Dung dịch khoan - Ximăng - Chương 6: Ximăng portland

Nội dung text: Dung dịch khoan - Ximăng - Chương 6: Ximăng portland

1. NỘI DUNG GEOPET CHƯƠNG 6 I. KHÁI NIỆM CHUNG XIMĂNG PORTLAND II. CLINKE III. NGUYÊN TẮC SẢN XUẤT IV. TÍNH CHẤT CỦA XIMĂNG PORTLAND V. LÝ THUYẾT VỀ SỰ RẮN CHẮC CỦA XIMĂNG VI. ĐÁ XIMĂNG 6-2 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết I. KHÁI NIỆM CHUNG GEOPET I. KHÁI NIỆM CHUNG GEOPET Trong lịch sử phát triển, con người đã tìm ra nhiều loại hợp chất có khả năng Ximăng do Joseph Aspdin chế tạo bằng cách nung nóng đá vôi và sét, làm kết dính phục vụ xây dựng nhà ở, công trình. thay đổi tính chất hóa học, tạo ra loại chất kết dính bền vững hơn so với đá vôi nghiền bình thường. Người Lưỡng Hà xưa dùng đất sét làm chất kết dính chính, người Ai Cập dùng vôi và thạch cao. Người Trung Quốc dùng vôi, sét và vật liệu hữu cơ. Ximăng portland thông thường có dạng bột mịn với thành phần gồm: - Clinke: hơn 90%, là sản phẩm sau nung của hỗn hợp đá vôi, sét. Năm 1756, kĩ sư John Smeaton (người Anh) sáng chế ra bêtông hiện đại đầu - Thạch cao: tối đa 5%, có tác dụng điều chỉnh thời gian đông kết. tiên bằng cách bổ sung đácuội, sỏi vào hỗn hợp bột gạch xay nhuyễn. - Chất phụ gia: làm tăng chất lượng ximăng: giảm nhiệt độ bay hơi, tăng tính chống mòn, Năm 1824, nhà phát minh Joseph Aspdin (người Anh) tìm ra ximăng Portland. Ngày nay, ximăng portland được sử dụng rất rộng rãi, là thành Định nghĩa: ximăng là một loại vật liệu dạng bột, có thành phần khoáng vật phần chính trong bêtông, vữa xây dựng nhất định, khi hợp nước tạo thành khối nhão, có thể đông cứng trong môi trường nước hoặc không khí. 6-3 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 6-4 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 1
2. II. CLINKE GEOPET II. CLINKE GEOPET Clinke là thành phần chủ yếu tạo thành ximăng. 2.1. Thành phần hóa học Trong clinke thường có các thành phần như sau: Clinke được sản xuất bằng cách nung nóng hỗn hợp thô đá vôi, sét trong môi - CaO: quyết định tính chất hóa học của ximăng, thường CaO không ở trường có ôxy tới nhiệt độ 1400 – 1450oC. Do bốc hơi không đều, hỗn hợp bị trạng thái tự do mà kết hợp với những ôxit khác thành khoáng vật khác vón thành cục rắn chắc, kích thước 10 – 30 mm. Sản phẩm này được làm nhau. lạnh nhanh để giữ lại tính chất phản ứng của các khoáng vật thành phần. - SiO2: tạo cho ximăng tính chất thủy lực, tỉ lệ SiO2 tăng lên sẽ làm chậm thời gian ngưng kết nhưng sẽ làm tăng độ bền sulphat của Clinke sau khi nghiền nhỏ, bổ sung thêm thạch cao (CaSO42H2O) để điều ximăng. chỉnh thời gian ngưng kết (hơn 5% sẽ làm nứt ximăng) và các khoáng vật - Al O : tỉ lệ tăng sẽ làm rút ngắn thời gian ngưng kết, tuy nhiên lại làm khác như xỉ kim loại, cát thạch anh, khuê tảo để điều chỉnh tính chất sẽ 2 3 giảm độ bền cơ học của ximăng. thành ximăng. - Fe2O3: tỉ lệ tăng sẽ làm tăng độ bền sulphat. 6-5 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 6-6 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết II. CLINKE GEOPET II. CLINKE GEOPET Một số tiêu chuẩn về thành phần hóa học của clinke 2.1. Thành phần khoáng vật - Tỉ lệ CaO/SiO2 không nhỏ hơn 2. Clinke là hỗn hợp của các khoáng vật silicat và các khoáng vật tròn cạnh - Thành phần MgO không vượt quá 5% khối lượng. theo tỉ lệ 75/25. - Tỉ số Fe2O3/Al2O3 (hệ số trám) trong khoảng 0,9 – 2,0. - Các chất có hại: Trong các tài liệu về ximăng và clinke, để rút gọn tên các ôxit có trong thành - MgO (< 4,5%), CaO tự do (< 1%): hai chất này hydrat hóa chậm so với phần hóa học, người ta viết tắt như sau: các thành phần khác trong clinke, làm tăng thể tích pha rắn không đều, dẫn đến phá hủy cấu trúc đá ximăng. C = CaO F = Fe2O3 N = Na2OP = P2O5 - TiO (4-5%): ảnh hưởng tốt đến quá trình kết tinh khoáng vật nhưng làm 2 A = Al O M = MgO K = K Of = FeO giảm độ bền của ximăng. 