Что такое водотвердое отношение

Методы определения свойств тампонажного раствора.

Тампонажные растворы характеризуются многими парамет­рами, однако для практики наибольший интерес представляют свойства, измерение которых оперативно и несложно. К сожале­нию, существующие приборы и методы определения свойств там­понажных растворов несовершенны, и часто простота измерения идет в ущерб соответствию полученных оценок реальной дейст­вительности.

Основные параметры тампонажных растворов: плотность, подвижность, консистенция, водоудерживающая способность, сроки схватывания, прочность структуры, седиментационная ус­тойчивость, водотвердое отношение. Реологические свойства тампонажных растворов характеризуются вязкостью и динами­ческим напряжением сдвига.

Плотность Измеряется ареометрами АГ-ЗПП или АБР-1.

Подвижность Раствора характеризует возможность его про­качивания насосом, определяет величину гидравлических сопро­тивлений при тампонировании и особенности поведения раство­ра при заполнении каналов.

На практике подвижность оценивают по растекаемости там­понажного раствора, которая определяется на конусе АзНИИ. Этот прибор (рис. 64) состоит из усеченного конуса-кольца 1 Массой 300 г, имеющего внутренние диаметры верхнего основа­ния 36 и нижнего 64 мм, высоту 60 мм, объем 120 см3. Конус устанавливается на съемное стекло 2,Которое, в свою очередь, помещают на круглую плиту, расчерченную концентрическими окружностями. С помощью регулировочных винтов 3, Служа­щих одновременно и опорами прибора, плита со стеклом пред­варительно по уровню устанавливается в горизонтальное положение. Конус ставится в центре круга.

Для измерения растекаемости готовят 250 см3 раствора за­данного состава и после перемешивания в течение 3 мин зали­вают его в конус вровень с верхним кольцом. Затем конус плавно поднимают вверх, и раствор растекается по стеклянному кру­гу основания. Во взаимно перпендикулярных направлениях оп­ределяют наибольший и наименьший диаметры круга расплыва и по ним вычисляют средний диаметр в см.

Рис. 64. Конус АзНИИ для опре­деления Рис. 65. Схема консистометра:

Растекаемости тампонаж­ных растворов

1 — плита; 2 — Гидрозатвор; 3 — Шкала; 4 — Стрелка; 5 —пружина; 6 — Термо­метр; 7 — крышка; 8 — Печь; 9 — стакан;10 — мешалка; 11 — упор мешалки; 12 — редуктор; 13 — электродвигатель

От подвижности раствора в первую очередь зависит всасы­вающая способность насоса. Считается, что удовлетворительное всасывание обеспечивается при растекаемости не менее 17 — 18 см. Подвижность тампонажных составов определяется не только рецептурой, но и временем и интенсивностью перемеши­вания при приготовлении. Особенно это актуально для раство­ров на основе вяжущих добавок. Поэтому растекаемость как критерий подвижности — очень условный параметр.

Более надежно, но сложнее определяется способность тампо­нажного раствора к прокачиванию с помощью консистометра. Этот прибор позволяет оценить сопротивление раствора переме­шиванию лопастной мешалкой. Интенсивность перемешивания при измерениях должна соответствовать интенсивности переме­шивания при движении раствора в скважине во время тампони­рования. С помощью консистометра определяют и загустевание тампонажного раствора в процессе перемешивания.

Схема консистометра показана на рис. 65. Консистометр представляет собой вращающийся цилиндрический сосуд — ста­кан 9, Внутри которого находится лопастная мешалка 10. Ось последней связана с калиброванной пружиной 5, С помощью ко­торой измеряется усилие, передаваемое на лопасти мешалки при перемешивании раствора. Прибор укомплектован электрической печью 8, Позволяющей выполнять измерения при различных тем­пературах. Консистометр тарируется в условных единицах по истинно вязким жидкостям.

