橡胶粉纤维及二元复合对水泥石力学性能的影响(编辑修改稿)

橡胶粉纤维及二元复合对水泥石力学性能的影响(编辑修改稿)内容摘要：

计（论文） 8 有一定强度的结构，在 水泥 石 受压时能负担并缓冲一部分应力，且可以消除孔缝中存在的应力集中点，约束微裂缝的发展。 当橡胶粉的 加 量小于最佳 加 量时， 水泥 石 中孔隙没有被填满，橡胶粉的有害作用表现为强势，引 起 水泥 石 的抗压、抗折强度下降 ； 当橡胶粉的 加 量恰为最佳 加 量时 ， 水泥 石 中孔缝基本被填充，密实度大大提高，橡胶粉的有益作用处于强势， 水泥 石 的抗压强度 和 抗折强度 损失不大。 当橡胶粉的 加 量超过最佳 加 量时，橡胶粉的有害作用又处于强势 ，引起 水泥石 的抗压、抗折强度下降。 另外试验结果还表明橡胶水泥 石 抗折强度降低的 幅度小于 抗压强度的降低幅度。 原因在 于 水泥石 内部的微裂缝对抗折强度影响远大 于 对抗压强度的影响。 由于 收缩造成砂浆内部存在微裂纹，在结构形成的过程中橡胶阻 止 了这些裂缝的引发，从而减少了裂缝源的数量，并使裂缝尺度变小，降低了裂缝尖端应力集中程度，而且在受力过程中橡胶的存在又抑制了裂缝的引发与扩展 [7]。 橡胶粉、纤维及 二元复合 对 水泥 石力 学 性能 的影响 9 3 纤维材料对水泥 石 性 能 的 影响 纤维 水泥 应用 依据 根据资料介绍 [8]，纤维在水泥石中可以起到增强、增韧、阻裂、抗收缩、 抗渗透和防腐蚀的作用。 在油井水泥浆中选择应用纤维材料主要是利用其增韧的机制 :①纤维本身具有较高的抗拉强度和延展性 ； ②纤维 水泥石具有较好的相容性和较高的粘附性，能够形成具有各向异性的高韧性水泥石。 ③纤维可以对水泥石中缺陷处的裂纹尖端应力场形成屏蔽，从而提高水泥石的断裂韧性。 纤维与水泥石的作用主要有以下几点 : （ 1） 提高水泥石的强度。 纤维随机地分布在水泥或混凝土中，并跨越水泥混凝土中存在的微细裂缝，对裂缝产生约束作用，阻止裂缝扩展，提高水泥混凝土强度。 iptobroto[9]等人研究 了 高体积钢纤维增强的 DSP 材料 (densified system containing homogeneouslyarranged ultrafine particles )，当钢纤维的体积率为 12%时， DSP 的极限拉应变由 %增至 %，与此同时抗压强度增高 倍。 （ 2） 提高水泥石的抗裂性。 纤维与水泥基材料充分混合，均匀地分布在水泥浆 中，在水泥净浆或混凝土砂浆中形成多向分布的支撑体系，有助于减弱水泥或混凝土的塑性收缩与冻融循环时的张力。 在水泥混凝土收缩时，其收缩能量被高强度、低弹模的纤维所吸收，有效增加了水泥混 凝土的韧性，抑制其裂纹的产生和发展。 在混凝土中掺入尼龙纤维，可以使裂缝减少近 70%[10]。 在固井中，影响固井质量的一个重要原因是由于水泥固有的收缩导致了套管和水泥环之间出现缝隙，在水泥石中掺入纤维，可有效减少水泥石硬化过程中的体积收缩，使得水泥环和套管之间的粘结牢固，防止微间隙的形成。 （ 3） 提高水泥石的抗冲击性。 纤维作为增韧材料，可以抑制水泥中微裂纹的产生，提高水泥与混凝土的韧性和抗冲击性，这是固井材料领域一直追求的目的。 美国哈里伯顿公司做过一个对比实验 :以相同的方式对两组 23/4in 的水泥试件进行 破坏，采用相同的加载速率，纯水泥试件崩裂成碎块，而纤维水泥虽然试件变形达 1/4 (占总高度的 % )，却未发生破裂，说明纤维水泥具有很好的抗冲击能力。 西南石油大学本科毕业设计（论文） 10 纤维增强及增韧油井水泥作用机制 截 至 到目前，关于纤维增强、增韧水泥及混凝土的论述还基本处于假定状态，如果能够准确把握微观结构和宏观性能的量化关系，必将极大地促进纤维水泥及其混凝土的增强、增韧机理，从而推动纤维增强增韧复合材料的研究与应用。 