2 3 2 S = SiO2 H = H2OL = Li2OT = TiO2 - Ôxit kim loại kiềm (< 1%): gây phản ứng với SiO2 làm nứt khối ximăng 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 6-7 của ximăng. Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 6-8 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2
3. II. CLINKE GEOPET II. CLINKE GEOPET Khoáng vật Công thức phân tử Viết tắt % khối lượng ximăng Tác dụng của các khoáng vật thường lạnh kháng trắng ƒ Alite: quyết định độ bền của đá ximăng trong giai đoạn đầu. Tỉ lệ C S sunfat 3 càng tăng thì độ bền của đá ximăng cũng tăng theo, khi đông cứng tỏa Alite 3CaO.SiO C S 65 25 73 73 2 3 nhiệt càng nhiều. Tỉ lệ phổ biến 40 – 65%. Belite 2CaO.SiO2 C2S 15 55 9 14 ƒ Belite: quyết định độ bền của đá ximăng ở giai đoạn sau. Tỉ lệ C2S Tricalcium 3CaO.Al2O3 C3A 8 3 2 11 tăng sẽ làm ximăng cứng chậm, độ bền tăng theo thời gian, chống aluminate được ăn mòn của nước biển và nước ngầm. Tỉ lệ phổ biến 12 – 35%. Calcium 4CaO.Al2O3.Fe2O3 C4AF 9 14 13 0 ƒ Tselit (C3A, C4AF): làm ximăng hydrat hóa nhanh, rút ngắn thời gian aluminoferrite đông cứng, làm giảm độ bền của đá ximăng. C3A là khoáng vật hoạt tính cao nhất trong clinke, làm ximăng giảm tính chống ăn mòn của Ngoài ra, trong ximăng còn có thủy tinh, bao gồm các aluminat, ferit muối sunphat. không kết tinh, canxisilicat, các liên kết kiềm với tỉ lệ 5 – 12%. 6-9 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 6-10 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết II. CLINKE GEOPET III. NGUYÊN TẮC SẢN XUẤT GEOPET 2.3. Thành phần độ hạt Các thành phần cơ bản của ximăng (C3S, C2S, C3A, C4AF) được tạo thành Kính thước các hạt ximăng càng nhỏ thì độ bền của ximăng càng cao. sau khi nguyên liệu thô nung trong lò và trải qua một chuỗi các phản ứng hóa học ở nhiệt độ hơn 1400oC. Nguyên liệu thô bao gồm đá vôi, silica, alumina và ôxit sắt. Khi chế tạo ximăng đông nhanh, kích thước hạt ximăng rất quan trọng. Quá trình sản xuất như sau: Bình thường, ximăng có thành phần độ hạt như bảng 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. Kích thước hạt, µm 80 - Hỗn hợp nguyên liệu thô được đưa vào lò nung để tạo thành clinke. Hàm lượng hạt, % kl 20-40 10-15 10-20 10-20 10-20 5-15 5-10 - Clinke được làm lạnh nhanh, bổ sung thêm thạch cao (3-5%), sau đó được nghiền vụn. - Sản phẩm nghiền vụn chính là ximăng. 6-11 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 6-12 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 3