Для определения консистенции приготовляют 650 см3 тампо­нажного раствора и заливают его в стакан 9. Уровень раствора при этом не должен доходить до верхнего края цилиндра на 3 см. Затем в стакан опускают мешалку, включают электродви­гатель 13 И одновременно пускают секундомер. С момента при­готовления раствора до момента пуска электродвигателя долж­но пройти не более 5 мин. После пуска электродвигателя в те­чение 20 мин через каждые 2 мин записывают показания стрел­ки 4 Прибора. Наименьшее из десяти значений будет характери­зовать консистенцию тампонажного раствора.

Раствор считается достаточно подвижным, если его конси­стенция не превышает 20 условных единиц. Консистенция — бо­лее правильная количественная оценка подвижности, отражаю­щая физическую сущность процесса перемешивания раствора, но консистометры довольно сложны.

Водоудерживающая способность Тампонажного раствора ха­рактеризует, с одной стороны, его устойчивость как дисперсной системы, а с другой — способность к образованию тампонов в трещинах в процессе водоотдачи. Для некоторых тампонажных растворов, например цементных, водоудерживающую способ­ность необходимо повышать, в противном случае раствор будет расслаиваться.

Седиментационная неустойчивость приводит к тому, что за­твердевает лишь нижняя часть раствора в трещинах либо он во­обще не схватывается. В других растворах, например глиноцементных, водоотдачу нужно увеличивать. Такие растворы в про­цессе течения по трещинам интенсивно отфильтровывают воду в пористые стенки, что сопровождается резким повышением рео­логических параметров. Остановка раствора в трещине приво­дит к образованию плотного тампона. Чем интенсивнее водоотда­ча, тем активнее протекают эти процессы.

Показатель водоудерживающей способности тампонажного раствора — водоотдача, которая определяется на приборах ВМ-6 с использованием специальных бланков с двойной лога­рифмической сеткой (рис. 66). Порядок измерений такой же, как при определении водоотдачи глинистых растворов, и также приводится ко времени фильтрации — 30 мин.

Измеренная водоотдача может быть абсолютной, когда объ­ем отфильтровавшейся жидкости за 30 мин меньше объема жидкой фазы раствора в стакане прибора, и условной (относи­тельной), когда водоудерживающая способность раствора не­большая, т. е. объем жидкой фазы, отфильтровавшийся за 30 мин, больше объема в стакане прибора. Положение риски прибора в процессе измерений наблюдают через 10, 15, 20, 25, 30, 45 с и 1, 2, 3, 5 и 10 мин с момента открытия клапана.

Рис. 66. Бланк с двойной логариф­мической Рис. 67. Прибор ВИКа

сеткой для измерения по­казателя фильтрации

Величина условной водоотдачи может быть получена расчет­ным путем по формуле

Где В30 — условная водоотдача за 30 мин, см3; В’T’ — количество жидкости, отфильтровавшейся из тампонажного раствора за время T’, См3; T’ — время от начала опыта, мин.

Сроки схватывания (твердения) — один из важнейших пара­метров тампонажного раствора — определяются в статических условиях прибором ВИКа (рис. 67). Прибор состоит из кругло­го металлического стержня 4, Свободно перемещающегося в вертикальной обойме 5 станины 1. Для закрепления стержня на желаемой высоте служит зажим 2.В нижнюю часть стержня 4 Ввинчивается стальная игла 6 Диаметром 1,1 мм и длиной 50 мм. На кронштейне станины укреплена шкала 3. В комплект прибора входит кольцо 7 с подставкой 8. Масса подвижной си­стемы прибора 300 г.

Для определения сроков схватывания готовят 300 см3 там­понажного раствора, который после трехминутного перемеши­вания заливается в кольцо 7. Перед началом измерения игла 6 Должна слегка касаться поверхности раствора. Способ основан на периодическом измерении глубины погружения в исследуе­мый раствор стержня (иглы) площадью сечения 1 мм2 под дей­ствием нагрузки в 3 Н. По мере загустевания раствора движение иглы в нем замедляется. Время, прошедшее от момента затворения до момента, когда игла не доходит до дна сосуда с рас­твором на 1 мм, называют временем начала схватывания. Вре­мя, прошедшее от момента затворения до момента, когда игла погружается в раствор не более чем на 1 мм, называют време­нем конца схватывания.

