Đọc truyện A. XI MĂNG

A. XI MĂNG

Trước Sau

Màu nền

Font chữ

Font size

Chiều cao dòng

XI MĂNG

KHÁI NIỆM CHUNG

Năm 1756, kĩ sư John Smeaton (người Anh) sáng chế ra bê tông hiện đại đầu tiên bằng cách bổ sung đá cuội, sỏi vào hỗn hợp bột gạch xay nhuyễn.

Xi măng( ciment) do Joseph Aspdin chế tạo bằng cách nung nóng đá vôi và sét, làm thay đổi tính chất hóa học, tạo ra loại chất kết dính bền vững hơn so với đá vôi nghiền bình thường.

Xi măng Portland (xuất phát từ tên các mẫu đá lấy từ hòn đảo Portland của nước Anh vì khi xi măng đông cứng nó rất giống với các loại đá này) do Joseph Aspdin phát minh năm 1824 là vật liệu nhân tạo được sản xuất bằng cách nung đá vôi với đất sét.

Ký hiệu PC30 và PCB30 được ghi trên bao bì có ý nghĩa như sau: PC là từ viết tắt của Portland Cement trong tiếng Anh, có nghĩa là Xi măng Pooclăng. Chỉ số 30 là cường độ 28 ngày của mẫu xi măng được xác định bằng đơn vị N/mm2. Tương tự như ký hiệu của Xi măng Pooclăng, PCB là từ viết tắt của Portland Cement Blended, có nghĩa là Xi măng Pooclăng hỗn hợp.

- Sự khác nhau giữa Xi măng Pooclăng và Xi măng Pooclăng hỗn hợp: Xi măng Pooclăng là hỗn hợp của clinker và thạch cao được nghiền mịn còn đối với Xi măng Pooclăng hỗn hợp, ngoài hai thành phần nêu trên, nhà sản xuất còn đưa thêm một hoặc nhiều loại phụ gia khoáng (có hoặc không có hoạt tính).

- Việc ghi nhãn PC30 hay PCB30 phụ thuộc vào tiêu chuẩn sản phẩm mà nhà sản xuất phải tuân thủ. Như đã phân tích ở trên, khi nhà sản xuất ghi nhãn bao bì là PC30 có nghĩa là lô hàng đó được sản xuất theo tiêu chuẩn ứng với chủng loại Xi măng Pooclăng. Khi nhà sản xuất ghi trên bao bì là PCB30, điều đó có nghĩa là sản phẩm được sản xuất theo tiêu chuẩn ứng với chủng loại Xi măng Pooclăng hỗn hợp (có thể so sánh tên các tiêu chuẩn này trên bao bì xi măng mà bạn có). Hiện nay, Tổng công ty Xi măng Việt nam vẫn có thể cung ứng cả hai chủng loại PC và PCB.

Định nghĩa

:xi măng là một loại vật liệu dạng bột, có thành phần khoáng vật nhất định, khi hợp nước tạo thành khối nhão, có thể đông cứng trong môi trường nước hoặc không khí.

II.

LINKE

Clinke là thành phần chủ yếu tạo nên xi măng.Clinke được sản xuất bằng cách nung nóng hỗn hợp thô đá vôi, sét trong môi trường có ôxy tới nhiệt độ 1400 – 14500C. Do bốc hơi không đều, hỗn hợp bịvón thành cục rắn chắc, kích thước 10 – 30 mm. Sản phẩm này được làm lạnh nhanh để giữ lại tính chất phản ứng của các khoáng vật thành phần.Clinke sau khi nghiền nhỏ, bổsung thêm thạch cao (CaSO4.2H2O) để điều chỉnh thời gian ngưng kết (hơn 5% sẽ

làm nứt xi

măng) và các khoáng vật khác như xỉ kim loại, cát thạch anh, khuê tảo để điều chỉnh tính chất… sẽthành xi măng.

2.1.

Thành phần hóa học

Trong clinke thường có các thành phần nhưsau:

–

CaO: quyết định tính chất hóa học của ximăng, thường CaO không ở trạng thái tựdo mà kết hợp với những ôxit khác thành khoáng vật khác nhau.

SiO2: tạo cho xi măng tính chất thủy lực, tỉ lệ SiO2tăng lên sẽ làm chậm thời gian ngưng kết nhưng sẽ làm tăng độ bền sulphat của xi măng.

Al2O3: tỉ lệ tăng sẽ làm rút ngắn thời gian ngưng kết, tuy nhiên lại làm giảm độ bền cơhọc của xi măng.

Fe2O3: tỉ lệ tăng sẽ làm tăng độ bền sulphat.

Một sốtiêu chuẩn về thành phần hóa học của clinke

Tỉ lệ CaO/SiO2không nhỏ hơn 2.

Thành phần MgO không vượt quá 5% khối lượng.

Tỉ sốFe2O3/Al2O3 ( hệ số trám) trong khoảng 0,9 – 2,0.

Các chất có hại:

MgO (< 4,5%), CaO tựdo (< 1%): hai chất này hydrat hóa chậm so với các thành phần khác trong clinke, làm tăng thể tích pha rắn không đều, dẫn đến phá hủy cấu trúc đá xi măng.

TiO2(4-5%): ảnh hưởng tốt đến quá trình kết tinh khoáng vật nhưng làm giảm độ bền của ximăng.

Ôxit kim loại kiềm (< 1%): gây phản ứng với SiO2làm nứt khối xi măng đã cứng, khó nung và ngăn CaO kết hợp với ôxit khác.

Fluorine (< 0,1%): chỉ cần một lượng nhỏ cũng làm giảm đáng kể sức bền của ximăng.

2.2. Thành phần khoáng vật

Clinke là hỗn hợp của các khoáng vật silicat và các khoáng vật tròn cạnh theo tỉ lệ 75/25. Trong các tài liệu về xi măng và clinke, để rút gọn tên các ôxit có trong thành phần hóa học, người ta viết tắt như sau:

C = CaO

F = Fe2O3

N = Na2O

P= P2O5

A = Al2O3

M = MgO

K = K2O

f = FeO

S = SiO2

H = H2O

L = Li2O

T = TiO2

Khoáng vật

Công thức phân tử

Viết tắt

% khối lượng xi măng

Thường

Lạnh

Kháng sunfat

Trắng

Alite

3CaO.SiO2

C3S

Blite

2CaO.SiO2

C2S

Tricalcium aluminate

3CaO.Al2O3

C3A

Calcium aluminoferrite

4CaO.Al2O3.Fe2O3

C4AF

Ngoài ra, trong ximăng còn có thủy tinh, bao gồm các aluminat, ferit không kết tinh, canxisilicat, các liên kết kiềm… với tỉ lệ 5 – 12%.

Tác dụng của các khoáng vật:

Alite: quyết định độbền của đá ximăng trong giai đoạn đầu. Tỉ lệ C3S càng tăng thì độ bền của đá xi măng cũng tăng theo, khi đông cứng tỏa nhiệt càng nhiều. Tỉ lệ phổ biến 40 – 65%.

Belite: quyết định độbền của đá xi

măng ở

giai đoạn sau. Tỉ lệ

C2S tăng sẽ làm xi măng cứng chậm, độ bền tăng theo thời gian, chống được ăn mòn của nước biển và nước ngầm. Tỉ lệ phổ biến 12 – 35%.

Tselit (C3A, C4AF): làm ximăng hydrat hóa nhanh, rút ngắn thời gian đông cứng, làm giảm độ bền của đá ximăng. C3A là khoáng vật hoạt tính cao nhất trong clinke, làm xi măng giảm tính chống ăn mòn của muối sunphat.

2.3. Thành phần độ

hạt

Kính thước các hạt xi măng càng nhỏ thì độ bền của xi măng càng cao.Khi chế tạo xi măng đông nhanh, kích thước hạt xi măng rất quan trọng. Bình thường, xi măng có thành phần độ hạt như bảng sau:

Kích thước hạt, µm

< 7

7 – 10

10-20

20-30

30-50

50-80

>80

Hàm lượng hạt, %kl

20-40

10-15

10-20

5-15

5-10

III. NGUYÊN TẮC SẢN XUẤT

Các thành phần cơ bản của xi măng (C3S, C2S, C3A, C4AF) được tạo thành sau khi nguyên liệu thô nung trong lò và trải qua một chuỗi các phản ứng hóa học ởnhiệt độhơn 1400oC. Nguyên liệu thô bao gồm đá vôi, silica, alumina và ôxit sắt.