4. III. NGUYÊN TẮC SẢN XUẤT GEOPET III. NGUYÊN TẮC SẢN XUẤT GEOPET Đávôi Vật liệu khác Trước khi vào lò nung, nguyên liệu thô có thể được chuẩn bị bằng hai phương pháp: phương pháp khô và phương pháp ướt. Máy đập Máy nghiền Nguyên liệu thô Phụ gia Lò nung Máy nghiền Ximăng Clinke Hình 6.2. Sơ đồ sản xuất theo phương pháp khô Hình 6.1. Lược đồ sản xuất ximăng 6-13 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 6-14 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết III. NGUYÊN TẮC SẢN XUẤT GEOPET III. NGUYÊN TẮC SẢN XUẤT GEOPET Trong phương pháp ướt, hỗn hợp trộn dạng vữa nên dễ kiểm soát thành Nguyên liệu thô được đưa vào lò nung để tạo clinke. Lò nung đặt hơi phần. Tuy nhiên, cần phải tốn thêm năng lượng đáng kể để bốc hơi lượng nghiêng và quay với tốc độ 1-4 vòng/phút, vận chuyển nguyên liệu từ từ đi nước thêm vào. qua lò. Lò được đốt nóng bằng dầu, khí hoặc than đá. Hình 6.3. Sơ đồ sản xuất theo phương pháp ướt Hình 6.4. Sơ đồ quá trình nung tạo clinke 6-15 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 6-16 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 4
5. III. NGUYÊN TẮC SẢN XUẤT GEOPET III. NGUYÊN TẮC SẢN XUẤT GEOPET Trong lò nung có 6 khu vực gia nhiệt. Vai trò của quá trình làm nguội clinke Chất lượng của clinke (và ximăng sau này) phụ thuộc vào tốc độ làm nguội o Khu vực Khoảng nhiệt độ ( C) Dạng phản ứng clinke. Để thu được clinke tốt nhất, cần làm nguội chậm clinke xuống nhiệt độ 1250oC, sau đólàm nguội nhanh, thường khoảng 18 – 20oC/phút. I Dưới 200 bay hơi II 200 tới 800 nung sơ bộ Tốc độ làm nguội clinke quá chậm (4 – 5oC/phút) sẽ tạo ra loại clinke kém III 800 tới 1100 kết tinh, khử cacbon thủy hóa. Sức bền nén ban đầu tốt, nhưng sức bền lâu dài thấp. IV 1100 tới 1300 phản ứng tỏa nhiệt 1300 tới 1500 Tốc độ làm nguội clinke quá nhanh (> 20oC/phút) sẽ tạo ra loại ximăng kém V kết rắn, tạo C2S và C3S và giảm xuống 1300 hoạt tính, không ổn định. Sức bền nén ban đầu thấp, nhưng sức bền lâu dài VI 1300 giảm xuống 1000 làm nguội, tạo C3A và C4AF sẽ cao hơn. 6-17 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 6-18 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết III. NGUYÊN TẮC SẢN XUẤT GEOPET III. NGUYÊN TẮC SẢN XUẤT GEOPET Ximăng được cất giữ trong các xilô kín khí lớn, cách ly ẩm và CO . Clinke được nghiền chung với thạch cao để tạo thành ximăng. Thạch cao có 2 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”. Hình 6.5. Sơ đồ nghiền clinke và thành phẩm ximăng 6-19 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 6-20 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 5
6. IV. TÍNH CHẤT CỦA XIMĂNG PORTLAND GEOPET IV. TÍNH CHẤT CỦA XIMĂNG PORTLAND GEOPET Các tính chất của ximăng Portland bao gồm: Đối với vữa ximăng, cần thỏa mãn các yêu cầu chính sau: 1. Độ mịn − Trộn và bơm dễ dàng, có tính lưu biến tối ưu cho việc thay thế dung 2. Khối lượng riêng dịch khoan. 3. Khả năng giữ nước − Bảo đảm tính chất đồng nhất trong suốt quá trình bơm đẩy. 4. Thời gian ngưng kết − Bảo đảm được độ kín khi đông cứng, không cho dầu, khí, nước rò rỉ 5. Tính ổn định thể tích vào khoảng không vành xuyến. 6. Tính lưu biến − 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. 6-21 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 6-22 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết IV. TÍNH CHẤT CỦA XIMĂNG PORTLAND GEOPET IV. TÍNH CHẤT CỦA XIMĂNG PORTLAND GEOPET 4.1. Độ mịn Xác định bề mặt đơn vị δ một cách tuyệt đối chính xác rất khó. Một số phương pháp xác định δ như sau: Kích thước hạt ximăng càng nhỏ thì số lượng hạt trong một đơn vị khối lượng càng nhiều, tổng diện tích bề mặt (tỷ bề mặt) các hạt càng lớn. Tổng bề mặt tham gia phản ứng lớn thì quá trình thủy hóa càng mạnh. – Thông qua trị số các thành phần độ hạt với giả thiết là các hạt ximăng có kích thước khác nhau đều là hình cầu. Phương pháp này kém chính xác và ít được dùng. Trong ximăng, các hạt có kích thước nhỏ hơn 7 µm ảnh hưởng tới tính chất của ximăng nhiều nhất. Khối lượng các hạt này thường chiếm 19-35% nhưng –Bằng phương pháp hấp phụ: xác định lượng vật chất cần thiết để bao phủ tổng diện tích bề mặt lớn hơn tất cả các phần hạt còn lại. Đối với ximăng bề mặt các hạt ximăng bằng một lớp phần tử chất hấp phụ nào đó. Chất hấp thường, bề mặt đơn vị δ = 2800-3000 cm2/g. 