多元纤维复和增韧水泥浆的制备及性能研究(编辑修改稿)

多元纤维复和增韧水泥浆的制备及性能研究(编辑修改稿)内容摘要：

～ 90℃ 呈现递减的趋势。 原因是由于养护温度不同，水泥浆中水泥的水化程度不一，随养护温度 的升高，水泥水化速率加快，致使水泥浆中的自由水含量减少，只是温度不高时自有水含量的递减趋势不是很明显。 （ 5）水泥石强度测定 制备好的水泥浆采用 1604040cm 三联模软联成型，在恒温水浴箱中养护一段时间后，取出水泥石测试其抗折、抗压强度。 抗折强度的计算公式如下： Rf=（ ） 式中： Rf抗折强度， MPa； Ff折断时施加于棱柱体中部的载荷， N； L支撑圆柱之间的距离， mm； b 棱柱体正方形截面边长， mm。 然后将六个半截棱柱体分别放在压力机中夹具上，以（ 2400+ 200） N/s 的速率均匀地加荷直至破坏。 抗压强度的计算公式如下： Rc=Fc/A （ ） 式中： Rc抗压强度， MPa； Fc破坏时的最大载荷， N； A受压部分面积 mm2 表 常规密度水泥石的力学性能 强度（ MPa） 50℃ 60℃ 70℃ 80℃ 90℃ 1d Rf Rc 2d Rf Rc 3d Rf Rc 4d Rf Rc 5d Rf Rc 西南石油大学本科毕业论文 8 由图 可以看出，随着 养护温度的增加，抗压强度呈递增的趋势，但养护温度高于 80℃ 之后，水泥石养护3d、 4d 后期抗压强度有所降低。 并且在图上可以看到抗压强度与养护时间的关系，在 1d～ 3d 之间抗压强度总体呈上升趋势，到 4d 后出现下降的现象，可以看出养护 4d 的抗压强度最高。 造成这种现象的原因可能是因养护温度的升高，使得水泥石早期强度发展很快，而后期强度开始下降。 图 是 水泥石 1d～ 5d 抗折强度随着养护温度升高的变化情况，由图可以看出，随着养护温度的增加，水泥石的抗折强度没有呈现明显的规律变化，总体上在 80℃ 后有下降的 趋势，抗折强度总体较高的是养护 3d 的水泥石，出现这种现象的原因可能是养护时间过长，在随后的几天里使得水泥石的微小空隙之间出现了渗水现象，降低了它的抗折强度。 多元纤维复和增韧水泥浆的制备及性能研究 9 3 纤维增韧实验研究及增韧机理 为了增加水泥石的韧性，本文考察了单一纤维和复合纤维对水泥石增韧的效果，主要考察了碳纤维、钢纤维以及碳纤维和钢纤维复配后对水泥浆性能以及水泥石抗折强度和抗压强度的影响规律。 单一碳纤维增韧 原材料与配合比 碳纤维是一种含碳量 90%以上的纤维状无机碳化合物，具有抗拉强度高、弹性模量高、耐高温 、耐腐蚀、抗疲劳、导电性能好与热膨胀系数小等。 碳纤维的研发始于 20 世纪 50 年代中期，只要用于制作碳纤维增强树脂（ carbon fibre reinforced plastic,CFRP） ,由于聚丙烯晴纤维所作原料制成的 PAN 基碳纤维（ PAN—based carbon fibre）的价格十分高，故 CFRP 的应用十分局限 [11]。 在七十年代初期，发现参加体积率为 2%～ 4%的 PAN 基碳纤维可以大幅度的提高水泥基体的抗压和抗折强度。 但这种纤维太昂贵，难于用于世纪工程中推广。 ① 碳纤维 如图 所显示本实验采用的是 平均长度为 1200181。 m～ 1750181。 m 的碳纤维，按照其纤维的平均长度，最佳的添加量为 %～ %范围。 ② 水泥 水灰比（ W/C）为。 ③ 外加剂 Landy906L（ 分散剂 ） 、 Landy806L（ 降失水剂 ） 和 Landy19L（ 消泡剂 ）。 ④ 表面活性剂 当在拌和碳纤维水泥浆的时候，为了使得碳纤维分布更均匀，必须加入表面活性剂，如甲基纤维素、羧基纤维素等。 由于表面活性剂容易使得拌和料中产生大量的气泡，为此还必须加入适量的消 泡剂。 首先将水灰比为 的水泥浆搅拌均匀，再加入 Landy906L 分散剂、 Landy806L 型的降失水剂和 Landy19L消泡剂，然后在常压稠化仪中预制 20 分钟，预制完毕后再加入 CF 和甲基纤维素将其搅拌均匀。 在此过程中，发现 CF 难以分散均匀， 在制备碳纤维水泥浆时，由于纤维不容易均匀分散，且因为纤维的脆性较大比较容易折断，为此应选择专门的搅拌机，例如无叶片的柔性搅拌机，这种搅拌机的搅拌筒是用柔性较好的橡胶制成的，在传动机构与摆盘的作用下，搅拌筒可在各个方位不停的搅动，并抛掷与冲击物料， 使得其均匀拌和 [11]。 由于实验条件限制，本实验采用的是恒速搅拌器来搅拌，搅拌后 CF 分散较为均匀。 实验过程中，加入碳纤维以及其它组分的多少，对水泥浆的性能有很大影响，为了了解碳纤维加量对水泥浆性能和水泥石性能的影响程度，实验时考察了不同碳纤维加量，并对比分析了其合理加量。 如表 中所示分别在 C01 和 C02 中加入甲基纤维素，而在 C03 和 C04中加入适量微硅，微硅的加入有助于增加碳纤维与水泥基体的界面粘结并提高纤维水泥硬化体的致密度。 