Quá trình sản xuất như sau:

Đá vôi, san hô, vỏ sò, alumina, silica, ôxit sắt,… được nghiền thành bột mịn và pha trộn lẫn nhau tạo thành nguyên liệu thô. Thành phần nguyên liệu pha trộn trước khi vào lò tùy thuộc yêu cầu của clinke tạo thành.

Hỗn hợp nguyên liệu thô được đưa vào lò nung đểtạo thành clinke.

Clinke được làm lạnh nhanh, bổsung thêm thạch cao (3-5%), sau đó được nghiền vụn.

Sản phẩm nghiền vụn chính là xi măng.

Trước khi đưa vào lò nung, nguyên liệu thô có thể chuẩn bị bằng 2 phương pháp: phương pháp khô và phương pháp ướt.

Trong phương pháp ướt, hỗn hợp trộn dạng vữa nên dễkiểm soát thành phần. Tuy nhiên, cần phải tốn thêm năng lượng đáng kể để bốc hơi lượng nước thêm vào.

Nguyên liệu thô được đưa vào lò nung đểtạo clinke. Lò nung đặt hơi nghiêng và quay với tốc độ 1-4 vòng/phút, vận chuyển nguyên liệu từ từ đi qua lò. Lò được đốt nóng bằng dầu, khí hoặc than đá.

Trong lò nung có 6 khu vực gia nhiệt.

Khu vực

Khoảng nhiệt độ (0c)

Dạng phản ứng

Dưới 200

Bay hơi

200 tới 800

Nung sơ bộ

III

800 tới 1100

Kết tinh, khử cacbon

1100 tới 1300

Phản ứng tỏa nhiệt

1300 tới 1500 và giảm xuống 1300

Kết rắn, tạo C2S và C3S

1300 giảm xuống 1000

Làm nguội, tạo C3A và C4AF

Vai trò của quá trình làm nguội clinke

Chất lượng của clinke (và xi măng sau này) phụ thuộc vào tốc độ làm nguội clinke. Để thu được clinke tốt nhất, cần làm nguội chậm clinke xuống nhiệt độ1250oC, sau đó làm nguội nhanh, thường khoảng 18 – 20oC/phút.

Tốc độ làm nguội clinke quá chậm (4 – 5oC/phút) sẽ tạo ra loại clinke kém thủy hóa. Sức bền nén ban đầu tốt, nhưng sức bền lâu dài thấp.

Tốc độ làm nguội clinke quá nhanh (> 20oC/phút) sẽ tạo ra loại xi măng kém hoạt tính, không ổn định. Sức bền nén ban đầu thấp, nhưng sức bền lâu dài sẽ cao hơn.

Clinke được nghiền chung với thạch cao đểtạo thành xi măng. Thạch cao có tác dụng ngăn cản hiện tượng “đông nhanh”của clinke. Máy nghiền trộn lẫn clinke với các hạt bi sắt cứng. Khi máy nghiền quay, các bi sắt va đập và làm vỡ vụn clinke. Cỡ hạt của clinke trong khoảng 1 - 10 µm.

Nhược điểm của máy nghiền dùng bi sắt là hầu hết năng lượng (97 - 99%) chuyển hóa thành nhiệt năng. Nhiệt độ tăng có thể làm thạch cao bị khử nước, gây nên hiện tượng “đông giả”.

Bảo

quản

Xi măng được cất giữ trong các xi lô kín khí lớn, cách ly ẩm và CO2.

IV. TÍNH CHẤT CỦA XI MĂNG PORTLAND

Đối với vữa xi măng, cần thỏa mãn các yêu cầu chính sau:

− Trộn và bơm dễ dàng, có tính lưu biến tối ưu cho việc thay thế dung dịch khoan.

− Bảo đảm tính chất đồng nhất trong suốt quá trình bơm đẩy.

− Bảo đảm được độ kín khi đông cứng, không cho dầu, khí, nước rò rỉ vào khoảng không vành xuyến.

− Tạo liên kết tốt giữa ống chống và thành hệ.

− Phát triển độ bền nhanh khi bơm trám xong và có độ bền ổn định trong thời gian dài.

4.1. Độ mịn

Kích thước hạt xi măng càng nhỏ thì số lượng hạt trong một đơn vị khối lượng càng nhiều, tổng diện tích bề mặt các hạt càng lớn. Tổng bề mặt tham gia phản ứng lớn thì quá trình thủy hóa càng mạnh.Trong xi măng, các hạt có kích thước nhỏ hơn 7 µm ảnh hưởng tới tính chất của xi măng nhiều nhất. Khối lượng các hạt này thường chiếm 19-35% nhưng tổng diện tích bề mặt lớn hơn tất cả các phần hạt còn lại. Đối với xi măng thường, bề mặt đơn vị δ= 2800-3000 cm2/g.

Độ mịn của xi măng được xác định bằng rây.

Xác định bề mặt đơn vị δ một cách tuyệt đối chính xác rất khó. Một số phương pháp xác định δ như sau:

– Thông qua trị số các thành phần độ hạt với giả thiết là các hạt xi măng có kích thước khác nhau đều là hình cầu. Phương pháp này kém chính xác và ít được dùng.

–Bằng phương pháp hấp phụ: xác định lượng vật chất cần thiết để bao phủ bề mặt các hạt xi măng bằng một lớp phần tử chất hấp phụ nào đó. Chất hấp phụ thường dùng nhất là nitơ. Phương pháp này phức tạp và khó thực hiện, chỉ được dùng trong nghiên cứu.

–Bằng phương pháp thấm không khí: đo sức cản qua lớp bột xi măng đã lèn chặt khi bơm không khí qua nó. Phương pháp này được dùng phổ biến.

4.2. Khối lượng riêng

Xác định theo hai trường hợp:

Khối lượng riêng ởtrạng thái tựnhiên

Đo khối lượng riêng bằng bình thể tích 1 lít. Xi măng được cho rơi tự do qua lưới vào phễu đặt trên bình.

ρ x= (P2–P1)/ V (g/l)

Với: ρx –khối lượng riêng của ximăng

P1, V – khối lượng bình rỗng và thể tích bình

P2–khối lượng bình có ximăng

b. Khối lượng riêng ở trạng thái nén chặt

Đổ trực tiếp xi măng vào bình thể tích 1 lít. Xi măng được làm chặt bằng cách lắc bàn đến khi được một thể tích không đổi.

Khối lượng riêng của vữa xi măng bị giới hạn bởi tỷ số nước/xi măng. Vữa xi măng có tỷ trọng thấp thường được sử dụng để tránh hiện tượng phá vỡ vỉa đối với thành hệ yếu. Các phụ gia trong trường hợp này là silicate (với lượng nước trộn nhiều hơn) hoặc các vật liệu như pozzolan, nitrogen, ceramic.

Vữa có tỷtrọng cao được sử dụng khi thành hệ có áp suất cao với lượng nước tối thiểu cho phép (17.5 - 18 lb/gal). Tuy nhiên, thiết kế vữa xi ăng cótỷ trọng lớn cần chú ý hiện tượng mất nước, thời gian đông cứng ... Vữa có tỷ trọng cao được tạo ra bằng cách thêm những vật liệu có tỷtrọng lớn và giảm tỷ lệ nước.

4.3. Khả năng giữ nước

Xi măng cần có khả năng giữ nước nhất định, không tách riêng pha rắn và nước khi bơm trám. Sự tách nước ra khỏi khối vữa sẽ làm cho cột đá xi măng không đồng nhất, dễ tạo ra các “túi nước” làm tăng độ thấm nước của đá ximăng. Xi măng không giữ nước sẽ có độ linh động kém và khó bơm.

Khả năng giữ nước của xi măng được xác định qua hai chỉ tiêu:

Độ thoát nước

Độ bền lắng

a. Độ thoát nước

Xác định bằng công thức: B = K[N/X – (N/X)t]X

trong đó: B – lượng nước thoát ra

(N/X)t–tỉ lệ

nước/xi

măng khi nước thoát ra hoàn toàn

K – hằng số

X – lượng xi

măng khô ban đầu

Để làm giảm độ

thoát nước của xi măng, có thể giảm tỉ trọng, giảm tỉ lệ

N/X ban đầu, giảm kích thước hạt xi măng, thêm chất hoạt tính có tác dụng phân tán mạnh khi hòa tan.

b. Độ bền lắng

Khi xi măng không có cấu trúc tốt, liên kết ximăng với nước kém, dưới tác dụng của trọng lực, hạt ximăng sẽ lắng đọng, tách pha lỏng ra.