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 ximăng đã lèn Độ mịn của ximăng được xác định bằng rây. chặt khi bơm không khí qua nó. Phương pháp này được dùng phổ biến. 6-23 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 6-24 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 6
7. IV. TÍNH CHẤT CỦA XIMĂNG PORTLAND GEOPET IV. TÍNH CHẤT CỦA XIMĂNG PORTLAND GEOPET 4.2. Khối lượng riêng Khối lượng riêng của vữa ximăng bị giới hạn bởi tỷ số nước/ximăng. Vữa ximăng có tỷ trọng thấp thường được sử dụng để tránh hiện tượng phá vỡ Xác định theo hai trường hợp: vỉa đối với thành hệ yếu. Các phụ gia trong trường hợp này là silicate (với a. Khối lượng riêng ở trạng thái tự nhiên lượng nước trộn nhiều hơn) hoặc các vật liệu như pozzolan, nitrogen, Đo khối lượng riêng bằng bình thể tích 1 lít. Ximăng được cho rơi tự do qua ceramic. lưới vào phễu đặt trên bình. ρx = (P2 –P1)/ V (g/l) Vữa có tỷ trọng cao được sử dụng khi thành hệ có áp suất cao với lượng Với: ρx –khối lượng riêng của ximăng nước tối thiểu cho phép (17.5 - 18 lb/gal). Tuy nhiên, thiết kế vữa ximăng có P1, V – khối lượng bình rỗng và thể tích bình tỷ trọng lớn cần chú ý hiện tượng mất nước, thời gian đông cứng, Vữa có P –khối lượng bình có ximăng 2 tỷ trọng cao được tạo ra bằng cách thêm những vật liệu có tỷ trọng lớn và b. Khối lượng riêng ở trạng thái nén chặt giảm tỷ lệ nước. Đổ trực tiếp ximăng vào bình thể tích 1 lít. Ximăng được làm chặt bằng cách lắc bàn đến khi được một thể tích không đổi. 6-25 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 6-26 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết IV. TÍNH CHẤT CỦA XIMĂNG PORTLAND GEOPET IV. TÍNH CHẤT CỦA XIMĂNG PORTLAND GEOPET 4.3. Khả năng giữ nước a. Độ thoát nước Ximăng cần có khả năng giữ nước nhất định, không tách riêng pha rắn và Xác định bằng công thức: B = K[N/X – (N/X)t]X nước khi bơm trám. Sự tách nước ra khỏi khối vữa sẽ làm cho cột đá ximăng trong đó: B – lượng nước thoát ra không đồng nhất, dễ tạo ra các “túi nước” làm tăng độ thấm nước của đá (N/X)t –tỉ lệ nước/ximăng khi nước thoát ra hoàn toàn ximăng. Ximăng không giữ nước sẽ có độ linh động kém và khó bơm. K – hằng số X – lượng ximăng khô ban đầu Khả năng giữ nước của ximăng được xác định qua hai chỉ tiêu: – Độ thoát nước Để làm giảm độ thoát nước của ximăng, có thể giảm tỉ trọng, giảm tỉ lệ N/X – Độ bền lắng ban đầu, giảm kích thước hạt ximăng, thêm chất hoạt tính có tác dụng phân tán mạnh khi hòa tan. 6-27 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 6-28 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 7
