования.