Độbền lắng được xác định bằng công thức:

k = (v1–v1)/v1(%)

trong đó: k – hệ số thoát nước, %

v1–thểtích ban đầu của vữa ximăng

v2–thểtích vữa ximăng còn lại

Xi măng được xem là có đủ độ bền lắng cần thiết khi k ≤2,5%.

4.4. Thời gian ngưng kết

Thời gian ngưng kết có ý nghĩa rất quan trọng đối với chất lượng trám xi măng. Quá trình ngưng kết và đông cứng của ximăng đặc trưng bởi 2 loại thời gian:

–Thời gian bắt đầu ngưng kết (tbđ):vữa bắt đầu đặc lại và mất khả năng linh động khi thủy hóa, độbền dẻo khoảng 1 – 1,5 KG/cm2.

–Thời gian kết thúc ngưng kết (tkt): thủy hóa ngày càng mạnh làm cho vữa ngày càng đặc, hoàn toàn mất tính dẻo nhưng vẫn chưa có độ bền cơhọc.

Thời gian kết thúc ngưng kết tương ứng với độbền dẻo khoảng 3 – 5 KG/cm2

Xác định thời gian ngưng kết

Có nhiều phương pháp xác định thời gian ngưng kết của vữa.

Dùng đường cong tạo cấu trúc: xây dựng đường cong tạo cấu trúc bằng dẻo kế Rebinder, xác định độbền dẻo theo thời gian.

Dùng dụng cụ Vik: xác định chiều sâu ngập vào vữa của thanh kim loại tiêu chuẩn dưới tác dụng của trọng lượng xác định. Thanh kim loại đường kính 1,1mm, dài 50mm, trọng lượng toàn bộ thanh kim loại để kim cắm vào vữa là 300G. Xi măng đựng trong cốc tiêu chuẩn, cao 40mm.

Thời gian bắt đầutính từkhi trộn vữa đến khi kim cách đáy cốc 1mm.

Thời gian kết thúc tính từkhi trộn vữa đến khi kim chạm đáy cốc.

4.5. Tính ổn định thể tích

Nếu thể tích ximăng giảm đi khi thành đá thì giữa thành giếng khoan, ống chống và vành đá xi măng sẽ xuất hiện các khe nứt, kênh rãnh mà nước, khí, dầu có thể thông nhau. Kết quả cách ly và trám xi măng không đảm bảo. Xi măng nở thường được dùng để trám giếng khoan. Sự thay đổi thể tích của đá xi măng phụ thuộc thành phần phụ gia và môi trường đông cứng. Thông thường, vữa xi măng đông cứng trong nước thì thể tích tăng còn trong không khí thì giảm.

Sự thay đổi thể tích của đá xi măng thường xảy ra trong 2-4 ngày đầu, sau đó ổn định dần.

4.6. Tính lưu biến

Các thông số lưu biến quan trọng của xi măng là độ nhớt dẻo và ứng suất trượt động. Hai thong số này luôn thay đổi trong quá trình từ khi trộn vữa đến khi vữa đông cứng thành đá xi măng. Đặc trưng tổng hợp của hai thông số trên gọi là

độlinh động

của vữa ximăng.

Độ nhớt dẻo và ứng suất trượt động khó xác định bằng thiết bị thường. Trong thực tế, độ linh động được đặc trưng gián tiếp và qui ước bởi độchảy tỏa và độ sệt.

Độ chảy tỏa đo bằng ống chứa vữa hình côn đặt trên kính vẽ có các đường tròn đồng tâm. Độ sệt đo bằng máy đo độ ổn định (consistometer).

Với xi

măng bình thường, độ chảy tỏa phải lớn hơn 18 cm (khi đo bằng thiết bị đo độ chảy tỏa tiêu chuẩn Mỹ). Độ sệt được qui định tùy theo thiết bị.Tính lưu biến của ximăng quyết định sức cản thủy lực khi tiến hành bơm trám. Để quá trình bơm vữa được thuận lợi, người ta thường thêm vào các hóa chất làm giảm các thông sốlưu biến. Các phụ gia này được gọi là các chất hóa dẻo.

V. LÝ THUYẾT VỀ SỰ RẮN CHẮC CỦA XI MĂNG

5.1. Phản ứng thủy hóa

Khi trộn xi măng với nước (thủy hóa ximăng), các khoáng vật trong xi măng sẽ tác dụng với nước, tạo thành các chất chứa nước khác nhau, gọi là các sản phẩm của quá trình thủy hóa ximăng.Các thành phần cơ bản của ximăng (C3S, C2S, C3A, C4AF) có tính chất động lực học thủy hóa khác nhau và ảnh hưởng đến khả năng đông cứng của vữa xi măng thành một loại đá nhân tạo.Quá trình thủy hóa ximăng bao gồm thủy hóa các silicat (chiếm hơn 80%) và thủy hóa các thành phần còn lại.

a. Thủy hóa các silicat

Quá trình thủy hóa sẽdiễn ra nhưsau, với x và y thay đổi và phụthuộc điều

kiện xảy ra phản ứng.

Đối với alite và belite:

3CaO.SiO2+ (3 + x – y)H2O = (3 – x)Ca(OH)2+ xCaO.SiO2.yH2O

2CaO.SiO2+ (2 + x – y)H2O = (2 – x)Ca(OH)2+ xCaO.SiO2.yH2O

x = 0: phản ứng xảy ra hoàn toàn, sản phẩm là silicat ngậm nước

x = 3: không xảy ra phản ứng

Ở nhiệt độ phòng, khi xảy ra phản ứng thủy phân, alite và belite sẽ tạo thành silicat ngậm nước với x = y = 1,5.

Đối với tselit:

–Ở nhiệt độ thường (25 – 30oC), thủy hóa C3A sẽtạo thành C4AH14, ở nhiệt độ cao sẽ tạo C3AH6 khá ổn định. Khi có thêm thạch cao và nhiệt độ thay đổi, sản phẩm có thể là sunfua aluminat canxi ngậm nước (3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O) hoặc mono sunfua aluminat canxi ngậm nước (3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O).

–Thủy hóa C4AF tương tựt hủy hóa C3A nhưng tốc độ phản ứng chậm hơn nhiều.

b. Thủy hóa các thành phần còn lại

– MgO: được thủy hóa đến khi tạo thành Mg(OH)2

– Sunfat kiềm sẽ nhanh chóng tan vào hỗn hợp khi trộn ximăng với nước lã.

5.2

. Giải thích quá trình rắn chắc của xi

măng

Chất lượng công tác bơm trám xi măng được đánh giá bởi sựtạo thành đá xmăng và các tính chất của nó. Quá trình chuyển tiếp vữa x

măng thành đá x

măng xảy ra rất phức tạp và nó phụ thuộc trực tiếp vào xi

măng, các thành phần có trong vữa và điều kiện đông cứng của vữa.Quá trình nói trên xảy ra từ

từ

qua các giai đoạn: thủy hóa, ngưng kết và đông cứng tạo độ bền.Quá trình đông cứng của vữa xi

măng thường xảy ra rất phức tạp và đã được nghiên cứu từ lâu nhưng chưa có sự giải thích thống nhất. Hiện nay, các cách giải thích cơ chế của quá trình đông cứng đều dựa theo 2 thuyết cổ điển:

Giả

thuyết kết tinh Lechatelier (1882)

Thuyết hóa keo Mikhaelix (1893)

Theo Lechatelier, các khoáng vật của clinke có độhòa tan lớn hơn nhiều so với các lien kết của chúng với nước. Do đó khi hợp nước, các khoáng vật này nhanh chóng hòa tan, xảy ra quá trình thủy hóa và trong vữa tạo thành các liên kết silicat, aluminat, ferit… tan chậm trong nước.