Сроки схватывания тампонажных растворов — условные па­раметры, так как в их основу положены условные критерии. Процесс упрочнения раствора и превращения его в тампонаж­ный камень по физико-химической сути не имеет критических точек, делящих его на различные стадии. На сроки схватыва­ния влияют давление, минерализация пластовых вод и химиче­ский состав тампонируемых пород. Однако попытки выполнять измерения с учетом этих факторов при существующих методах определения сроков схватывания не имеют смысла. Такой учет дает лишь качественную картину изменения процесса схваты­вания.

В то же время для успешного тампонирования нужно четко знать время, которым располагают исполнители для проведе­ния работ. В этом отношении измеряемые сроки схватывания дают самое общее представление об этом времени. Если начало схватывания наступает, например через 1 ч, это не значит, что исполнитель работ имеет в своем распоряжении этот час. По­этому, готовя раствор для тампонирования скважины, исполни­тели стремятся подстраховаться и увеличить время начала схватывания, а это приводит к резкому уменьшению эффектив­ности тампонажных работ.

Необходимо знать кинетику нарастания прочности структу­ры раствора во времени. Для этого измеряют пластическую прочность структуры раствора.

Пластическая прочность Рт Характеризует прочность струк­туры раствора при пластично-вязком разрушении, измеряется на приборе ВИКа по методу акад. П. А. Ребиндера, усовершенст­вованному М. С. Винарским. Вместо иглы прибор снабжается комплектом конусов из стали, алюминия или органического стекла с углами при вершине 30°, 45°, 60°, 90°. Кроме того, не­обходимо иметь кольцо большего размера (диаметром 127 — 146 мм) и соответствующего размера подкладную пластину.

Методика измерений следующая. В кольцо 7 Высотой 40 мм (см. рис. 67), установленное на пластине-поддоне 8,Заливают тампонажный раствор. Поверхность раствора тщательно вырав­нивают. Подвижный стержень 4 Прибора с укрепленным в ниж­ней части конусом (показан пунктиром) устанавливают таким образом, чтобы конус чуть касался поверхности раствора, и в таком положении фиксируют зажимом 2. Через определенное время выдержки зажим отпускают, подвижную систему осво­бождают и конус погружается в раствор на определенную глу­бину. Величина погружения фиксируется по шкале 3.

Затем конус поднимают, насухо протирают и устанавливают в исходное положение. Кольцо 7 С пробой раствора смещается с пластиной 8 По плите-основанию таким образом, чтобы после очередного погружения конуса центры лунок находились на рас­стоянии не менее трех диаметров предыдущей лунки. Через заданное время выдержки нажатием кнопки зажима 2 Конус вновь освобождается, и измеряют глубину его погружения. Пластическая прочность Рт (в Па) вычисляется по формуле

Где К’α’ — коэффициент, зависящий от угла конуса; G’ — вес по­гружаемой системы, Н; H’ — глубина погружения конуса в там­понажный раствор, м.

Коэффициент К’α’ , определяется из выражения:

(α — угол при вершине конуса).

Так как пластическая прочность нарастает во времени, глу­бина погружения конуса постепенно уменьшается. Для повыше­ния точности измерений при достижении H = 0,5÷0,8 см конус заменяют более острым. Если использован самый острый конус комплекта, подвижную систему дополнительно нагружают, для чего в верхней ее части устанавливается съемный груз, величи­на которого зависит от конкретных условий опыта.

Рис. 68. Зависимость пластической проч­ности тампонажных растворов от времени стабилизации

Рекомендуется одновременно исследовать не менее трех об­разцов раствора и пластическую прочность выбрать как среднее из трех измерений. По результатам измерений строят кривую изменения пластической прочности во времени. Общий характер кривых для различных растворов приведен на рис. 68. Кривая 1 Характерна для цементного раствора, кривая 2 — для глинисто­го раствора с содержа­нием цемента 10%.

Общий характер кри­вых отражает физико-хи­мические изменения, про­исходящие в растворе с течением времени. Снача­ла прочность нарастает медленно, затем лавино­образно ускоряется, пос­ле чего вновь замедляет­ся, асимптотически при­ближаясь к конечному значению. На каком-то этапе лавинообразного участка упрочнения пла­стическое разрушение структуры переходит в хрупкое. Но раствор не прокачивается задолго до этого момента.

