【正文】 老師淵博的學識、熱愛學術(shù)的精神、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、誨人不倦的工作作風和幽默、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，而且也將勉勵我今后繼續(xù)刻苦學習和積極工作 ! 衷心感謝程小偉老 師、莊稼老師和易峰老師在本課題實驗研究過程中給予的具體的指導啟發(fā)和熱情的幫助。 今后工作展望 （ 1） 對 HFRP 的破壞強度和增韌率的計算工作機理以及其他工作性能的研究均有待進一步深入，但由于混雜效應問題的復雜性，應主要通過借鑒 HFRP 領(lǐng)域的研究成果來指導實驗研究。增韌的主要原因包括： ① 纖維本身具有較高的抗拉強度和延伸性； 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能吸收大量能量，裂縫張開時，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，斷裂吸收的能量就越大； ⑤ 纖維與水泥粘結(jié)較強時，斷裂時易發(fā)生多點開裂，此時斷裂吸收的能量為各斷裂點纖維脫離粘結(jié)拔出乃至斷裂吸收能量的總和 。 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。 圖 顯示的是 SF 加量為 2%的時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，在進行抗折實驗后的斷面均呈現(xiàn)出纖維拔出斷裂。 試驗中觀察 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。 4） 抗壓強度 表 HFRP 的抗壓強度 編號 測得數(shù)據(jù)（ kN） 1 2 3 Fc平均值（ kN） 抗壓強度 Rc （ MPa） CS01 CS02 CS03 CS04 CS05 CS06 CS07 CS08 CS09 CS10 從表 可以看出， CS0 CS08 和 CS10 的抗壓強度比較高，導致這種現(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 兩個配方的綜合性能比較好。 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，造價相對來說比較低廉，這便需要我們需求可以與多元纖維復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。 （ 2）抗壓強度 表 加入 SF 后的抗壓強度 編號 測得數(shù)據(jù)（ kN） 1 2 3 Fc平均值（ kN） 抗壓強度 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度不是很明顯，但受壓韌性卻大幅度提高。為了使鋼纖維分布均勻，應該先將鋼纖維與水泥漿干混然后再攪拌器進行混合。 （ 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 。 C02 和 C06 的抗折和抗壓強度較高。 實驗過程中，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，實驗時考察了不同碳纖維加量，并對比分析了其合理加量。m 的碳纖維，按照其纖維的平均長度，最佳的添加量為 %～ %范圍。 圖 是 水泥石 1d～ 5d 抗折強度隨著養(yǎng)護溫度升高的變化情況，由圖可以看出，隨著養(yǎng)護溫度的增加，水泥石的抗折強度沒有呈現(xiàn)明顯的規(guī)律變化，總體上在 80℃ 后有下降的 趨勢，抗折強度總體較高的是養(yǎng)護 3d 的水泥石，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是養(yǎng)護時間過長，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，降低了它的抗折強度。 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℃ ～ 90℃ 呈現(xiàn)遞減的趨勢。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。常以克 /厘米 3（ g/cm3）表示。 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。 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)。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。 表 高性能纖維的性能比較 表 ACI440 委員會給出的碳纖維力學性能表 纖維種類 彈性模量（ GPa） 極限強度（ MPa） 斷裂應變 % 價格（元 /㎡） 碳纖維 普通 高強 超高強 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，那些受力大的薄弱纖維先斷裂 （ 在 FRP 的極限強度 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。而且目前我國 CF 的大規(guī)模開發(fā)應用還很大程度上依賴著進口產(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)。但長期以來，關(guān)于纖維水泥漿體系的研究仍集中在纖維的選材、纖維的長短兩個方面，往往忽略了纖維材料與水泥基質(zhì)的膠結(jié)這一問題，如果纖維只是雜亂無章地分布在水泥基質(zhì)內(nèi)，這對纖維水泥漿的防漏堵漏有較好的效果，對凝固后水泥石抗折強度、抗沖擊強度都有一定的提高，但當水泥石在拉斷時，纖維部分在水泥石基體內(nèi)被拉出，只有較少量是被拉斷，纖維在水泥基體內(nèi)的作用沒有被充分發(fā)揮出來，只有在纖 維與水泥基體有效膠結(jié)，充分粘合在一起才能充分體現(xiàn)纖維對水泥石的力學改性作用。例如，古埃及人用摻有稻草的粘土制作日光下自然干燥的磚塊，他們由生活實踐中探索發(fā)現(xiàn)，纖維加入無機膠結(jié)構(gòu)中有助于降低其脆性并減少開裂。首先進行了單一纖維對水泥石的增韌效果的研究，然后是混雜纖維對水泥石的增韌，最后從力學性能等方面進行了對比和分析，判斷兩者的優(yōu)劣性，并嘗試給出幾個增韌 效果好的配合比。 20 世紀 60 年代以來纖維增強水泥及復合材料也在油氣井固井工作中取得了廣泛的應用，對改善工作質(zhì)量和提高長久耐久性發(fā)揮了很好的作用，在水泥漿體系中加入纖維材料，其主要目的在于提高水泥石的強度和韌性。 研究的目的與意義 在 已有 的 FRP 加固技術(shù)研究和 混雜纖維復合材料（ HFRP） 的研究為基礎(chǔ)，以提高加固效率為目的，提出以鋼纖維（ SF） 和 碳纖維（ CF） 混雜增韌的設(shè)想，提高水泥漿的韌性，又能顯著降低成本，能夠在油氣固井防漏失方面大規(guī)模使用。表 列出了 碳 纖維詳細拉伸力學性能。 （ 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。 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。 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。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 。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)。 抗壓強度的計算公式如下： Rc=Fc/A （ ） 式中： Rc抗壓強度， MPa； Fc破壞時的最大載荷， N； A受壓部分面積 mm2 表 常規(guī)密度水泥石的力學性能 強度（ MPa） 50℃ 60℃ 70℃ 80℃ 90℃ 1d Rf Rc 2d Rf Rc 3d Rf Rc 4d Rf Rc 5d Rf Rc 西南石油大學本科畢業(yè)論文 8 由圖 可以看出，隨著 養(yǎng)護溫度的增加，抗壓強度呈遞增的趨勢，但養(yǎng)護溫度高于 80℃ 之后，水泥石養(yǎng)護3d、 4d 后期抗壓強度有所降低。但這種纖維太昂貴，難于用于世紀工程中推廣。 首先將水灰比為 的水泥漿攪拌均勻，再加入 Landy906L 分散劑、 Landy806L 型的降失水劑和 Landy19L消泡劑，然后在常壓稠化儀中預制 20 分鐘，預制完畢后再加入 CF 和甲基纖維素將其攪拌均勻。 （ 3）流變性的測定 在水泥漿中加入碳纖維后攪拌均勻，用 六速旋轉(zhuǎn)粘度計測得相應轉(zhuǎn)數(shù)下的數(shù)據(jù)，再 根據(jù)流變性的計算公式 和 得出： 表 加入碳纖維后水泥漿的流變性 轉(zhuǎn)數(shù) Φ600 Φ300 Φ200 Φ100 Φ6 Φ3 讀值 n K 200 126 105 66 16 10 由表 可以看出加入 CF 后的水泥漿的流變性能與純水泥漿（見表 ）相比，其因為碳纖維的加入流變性能有所降低 ，但降低幅度很小，原因是纖維在水泥漿中的加入會對水泥漿的流動有一定