Vữa xi măng từ từ bão hòa các sản phẩm của quá trình thủy hóa, chúng sẽ lắng xuống ở dạng tinh thể nhỏ hoặc sợi dài. Các tinh thể này sẽ đan lại với nhau tạo mạng tinh thể không gian.Khoảng trống giữa các tinh thể được lấp đầy bởi nước đã hòa tan các sản phẩm thủy hóa, không khí, các sản phẩm chưa thủy hóa. Khối mạng tinh thể tạo thành như vậy chính là đá xi măng. Độ bền của đá xi măng do lực liên kết ion giữa các phân tử trong mạng.

Theo Mikhaelix, các khoáng vật của clinke bị thủy hóa ở trạng thái cứng (không qua trạng thái hòa tan) bằng cách liên kết với nước theo bề mặt các hạt. Các hạt xi măng được bao phủ bằng một lớp màng làm thể tích của chúng tăng dần. Các hạt ximăng sau thủy hóa kết hợp với nhau, xen ghép lẫn nhau, làm chặt dần khối vữa và tạo thành đá xi măng.Độ bền của đá xi măng do lực hút phân tử (yếu hơn lực liên kết ion). Tuy nhiên, đá xi măng có độ bền cao là do bề mặt đơn vị của các hạt gel và bề mặt tiếp xúc giữa chúng rất lớn, quá trình đông cứng là quá trình làm chặt dần của gel.Ngoài cách giải thích trên, còn nhiều cách giải thích khác về quá trình đông cứng của vữa và độ bền của đá xi măng.

5.3. Đặc điểm quá trình thủy hóa và đông cứng xi măng

Về chi tiết, quá trình thủy hóa của C3S được chia thành 5 giai đoạn:

–

Tiền cảm ứng(preinduction):vài phút, tỏa nhiều nhiệt, thủy hóa sơ bộ

–

Cảm ứng (induction):vài giờ, tỏa nhiệt rất ít, tạo vỏ bảo vệ

–

Tăng tốc phản ứng (acceleration) và giảm tốc phản ứng (deceleration): vài ngày, thủy hóa mạnh, mạng tinh thểhình thành và hệthống bắt đầu phát triển độ bền. Khi độ rỗng giảm, thủy hóa sẽ chậm lại. Giai đoạn này còn gọi là giai đoạn đông cứng.

–

Khuếch tán(diffusion):giai đoạn sau cùng, thủy hóa chậm dần, mạng tinh thể chặt sít, độ bền tăng.Mặc dù thủy hóa của C3S thường được dùng để mô phỏng quá trình thủy hóa xi măng Portland, cần lưu ý là còn nhiều thông số

khác có liên quan.

Sự thay đổi thể tích khi đông cứng

Khi thủy hóa, thể tích hệ thống xi măng và nước sẽ bị giảm bớt. Tỉ trọng của sản phẩm thủy hóa cao hơn tỉ trọng của các thành phần ban đầu.

Ví dụ về tỉ lệ% thểtích xi măng Portland bị co ngót:

Bảng 3: sự giảm (%) thể tích tuyệt đối ( co rút) của xi măng

Loại xi măng

Sau 1 ngày

Sau 7 ngày

Sau 28 ngày

Sau 100 ngày

Ghi chú

Xi măng poolan

2,8

4,8

6,0

6,9

Theo “well cimenting-2007”

Xi măng pooclan thiếu phụ gia thạch cao

2,7

8,0

8,6

8,7

Theo “well cimenting-2007”

Xi măng OWC

1,7

3,8

5,2

Phòng TN

Vietsopetro

Xi măng OWCL

2,2

4,2

5,5

Phòng TN

Vietsopetro

Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ là một trong những yếu tốchính ảnh hưởng đến quá trình thủy hóa xi măng Portland.Nhiệt độ khi thủy hóa cao sẽtăng tốc các phản ứng, rút ngắn giai đoạn cảm ứng và đông cứng. Các sản phẩm thủy hóa ở điều kiện thường không bịthay đổi nhiều nếu nhiệt độ không vượt quá 40oC. Một số biến đổi về cấu trúc vi mô của C-S-H sẽ xuất hiện khi nhiệt độtăng cao. Nếu nhiệt độ vượt quá 110oC, gel C-S-H sẽ không bền vững.

. Hiện tượng “đông nhanh” và “đông giả”

“Đông nhanh” – khi clinke nghiền không có thạch cao tác dụng với nước, C3A sẽ nhanh chóng phản ứng, hình thành lớp hồ cứng, ngăn cản các phản ứng tiếp theo. Nếu lượng thạch cao trong xi măng không đủ, hiện tượng này vẫn sẽ xảy ra.

“Đông giả”– trong quá trình nghiền, nhiệt độtăng cao làm calcium sulphat trong clinke bị khử nước. Ở điều kiện thường, khi tác dụng với nước, các sản phẩm trên nhanh chóng phản ứng và kết tủa.

. Ảnh hưởng bởi độ ẩm và nhiệt độ

Hoạt tính của xi măng Portland bị ảnh hưởng đáng kể nếu để lâu trong không khí hoặc môi trường có nhiệt độcao, bao gồm:

– Tăng thời gian đông đặc

–Giảm sức bền nén

–Giảm nhiệt lượng thoát khi thủy hóa

– Tăng độ

nhớt của vữa xi

măng.

Tính ẩm của không khí làm thủy phân từng phần CaO tự do và tạo liên kết trong pha

C-S-H. Nhiệt độ cao làm cho thạch cao bị khử nước, xi

măng có khuynh hướng bị “đông giả”.

Ảnh hưởng bởi các chất kiềm

Thành phần kiềm chủ yếu trong xi măng Portland là Natri và Kali. Các nghiên cứu cho thấy chúng ảnh hưởng đến sự đông cứng và phát triển độ bền của ximăng. Do đó, tỉ lệ ôxit kiềm thường được giữ dưới 1%.

Ảnh hưởng bởi thành phần độ hạt

Độ mịn của xi măng là thông sốquan trọng đối với hoạt tính và tính lưu biến của vữa ximăng.Tổng diện tích bề mặt của các hạt xi măng liên quan chặt chẽ tới sự phát triển độ bền nén của nó. Xi măng càng mịn độ bền nén khi đông cứng càng cao.Vữa xi măng sau khi đông cứng tạo thành đá xi măng. Tính chất của đá xi măng phụ thuộc rất nhiều vào bản thân vữa x imăng và các yếu tố bên ngoài trong quá trình đông cứng: độ ẩm môi trường, nhiệt độ, đặc điểm hóa học của môi trường. Các tính chất cơ bản của đá ximăng bao gồm:

Độ bền nén

Độ thấm

Tính cách ly

Tính kháng sulfat

6.1. Độ bền nén

Giá trị độ bền nén tối ưu của đá xi măng (vữa xi măng sau khi đông cứng) phải tương ứng với độ bền của thành hệ được cách ly. Đá xi măng phải phát triển độ bền nén đủ để:

–

Bảo vệ

ống chống trong giếng,

–

Chịu được rung động, va chạm trong quá trình khoan, bắn mởvỉa,

–

Tránh hiện tượng gây nứt vỡ thành hệkhi áp suất thủy tĩnh cao.

Thông thường, xi măng đông cứng trong giếng chịu tác động bởi lực nén ngang do áp suất thành hệgây ra vàứng suất kéodo trọng lượng của cột ống chống. Do đó đểbảo vệcột ống chống, độ bền xi măng phải đủlớn để tạo liên kết giữa ống chống và ximăng.

Độbền nén của ximăng phụthuộc nhiều yếu tố:

Thời gian

: hầu hết trường hợp, độbền của đá ximăng tăng nhanh, sau đó ổn định dần và cuối cùng có chiều hướng giảm. Thời gian tăng độ bền tỉ lệnghịch với nhiệt độ môi trường đông cứng.

Tỉ lệnước/ximăng (N/X):

khi N/X tăng thì độ bền cơ học giảm do trong đá sẽ có các túi nước và không khí. Tỉ lệN/X cần thiết cho quá trình phản ứng khoảng 27-33% trọng lượng xi măng.

Thành phần của nước

: chủ yếu là muối trong nước. Các muối clorua làm giảm độ bền uốn và tăng độ bền nén; muối sunfat. tăng độbền.

Các chất phụ

gia

Độ

thấm

: độ thấm tăng tức là độ bền của đá giảm.