表 单一碳纤维配方 成分编号 CF 甲基纤维素 Landy906L Landy806L 微硅 Landy19L C01 C02 C03 C04 C05 C06 % % % % % % % % / / % % % % % % % % % % % % % % / / 1% 2% 2% 1% % % % % % % 当只能用普通砂浆机来制备碳纤维水泥浆，则必须同时加入矿物细掺料与表 面活性剂，在二者的协同作用下可以使得碳纤维分布得更均匀，水泥浆制好后进行直接浇筑，进行振捣使其更密实 [12]。 图 碳纤维 西南石油大学本科毕业论文 10 物理力学性能 （ 1） 碳纤维水泥拌和物的流动度 表 加入碳纤维后水泥浆的流动度 编号 流动度（㎝） 平均值（㎝） C01 C02 C03 C04 C05 C06 由表 可见，碳纤维加入水泥浆后与纯的水泥浆的流动度 ㎝相比有所降低，其原因 是因为加入了 CF后在浆体中形成了纤维网络结构，它对周围的浆体起到了一定稳定的作用，降低了它的流动度。 （ 2）析水率的测定 表 加入碳纤维后水泥浆的析水率 编号 析水量（ mL） 析水率 （ %） C01 C02 C03 C04 C05 C06 % % % % % % 从表 和表 看出，水灰比为 的纯水泥浆的析水率平均为 %，可见由于碳纤维的憎水性使得水泥浆中的水更多的被 析出 出来，从而 在实验中必须注意相关失水剂的加量，以免影响水泥基体的力学性能。 （ 3）流变性的测定 在水泥浆中加入碳纤维后搅拌均匀，用 六速旋转粘度计测得相应转数下的数据，再 根据流变性的计算公式 和 得出： 表 加入碳纤维后水泥浆的流变性 转数 Φ600 Φ300 Φ200 Φ100 Φ6 Φ3 读值 n K 200 126 105 66 16 10 由表 可以看出加入 CF 后的水泥浆的流变性能与纯水泥浆（见表 ）相比，其因为碳纤维的加入流变性能有所降低 ，但降低幅度很小，原因是纤维在水泥浆中的加入会对水泥浆的流动有一定阻碍作用，但碳纤维由于自身直径和长度均很小，所以影响不大。 （ 4）抗折、抗压强度 根据公式 和 来计算水泥石的抗折强度和抗压强度 ，加入碳纤维的水泥石在恒温水浴箱中养护，养护完毕在水泥石把持较湿润的状态下测取水泥石的抗折强度和抗压强度。 表 CFRC 的抗折强度 编号 测得数据 Ff（ kN） 1 2 3 Ff平均值 （ kN） 抗折强度 Rf （ MPa） 多元纤维复和增韧水泥浆的制备及性能研究 11 C01 C02 C03 C04 C05 C06 （ 舍去 ） 表 CFRC 的抗压强度 编号 测得数据 Fc（ kN） 1 2 3 Fc平均值（ kN） 抗压强度 Rc（ MPa） C01 C02 C03 C04 C05 C06 由图 可以看出在 6 组配方中， C03 的抗折和抗压强度均为最高，说明 CF 的加量为 3%时，水泥石的抗折和抗压强度最高。 C02 和 C06 的抗折和抗压强度较高。 在图中发现抗压和抗折强度从 C01 到 C03 呈现递增的趋势，综合表 可知水泥石的抗折强度和抗压强度在一定范围内随 CF 加量的增加 而增加。 小结 采用单一碳纤维增韧水泥石时，因碳纤维的价格昂贵，并且其加入水泥浆后存在分散不均 匀的问题，且实验时也一直存在 CF 分布不均匀这一难题，因此考虑采用单一钢纤维增韧水泥石。 从室内数据可以看出，碳纤维的加入使得水泥石抗折、抗压强度均有所改变，其中抗折强度增加较为明显，且水泥石的力学性能与 CF 加量的多少存在密切关系， CF 加入量为 3%左右的时候其力学性能较好。 加入 CF 后的水泥浆的析水率变大了，其可能原因在于碳纤维吸附处理剂和分布不均且使得水泥浆处理剂未能完全均匀分散，对水泥浆的流动性并无多大影响。 西南石油大学本科毕业论文 12 单一钢纤维增韧 原材料与配合比 目前，以钢纤维作为增强材料的应用是最广泛的，使 用数量也最多，它具有高弹性，高模量等特点。 钢纤维的长度为单根钢纤维两端间的直线距离，其长度不可以太短，否则影响增强效果；也不可以过长，否则在搅拌过程中容易结团，难以在水泥浆中均匀分布 [13]。 （ 1）钢纤维 本实验采用的是废旧的轮胎所拆取的钢纤维，其平均长度为 ㎝～ ㎝之间，平均直径为 ㎝左右。 （ 2）水泥 使用固井中常用的 G 级油井水泥， 其中 G 级水泥与所掺加的水的水灰比（ W/C） 为。 （ 3）外加剂 Landy906L 型分散剂、 Landy8906L 型的降失水剂和 Landy906L 型消泡剂。 （ 4）矿物细掺料 由于钢纤维（图 ）比重较大，为了使得 SF 在水泥浆中不出现沉积现象需加入微硅粉提高水泥浆稳定性，以有助于悬浮钢纤维，并使其均匀分散。 通常情况下，按钢纤维的体积率不得小于 %， 但是 也不可以太大， 因为 其中钢纤维的体积率小到一定程度的时候将不起增强作用， 当体积率太大时会破坏水泥石自身的性能。 对于不同品种、不同长径比的钢纤维 ， 其最小体积率略有不 同，国内一般以 %为最小体积 [14]。 表 单一钢纤维中各组分加量 编号 SF Lan。