Знание кинетики нарастания прочности позволяет оценить время, которым мастер располагает при неполадках в процессе закачки раствора. На этапе медленного набора прочности структуры раствора плас­тическую прочность можно считать аналогом статического на­пряжения сдвига. Тогда, если раствор находится в трубах дли­ной L’, Сопротивление раствора сдвигу Pθ определяется по формуле:

Где РСт —гидростатическое давление раствора в бурильных тру­бах; Па; D’ — внутренний диаметр бурильных труб, м.

Отсюда при максимальном давлении, развиваемом насосом, Рθmax, получим критическое значение пластической прочности Рт Кр, при котором насос не может продавить раствор в трубах:

Зная Рт Кр по кривой нарастания пластической прочности во времени для данного раствора можно найти время, за которое структура достигла критической прочности. Конечно, и здесь речь идет о приблизительной оценке, так как трудно учесть ряд факторов: время предварительного перемешивания, степень со­ответствия для данного времени статического напряжения сдви­га и пластической прочности, температуры в скважине и др. Но полученная оценка является количественной, отражает в дина­мике физико-химию процесса и может уточняться по мере по­лучения дополнительной информации.

Измерять пластическую прочность можно непосредственно на буровых установках перед проведением тампонажных работ.

Седиментационная устойчивость Тампонажных растворов ха­рактеризуется коэффициентом водоотделения и измеряется в процентах. Она определяется следующим образом. Испытуемый раствор заливают в два мерных цилиндра объемом 250 см3 каж­дый и оставляют в покое на 3 ч. Для предотвращения испарения жидкости мерные цилиндры сверху накрывают. По истечении 3 ч по делениям на стенках цилиндров измеряют объемы жид­кости, отделившейся из раствора в каждом из них. По резуль­татам измерений вычисляют коэффициент водоотделения

Где V1 — первоначальный объем тампонажного раствора, см3; V2 — Объем осевшего тампонажного раствора, см3. За оконча­тельный результат принимается среднеарифметическое из изме­рений в обоих цилиндрах.

Раствор считается достаточно устойчивым, если коэффици­ент водоотделения не превышает 2,5%.

Водотвердое отношение (В/Т) Представляет собой отноше­ние масс воды и твердой фазы, необходимых для получения единицы объема раствора. Оно во многом определяет свойства тампонажных растворов. При известных составах воды и твердой фазы по водотвердому отношению обычно прогнозируются свойства раствора. И наоборот, желая получить определенные параметры раствора, нередко изменяют водотвердое отношение. Для тампонажных растворовВ/Т = 0,4÷0,8.

При однокомпонентной твердой фазе тампонажного раство­ра плотность и В/Т связаны следующей формулой:

Где рр, рт, рж — плотности соответственно раствора, вяжущего вещества, жидкости затворения.

При многокомпонентной твердой фазе сначала определяют ее среднюю плотность, а затем делают расчет по формуле (Х.7).

Реологические свойства тампонажных растворов (µ, η, τ0) определяют на тех же вискозиметрах, на которых измеряют свойства промывочных жидкостей.

Не все тампонажные растворы характеризуются полным на­бором приведенных выше параметров. Так, для оценки качества тапонажных растворов на основе цементов используют все ха­рактеристики; тампонажные пасты оцениваются водотвердым отношением и сроками схватывания; в полимерных тампонаж­ных растворах важны сроки твердения, а водотвердое отноше­ние и водоотдача теряют смысл.

Вид и состав тампонажного раствора, а в ряде случаев и технология использования определяют свойства, подлежащие оценке и контролю.

Источник

Оптимальное водотвердое отношение для ячеистых бетонов

Вопросы определения оптимального состава ячеистых бетонов представляют Большой интерес и привлекают внимание многих исследователей.

Инт. С. П. Хайнер предлагает методину расчета водотвердого отношения ячеистых бетонов. основанную на анализе зависимости объемного веса свежеприготовленной массы отводотвердого отношения.