Sự suy giảm độ bền ở nhiệt độcao

Ở điều kiện nhiệt độbình thường, ximăng đông cứng tiếp tục quá trình thủy hóa và phát triển độbền cho đến một giá trị xác định. Ở nhiệt độhơn 1100F, ximăng sẽ đạt được độ bền tối đa trong vài tuần đầu, sau đó độbền bắt đầu giảm. Trong một sốtrường hợp, độbền của đá xi măng tiếp tục giảm cho đến khi bị phá hủy hoàn toàn.

Hai nguyên nhân chủyếu gây suy giảm độbền đá xi

măng ở

nhiệt độcao:

–

1– Sự

thay đổi cấu trúc của xi

măng đã liên kết với nước trong quá trình thủy hóa và sự mất nước. Một thành phần của ximăng là C-S-H khi ở nhiệt độ 250oF sẽ trở thành alpha-dicalcium-silicate-hydrate, làm tăng độ rỗng, từ đólàm tăng mức độ nhiễm bẩn và giảm độ bền của đá ximăng.

–

2– Độ

thấm của xi

măng tăng lên dẫn đến sự

gia tăng các lỗ

rỗng tạo điều kiện cho quá trình ăn mòn, làm giảm độ bền.Để hạn chế sự suy giảm độ bền của đá xi măng, người ta bổ sung silica oxit. Silica oxit ngăn chặn sự hình thành alpha-dicalcium-silicate-hydrate.

6.2. Độ thấm

Độ

thấm của đá xi

măng trong giếng khoan phụ

thuộc nhiều yếu tố: độ rỗng hữu hiệu của đá xi măng, điều kiện môi trường và các phản ứng tương tác giữa môi trường với các thành phần của xi

măng.

Độthấm được chia thành:

– Độ

thấm vật lý (độ

thấm tuyệt đối): là độ

thấm đối với lưu chất đồng nhất và không có tác động hóa lý giữa lưu chất và môi trường.

– Độ

thấm hữu hiệu: là độ

thấm đối với lưu chất khi trong lỗ

hỗng đã có một pha nào

đó.

Quá trình thấm chất lỏng qua đá xi măng cũng tuân theo định luật Darcy.

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ

thấm

–

Độ mịn của xi măng: xi măng càng mịn thì độ

thấm càng giảm.

–

Thành phần khoáng vật của xi

măng:các thành phần làm tăng tốc độ thủy hóa trong xi măng như C3A, C4AF sẽ làm giảm độ thấm của xi măng.

–

Tỉ lệN/X:nhìn chung, khi tỉ lệN/X tăng thì thểtích lỗhổng và mạch mao dẫn tăng làm tăng độ

thấm của đá xi

măng.

–

Nhiệt độ:khi nhiệt độ

môi trường đông cứng nhỏ

hơn 100oC thì tốc độ

thủy

hóa tăng, độ thấm của xi măng giảm. Khi nhiệt độ

cao, các sản phẩm thủy hóa thường có kích thước lớn làm cho độ thấm tăng lên.

–

Áp suất:

áp suất môi trường đông cứng tăng thu ngắn quá trình thủy hóa, làm độ thấm của đá xi măng giảm. Tuy nhiên, ảnh hưởng của chênh lệch áp suất sau khi tạo đá sẽ

quyết định hơn đến độ

thấm.

6.3

. Tính cách ly

Độ thấm và độbền của liên kết xi

măng và ống chống là hai yếu tố ảnh hưởng đến khả năng cách ly của đá ximăng. Độ thấm của xi măng đông cứng thường rất thấp (khoảng 0,01 mD). Vữa có tỉtrọng thấp thường được sử dụng bơm trám vào thành hệ có độ

thấm cao.Khi bơm trám xi măng ở những thành hệ chứa khí có áp suất cao thì tính cách ly của xi măng đông cứng rất quan trọng (nhất là các khí gây ăn mòn).

4. Tính kháng sulfat

Sulfat (SO42-) được xem là chất ăn mòn xi măng nhất. Thông thường nước trong thành hệ chứa dầu thường chứa MgSO4và Na2SO4. Xi măng tiếp xúc với nước sunfat sẽ

dần dần bị mềm đi và phân rã. Thời gian tiếp xúc càng lâu và lượng nước sulfat được bổ

sung sẽ

gây tổn hại và làm x imăng mất dần tính liên kết.

MgSO4và Na2SO4 phản ứng với vôi trong xi măng tạo ra Mg(OH)2, NaOH và CaSO4.CaSO4 phản ứng với C3A tạo thành calcium sulfoaluminate có thể tích lớn hơn lỗ rỗng của C3A, làm cho lớp xi măng giãn nở gây áp lực tách lớp xi măng bảo vệ ống chống.

Để tăng tính kháng sulfat cho xi măng, người ta thường giảm lượng C3A trong xi măng hay lượng vôi tự do trong xi măng đông cứng bằng cách thêm vật liệu portlan, chất này phản ứng với vôi tạo thêm một phần vật liệu xi măng. Ngoài ra, cũng có thể thêm vào xi măng lượng CaSO4tương ứng với C3A để tạo thành calcium

sulfoaluminate trước khi vữa xi măng đông cứng. Hiện nay, không có phương pháp nào loại bỏ hoàn toàn ảnh hưởng của sulfat mà chỉ hạn chế ở một mức độ nhất định.

. XI MĂNG TRONG CÔNG NGHIỆP DẦU KHÍ

LỊCH SỬ TRÁM XI MĂNG GIẾNG DẦU

Năm 1903, lần đầu tiên xi măng được sử dụng trong một giếng dầu để cách ly tầng nước.

Năm 1910, A. Perkins giới thiệu đầu trám xi măng hai nút ở California. Các nút trám được đúc bằng gang và được đẩy xuống đáy giếng nhờ áp suất hơi nước.

Đến năm 1917 xi măng Portland vẫn là thành phần cơ bản để trám giếng dầu.

Năm 1920, P. Halliburton giới thiệu kỹ thuật trám xi măng giếng dầu.

Trám xi măng giếng khoan

là một công đoạn phức tạp và quan trọng trong khi xây dựng giếng. Nếu công đoạn này không được thực hiện thành công có thể dẫn đến mất trắng kết quả khoan trước đó, hoặc mất toàn bộ giếng. Còn nếu chất lượng trám xi măng không đạt yêu cầu có thể dẫn đến xuất hiện khí- áp suất giữa các cột ống chống , phun tràn dầu khí, cháy nổ và gây ra những hậu quả khôn lường.

PHÂN LOẠI XI MĂNG

măng trong công nghiệp dầu khí hiện nay được phân loại chủ

yếu dựa trên tiêu chuẩn của Viện dầu khí Hoa Kỳ(API). Dựa trên các tính chất và đặc điểm kỹ thuật, xi măng được chia thành 8 loại A, B, C, D, E, F, G và H.

a. Thành phần hoá học

măng thường có 4 thành phần chính sau đây:

1. Tricalcium Aluminate (C3A - 3CaO.Al2O3): ảnh hưởng lớn đến thời gian đông cứng, đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển độ bền của xi măng. Thời gian đông cứng của xi măng có thể điều chỉnh bằng cách thêm thạch cao.

2. Tricalcium silicate (C3S - 3CaO.SiO2): thành phần chính trong xi măng

Portland, chiếm 40 - 45% trong xi măng chậm đông và 60 - 65% trong xi măng đông nhanh. C3S quyết định đến các giai đoạn phát triển độ bền của xi măng.

3. Dicalcium Silicate (C2S - 2CaO.SiO2): đóng vai trò quan trọng trong việc tạo độ bền cuối cùng của xi măng và không ảnh hưởng lớn đến thời gian đông cứng ban đầu của xi măng vì chậm kết hợp với nước.

4. Tetracalcium Aluminoferrite (C4AF - 4CaO.Al2O3.Fe2O3): ảnh hưởng đến độ bền của xi măng.

Bảng.B.1 Thành phần hóa học của các loại xi măng theo tiêu chuẩn API

Loại xi măng

Thành phần xi măng (%)

Độ mịn (cm2/g)

C3S

C2S

C3A

C4AF

≥ 8

1.500 – 1.900

≤ 5

1.500 – 1.900

2.000 – 2.800

D,E,F

1.200 – 2.800

G,H

1.400 – 1.700

Ngoài ra, trong ximăng còn có các thành phần khác như thạch cao, kali sulfate,magiê, vôi … Những thành phần này tác động đến quá trình thuỷhoá của ximăng, thay đổi tỷtrọng vữa và có tính kháng các hoá chất có hại.Ngoài ra, khi cần những tính chất đặc biệt của ximăng, có thểthực hiện theo khuyến cáo trong bảng dưới đây:

Bảng B.2. Các tính chất đặc biệt của xi măng

Tính chất

Cách thực hiện

Phát triển độ bền nhanh

Tăng hàm lượng C3S, nghiền mịn hơn

Chậm đông

Khống chế C3S, C3A, nghiền thô hơn

Nhiệt thủy hoá thấp

Giới hạn C3S, C3A.