关于纤维材料增强增韧作用 机制主要有以下两种 理论。 (1)桥接理论 Shah【 P. Shahb. Fiber Reinforced Concrete. Handbook of Structural Concrete. 1984】 认为 :纤维增强复合材料中的增韧作用在于这种复合材料在基体中出现第一条裂缝后，如果纤维的拉出抵抗力大于出现第一条裂缝时的载荷，则它能承受更大的载荷，在裂开的截面上基体不能承受任何拉伸，而纤维承担着这个复合材料的全部载荷，随着复合材料上荷载的增大，纤维将通过粘结应力把附加的应力传递给基体，如果粘结应力不超过纤维与基体的粘结强度，基体就会出现更多的裂缝，这种裂缝增多的过程将继续下去，直至纤 维断裂或被拔出。 (2)纤维间距理论 纤维间距理论是 1963 年 Romualdi 和 Baston 针对乱向短钢纤维增强混凝土提出的。 Romualdi 等人从线弹性断裂力学原理出发，提出以纤维平均间距作为基本参数的增强机理，称为纤维间距理论。 该理论认为水泥基体内部存在不同尺度层次的孔隙和缺陷，并造成应力集中，为了提高水泥基材料的强度就必须减少裂缝的尺度和数量，缓和应力集中的程度，提高抑制裂缝发展的能力。 在水泥基体中掺入纤维将发挥约束裂缝发展的作用。 纤维平均间距越小，则缓和裂缝应力集中的作用越大，纤维的强度和韧性的提 高程度也越大。 尽管纤维间距理论只强调纤维间距的影响，且尚有不全面之外，但是对纤维混凝土的增强机理至今仍有指导作用。 纤维的选取 根据复合材料原理 [11]， 作为增强增韧的纤维材料要满足以 下 几个条件 :①能够均匀分布在水泥基体中形成网络 :②其长径比大于临界长径比 :③有合适的弹性模量，纤维与水泥基体的弹模比应该尽可能高 :④有较高的抗拉强度 :⑤纤维应该具有一定的亲水性，与水泥界而有较好的粘结。 对于应用于固井行业的纤维，除了满足上述要求之外，还须具各 :①最大纤橡胶粉、纤维及 二元复合 对 水泥 石力 学 性能 的影响 11 维尺寸能够通过浮箍和多级接 箍等井 下 注水泥装置进行泵送 :②最小尺寸使能够抵抗射孔而产生的冲击力和破坏力。 纤维材料的作用与诸多因素有关 [12]:①弹性模量 :弹性模量高的纤维有利于水泥基体和纤维之间的应力传递，提高水泥石的抗折强度 ； 弹性模量低 且 延展性好的纤维则有利于提高水泥石的断裂韧性。 ②纤维的长度 :纤维过长，影响水泥浆体的流变性能和施 工 性能 :纤维过短，对水泥石韧性和抗冲击性能的改善小是很显著。 ③纤维的直径 :纤维太粗则小易弯曲，太细又容易弯曲成团。 ④纤维的形状 :小规则纤维的增强增韧效果比规则纤维要显著，异形化纤维的增强增韧作用效 果最佳，小过将纤维异形化会增加生产土艺的难度和纤维制品的价格。 ⑤纤维的掺量 :纤维的掺量对水泥石抗压强度的影响 不 大，但能够提高水泥石的韧性和抗冲击性能。 应用于水泥浆中的纤维通常可分为刚性纤维和非刚性纤维，非刚性纤维又分为高弹模纤维和低弹模纤维。 为寻找增韧效果显著的纤维材料，实验在众多种类的纤维中选择 两种 种具有代表性的纤维作为试验对象。 高弹模 性无机 纤维 CSD66和金属纤维。 纤维的筛选首先进行单一纤维的评价，考虑到混杂纤维的增韧效果优于单一 纤维体系，故在随后的试验中会将性能优异的纤维复配， 并 评价其增 强增韧效果。 具体方法是 :将 加 量不 同纤维材料的水泥石试件，养 护到 24 小时 后取出，用压力机或抗折仪测量，根据其 24 小时 的抗压强度和抗折强度试验结果确定适宜的纤维 加量。 无机纤维 CSD66对 水泥 石 力 抗压强度和抗折强度 的影响 CSD66 简介 CSD66 纤维是一种短切无机纤维，长度为 3~5mm， 淡黄色，呈团状， 具有较好的亲水性。 