Объемный вес ячеистых бетонов определяется главным образом содержанием порообразователя (пено- и газо- образователь) и водотвердым отношением. Путем регулирования расхода порообразователя и воды затворения можно получать ячеистые бетоны одинакового объемного веса, но разной прочности, структуры, с разными показателями усадки, водопоглощения и морозостойкости.

Свежеприготовленный ячеистый бетой представляет собой сложную физико-химическую систему, состоящую нз трех фаз: твердой, жидкой и газообразной.

Существенно важным является установленное положение о том, что при одном и том же расходе порообразователя объем газообразной фазы в ячеистых бетонах зависит от содержания жидкой фазы.

При слишком большом и слишком малом количестве воды затворения коэффициент использования парообразователя невелик.

Для ячеистых бетонов с весьма низким водотвердым отношением характерна неравномерная структура. В условиях пониженной влажности в пенобетонах частицы материала коагулируют, и в массе образуются сгустки, так называемая «крупа», в газобетонах — вязкое сопротивление суспензии препятствует пузырьку увеличиться до объема, который может занять содержащийся в пузырьке газ при данном давлении и температуре, в результате чего материалы получаются с неравномерной пористостью и пониженной прочностью:

Увеличение водотвердого отношения до определенного предела ведет к улучшению структуры и прочности ячеистых бетонов. Но при слишком высокой влажности наблюдаются явление расслаивания ячеистой массы и большие усадки.

Как показал ряд исследований, оптимальное водотвердое отношение, с точки зрения коэффициента выхода порообразователя, будет также оптимальным с точки зрения обеспечения найлучшей структуры и наивысшей прочности при заданном объемном весе.

Источник

Как правильно использовать строительные смеси

Строительные сухие смеси часто используют в строительстве и ремонте. При их использовании нередко допускают типичные ошибки. Чтобы определить проблему, возникающую при использовании смесей и быстро, эффективно устранить ее, необходимо знать на какой стадии использования смесей могут возникать определенные сложности.

Стадии использования строительных смесей

На стадии перемешивания компонентов ошибками могут быть нарушение последовательности добавления компонентов, сбой дозаторов или несоблюдение времени смешивания согласно технологии. В результате этого компоненты в составе строительной смеси будут распределены неравномерно, что приводит к различным нарушениям, например, несхватыванию смеси и т. д.

На стадии сухо смеси проблемы связаны со сроками и условиями хранения материала Особенно подвержены этому цементно-песчаные смеси и гипсовые. Цемент при длительном хранении становится недостаточно прочным, песок постепенно осаживается на дно, а гипс при длительном хранении увеличивает установленное время схватывания смеси.

На стадии затвора смеси все ошибки и проблемы связаны с некачественным замесом и неправильной дозировкой воды. Также часто возникают сложности вследствие длительного хранения готовой смеси. Что касается последних стадий использования смесей, то здесь проблемы возникают, как правило, вследствие нарушения влажностного, температурного режима и увеличения сроков использования готового состава. А все проблемы, возникающие на стадии покрытия, связаны с ошибками предыдущих этапов работы.

Проблемы, возникающие при использовании цементно-песчаных и самонивелирующихся смесей

Основными проблемами, которые могут возникнуть при использовании самонивелирующихся составов, литых бетонов и цементно-песчаных смесей, являются длительное несхватывание раствора, появление трещин на поверхности и вспучивание поверхности.

Рассматривая передозировку воды в процессе приготовления раствора, необходимо понимать, что различают водотвердое и водоцементное отношение. Водоцементное отношение определяет количество воды, необходимое для приготовления смеси, которая наберет прочность в установленные проектные соки.

Что касается низкого качества цемента, то приобретая сухие строительные смеси всегда необходимо обращать внимание на срок годности материала. Если раствор не схватывается, причиной может стать нарушение температурного и влажностного режима. Если изменить условия использования раствора, то гидратация цемента замедляется, и вода хуже испаряется, приводя к длительному несхватыванию раствора.

Для исправления этой ошибки можно воспользоваться двумя способами. Так, можно использовать включенный на обогрев термовентилятор (если холодно), или обеспечить циркуляцию воздуха (если влажно и жарко).

