【正文】 。 1963 年，美國 Romualdi 首次發(fā)表了 “纖維阻礙機(jī)理 ”，促進(jìn)鋼纖維增強(qiáng)混凝土的開發(fā)。 70 年代后期中國建筑材料科學(xué)研究院研制成了含氧化鋯與氧化鈦的抗堿玻璃纖維以及低堿度的硫鋁酸鹽水泥，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了 “雙保險(xiǎn) ”GRC 路線，使得 GRC 的長期耐久性得到明顯的提高 [2]。而纖維在水泥漿中的分散程度不同，形成的水泥石的強(qiáng)度不同，纖維分散越均勻，其水泥石的強(qiáng)度就越大，水泥石的壽命就越長，水泥石所獲得的性能也越好。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(gè)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(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度都有一定的提高，但當(dāng)水泥石在拉斷時(shí)，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(xué)改性作用。進(jìn)行了固井質(zhì)量的影響因素分析 ,提出了提高固井質(zhì)量的措施 ,并針對性地進(jìn)行了纖維水泥漿體系研究 ,分析了纖維改善固井質(zhì)量的機(jī)理。目前在中外的研究還是注重于碳纖維的開發(fā)， 本實(shí)驗(yàn)中采取的 SF 和 CF 混雜增韌還是一個(gè)較新的領(lǐng)域，需要更多的努力去完善它。 HFRP 具有單一 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。而且目前我國 CF 的大規(guī)模開發(fā)應(yīng)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)。 綜上所述， HFRP 加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)方法的研究具有重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價(jià)值， 從另一個(gè)方面 促進(jìn)和提高我國的土木科技水平，具有廣泛的應(yīng)用背景以及很好的社會(huì) 效益和經(jīng)濟(jì)效益。由表 可見單一纖維材料的優(yōu)缺點(diǎn)往往都非常明顯?？梢?CF 即模量高而延伸率低，目前研究的熱點(diǎn)集中在碳纖維加固的試驗(yàn)研究，并存在著一股盲目追求以碳纖維高強(qiáng)高模特性提高構(gòu)件承載力之勢，這與實(shí)際工程應(yīng)用又有著很大的矛盾 [5]。 表 高性能纖維的性能比較 表 ACI440 委員會(huì)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(hào) [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。 國內(nèi)外有實(shí)驗(yàn)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(yīng)變均只達(dá)到 %左右，即纖維延伸率僅發(fā)揮 l/3。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)。 纖維復(fù)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(yīng)可以讓纖維之間揚(yáng)長補(bǔ)短。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)。 HFRP 的某些性能偏離混 合定律的計(jì)算結(jié)果，這種現(xiàn)象稱為混雜效應(yīng)，向增加偏離稱為正效應(yīng)，向減少偏離稱為負(fù)效應(yīng) [9]?；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。單一 FRP 的性能差別越大，其混雜效應(yīng)就越為明顯，材料設(shè)計(jì)的自由也越大。 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)。 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(jià)。 （ 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。 西南石油大學(xué)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(diǎn)： ① 以材料強(qiáng)度、價(jià)格和性能為指標(biāo)，以提高增韌效果為最終目的，在纖維增韌的方法上進(jìn)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(gè)回路，避免了實(shí)驗(yàn)的盲目性。 根據(jù) API SPEC10 的規(guī)定， G 級(jí)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。養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間后，采用 DKZ5000 型電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)和 YA 300 電子液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)來測取其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。 （ 1）流動(dòng)度測定 流動(dòng)度是表示水泥漿沿管子流動(dòng)的可能性（即表示水泥漿流動(dòng)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]。 