Tính kháng sulfate

Giới hạn C2S

b. Phân loại xi măng theo tiêu chuẩn

Hiện nay có 2 bộ tiêu chuẩn được phổ biến rộng rãi nhất là của viện dầu khí Hoa Kỳ(API) và tiêu chuẩn Liên Xô cũ ГОСТ nay là Liên Bang Nga

Thực tế khi trám giếng khoan, xi măng phải thay thế dung dịch khoan trong khoảng không vành xuyến giữa ống chống và thân giếng trần hoặc giữa các cột ống chống. Xi măng cần nằm dọc theo giếng khoan từ bề mặt đất đến độ sâu đáy giếng,(hàng nghìn mét), có nhiệt độ thay đổi từ 0 cho đến hàng trăm độ C. Nhiệt độ này thay đổi theo thân giếng cũng thay đổi theo garadien áp suất vỉa, địa tầng, có giá trị từ 0 đến hàng trăm at.

Tiêu chuẩn API và ГОСТ không bao hàm hết các tính chất của xi măng dùng trong dải nhiệt độ, áp suất rộng như vậy.

Có thể thấy rằng các tiêu chuẩn về xi măng giếng khoan chỉ dùng để chuẩn hóa trong thị trường cung cấp- sản xuất xi măng. Việc sử dụng để trám giếng cần phải dựa vào điều kiện thực tế về địa chất, kỹ thuật, công nghệ tài chính và thói quen của từng công ty, quốc gia. Hầu hết những loại vữa trám đều được điều chỉnh các thông số khác xa so với tiêu chuẩn( bảng B.3 và B.4)

Bảng B.3.Quy định về pha vữa xi măng theo tiêu chuẩn API và ГОСТ

Thông số

API

ГОСТ

Class A,B

Class C

Class D,E,F,H

Class G

PCG

Tỷ lệ nước/xi măng

0,46

0,56

0,38

0,44

0,50

Tỷ lệ vữa tương ứng

1,88

1,78

1,98

1,90

1,83

Bảng

B.4

. Thông số tỷ trọng thực tế trong pha chế vữa khoan ở một số công ty

Công ty

Số lượng vữa xi măng,m3

Trọng lượng riêng vữa, g/cm3

Tỷ lệ

Theo tiêu chuẩn

Khác tiêu chuẩn

umberger

(loại xi măng:G, đạt tiêu chuẩn API)

44,00

3,200

1,54

1,90

6,70

93,3

59,10

6,300

1,49

1,90

10,1

89,9

104,0

15,00

1,54

1,90

12,6

87,4

(loại xi măng:G, đạt tiêu chuẩn API)

181,0

14,00

1,54

1,90

7,20

92,8

126,0

21,00

1,46

1,90

14,2

85,8

79,20

11,11

1,50

1,90

12,2

87.8

VietSopetro

80,00

18,00

1,52

1,57

100

. CÁC CHẤT PHỤ

GIA CỦA XI MĂNG

Nếu vữa xi măng chỉ bao gồm xi măng và nước thì không thể đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu phức tạp của thực tế. Người ta phải bổ sung các chất phụ gia để điều chỉnh tính chất của xi măng. Hiện nay, có hơn 100 chất phụgia cho xi măng và chia thành các loại sau:

Chất nhanh đông

Chất chậm đông

Chất làm nhẹ

Chất làm nặng

Chất phân tán

Chất giảm độthoát nước

Chất chống mất vữa

Các phụ gia đặc biệt

3.1. Chất nhanh đông

Các chất làm giảm thời gian đông cứng của vữa xi măng, tăng tốc độ phát triển bền nén. Các chất này thường được dùng để bù trừ sự chậm đông do một số phụ gia khác, ví dụ chất phân tán và chất chống mất vữa.Các muối clorua là chất nhanh đông phổ biến. CaCl2là chất hiệu quảvà rẻ tiền nhất. Nồng độ CaCl2sử dụng thường khoảng 2-4% khối lượng xi măng..

Ngoài ra, còn một sốchất nhanh đông khác như: sôđa, thủy tinh lỏng, xút,…

3.2. Chất chậm đông

Các chất làm tăng thời gian đông cứng của vữa xi măng.Nguyên lý gây chậm đông của các phụ gia vẫn chưa được thống nhất. Hiện nay, có 4 lý thuyết về sự chậm đông:

− Lý thuyết hấp phụ: chậm đông gây ra do sự hút bám của phụ gia trên bề mặt sản phẩm thủy hóa, từ đó ngăn cản tiếp xúc với nước.

− Lý thuyết kết tủa: chất chậm đông tác dụng với ion canxi và ion hydroxit trong pha lỏng, tạo lớp chất kết tủa không thấm xung quanh các hạt xi măng.

− Lý thuyết hạt nhân: chất chậm đông bám quanh nhân của sản phẩm thủy hóa, can thiệp và làm chậm các phản ứng tiếp theo.

− Lý thuyết phức hợp: ion canxi bị cô lập bởi phụ gia, ngăn cản sựhình thành

phân tử.

Các chất chậm đông tiêu biểu bao gồm:

–Các muối natri và canxi của acid lignosulfonic: hiệu quả với tất cả các loại xi măng Portland, nồng độ thường được sử dụng là 0,1 – 1,5% khối lượng xi măng. Khoảng nhiệt độ hoạt động hiệu quả tới 122oC và có thể đạt tới 315oC khi trộn chung với borat natri Na2B4O7

–Thạch cao CaSO4: dùng cho xi măng chứa nhiều C3A. Có thể thay thế thạch cao bằng H2SO4

để kết hợp với lượng Ca(OH)2dư, tạo thạch cao.

– CMC: dùng với nồng độmuối của vữa bất kỳ. Tỉ lệ dùng thường khoảng 0,5 –1,5% khối lượng xi măng, có thể hoạt động ở nhiệt độ tới 100oC.

–Bã rượu sunfit: là chất chậm đông hiệu quả nhưng tạo bọt, cần kết hợp với chất chống tạo bọt. Nồng độ sử dụng 1 – 1,5%, có thể dùng chung với tinh bột hoặc than nâu. Nhiệt độhiệu quả: 150oC.

–Các muối bicromat kali và bicromat natri: chất độc hại, sử dụng kết hợp để trám giếng nhiệt độ cao, tỷ lệ khoảng 0,5%.

3.3. Chất làm nhẹ

Các chất làm giảm tỉ trọng của vữa xi măng và tỉ trọng của đá xi măng sau khi đông cứng.Vữa xi măng, tùy theo tỉ trọng, được chia thành các nhóm sau:

Bảng 7.4. Phân loại xi măng theo tỉ trọng

Loại vữa

Tỷ trọng

Nhẹ

< 1,3

Hơi nhẹ

1,3 – 1,75

Bình thường

1,75 – 1,95

Hơi nặng

1,95 – 2,2

Nặng

> 2,2

Các chất làm nhẹ thường dùng là:

–Sét và bột sét: khi thêm sét sẽ tạo thành gel xi măng. Không sử dụng được khi nhiệt độhơn 80oC và độ khoáng hóa cao.

– Diatomit: chứa tinh thểSiO2, tăng độ bền của đá xi măng trong môi trường axit và sulfat.

–Các chất nguồn gốc núi lửa: chứa nhiều Al2O3.

–Các đá cacbonat: đá vôi và đá phấn nghiền nhỏ, có thể dùng cho giếng khoan

có nhiệt độnhỏhơn 120oC.

–Các chất nguồn gốc hữu cơ: than đá, grafit, các carbon hydro cứng như asfan, bitum,…Ở nhiệt độcao sẽ tăng độ thấm và giảm độ bền của đá xi măng.

