【文章內(nèi)容簡介】 計（論文） 8 有一定強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)，在 水泥 石 受壓時能負(fù)擔(dān)并緩沖一部分應(yīng)力，且可以消除孔縫中存在的應(yīng)力集中點，約束微裂縫的發(fā)展。當(dāng)橡膠粉的 加 量小于最佳 加 量時， 水泥 石 中孔隙沒有被填滿，橡膠粉的有害作用表現(xiàn)為強(qiáng)勢，引 起 水泥 石 的抗壓、抗折強(qiáng)度下降 ； 當(dāng)橡膠粉的 加 量恰為最佳 加 量時 ， 水泥 石 中孔縫基本被填充，密實度大大提高，橡膠粉的有益作用處于強(qiáng)勢， 水泥 石 的抗壓強(qiáng)度 和 抗折強(qiáng)度 損失不大 。當(dāng)橡膠粉的 加 量超過最佳 加 量時，橡膠粉的有害作用又處于強(qiáng)勢 ，引起 水泥石 的抗壓、抗折強(qiáng)度下降。 另外試驗結(jié)果還表明橡膠水泥 石 抗折強(qiáng)度降低的 幅度小于 抗壓強(qiáng)度的降低幅度 。原因在 于 水泥石 內(nèi)部的微裂縫對抗折強(qiáng)度影響遠(yuǎn)大 于 對抗壓強(qiáng)度的影響。由于 收縮造成砂漿內(nèi)部存在微裂紋，在結(jié)構(gòu)形成的過程中橡膠阻 止 了這些裂縫的引發(fā)，從而減少了裂縫源的數(shù)量，并使裂縫尺度變小，降低了裂縫尖端應(yīng)力集中程度，而且在受力過程中橡膠的存在又抑制了裂縫的引發(fā)與擴(kuò)展 [7]。 橡膠粉、纖維及 二元復(fù)合 對 水泥 石力 學(xué) 性能 的影響 9 3 纖維材料對水泥 石 性 能 的 影響 纖維 水泥 應(yīng)用 依據(jù) 根據(jù)資料介紹 [8]，纖維在水泥石中可以起到增強(qiáng)、增韌、阻裂、抗收縮、 抗?jié)B透和防腐蝕的作用 。在油井水泥漿中選擇應(yīng)用纖維材料主要是利用其增韌的機(jī)制 :①纖維本身具有較高的抗拉強(qiáng)度和延展性 ； ②纖維 水泥石具有較好的相容性和較高的粘附性，能夠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。纖維與水泥石的作用主要有以下幾點 : （ 1） 提高水泥石的強(qiáng)度。纖維隨機(jī)地分布在水泥或混凝土中，并跨越水泥混凝土中存在的微細(xì)裂縫，對裂縫產(chǎn)生約束作用，阻止裂縫擴(kuò)展，提高水泥混凝土強(qiáng)度。 iptobroto[9]等人研究 了 高體積鋼纖維增強(qiáng)的 DSP 材料 (densified system containing homogeneouslyarranged ultrafine particles )，當(dāng)鋼纖維的體積率為 12%時， DSP 的極限拉應(yīng)變由 %增至 %，與此同時抗壓強(qiáng)度增高 倍。 （ 2） 提高水泥石的抗裂性。纖維與水泥基材料充分混合，均勻地分布在水泥漿 中，在水泥凈漿或混凝土砂漿中形成多向分布的支撐體系，有助于減弱水泥或混凝土的塑性收縮與凍融循環(huán)時的張力。在水泥混凝土收縮時，其收縮能量被高強(qiáng)度、低彈模的纖維所吸收，有效增加了水泥混 凝土的韌性，抑制其裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展。在混凝土中摻入尼龍纖維，可以使裂縫減少近 70%[10]。 在固井中，影響固井質(zhì)量的一個重要原因是由于水泥固有的收縮導(dǎo)致了套管和水泥環(huán)之間出現(xiàn)縫隙，在水泥石中摻入纖維，可有效減少水泥石硬化過程中的體積收縮，使得水泥環(huán)和套管之間的粘結(jié)牢固，防止微間隙的形成。 （ 3） 提高水泥石的抗沖擊性。纖維作為增韌材料，可以抑制水泥中微裂紋的產(chǎn)生，提高水泥與混凝土的韌性和抗沖擊性，這是固井材料領(lǐng)域一直追求的目的。美國哈里伯頓公司做過一個對比實驗 :以相同的方式對兩組 23/4in 的水泥試件進(jìn)行 破壞，采用相同的加載速率，純水泥試件崩裂成碎塊，而纖維水泥雖然試件變形達(dá) 1/4 (占總高度的 % )，卻未發(fā)生破裂，說明纖維水泥具有很好的抗沖擊能力。 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 纖維增強(qiáng)及增韌油井水泥作用機(jī)制 截 至 到目前，關(guān)于纖維增強(qiáng)、增韌水泥及混凝土的論述還基本處于假定狀態(tài)，如果能夠準(zhǔn)確把握微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的量化關(guān)系，必將極大地促進(jìn)纖維水泥及其混凝土的增強(qiáng)、增韌機(jī)理，從而推動纖維增強(qiáng)增韌復(fù)合材料的研究與應(yīng)用。關(guān)于纖維材料增強(qiáng)增韌作用 機(jī)制主要有以下兩種 理論 。 (1)橋接理論 Shah【 P. Shahb. Fiber Reinforced Concrete. Handbook of Structural Concrete. 1984】 認(rèn)為 :纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的增韌作用在于這種復(fù)合材料在基體中出現(xiàn)第一條裂縫后，如果纖維的拉出抵抗力大于出現(xiàn)第一條裂縫時的載荷，則它能承受更大的載荷，在裂開的截面上基體不能承受任何拉伸，而纖維承擔(dān)著這個復(fù)合材料的全部載荷，隨著復(fù)合材料上荷載的增大，纖維將通過粘結(jié)應(yīng)力把附加的應(yīng)力傳遞給基體，如果粘結(jié)應(yīng)力不超過纖維與基體的粘結(jié)強(qiáng)度，基體就會出現(xiàn)更多的裂縫，這種裂縫增多的過程將繼續(xù)下去，直至纖 維斷裂或被拔出。 (2)纖維間距理論 纖維間距理論是 1963 年 Romualdi 和 Baston 針對亂向短鋼纖維增強(qiáng)混凝土提出的。 Romualdi 等人從線彈性斷裂力學(xué)原理出發(fā)，提出以纖維平均間距作為基本參數(shù)的增強(qiáng)機(jī)理，稱為纖維間距理論。該理論認(rèn)為水泥基體內(nèi)部存在不同尺度層次的孔隙和缺陷，并造成應(yīng)力集中，為了提高水泥基材料的強(qiáng)度就必須減少裂縫的尺度和數(shù)量，緩和應(yīng)力集中的程度，提高抑制裂縫發(fā)展的能力。在水泥基體中摻入纖維將發(fā)揮約束裂縫發(fā)展的作用。纖維平均間距越小，則緩和裂縫應(yīng)力集中的作用越大，纖維的強(qiáng)度和韌性的提 高程度也越大。 盡管纖維間距理論只強(qiáng)調(diào)纖維間距的影響，且尚有不全面之外，但是對纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理至今仍有指導(dǎo)作用。 纖維的選取 根據(jù)復(fù)合材料原理 [11]， 作為增強(qiáng)增韌的纖維材料要滿足以 下 幾個條件 :①能夠均勻分布在水泥基體中形成網(wǎng)絡(luò) :②其長徑比大于臨界長徑比 :③有合適的彈性模量，纖維與水泥基體的彈模比應(yīng)該盡可能高 :④有較高的抗拉強(qiáng)度 :⑤纖維應(yīng)該具有一定的親水性，與水泥界而有較好的粘結(jié)。 