西南石油大学本科毕业设计（论文） 12 图 31 无机纤维 CSD66 图 32CSD66 溶于水搅拌后图像 实验结果 橡胶粉、纤维及 二元复合 对 水泥 石力 学 性能 的影响 13 表 31CSD66 纤维 不同加量对应水泥石抗 压 强度 序号 纤维加量 % 抗压强度 Mpa 变化率 % 1 0 0 2 3 1 4 5 2 冷浆， 50℃ 养护 24 小时 024681012140 1 2 纤维加量（%）抗压强度（MPa） 图 33 CSD66 纤维不同加量对应水泥石抗压强度曲线 表 32 CSD66 纤维不同加量对应水泥石抗折强度 序号 纤维加量 % 抗折强度 Mpa 改善 % 1 0 2 3 1 4 5 2 冷浆， 50℃ 养护 24 小时 西南石油大学本科毕业设计（论文） 14 01234560 1 2 纤维加量（%）抗折强度（KPa） 图 34 CSD66 纤维不同加量对应水泥石抗折强度曲线 加入 CSD66 的水泥浆 流动度有所降低，稠化度有所增加，裂缝和脱落现象 在压裂后没有出现。 特别是加入 CSD66 的水泥 石 在抗折实验后，没有出现完全断裂的现象，而是在裂缝出有纤维牵连。 图片如下 图 35 加入 CSD66 纤维的模子压 碎 图像 橡胶粉、纤维及 二元复合 对 水泥 石力 学 性能 的影响 15 图 36 没有加纤维的模子 断裂 后的图像： 图 37 加有纤维的模子断裂后的图像 通过表 31 和 32 可以发现： 当 随着 CDS66 量的增加，抗压强度 总趋势 是增大的， 但也存在减小的情况。 在 加量 %时 抗压强度 增大的速度快，在 加量 %后抗压强度增到速度减慢 ，抗压强度最大增量为 %。 当随着 CDS66 量的增加，抗折强度 一直 是增大的，而且存在最佳 加量。 在加量为 1%时，抗折强度增加最大，达到 %。 可以看出，纤维对水泥 石 的抗折强度影响比抗压强度影响更大。 西南石油大学本科毕业设计（论文） 16 结果分析 按照普通 水泥 石 强度的发展规律，其抗压强度与抗折强度的增长应该是基本一致的。 纤维的 加入 使纤 维 水泥 石 的抗折强度得到较大提高 ， 但对 水泥 石 的 抗压强度 却 有减小的现象 出现。 这与纤维类材料 在 水泥 石 中的作用机理有关，由于普通 水泥 石 内部存在不同程度的微细裂缝，而微裂缝对抗折强度的影响远大于抗压强度，纤维的存在会减少微细裂缝的形成，并阻碍微细裂缝的发展，因此其对 抗拉强度的贡献较大 [13]。 纤维材料之所以能使得强度 韧性 提高 ， 其主要原因是材料中纤维数达 3000万根 /千克 14]， 即纤维有效地阻 止 了基体裂纹扩展。 当纤维水泥受到很大的冲击载荷时 ， 水泥基体破碎 ， 但乱向分布的纤维将破碎的水泥基体束缚在一起 ， 从 而仍保持完整的结构。 纤维材料的增切作用在于 ： 纤维材料能够阻止水泥石中微裂缝的发展 ， 显著增强水泥石的抗裂 能力。 纤维水泥中的纤维能与水泥基体共同承受外力。 在受荷初期 ， 基体是主要承受外力者。 当基体发生开裂后 ， 横跨裂缝的纤维就成为外力的主要承受者 ， 可继续承受较高的载荷 并 产生较大的变形 ， 直至最后纤维被拉断或从基体中拔出 而 破坏。 纤维的阻裂作用： 在挠曲载荷作用 下， 提高水泥基材料形成可见裂缝时的承载能力。 防止水泥浆体的收缩开裂。 在疲劳载荷作用 下 阻止裂缝扩展。 在冲击载荷作用 下 对裂纹尖端应力场形成屏蔽 而 提高水泥石的断裂 韧性 纤维的 增韧作用 ： 基体开裂后 ， 由于纤维拔出或纤维弹性伸长 ， 水泥基受拉时表现出假塑性行为。 纤维水泥在动力载 荷作用 下 弯曲断裂时能吸收大量的。