【正文】 斷裂是一個陸續(xù)發(fā)生、各個擊破的過程。 國內(nèi)外有實驗研究顯示 [7]，用纖維體積率為 %和 %的 CFRP 加固混凝土圓柱，測得 CFRP的平均斷裂應變均只達到 %左右，即纖維延伸率僅發(fā)揮 l/3。而加固抗彎構(gòu)件測得 CFRP 的平均斷裂應變也僅 纖維種類 性能 鋼纖維 碳纖維 玻璃纖維 天然纖維 PVA 纖維 力 學 性 能 比強度 高 高 高 低 高 比模量 高 高 低 低 低 抗沖擊性能 高 差 優(yōu) 中等 中等 斷裂延伸率 中等 中等 高 差 高 帶缺口構(gòu)件的疲勞壽命 中等 中等 低 高 中等 與基體界面的抗剪性能 差 好 好 差 好 性能均勻性 中等 中等 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 理 化 性 能 密度 高 中等 高 低 低 熱膨脹系數(shù) 低 很低 高 低 高 熱穩(wěn)定性 中等 中等 高 高 高 介電性能 好 差 好 差 差 熱傳導性 高 高 低 低 差 阻尼性能 差 較好 好 差 較好 抗氧化性能 差 差 優(yōu) 差 高 抗溶劑性能 中等 高 高 差 中等 抗高濕度 差 差 可以 可以 高 多元纖維復和增韌水泥漿的制備及性能研究 3 達到 1%左右。由此可見 CF 性能發(fā)揮率很低，再加上 CFRP 價格昂貴， 這造成 資源浪費。 （ 2） HFRP 的增韌機理 纖維水泥，在建筑行業(yè)已有 40 多年的歷史，最早使用的纖維水泥是鋼筋混凝土，隨著金屬加工技術(shù)的提高及有機纖維和無機纖維加工技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了不同成份、不同直徑和不同長度的纖維混凝土和水泥石。 纖維復合材料領(lǐng)域 的研究 [8]發(fā)現(xiàn) ： 不同纖維之間的混雜后產(chǎn)生的混雜效應可以讓纖維之間揚長補短。以玻璃纖維和碳纖維混雜為例 ： 玻纖與碳纖體積比為 2 的混雜纖維復合材料 （ HFRP） 的斷裂應變比 CFRP 高 30%～ 50%。由此可見，把兩種以上的材料制成復合材料可以克服單一材料的缺點，改進單一材料的性能，并通過各組分的匹配協(xié)同作用，還可以出現(xiàn)原來單一材料所沒有的新性能，達到材料的綜合利用，以提高經(jīng)濟效應。 混雜效應是 HFRP 所特有的一種現(xiàn)象，它不僅保留了單一 FRP 的優(yōu)點，而且因不同纖維的混雜使之獲得優(yōu)異的綜合性能。 HFRP 的某些性能偏離混 合定律的計算結(jié)果，這種現(xiàn)象稱為混雜效應，向增加偏離稱為正效應，向減少偏離稱為負效應 [9]。這種 HFRP 的性質(zhì)不是單一纖維復合材料的代數(shù)和。混雜效應可以體現(xiàn)在斷裂伸長、強度、能量及功能特性 （ 如抗疲勞性能 ） 等方面。 HFRP 由不同的纖維混雜而成，其性能基本介于各種單一 FRP 之間。單一 FRP 的性能差別越大，其混雜效應就越為明顯，材料設(shè)計的自由也越大。 在水泥中加入纖維材料，使水泥具有一定韌性是提高水泥石承受井下外力作用的較好方法。 實驗內(nèi)容 （ 1）研究目標 ① 油氣井固井作業(yè)對水泥漿性能具有一定的工程性能要求， 本研究的目的在于改變水泥漿外摻料增加井下水泥石韌性，以期提高井下水泥石耐久性； ② 建立適合增韌用的 CF/SF 混雜纖維復合材料的力學模型，優(yōu)化水泥漿配方，為 HFRP 優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)，討論其可行性，提出水泥石增韌的技術(shù)思路，為現(xiàn)場固井作業(yè)水泥漿配方調(diào)整奠定基礎(chǔ)。 （ 2）研究內(nèi)容 ① 以 HFRP 科學為基礎(chǔ)，以提高其韌性為主要目的，通過廣泛的文獻調(diào)研，合理優(yōu)選 SF 和 CF。 ② 在水泥漿中加入不同質(zhì)量百分比的單一 SFRP 和單一 CFRP，開展單一方法水泥石增韌的室內(nèi)評價。 ③ 以延伸率、強度、彈性模量、韌性和經(jīng)濟性為指標，借鑒混 凝土建筑領(lǐng)域中 HFRP 的研究經(jīng)驗，考察不同纖維材料加量變化對水泥石增韌的效果，并對比 HFRP 與單一 CFRP 和單一 SFRP 增韌效果，通過實驗結(jié)果探討水泥石增韌途徑和水泥漿配方優(yōu)化技術(shù)路線。 （ 3）擬解決的關(guān)鍵問題 ① HFRP 的研究：首先選擇適用的 SF、 CF，通過室內(nèi)實驗確定混雜效應明顯的混雜比和混雜方式，根據(jù)實驗結(jié)果提出優(yōu)化水泥漿配方的幾種纖維的混雜比。 ② 纖維類型與水泥漿外加劑的配伍性，使兩種纖維能夠在水泥漿中均勻分散，并使水泥石獲得良好的力學性能，能夠在油氣井固井作業(yè)中起到防漏失或增韌的功效。 西南石油大學本科畢業(yè)論文 4 技術(shù)路線 圖 研究技術(shù)路線 以上技術(shù)路線的特點： ① 以材料強度、價格和性能為指標，以提高增韌效果為最終目的，在纖維增韌的方法上進行創(chuàng)新和優(yōu)化； ② 不同配合比的性能測試與改變配合比形成一個回路，避免了實驗的盲目性。 2 水泥漿理化學性能 G 級油井水泥系是由美國西部太平洋沿岸的石油公司、水泥廠以及服務公司于 1962 年共同研制成功的 。 根據(jù) API SPEC10 的規(guī)定， G 級油井水泥是一種基本油井水泥，它在生產(chǎn)中除了允許添加石膏或石膏和水，不許摻入任何 水泥添加劑。 原材料和設(shè)備 （ 1）原材料選擇及水泥漿制備 （ 不合格 ） （ 不合格 ） 水泥漿制備 外加劑 不同組合的纖維 鋼纖維 碳纖維 纖維水泥漿 漿 泥漿性能測試 密度 失水量 流動性 流變性 成 型 養(yǎng)護 水泥石性能測定 抗壓強度 抗折強度 抗彎強度 結(jié)論 收縮率 多元纖維復和增韌水泥漿的制備及性能研究 5 表 實驗主要原料 名稱 來源（或級別） 水泥 嘉華 G 級 微硅 衛(wèi)輝油井用 分散劑 Landy906L 降失水劑 Landy806L 甲基纖維素 3000s 消泡劑 Landy19L SF CF 廢舊輪胎 四川固特 （ 2）實驗設(shè)備 表 主要實驗儀器 儀器名稱 型 號 生產(chǎn)廠家 組織搗碎機 恒速攪拌器 六速旋轉(zhuǎn)粘度計 常壓稠化儀 數(shù)顯恒溫水浴鍋 電子天平 密度計 體式顯微鏡 電子液壓式壓力試驗機 電動抗折試驗 機 JJ2 OWC4060 ZNND6 OWC935OC1 HH8 T10 00 XTL500 NYL3000 型 DKZ5000 常州諾基儀器有限公司 沈陽市石油儀器研究所 青島同春石油儀器有限公司 中國 .沈陽航空工業(yè)學院技術(shù)研究所金壇市杰瑞爾電器有限公司 美國雙杰兄弟（集團）有限公司 南京江南永新光學有限公司 北京海智科技開發(fā)中心 天津市科學器材公司 北京華安恒業(yè)科技有限公司 根據(jù) API SPEC10 配漿后，在 JJ2 型的組織搗碎機中攪拌 25 秒使其分散均勻，然后倒入常壓稠化儀進行 高溫預制，預制 20 分鐘后取出的水泥漿用 1604040cm 三聯(lián)模軟聯(lián)成型，在數(shù)顯恒溫水浴鍋中進行養(yǎng)護。養(yǎng)護一定時間后，采用 DKZ5000 型電動抗折試驗機和 YA 300 電子液壓式壓力試驗機來測取其抗折強度和抗壓強度。 水泥漿常規(guī)性能測試 根據(jù) API SPEC10 配制常規(guī)密度水泥漿后， 分別在 50℃ ～ 90℃ 下測出 1d～ 5d 的 55 組抗折強度和抗壓強度的數(shù)據(jù)，為以后的數(shù)據(jù)對比奠定基礎(chǔ)。 （ 1）流動度測定 流動度是表示水泥漿沿管子流動的可能性（即表示水泥漿流動的難易程度），是用定量的水泥漿所攤成圓餅后的平 均直徑（厘米）來表示的，用中空的截頭圓錐體（阿茲圓錐）容積為 120cm3，重量 300g，其內(nèi)表面要求光滑來測取 [10]。將配到好的水泥漿充分攪抖 20 秒鐘，迅速注入錐體內(nèi)，并迅速刮平，緊接著將錐體垂直方向迅速上提，待水泥漿在玻璃板上攤開成圓餅狀后，測量攤餅垂直方向的直徑，取平均值作為水泥漿流動度。 