對于應(yīng)用于固井行業(yè)的纖維，除了滿足上述要求之外，還須具各 :①最大纖橡膠粉、纖維及 二元復(fù)合 對 水泥 石力 學(xué) 性能 的影響 11 維尺寸能夠通過浮箍和多級接 箍等井 下 注水泥裝置進(jìn)行泵送 :②最小尺寸使能夠抵抗射孔而產(chǎn)生的沖擊力和破壞力。 纖維材料的作用與諸多因素有關(guān) [12]:①彈性模量 :彈性模量高的纖維有利于水泥基體和纖維之間的應(yīng)力傳遞，提高水泥石的抗折強(qiáng)度 ； 彈性模量低 且 延展性好的纖維則有利于提高水泥石的斷裂韌性。②纖維的長度 :纖維過長，影響水泥漿體的流變性能和施 工 性能 :纖維過短，對水泥石韌性和抗沖擊性能的改善小是很顯著。③纖維的直徑 :纖維太粗則小易彎曲，太細(xì)又容易彎曲成團(tuán) 。 ④纖維的形狀 :小規(guī)則纖維的增強(qiáng)增韌效果比規(guī)則纖維要顯著，異形化纖維的增強(qiáng)增韌作用效 果最佳，小過將纖維異形化會增加生產(chǎn)土藝的難度和纖維制品的價格。⑤纖維的摻量 :纖維的摻量對水泥石抗壓強(qiáng)度的影響 不 大，但能夠提高水泥石的韌性和抗沖擊性能。 應(yīng)用于水泥漿中的纖維通?？煞譃閯傂岳w維和非剛性纖維，非剛性纖維又分為高彈模纖維和低彈模纖維。為尋找增韌效果顯著的纖維材料，實驗在眾多種類的纖維中選擇 兩種 種具有代表性的纖維作為試驗對象。高彈模 性無機(jī) 纖維 CSD66和金屬纖維。 纖維的篩選首先進(jìn)行單一纖維的評價，考慮到混雜纖維的增韌效果優(yōu)于單一 纖維體系，故在隨后的試驗中會將性能優(yōu)異的纖維復(fù)配， 并 評價其增 強(qiáng)增韌效果。 具體方法是 :將 加 量不 同纖維材料的水泥石試件，養(yǎng) 護(hù)到 24 小時 后取出，用壓力機(jī)或抗折儀測量，根據(jù)其 24 小時 的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗結(jié)果確定適宜的纖維 加量 。 無機(jī)纖維 CSD66對 水泥 石 力 抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度 的影響 CSD66 簡介 CSD66 纖維是一種短切無機(jī)纖維，長度為 3~5mm， 淡黃色，呈團(tuán)狀， 具有較好的親水性。 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 圖 31 無機(jī)纖維 CSD66 圖 32CSD66 溶于水?dāng)嚢韬髨D像 實驗結(jié)果 橡膠粉、纖維及 二元復(fù)合 對 水泥 石力 學(xué) 性能 的影響 13 表 31CSD66 纖維 不同加量對應(yīng)水泥石抗 壓 強(qiáng)度 序號 纖維加量 % 抗壓強(qiáng)度 Mpa 變化率 % 1 0 0 2 3 1 4 5 2 冷漿， 50℃ 養(yǎng)護(hù) 24 小時 024681012140 1 2 纖維加量（%）抗壓強(qiáng)度（MPa） 圖 33 CSD66 纖維不同加量對應(yīng)水泥石抗壓強(qiáng)度曲線 表 32 CSD66 纖維不同加量對應(yīng)水泥石抗折強(qiáng)度 序號 纖維加量 % 抗折強(qiáng)度 Mpa 改善 % 1 0 2 3 1 4 5 2 冷漿， 50℃ 養(yǎng)護(hù) 24 小時 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 01234560 1 2 纖維加量（%）抗折強(qiáng)度（KPa） 圖 34 CSD66 纖維不同加量對應(yīng)水泥石抗折強(qiáng)度曲線 加入 CSD66 的水泥漿 流動度有所降低，稠化度有所增加，裂縫和脫落現(xiàn)象 在壓裂后沒有出現(xiàn) 。