8. IV. TÍNH CHẤT CỦA XIMĂNG PORTLAND GEOPET IV. TÍNH CHẤT CỦA XIMĂNG PORTLAND GEOPET b. Độ bền lắng 4.4. Thời gian ngưng kết Khi ximăng không có cấu trúc tốt, liên kết ximăng với nước kém, dưới tác Thời gian ngưng kết có ý nghĩa rất quan trọng đối với chất lượng trám dụng của trọng lực, hạt ximăng sẽ lắng đọng, tách pha lỏng ra. ximăng. Quá trình ngưng kết và đông cứng của ximăng đặc trưng bởi 2 loại thời gian: Độ bền lắng được xác định bằng công thức: – Thời gian bắt đầu ngưng kết (t ): vữa bắt đầu đặc lại và mất khả năng k = (v1 –v2)/v1 (%) bđ 2 trong đó: k – hệ số thoát nước, % linh động khi thủy hóa, độ bền dẻo khoảng 1 – 1,5 KG/cm . v 1 –thể tích ban đầu của vữa ximăng – Thời gian kết thúc ngưng kết (tkt): thủy hóa ngày càng mạnh làm cho vữa v2 –thể tích vữa ximăng còn lại ngày càng đặc, hoàn toàn mất tính dẻo nhưng vẫn chưa có độ bền cơ học. Thời gian kết thúc ngưng kết tương ứng với độ bền dẻo khoảng 3 – 5 Ximăng được xem là có đủ độ bền lắng cần thiết khi k ≤ 2,5%. KG/cm2. 6-29 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 6-30 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết IV. TÍNH CHẤT CỦA XIMĂNG PORTLAND GEOPET IV. TÍNH CHẤT CỦA XIMĂNG PORTLAND GEOPET Xác định thời gian ngưng kết 4.5. Tính ổn định thể tích Có nhiều phương pháp xác định thời gian ngưng kết của vữa. Nếu thể tích ximăng giảm đi khi thành đá thì giữa thành giếng khoan, ống chống và vành đá ximăng sẽ xuất hiện các khe nứt, kênh rãnh mà nước, khí, ™ Dùng đường cong tạo cấu trúc: xây dựng đường cong tạo cấu trúc bằng dầu có thể thông nhau. Kết quả cách ly và trám ximăng không đảm bảo. dẻo kế Rebinder, xác định độ bền dẻo theo thời gian. Ximăng nở thường được dùng để trám giếng khoan. Sự thay đổi thể tích của ™ Dùng dụng cụ Vik: xác định chiều sâu ngập vào vữa của thanh kim loại đá ximăng phụ thuộc thành phần phụ gia và môi trường đông cứng. Thông tiêu chuẩn dưới tác dụng của trọng lượng xác định. Thanh kim loại đường thường, vữa ximăng đông cứng trong nước thì thể tích tăng còn trong không kính 1,1mm, dài 50mm, trọng lượng toàn bộ thanh kim loại để kim cắm khí thì giảm. vào vữa là 300G. Ximăng đựng trong cốc tiêu chuẩn, cao 40mm. Thời gian bắt đầu tính từ khi trộn vữa đến khi kim cách đáy cốc 1mm. Sự thay đổi thể tích của đá ximăng thường xảy ra trong 2-4 ngày đầu, sau đó Thời gian kết thúc tính từ khi trộn vữa đến khi kim chạm đáy cốc. ổn định dần. 6-31 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 6-32 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 8
9. IV. TÍNH CHẤT CỦA XIMĂNG PORTLAND GEOPET IV. TÍNH CHẤT CỦA XIMĂNG PORTLAND GEOPET 4.6. Tính lưu biến Với ximăng 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. Các thông số lưu biến quan trọng của ximăng là độ nhớt dẻo và ứng suất trượt động. Hai thông số này luôn thay đổi trong quá trình từ khi trộn vữa đến khi vữa đông cứng thành đá ximăng. Đặc trưng tổng hợp của hai thông số Tính lưu biến của ximăng quyết định sức cản thủy lực khi tiến hành bơm trên gọi là độ linh động của vữa ximăng. trám. Để quá trình bơm vữa được thuận lợi, người ta thường thêm vào các hóa chất làm giảm các thông số lưu biến. Các phụ gia này được gọi là các chất hóa dẻo. 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 độ chảy 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). 