表 養(yǎng)護溫度對水泥漿流動度的影響 稠化溫度（ ℃ ） 流動度（㎝） 平均值 （ ㎝ ） 50℃ 60℃ 70℃ 80℃ 90℃ 西南石油大學本科畢業(yè)論文 6 從表 可以看出，隨 著養(yǎng)護溫度的升高，水泥漿的流動度有所下降，因為溫度的升高加速了水泥漿的水化速率，使得它的流動度有所降低。 （ 2）密度測定 水泥漿單位體積的質(zhì)量稱為水泥漿的密度。常以克 /厘米 3（ g/cm3）表示。實驗測定前首先對密度計用清水進行校正：將漿杯中盛滿自來水，蓋好杯蓋，擦凈溢出水，放置在支架刀口上，移動游碼至 處，秤臂應成水平，氣泡應居中央。如不平衡應進行調(diào)整。 將配好的水泥漿倒入密度計漿杯內(nèi)，蓋上漿杯蓋，慢慢向下旋轉(zhuǎn)讓多余的水泥漿從杯蓋的溢流孔中流出，確保杯蓋外緣與漿杯上緣緊密接觸后，再用拇指堵住溢流孔，用水 清洗掉漿杯外的水泥漿，并擦干，然后進行測量。測量方法與標定相同，游碼所指示的數(shù)值，即為該水泥漿的密度 ,單位為 g/cm3。 表 養(yǎng)護溫度對水泥漿密度的影響 養(yǎng)護溫度 密度（ g/cm3） 平均值（ g/cm3） 50℃ 60℃ 70℃ 80℃ 90℃ 根據(jù) API SPEC10， G 級水泥漿應按水灰比（ W/C）為 的密度為 ，這與我們所測得的密度平均值 。造成這種微小差異的原因有可能是游碼讀數(shù)時出 現(xiàn)的誤差或是在往密度計漿杯內(nèi)注入水泥漿后沒有壓緊，杯蓋外緣與漿杯上緣之間存在一定空隙。 （ 3）流變性的測定 將待測定水泥漿倒入樣品杯后放置在儀器的樣品杯托架上。調(diào)節(jié)高度使水泥漿的液面止好在轉(zhuǎn)簡的測量線處，在實驗室，水泥漿在測定前應用高速攪拌器攪拌 5min，測定溫度應在 24+3℃ （或所需溫度范圍之內(nèi)）；將粘度計的轉(zhuǎn)速調(diào)至 600r/min，待讀值穩(wěn)定后讀取并記錄；將轉(zhuǎn)速調(diào)至 300r/min。待讀值穩(wěn)定后讀取并記錄；如需要，按相同方法讀取并記錄 200， 100， 6， 3r/min 的讀值； 水泥漿的流變性能 ： n= ㏒ （ Φ300/Φ100） （ ） K= Φ300/ 511n （ ） n—流性指數(shù)，量綱一的量； （ 越接近于 1 越好 ） K—稠度系數(shù)， Pasn； （ 越接近于 0 越好 ） Φ300 —轉(zhuǎn)速為 300r/min 時粘度計的讀數(shù)； Φ100 —轉(zhuǎn)速為 100r/min 時粘度計的讀數(shù)； 表 常規(guī)密度水泥漿的流變性 溫度 Φ600 Φ300 Φ200 Φ100 Φ6 Φ3 n K 50℃ 60℃ 70℃ 80℃ 90℃ 220 210 209 198 180 135 130 130 126 107 105 103 100 98 87 71 71 68 60 58 16 16 14 8 / 10 11 8 / / 從表 可以看出， G 級純水泥漿的流性指數(shù)隨著溫度的升高也一直升高，根據(jù)稠度系數(shù)的變化來看，在 60℃和 90℃ 的時候稠度系 數(shù)接近于 0。因為溫度升高之后，水泥漿的水化速率不一，導致水泥漿漿體流變性有所變化，所以其流性指數(shù)和稠度系數(shù)也存在一定的差異。 （ 4） 水泥漿自由水測定 將制備好的水泥漿，應立即注入常壓稠化儀中，并在試驗溫度條件下預制 20 分鐘。然后再在一夸脫的攪拌器中高速攪拌 35 秒，最后把水泥漿注入一個潔凈、干燥的 250 毫升刻度玻璃量筒中，并用塑料薄膜或類似材料多元纖維復和增韌水泥漿的制備及性能研究 7 密封玻璃量筒，以免水分蒸發(fā)。水泥漿靜置兩小時后形成的上層水應用吸管吸走或輕輕傾倒出去，并在適當大小的量筒中測量，測量值用毫升表示，此值即為水泥漿的自由水含量。該值與水泥 漿體積（ 250mL）之比，即為水泥漿 的析水率 （ %）。 表 常規(guī)密度水泥漿的析水率 編號 析水 （ mL） 析水率 （ %） 平均值 （ %） 50℃ 60℃ 70℃ 80℃ 90℃ 3 % % % % 1% 1% 常規(guī)密度水泥漿的析水率與養(yǎng)護溫度有關(guān)，由表 可以明顯看出，其析水率從 50℃