特別是加入 CSD66 的水泥 石 在抗折實驗后，沒有出現(xiàn)完全斷裂的現(xiàn)象，而是在裂縫出有纖維牽連。 圖片如下 圖 35 加入 CSD66 纖維的模子壓 碎 圖像 橡膠粉、纖維及 二元復(fù)合 對 水泥 石力 學(xué) 性能 的影響 15 圖 36 沒有加纖維的模子 斷裂 后的圖像： 圖 37 加有纖維的模子斷裂后的圖像 通過表 31 和 32 可以發(fā)現(xiàn)： 當(dāng) 隨著 CDS66 量的增加，抗壓強(qiáng)度 總趨勢 是增大的， 但也存在減小的情況。在 加量 %時 抗壓強(qiáng)度 增大的速度快，在 加量 %后抗壓強(qiáng)度增到速度減慢 ，抗壓強(qiáng)度最大增量為 %。當(dāng)隨著 CDS66 量的增加，抗折強(qiáng)度 一直 是增大的，而且存在最佳 加量 。在加量為 1%時，抗折強(qiáng)度增加最大，達(dá)到 %。 可以看出，纖維對水泥 石 的抗折強(qiáng)度影響比抗壓強(qiáng)度影響更大。 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 結(jié)果分析 按照普通 水泥 石 強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律，其抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度的增長應(yīng)該是基本一致的 。 纖維的 加入 使纖 維 水泥 石 的抗折強(qiáng)度得到較大提高 ， 但對 水泥 石 的 抗壓強(qiáng)度 卻 有減小的現(xiàn)象 出現(xiàn) 。這與纖維類材料 在 水泥 石 中的作用機(jī)理有關(guān)，由于普通 水泥 石 內(nèi)部存在不同程度的微細(xì)裂縫，而微裂縫對抗折強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)大于抗壓強(qiáng)度，纖維的存在會減少微細(xì)裂縫的形成，并阻礙微細(xì)裂縫的發(fā)展，因此其對 抗拉強(qiáng)度的貢獻(xiàn)較大 [13]。 纖維材料之所以能使得強(qiáng)度 韌性 提高 ， 其主要原因是材料中纖維數(shù)達(dá) 3000萬根 /千克 14]， 即纖維有效地阻 止 了基體裂紋擴(kuò)展 。 當(dāng)纖維水泥受到很大的沖擊載荷時 ， 水泥基體破碎 ， 但亂向分布的纖維將破碎的水泥基體束縛在一起 ， 從 而仍保持完整的結(jié)構(gòu) 。 纖維材料的增切作用在于 ： 纖維材料能夠阻止水泥石中微裂縫的發(fā)展 ， 顯著增強(qiáng)水泥石的抗裂 能力 。纖維水泥中的纖維能與水泥基體共同承受外力。在受荷初期 ， 基體是主要承受外力者 。 當(dāng)基體發(fā)生開裂后 ， 橫跨裂縫的纖維就成為外力的主要承受者 ， 可繼續(xù)承受較高的載荷 并 產(chǎn)生較大的變形 ， 直至最后纖維被拉斷或從基體中拔出 而 破壞。 纖維的阻裂作用： 在撓曲載荷作用 下， 提高水泥基材料形成可見裂縫時的承載能力 。防止水泥漿體的收縮開裂 。在疲勞載荷作用 下 阻止裂縫擴(kuò)展 。在沖擊載荷作用 下 對裂紋尖端應(yīng)力場形成屏蔽 而 提高水泥石的斷裂 韌性 纖維的 增韌作用 ： 基體開裂后 ， 由于纖維拔出或纖維彈性伸長 ， 水泥基受拉時表現(xiàn)出假塑性行為 。纖維水泥在動力載 荷作用 下 彎曲斷裂時能吸收大量的