表 養(yǎng)護(hù)溫度對水泥漿流動(dòng)度的影響 稠化溫度（ ℃ ） 流動(dòng)度（㎝） 平均值 （ ㎝ ） 50℃ 60℃ 70℃ 80℃ 90℃ 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)論文 6 從表 可以看出，隨 著養(yǎng)護(hù)溫度的升高，水泥漿的流動(dòng)度有所下降，因?yàn)闇囟鹊纳呒铀倭怂酀{的水化速率，使得它的流動(dòng)度有所降低。常以克 /厘米 3（ g/cm3）表示。如不平衡應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。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。造成這種微小差異的原因有可能是游碼讀數(shù)時(shí)出 現(xiàn)的誤差或是在往密度計(jì)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。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。sn； （ 越接近于 0 越好 ） Φ300 —轉(zhuǎn)速為 300r/min 時(shí)粘度計(jì)的讀數(shù)； Φ100 —轉(zhuǎn)速為 100r/min 時(shí)粘度計(jì)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(jí)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(shí)候稠度系 數(shù)接近于 0。 （ 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。水泥漿靜置兩小時(shí)后形成的上層水應(yīng)用吸管吸走或輕輕傾倒出去，并在適當(dāng)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。 表 常規(guī)密度水泥漿的析水率 編號(hào) 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。 （ 5）水泥石強(qiáng)度測定 制備好的水泥漿采用 1604040cm 三聯(lián)模軟聯(lián)成型，在恒溫水浴箱中養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間后，取出水泥石測試其抗折、抗壓強(qiáng)度。 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。并且在圖上可以看到抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系，在 1d～ 3d 之間抗壓強(qiáng)度總體呈上升趨勢，到 4d 后出現(xiàn)下降的現(xiàn)象，可以看出養(yǎng)護(hù) 4d 的抗壓強(qiáng)度最高。 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。 單一碳纖維增韌 原材料與配合比 碳纖維是一種含碳量 90%以上的纖維狀無機(jī)碳化合物，具有抗拉強(qiáng)度高、彈性模量高、耐高溫 、耐腐蝕、抗疲勞、導(dǎo)電性能好與熱膨脹系數(shù)小等。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。 ① 碳纖維 如圖 所顯示本實(shí)驗(yàn)采用的是 平均長度為 1200181。m 的碳纖維，按照其纖維的平均長度，最佳的添加量為 %～ %范圍。 ③ 外加劑 Landy906L（ 分散劑 ） 、 Landy806L（ 降失水劑 ） 和 Landy19L（ 消泡劑 ） 。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。在此過程中，發(fā)現(xiàn) CF 難以分散均勻， 在制備碳纖維水泥漿時(shí)，由于纖維不容易均勻分散，且因?yàn)槔w維的脆性較大比較容易折斷，為此應(yīng)選擇專門的攪拌機(jī)，例如無葉片的柔性攪拌機(jī)，這種攪拌機(jī)的攪拌筒是用柔性較好的橡膠制成的，在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與擺盤的作用下，攪拌筒可在各個(gè)方位不停的攪動(dòng)，并拋擲與沖擊物料， 使得其均勻拌和 [11]。 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。 表 單一碳纖維配方 成分編號(hào) CF 甲基纖維素 Landy906L Landy806L 微硅 Landy19L C01 C02 C03 C04 C05 C06 % % % % % % % % / / % % % % % % % % % % % % % % / / 1% 2% 2% 1% % % % % % % 當(dāng)只能用普通砂漿機(jī)來制備碳纖維水泥漿，則必須同時(shí)加入礦物細(xì)摻料與表 面活性劑，在二者的協(xié)同作用下可以使得碳纖維分布得更均勻，水泥漿制好后進(jìn)行直接澆筑，進(jìn)行振搗使其更密實(shí) [12]。 （ 2）析水率的測定 表 加入碳纖維后水泥漿的析水率 編號(hào) 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。 （ 4）抗折、抗壓強(qiáng)度 根據(jù)公式 和 來計(jì)算水泥石的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度 ，加入碳纖維的水泥石在恒溫水浴箱中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)完畢在水泥石把持較濕潤的狀態(tài)下測取水泥石的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。 C02 和 C06 的抗折和抗壓強(qiáng)度較高。 小結(jié) 采用單一碳纖維增韌水泥石時(shí)，因碳纖維的價(jià)格昂貴，并且其加