【正文】 用還很大程度上依賴著進(jìn)口產(chǎn)品，而 SF 作為我國的主要傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)相對成熟，所以發(fā)展 HFRP 有利于充分利用本國資源，振興民族產(chǎn)業(yè)。由表 可見單一纖維材料的優(yōu)缺點(diǎn)往往都非常明顯。 表 高性能纖維的性能比較 表 ACI440 委員會給出的碳纖維力學(xué)性能表 纖維種類 彈性模量（ GPa） 極限強(qiáng)度（ MPa） 斷裂應(yīng)變 % 價(jià)格（元 /㎡） 碳纖維 普通 高強(qiáng) 超高強(qiáng) 高模量 超高模量 200～ 250 220～ 235 220～ 235 345～ 515 515～ 690 3790 3790～ 4825 4825～ 6200 3100 2410 220 另外單一 CF 中，不可避免地存在著纖維斷裂、缺陷和薄弱環(huán)節(jié)，在 FRP 受拉時(shí)，那些受力大的薄弱纖維先斷裂 （ 在 FRP 的極限強(qiáng)度 40%以下，用聲發(fā)射裝置監(jiān)聽，就可記錄到纖維斷裂所發(fā)出的信號 [6]） ，纖維受力情況產(chǎn)生重新分配，又有一些受力大而薄弱的纖維陸續(xù)斷裂，直至纖維束全部斷裂。由此可見 CF 性能發(fā)揮率很低，再加上 CFRP 價(jià)格昂貴， 這造成 資源浪費(fèi)。由此可見，把兩種以上的材料制成復(fù)合材料可以克服單一材料的缺點(diǎn)，改進(jìn)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(dá)到材料的綜合利用，以提高經(jīng)濟(jì)效應(yīng)?；祀s效應(yīng)可以體現(xiàn)在斷裂伸長、強(qiáng)度、能量及功能特性 （ 如抗疲勞性能 ） 等方面。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 （ 1）研究目標(biāo) 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(fù)合材料的力學(xué)模型，優(yōu)化水泥漿配方，為 HFRP 優(yōu)化設(shè)計(jì)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)。 （ 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(shí)驗(yàn)確定混雜效應(yīng)明顯的混雜比和混雜方式，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出優(yōu)化水泥漿配方的幾種纖維的混雜比。 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。 （ 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]。常以克 /厘米 3（ g/cm3）表示。測量方法與標(biāo)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。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(shí)驗(yàn)室，水泥漿在測定前應(yīng)用高速攪拌器攪拌 5min，測定溫度應(yīng)在 24+3℃ （或所需溫度范圍之內(nèi)）；將粘度計(jì)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。 （ 4） 水泥漿自由水測定 將制備好的水泥漿，應(yīng)立即注入常壓稠化儀中，并在試驗(yàn)溫度條件下預(yù)制 20 分鐘。 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(hù)溫度有關(guān)，由表 可以明顯看出，其析水率從 50℃ ～ 90℃ 呈現(xiàn)遞減的趨勢。 然后將六個(gè)半截棱柱體分別放在壓力機(jī)中夾具上，以（ 2400+ 200） N/s 的速率均勻地加荷直至破壞。 圖 是 水泥石 1d～ 5d 抗折強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)溫度升高的變化情況，由圖可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的增加，水泥石的抗折強(qiáng)度沒有呈現(xiàn)明顯的規(guī)律變化，總體上在 80℃ 后有下降的 趨勢，抗折強(qiáng)度總體較高的是養(yǎng)護(hù) 3d 的水泥石，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是養(yǎng)護(hù)時(shí)間過長，在隨后的幾天里使得水泥石的微小空隙之間出現(xiàn)了滲水現(xiàn)象，降低了它的抗折強(qiáng)度。