–Một số chất khác: tro khi nung than đá, than bùn, bụi nhà máy ximăng khi sấy và nung clinke…

3.4. Chất làm nặng

Một trong những phương pháp đơn giản tăng tỉ trọng của vữa xi măng là giảm lượng nước pha trộn. Khi đó, cần bổ sung phụ gia phân tán để đảm bảo khả năng bơm, đồng thời phải duy trì độ thoát nước, tính lưu biến và chống lắng đọng chất rắn. Tỉ trọng tối đa có thể đạt được là 2,16.Khi cần vữa có tỉ trọng cao hơn, phải bổ sung chất làm nặng. Chất làm nặng phải đảm bảo: cỡ hạt tương đương với xi măng, ít phản ứng với nước, tương thích với các phụ gia khác.Các chất làm nặng phổ biến theo thứ tự hiệu quả là: hematite (Fe2O3,

= 4,95), ilmenite (FeTiO3,

= 4,45) và barit (BaSO4,

= 4,33).

3.5. Chất phân tán

Thành phần rắn trong vữa xi măng có thể đạt tới 70%. Tính lưu biến của vữa do đóphụthuộc tính lưu biến của thành phần lỏng, tỉ lệhạt rắn và tương tác qua lại giữa các hạt rắn.Các chất phân tán điều chỉnh các tương tác qua lại của các hạt rắn để đạt được tính lưu biến mong muốn. Chất phân tán sửdụng phốbiến nhất là các muối sulfonate hữu cơ. Cấu tạo phân tử của các chất này bao gồm 5 – 50 nhóm sulfonate gắn vào gốc polyme đa nhánh. Nồng độhiệu quả trong khoảng 0,5 – 1,5% khối lượng xi măng

3.6.Chất làm độ thoát nước

Các chất phụ gia giảm độ thoát nước bao gồm 2 nhóm:

−Nhóm vật liệu lơlửng: bentonit, bột carbonate, asphaltene,…

−Nhóm vật liệu polyme hòa tan trong nước: đồng thời tăng độ nhớt của pha lỏng và giảm tính thấm của vỏbùn, sửdụng phổbiến là các dẫn

xuất cellulose. Tuy nhiên, cần chú ý điều kiện nồng độvà nhiệt độ.

Dưới 65oC, cellulose là chất chậm đông hiệu quả; trên 93oC, cellulose ít

tác dụng giảm độ thoát nước.

3.7. Chất chống mất tuần hoàn

Mất tuần hoàn thường xảy ra ởcác thành hệ yếu, nứt nẻ. Kinh nghiệm và thông tin về vỉa trong quá trình khoan sẽ giúp ích rất nhiều cho công tác bơm trám xi măng sau này.Chống mất tuần hoàn có thể thực hiện bằng các vật liệu tạo cầu nối hoặc bằng vữa xi măng thixotropic, là một loại ximăng đặc biệt.

Vật liệu tạo cầu nối bịt kín các khe nứt nhỏcủa vỉa và trơvới quá trình thủy hóa ximăng. Điển hình là gilsonite và than đá hạt thô; ngoài ra còn có hạt thực vật cứng, sét bentonit thô, trấu, lõi bắp,…

Xi măng thixotropic xâm nhập khe nứt, hóa cứng và bịt kín khe nứt.

3.8. Các phụ gia đặc biệt

Bao gồm các chất chống tạo bọt, chất sợi hữu cơ tăng độbền, chất phóng xạ đánh dấu, chất khử nhiễm bẩn xi măng.Chất chống tạo bọt được dùng đểkhắc phục hiệu ứng bọt do các phụgia khác gây ra. Sửdụng phổbiến gồm 2 nhóm: polyglycol ête và silicon. Nồng độ pha chế rất thấp, thường ít hơn 0,1% khối lượng nước.

Chất sợi hữu cơ, khi được bổ sung với nồng độ 0,15 – 0,5%, sẽ tăng độ bền của xi măng khi bắn mở vỉa. Sử dụng phổ biến nhất là sợi nylon, với chiều dài có thể tới 1 inch.

D . XI MĂNG ĐẶC BIỆT

Cùng với sự phát triển của công nghệ sản xuất và bơm trám xi măng, một sốloại xi măng đặc biệt đã được sản xuất để khắc phục các vấn đề phức tạp, bao gồm: mất nước, mất tuần hoàn, vi khe nứt, trám xi măng qua tầng muối, trám xi măng trong môi trường ăn mòn, giếng nhiệt độcao, khí rò rỉ,…

Các loại ximăng đặc biệt bao gồm:

Ximăng thixotropic

Ximăng trương nở

Ximăng chịu lạnh

Ximăng muối

Ximăng nhựa biến đổi

Ximăng chịu ăn mòn

Ximăng dùng nhưdung dịch khoan

4.1. Xi măng thixotropic

Thixotropic: thuật ngữ dùng để mô tả tính chất của các hệ ở thể lỏng khi chịu ứng suất trượt, nhưng hình thành cấu trúc gel và ổn định khi tự do.

Vữa xi măng thixotropic có độ nhớt thấp và chảy loãng khi pha trộn và bơm, nhưng nhanh chóng hình thành cấu trúc gel cứng khi ngừng bơm. Nếu bị tác dụng lực, cấu trúc gel bị phá vỡvà vữa lại có thể bơm được. Khi chịu ứng suất, vữa xi măng thixotropic cư xử như chất lỏng dẻo Bingham, nghĩa là đặc trưng bởi ứng suất trượt tới hạn và độ nhớt dẻo. Xi măng thixotropic có rất nhiều ứng dụng quan trọng, trong đó thường được dùng trong các giếng mất xi măng nghiêm trọng khi bơm trám. Những giếng này có những khu vực thành hệ yếu, dễ khởi tạo khe nứt ngay cả khi áp suất thủy tĩnh nhỏ. Khi hình thành cấu trúc gel, xi măng thixotropic làm giảm cột áp thủy tĩnh, khe nứt không hình thành và vữa xi măng không mất vào vỉa.Xi măng thixotropic cũng được dùng khi xảy ra mất dung dịch trong khoan. Vữa xi măng khi đi vào vùng mất dung dịch sẽ đông cứng lại và cô lập hoàn toàn vùng này.

Xi măng thixotropic bao gồm các hệ sau:

Hệ gốc sét

Hệ gốc CaSO4

Hệ

aluminum sulfate/sắt (II) sulfate

Hệ polyme cellulose liên kết vòng

4.2. Xi măng trương nở

Xi măng trương nở sau khi đông cứng giúp bịt kín các khe nứt nhỏvà tăng cường hiệu quả trám xi măng. Lực giãn nở của xi măng làm xi măng ép sát vào thành ống chống và bề mặt vỉa. Ngay cả khi dung dịch khoan còn lại trong lỗ khoan hoặc trên thành giếng, kết cấu chặt sít của xi măng vẫn có thể đạt được.

Các loại phụ gia của xi măng trương nở bao gồm:

Hệ ettringite (C3A.3CaSO4.H32)

Muối ăn

Bột nhôm

Oxit mage nung, dùng cho giếng có nhiệt độ cao

4.3. Xi măng chịu lạnh

Dùng cho các vùng đóng băng vĩnh cửu như Alaska hoặc bắc Canada. Lớp băng vĩnh cửu có thể dày tới 600m. Khi khoan và hoàn thiện giếng, tránh gây tan chảy lớp băng vĩnh cửu. Xi măng dùng để trám, vì vậy, phải có nhiệt lượng tỏa ra khi thủy hóa thấp và phát triển được độ bền nén ở nhiệt độ thấp. Xi măng Portland thông thường sẽ bị đóng băng trước khi kịp đông cứng, do đó độ bền nén kém. Hai loại xi măng trám thành công trong điều kiện này là:

Ximăng canxi aluminate

Hỗn hợp ximăng Portland/thạch cao

4.4. Xi măng muối

Xi măng chứa một lượng đáng kể muối ăn NaCl hoặc KCl gọi là xi măng muối. Muối được dùng nhiều trong xi măng trám giếng khoan do:

– Ở một vài nơi, muối có trong nước pha chế xi măng, ví dụ ngoài khơi.

–Muối là hóa chất phổ biến, rẻ tiền nhưng có thể thay đổi đáng kể ứng suất của xi măng. Tùy theo nồng độ, muối có thể là chất nhanh đông hoặc chất chậm đông, làm phân tán xi măng, làm xi măng trương nở hoặc tạo xi măng chịu lạnh.

