【正文】 入水泥漿后存在分散不均 勻的問題，且實驗時也一直存在 CF 分布不均勻這一難題，因此考慮采用單一鋼纖維增韌水泥石。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。鋼纖維的長度為單根鋼纖維兩端間的直線距離，其長度不可以太短，否則影響增強效果；也不可以過長，否則在攪拌過程中容易結團，難以在水泥漿中均勻分布 [13]。 （ 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 。 （ 4）礦物細摻料 由于鋼纖維（圖 ）比重較大，為了使得 SF 在水泥漿中不出現(xiàn)沉積現(xiàn)象需加入微硅粉提高水泥漿穩(wěn)定性，以有助于懸浮鋼纖維，并使其均勻分散。 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，國內一般以 %為最小體積 [14]。而影響纖維分散的均 勻性的因素有很多，主要影響因素有：鋼纖維的體積率、長徑比和品種、水灰比、攪拌和振搗方式。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。主要是因為它的養(yǎng)護與普通的純水泥漿的養(yǎng)護相同，用 1604040cm 三聯(lián)模軟聯(lián)成型后在恒溫水浴箱里面養(yǎng)護。 物理力學性能 （ 1）抗折強度 本實驗使用 DKZ5000 型電動抗折試驗機來測試抗折強度，其斷裂模式為拔出斷裂。 表 加入 SF 后的抗折強度 編號 測得數(shù)據（ kN） 1 2 3 Rf平均值 （ kN） 抗折強度 Rf （ MPa） S01 S02 S03 S04 S05 S06 7 7 由表 和圖 不難看出水泥石的力學性能與 SF 的加量有一定關系，加得太少或者太多都會對水泥石的抗折強度均有一定影響，其中在加量為 2%～ 4%時抗折強度比較高。 （ 2）抗壓強度 表 加入 SF 后的抗壓強度 編號 測得數(shù)據（ 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。 由圖 可以看出隨著加量百分比的增加抗壓強度呈現(xiàn)上升的趨勢，是因為加入鋼纖維后，它對整個水泥石基體起到了一個支撐的作用。 （ 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。 小結 國內外的實驗研究發(fā) 現(xiàn)，在水泥漿中加入鋼纖維，可以使得水泥石基體獲得很好的增強、增韌和阻裂的作用，可顯著的改善其脆性的性質。 目前在國內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。為確定適于水泥基體結構加固使用的 HFRP，首先選擇適當?shù)?SF 和 CF，測取 HFRP 的流動度、析水率、及其抗折和抗壓強度，了解在各種配合比下相應的力學性能的改變。 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節(jié)纖維的分散問題，并對比兩者的不同。 2） 析水率 表 HFRP 的析水率 編號 析水量（ mL） 析水率 （ %） CS01 CS02 CS03 CS04 CS05 CS06 CS07 CS08 CS09 CS10 3 3 3 3 3 3 3 % % % % % % % % % % 它的析水率平均在 %與純的水泥漿的析水率的 %十分相近，由于混雜纖維的加入使得纖維的分布的均勻性，以及和易性對析水率也有一定的影響，纖維分布 得愈好，則其析 水率愈低。 4） 抗壓強度 表 HFRP 的抗壓強度 編號 測得數(shù)據（ 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。由于問題的復 雜性，迄今尚無普遍意義的實用的 HFRP 力學模型和相應的混雜效應理論 [19]。 在本實驗中，由于實驗條件與實驗時間的限制我采用的是對它的抗折強度和抗壓強度，以及析水率和流動度的大校變化來對其力學性能的好壞進行判斷。 復合纖維與單一纖維增韌效果 根據復合材料領域的研究結可知 ，當纖維體積含量 11%時的情況下， FRP 的縱向拉伸性能取決于纖維強度。 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。 （ 1） 流動度 加入兩種纖維后的 HFRP 后其流 動度平均在 18 ㎝，這與單一纖維和純水泥漿的流動度相差不大。 （ 2） 析水率 由表 看出 HFRP 的析水率為 %，預制的純水泥漿的流動度 %，以及單一 CF 為 %、單一 SF析水率為 %。 （ 3） 纖維在水泥漿中的分散 在水泥漿中加入的纖維應該分散均勻，才能對水泥石起到增韌作用。 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。并且纖維可以阻止水泥基體中微裂縫的產生和擴展。水泥基體在在澆筑后的 24h 內抗拉強度很弱，若處于約束狀態(tài)，當其所含有的水分急劇蒸發(fā)的時候，極易生成大量裂縫，而均勻分布在水泥基體中的 可阻止裂紋擴展。圖 是在體式顯微鏡下 HFRP 的分布情況，從圖中可以看到鋼纖維的周圍有細小碳纖維的分布著，在本實驗中采取的是用長短大小和類型均不同的 CF和 SF，在對水泥石的增韌中 SF 是起到一個維持整體結構完整性的作用。 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，整個結構被完全破壞；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。 （ 5） 力學性能 表 HFRP 的力學性能 編號 CS01 CS02 CS03 CS04 CS05 CS06 CS07 CS08 CS09 CS10 抗折強度 Rf（ MPa） 抗壓強度 Rc（ MPa） 圖 加入 CF 和 SF 后的破壞形式 多元纖維復和增韌水泥漿的制備及性能研究 19 從圖 來看，根據配合比的變化抗折和抗壓強度也有所改變，在 CS07 和 CS08 上抗折和抗壓強度達到相對比較高的一個值。這與它 們各自單一纖維添加的時候的力學性能相符合。油井水泥石的一個顯著特點是基體內部存在許多初始微裂紋和微孔隙，當基體受沖擊力作用時微裂紋和微孔隙迅速發(fā)展，形成宏觀裂紋 （ 裂縫 ） 。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，纖維脫離粘結拔出乃至斷裂都需要一定能量，粘結越強，斷裂吸收的能量就越大； ⑤ 纖維與水泥粘結較強時，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拔出乃至斷裂吸收能量的總和 。當纖維水泥受到很大的沖擊載荷時，水泥基體破碎，但水泥漿中分布著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構。 西南石油大學本科畢業(yè)論文 20 4 結論及展望 由于 HFRP 所具有的單一 FRP 所沒有的復雜特性，現(xiàn)在創(chuàng)新的工作機理與結構特性與單一 FRP 的水泥基體結構有所區(qū)別，所以對增韌水泥基體結構的研究是有必要和有意義的。先分如下幾個方面總結得到的主要結論： （ 1） 通過室內實驗論證了纖維增韌油井水泥石的可行性； （ 2） 水泥漿中加入碳纖維后，其對提高水泥石抗折強 度的效果優(yōu)于鋼纖維 ，當 CF 加量為 3%時其對水泥石的增韌效果最好； 鋼纖維水泥石抗壓強度 較 高，明顯優(yōu)于未加纖維的水泥石 ； （ 3） 綜合來看，纖維混雜起到了很好的作用，復合纖維水泥石的性能要優(yōu)于單一纖維水泥石 。 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 領域的研究成果來指導實驗研究。 （ 2） 應對混雜纖維復合材料的其他方面特異而優(yōu)越性能 （ 如抗沖擊韌性、抗疲勞性能和導電機理等 ） 在結構加固上的應用開展研究。 （ 4） 以提高加固效率為目標，改善加固工藝，如進一步進行各項力學性能的實驗 研究以得出適于工程應用的配合比，在工程實際中加大力度推廣 HFRP 的應用。這本 論文給我在西南石油大學將近四年的學習生涯劃上一個完滿的句號。老師淵博的學識、熱愛學術的精神、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。 另外 2020 級的同個實驗室的同學給予的熱情參與和很