在七十年代初期，發(fā)現(xiàn)參加體積率為 2%～ 4%的 PAN 基碳纖維可以大幅度的提高水泥基體的抗壓和抗折強(qiáng)度。m 的碳纖維，按照其纖維的平均長度，最佳的添加量為 %～ %范圍。由于表面活性劑容易使得拌和料中產(chǎn)生大量的氣泡，為此還必須加入適量的消 泡劑。 實(shí)驗(yàn)過程中，加入碳纖維以及其它組分的多少，對水泥漿的性能有很大影響，為了了解碳纖維加量對水泥漿性能和水泥石性能的影響程度，實(shí)驗(yàn)時(shí)考察了不同碳纖維加量，并對比分析了其合理加量。 （ 2）析水率的測定 表 加入碳纖維后水泥漿的析水率 編號 析水量（ mL） 析水率 （ %） C01 C02 C03 C04 C05 C06 % % % % % % 從表 和表 看出，水灰比為 的純水泥漿的析水率平均為 %，可見由于碳纖維的憎水性使得水泥漿中的水更多的被 析出 出來，從而 在實(shí)驗(yàn)中必須注意相關(guān)失水劑的加量，以免影響水泥基體的力學(xué)性能。 C02 和 C06 的抗折和抗壓強(qiáng)度較高。加入 CF 后的水泥漿的析水率變大了，其可能原因在于碳纖維吸附處理劑和分布不均且使得水泥漿處理劑未能完全均勻分散，對水泥漿的流動性并無多大影響。 （ 2）水泥 使用固井中常用的 G 級油井水泥， 其中 G 級水泥與所摻加的水的水灰比（ W/C） 為 。 對于不同品種、不同長徑比的鋼纖維 ， 其最小體積率略有不 同，國內(nèi)一般以 %為最小體積 [14]。為了使鋼纖維分布均勻，應(yīng)該先將鋼纖維與水泥漿干混然后再攪拌器進(jìn)行混合。 物理力學(xué)性能 （ 1）抗折強(qiáng)度 本實(shí)驗(yàn)使用 DKZ5000 型電動抗折試驗(yàn)機(jī)來測試抗折強(qiáng)度，其斷裂模式為拔出斷裂。 （ 2）抗壓強(qiáng)度 表 加入 SF 后的抗壓強(qiáng)度 編號 測得數(shù)據(jù)（ kN） 1 2 3 Fc平均值（ kN） 抗壓強(qiáng)度 Rc（ MPa） S01 S02 圖 鋼纖維體積率與分散系數(shù)的關(guān)系 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)論文 14 S03 S04 S05 S06 從大量鋼纖維增韌的資料來看，鋼纖維對提高抗壓強(qiáng)度不是很明顯，但受壓韌性卻大幅度提高。 （ 3）析水率 表 加入鋼纖維后水泥漿的析水率 編號 析水量（ mL） 析水率 （ %） S01 S02 S03 S04 S05 S06 3 2 3 3 % % % % % % 從表 可以看出，加入鋼纖維后水泥漿的平均的析水率為 %，而未加鋼纖維之前水泥漿的析水率一般為 %，由此可見加入鋼纖維后其對水泥漿的析水并無大的影響，即不影響水泥漿穩(wěn)定性。 目前在國內(nèi)鋼纖維還是多用于建筑方面，在油氣固井方面的應(yīng)用還很欠缺，主要是考慮到鋼纖維的分布均勻，以及它自身的特性的問題，但是鋼纖維在我國生產(chǎn)量比較大，造價(jià)相對來說比較低廉，這便需要我們需求可以與多元纖維復(fù)和增韌水泥漿的制備及性能研究 15 其相配合的纖維搭配，起到好的增韌效果。 表 HFRP 的配合比 編號 SF CF Landy906L Landy806L 微硅 甲基纖維素 Landy19L CS01 CS02 CS03 CS04 CS05 CS06 CS07 CS08 CS09 CS10 1% 1% 1% 1% 2% 2% 3% 3% 4% 4% % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % 1% 1% 1% 1% 2% 2% 2% 1% 2% 2% % % % % % % / / / / % % % % % % % % % % 如表 中所示，考慮到加入甲基纖維素會使得水泥漿中氣泡過，嘗試在 CS07～ CS10 組 不加入甲基纖維素，改用天然的微硅粉來調(diào)節(jié)纖維的分散問題，并對比兩者的不同。 