– Khi trám xi măng qua vỉa muối hoặc vỉa sét trương nở, cần bổ sung một lượng lớn muối để hạn chế các sự cố có thể xảy ra.

4.5. Xi măng nhựa biến đổi

Nhựa là thuật ngữ tổng quát chỉ polyme dạng nhũ tương.

Trong thành phần nhựa có các hạt polyme cực nhỏ(200 – 500 nm), thường được làm ổn định bằng các hoạt chất bề mặt nhằm tăng tính chịu lạnh và chống vón cục khi pha vào ximăng Portland. Hầu hết nhựa chứa khoảng 50% hạt rắn.Xi măng nhựa biến đổi được sử dụng ngày càng nhiều do có nhiều ưu điểm: tăng cường hiệu quả, giảm độthấm, tăng sức bền kéo, giảm co ngót, tăng

tính đàn hồi và tăng mối liên kết giữa ximăng-sắt, ximăng-ximăng.

4.6. Xi măng chịu ăn mòn

Xi măng Portland khi đông cứng khá bền vững. Tuy nhiên, vẫn có những giới hạn mà đá xi măng không thể vượt qua. Xi măng chịu ăn mòn bao gồm xi măng bền với hóa chất dùng cho các giếng chứa hóa chất thải, xi măng dùng để trám các giếng có kế hoạch thu hồi tăng cường bằng bơm ép CO2.Đối với giếng chứa hóa chất thải, xi măng được chọn tùy thuộc loại hóa chất sẽ bơm vào giếng. Các phụ gia tăng độ bền và giảm độ thấm của xi măng là: pozzolan, nhựa, chất phân tán.

Chống ăn mòn do CO2 bằng cách giảm tối đa độ thấm của đá xi măng.

4.7. Xi măng dùng như dung dịch khoan

Một số sự cố khi khoan và hoàn thiện giếng như mất tuần hoàn, mất nước và liên thông nước giữa các tầng có thể khắc phục nếu dung dịch khoan có tính chất của xi măng. Xi măng loại này có tính cách ly thành hệrất tốt.

Ví dụ hệ xi măng Portland chứa bentonit do Harrison và Goodwin giới thiệu năm 1971 có thể dùng như dung dịch khoan khi khoan. Tới giai đoạn hoàn tất, người ta bổsung một loại muối kim loại đa hóa trị (ví dụ CaCl2) vào dung dịch và quá trình đông cứng được kích hoạt. Một số hệ xi măng khác được kích hoạt đông cứng bằng phóng xạ, bằng nhiệt,…

C. BÊ TÔNG

Bê tông

Thành phần

Bê tông là loại vật liệu đá nhân tạo được chế tạo bằng cách đổ khuôn và làm rắn chắc một hỗn hợp hợp lý sao cho khi làm việc đáp ứng được yêu cầu của thiết kết như cường độ, độ rắn chắc, độ thấm nước…Thành phần hỗn hợp bê tông bao gồm:

Chất kết dính (xi măng, vôi) thông thường chiếm 10 – 20% khối lượng.

Cốt liệu lớn (đá, sỏi, gạch vỡ..) và cốt liệu nhỏ(cát vàng, đá hạt nhỏ, bột đá,,) cốt liệu chiếm tới 80-85% khối lượng bê tông.

Chất phụ gia: được sử dụng để tăng độ dẻo, đóng rắn nhanh or những yêu cầu đặc biệt khác như chịu nhiệt, chịu axit, chống phóng xạ..)

Nước sạch thi công không lẫn tạp chất hữu cơ, không hóa chất ăn mòn sắt thép, dầu mỡ..

Tính chất

Là loại vật liệu giòn, dễ nứt, cường độ chịu kéo thấp (chỉ bằng 1/15-1/10 cường độ chịu nén).

Cường độ chịu lực cao, dễ dàng chế tạo cấu kiện xây dựng theo ý đồ của người thiết kế.

Bền vững, ổn định trong điều kiện mưa nắng, chịu lực tốt nhất khi cấu kiện làm việc ở trạng thái nén.

Công dụng

Làm các kết cấu chịu lực nén lớn như nền móng, tường cột.

Làm các kết cấu có nhu cầu chống thấm, cách nhiệt.

Do yêu cầu khả năng làm việc khác nhau của cấu kiện bê tông, trong chế tạo đưa ra các mác bê tông khác nhau (bảng C.1)

Thành phần vật liệu

Đơn vị

Mác bê tông ( ký hiệu trong xây dựng #)

100#

150#

200#

250#

300#

Xi măng PC

225,2

268,7

325,2

386,8

410,1

Cát vàng

0,432

0,417

0,412

0,405

0,398

đá dăm

0,861

0,847

0,841

0,816

0,811

Sử dụng

Gia cường nền móng

Sân,đường yêu cầu chịu lực thấp

Kết cấu chịu lực chính của nhà

Kết cấu có yêu cầu đặc biệt

II.

BÊ TÔNG CỐT THÉP

Bê tông cốt thép là loại vật liệu xây dựng mà bê tông và cốt thép làm việc trong một thể thống nhất. Nhờ có lớp bê tông bảo vệ bên ngoài nên bảo vệ các lớp cốt thép khỏi bị ăn mòn. Mặt khác, thép và bê tông có hệ số giãn nở gần giống nhau nên đảm bảo được tính toàn khối của bê tông cốt thép.

Tính chất

Trong mỗi cấu kiện xây dựng tùy theo đặc điểm làm việc mầ có các vùng, miền làm việc khác nhau. Vùng chịu nén sử dụng bê tông, vùng chịu kéo xoắn được bố trí thép, chịu nén sử dụng bê tông,( hình C.2)

Bê tông cốt thép có khả năng chịu lực, nhiệt rất tốt, tiết diện hợp lý, đáp ứng được các yêu cầu thiết kế.

Hình C.2: sơ đồ cấu kiện bê tông cốt thép

Công dụng

Được sử dụng rộng rãi làm kết cấu chịu lực cho các loại công trình xây dựng dân dụng, công nghiệp, tạo được không gian lớn ổn định trong các điều kiện bất lợi như bão, gió, môi trường phải cách nhiệt, hóa chất ăn mòn xâm thực.

Phân loại

Tùy theo cách chế tạo, người ta chia cấu kiện bê tông cố thép thành 2 loại:

Bê tông cốt thép toàn khối tại hiện trường.

Bê tông cốt thép lắp ghép( đúc sẵn các câu kiện và lắp đặt sau).

Tùy theo cách đặt cốt thép người ta phân cấu kiện BTCT thành loại thường và loại ứng suất trước. Trong cấu kiện BTCT thường khó tránh khỏi vết nứt tại vùng chịu kéo vì độ dãn dài của bê tông rất nhỏ, còn thép lớn gấp 5-7 lần bê tông. Để tránh nứt người ta có thể nén trước bê tông ở vùng chịu kéo bằng cách kéo căng cốt thép trước khi đổ bê tông hoặc sau khi đổ bê tông. Việc tạo ứng suất trước trong trong cấu kiện BTCT không những ngăn ngừa vết nứt trong vùng kéo mà còn làm giảm trọng lượng dùng thép, giảm trọng lượng cấu kiện BTCT, nâng cao tính bền vững cốt thép. Để tạo kết cấu ứng suất trước người ta dùng thép có cường độ cao.

Ví dụ:

Một giàn mái nhịp 24m, bằng BTCT thường nặng 21 tấn, tốn 9m3 BT, 3 tấn thép. Nếu bằng BTCT ứng suất trước thì chỉ nặng 7 tấn, tốn 3 m3 BT và 0,7 tấn thép.

Ở Việt Nam, công nghệ này đã được áp dụng từ nhưng thập kỷ 70 của thế kỷ trước nhưng chưa được phát triển rộng rãi. Ngày nay BTCT dự ứng lực đã được sử dụng tại các nhà máy chế tác kim cương _KCN Sài Đồng, nhà máy đá ốp lát cao cấp Vinastone tại Phú Cát- Hà Nội, nhà máy sứ vệ sinh TOTO giai đoạn 2 tại khu CN Thăng Long. Đây là hướng đi tất yếu trong quá trình phát triển kỹ thuật xây dựng ở VN, góp phần đẩy nhanh tiến trình Công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước.

Bạn đang đọc truyện trên: Truyen2U.Pro

Trước Sau