При высокой температуре или низкой влажности вода из раствора усиленно испаряется, что и вызывает появление трещин. Для предупреждения появления трещин специалисты рекомендуют постоянно увлажнять раствор, особенно в жару. Если трещины появляются вследствие введения недостаточного количества воды в раствор и получения густого раствора лучше заменить прослойку. Если же это по каким-то причинам невозможно или нежелательно, тогда в течение суток следует увлажнять раствор. Но когда и после этого ситуация не меняется, а раствор отходит от подложки, необходимо будет снять и заменить прослойку.

При появлении трещин следствие с плохо или неправильно подготовленного основания, т. е. когда основание является гидрофильным, лучше всего прослойку снять, подложку хорошо прогрунтовать и правильно просушить, после чего в соответствии с технологией нанести новый слой раствора. Можно и не снимать раствор, а трещины замазать жидким цементом. Проверить поверхность нужно не ранее, чем через трое суток. Если проблема не устранена и с поверхности снимается песок или цементная пыль, все0таки придется менять прослойку.

Вспучивается покрытие и отходит от подложки в том случае, если раствор нанесен был на пыльное основание. В такой ситуации необходимо снять слой, очистить подложку, хорошо ее промыть, устранить грязь и пыль, потом – обработать грунтовочным составом и высушить. После этого можно наносить новый слой раствора.

Применение гипсовых штукатурок

При использовании гипсовых или известковых цементно-песчаных штукатурок также нередко возникают проблемы. Они во многом аналогичны сложностям, возникающим с литыми бетонами или самонивелирующимися составами. В основном, это неправильная технология нанесения состава либо нарушение температурного режима или влажностного. Также проблемы появляются при неправильной подготовке основания и увеличении допустимого слоя раствора, который можно нанести за один проход.

Часто появление трещин наблюдается при нанесение штукатурок на старые кирпичные или бетонные поверхности. Причиной этого является использование некачественных или не соответствующих материалу основания составов, а также нарушение технологии их нанесения. Устранить такую проблему можно путем затирки трещин штукатуркой или жидким цементом. Также поможет расшивка трещины и оштукатуривание.

Такие варианты возможны при появлении отдельных трещин. Если же трещины появились на всей поверхности, тогда придется снимать покрытие и заново обрабатывать поверхности, соблюдая технологию.

Если на поверхности имеются пустоты, тогда необходимо их заполнить штукатуркой в несколько заходов. Можно также заполнять трещины ремонтным раствором.

Помимо кирпичных и бетонных поверхностей, гипсовая штукатурка наносится и на поверхности из легких бетонных блоков, т. е. на пенобетонные и газобетонные поверхности. Так как правильная укладка предусматривает нанесение тонкого слоя штукатурки, толщиной не более одного сантиметра, то слой штукатурки нередко получается рыхлым и недостаточно прочным. Это объясняется пористой структурой поверхности легких бетонов, которая сильно впитывает влагу из растворов. Чтобы избежать такой проблемы, специалисты советуют обрабатывать оштукатуренные поверхности из легких бетонов специальными латексными составами. Можно также использовать укрепляющую грунтовку.

Однако нанесение нового слоя и предварительная зачистка поверхности в этой ситуации будет лучшим решением, рекомендуемым большинством мастеров. При отсутствии в продаже специальных составов для обработки легких бетонов, можно использовать и обычную штукатурку, добавив в нее плиточный клей в пропорции 5:1.

При использовании готовых гипсовых штукатурок, произведенных на специальных заводах, разного рода сложности возникают нечасто. Такие штукатурки нельзя использовать для отделки фасадных поверхностей или влажных стен. Некоторых начинающих мастеров настораживает внешняя сырость штукатурного гипсового покрытия. Чтобы не возникало вопросов, важно понять, что понятия набор прочности и высыхание поверхности – это не одно и то же, а разные определения. Так, если внешне слой гипсовой штукатурки кажется сыроватым, но набрал достаточно твердости, значит, последующие работы уже можно проводить.

Если знать причину появления сложностей в процессе работы с сухими строительными смесями, тогда найти решение проблемы несложно. Хотя всегда лучше предотвратить возникновение проблем, используя строительные смеси.

Источник