4） 抗壓強(qiáng)度 表 HFRP 的抗壓強(qiáng)度 編號 測得數(shù)據(jù)（ kN） 1 2 3 Fc平均值（ kN） 抗壓強(qiáng)度 Rc （ MPa） CS01 CS02 CS03 CS04 CS05 CS06 CS07 CS08 CS09 CS10 從表 可以看出， CS0 CS08 和 CS10 的抗壓強(qiáng)度比較高，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的根本在于 SF 和 CF 加量的多少，與表 的原因相同，由此我們可以發(fā)現(xiàn) CS07 和 CS10 兩個(gè)配方的綜合性能比較好。 在本實(shí)驗(yàn)中，由于實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)驗(yàn)時(shí)間的限制我采用的是對它的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，以及析水率和流動度的大校變化來對其力學(xué)性能的好壞進(jìn)行判斷。 試驗(yàn)中觀察 FRP 的破壞形式，單一 CFRP的破壞主要為第二種脆性和纖維拉出破壞，而HFRP 的破壞還伴隨著分層破壞。 （ 2） 析水率 由表 看出 HFRP 的析水率為 %，預(yù)制的純水泥漿的流動度 %，以及單一 CF 為 %、單一 SF析水率為 %。 圖 顯示的是 SF 加量為 2%的時(shí)候它在水泥石中的分布情況，由圖可以看出鋼纖維加入后在水泥漿中的分散比較均勻，在進(jìn)行抗折實(shí)驗(yàn)后的斷面均呈現(xiàn)出纖維拔出斷裂。水泥基體在在澆筑后的 24h 內(nèi)抗拉強(qiáng)度很弱，若處于約束狀態(tài)，當(dāng)其所含有的水分急劇蒸發(fā)的時(shí)候，極易生成大量裂縫，而均勻分布在水泥基體中的 可阻止裂紋擴(kuò)展。 圖 純水泥石基體與 HFRP 在抗壓后的破壞形式 圖 是純水泥石基體與加入混雜纖維后的水泥石在測取 抗壓強(qiáng)度后的破壞形式，從圖上可以明顯觀察到未加纖維的水泥石在抗壓后出現(xiàn)很明顯的裂紋，水泥石的四周崩落，整個(gè)結(jié)構(gòu)被完全破壞；而加入 SF 和 CF 的水泥石只是在四周出現(xiàn)了很少的破碎現(xiàn)象，也沒有出現(xiàn)明顯的裂紋。這與它 們各自單一纖維添加的時(shí)候的力學(xué)性能相符合。增韌的主要原因包括： ① 纖維本身具有較高的抗拉強(qiáng)度和延伸性； ② “纖維 —水泥石 ”體系具有較好的相容性和較高的粘附性，能形成具有各向異性的高韌性水泥石； ③ 纖維可以對水泥石中缺陷處的裂紋尖端應(yīng)力場形成屏蔽，從而提高水泥石的斷裂韌性； ④ 纖維水泥石斷裂或彎曲時(shí)能吸收大量能量，裂縫張開時(shí)，纖維脫離粘結(jié)拔出乃至斷裂都需要一定能量，粘結(jié)越強(qiáng)，斷裂吸收的能量就越大； ⑤ 纖維與水泥粘結(jié)較強(qiáng)時(shí)，斷裂時(shí)易發(fā)生多點(diǎn)開裂，此時(shí)斷裂吸收的能量為各斷裂點(diǎn)纖維脫離粘結(jié)拔出乃至斷裂吸收能量的總和 。 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)論文 20 4 結(jié)論及展望 由于 HFRP 所具有的單一 FRP 所沒有的復(fù)雜特性，現(xiàn)在創(chuàng)新的工作機(jī)理與結(jié)構(gòu)特性與單一 FRP 的水泥基體結(jié)構(gòu)有所區(qū)別，所以對增韌水泥基體結(jié)構(gòu)的研究是有必要和有意義的。 今后工作展望 （ 1） 對 HFRP 的破壞強(qiáng)度和增韌率的計(jì)算工作機(jī)理以及其他工作性能的研究均有待進(jìn)一步深入，但由于混雜效應(yīng)問題的復(fù)雜性，應(yīng)主要通過借鑒 HFRP 領(lǐng)域的研究成果來指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究。 （ 4） 以提高加固效率為目標(biāo)，改善加固工藝，如進(jìn)一步進(jìn)行各項(xiàng)力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn) 研究以得出適于工程應(yīng)用的配合比，在工程實(shí)際中加大力度推廣 HFRP 的應(yīng)用。老師淵博的學(xué)識、熱愛學(xué)術(shù)的精神、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、誨人不倦的工作作風(fēng)和幽默、靈活的待人處事方式使我受益無窮，不僅使我能靜心完成課題的研究工作，而且也將勉勵(lì)我今后繼續(xù)刻苦學(xué)習(xí)和積極工作 ! 衷心感謝程小偉老 師、莊稼老師和易峰老師在本課題實(shí)驗(yàn)研究過程中給予的具體的指導(dǎo)啟發(fā)和熱