6-33 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 6-34 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết V. LÝ THUYẾT VỀ SỰ RẮN CHẮC CỦA XIMĂNG GEOPET V. LÝ THUYẾT VỀ SỰ RẮN CHẮC CỦA XIMĂNG GEOPET 5.1. Phản ứng thủy hóa a. Thủy hóa các silicat Khi trộn ximăng với nước (thủy hóa ximăng), các khoáng vật trong ximăng sẽ Quá trình thủy hóa sẽ diễn ra như sau, với x và y thay đổi và phụ thuộc điều tác dụng với nước, tạo thành các chất chứa nước khác nhau, gọi là các sản kiện xảy ra phản ứng. phẩm của quá trình thủy hóa ximăng. Đối với alite và belite: Các thành phần cơ bản của ximăng (C S, C S, C A, C AF) có tính chất động 3 2 3 4 3CaO.SiO2 + (3 + x – y)H2O = (3 – x)Ca(OH)2 + xCaO.SiO2.yH2O lực học thủy hóa khác nhau và ảnh hưởng đến khả năng đông cứng của vữa 2CaO.SiO2 + (2 + x – y)H2O = (2 – x)Ca(OH)2 + xCaO.SiO2.yH2O ximăng thành một loại đá nhân tạo. x = 0: phản ứng xảy ra hoàn toàn, sản phẩm là silicat ngậm nước x = 3: không xảy ra phản ứng Quá trình thủy hóa ximăng bao gồm thủy hóa các silicat (chiếm hơn 80%) và Ở nhiệt độ phòng, khi xảy ra phản ứng thủy phân, alite và belite sẽ tạo thành thủy hóa các thành phần còn lại. silicat ngậm nước với x = y = 1,5. 6-35 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 6-36 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 9
10. V. LÝ THUYẾT VỀ SỰ RẮN CHẮC CỦA XIMĂNG GEOPET V. LÝ THUYẾT VỀ SỰ RẮN CHẮC CỦA XIMĂNG GEOPET Đối với tselit: 5.2. Giải thích quá trình rắn chắc của ximăng o – Ở nhiệt độ thường (25 – 30 C), thủy hóa C3A sẽ tạo thành C4AH14, ở Chất lượng công tác bơm trám ximăng được đánh giá bởi sự tạo thành đá nhiệt độ cao sẽ tạo C3AH6 khá ổn định. Khi có thêm thạch cao và nhiệt ximăng và các tính chất của nó. Quá trình chuyển tiếp từ vữa ximăng thành độ thay đổi, sản phẩm có thể là sunfua aluminat canxi ngậm nước đá ximăng xảy ra rất phức tạp và nó phụ thuộc trực tiếp vào ximăng, các (3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O) hoặc mono sunfua aluminat canxi ngậm thành phần có trong vữa và điều kiện đông cứng của vữa. nước (3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O). –Thủy hóa C AF tương tự thủy hóa C A nhưng tốc độ phản ứng chậm 4 3 Quá trình nói trên xảy ra từ từ qua các giai đoạn: thủy hóa, ngưng kết và hơn nhiều. đông cứng tạo độ bền. b. Thủy hóa các thành phần còn lại – MgO: được thủy hóa đến khi tạo thành Mg(OH)2. Quá trình đông cứng của vữa ximăng thường xảy ra rất phức tạp và đã được – Sunfat kiềm sẽ nhanh chóng tan vào hỗn hợp khi trộn ximăng với nghiên cứu từ lâu nhưng chưa có sự giải thích thống nhất. nước lã. 6-37 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 6-38 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết V. LÝ THUYẾT VỀ SỰ RẮN CHẮC CỦA XIMĂNG GEOPET V. LÝ THUYẾT VỀ SỰ RẮN CHẮC CỦA XIMĂNG GEOPET Hiện nay, các cách giải thích cơ chế của quá trình đông cứng đều dựa theo 2 Vữa ximăng từ từ bão hòa các sản phẩm của quá trình thủy hóa, chúng sẽ thuyết cổ điển: lắng xuống ở dạng tinh thể nhỏ hoặc sợi dài. Các tinh thể này sẽ đan lại với – Giả thuyết kết tinh Lechatelier (1882) nhau tạo mạng tinh thể không gian. – Thuyết hóa keo Mikhaelix (1893) 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 Theo Lechatelier, các khoáng vật của clinke có độ hòa tan lớn hơn nhiều so tạo thành như vậy chính là đá ximăng. với các liên kết của chúng với nước. Do đókhi 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. Độ bền của đá ximăng do lực liên kết ion giữa các phân tử trong mạng. 6-39 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 6-40 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 10
11. V. LÝ THUYẾT VỀ SỰ RẮN CHẮC CỦA XIMĂNG GEOPET V. LÝ THUYẾT VỀ SỰ RẮN CHẮC CỦA XIMĂNG GEOPET Theo Mikhaelix, các khoáng vật của clinke bị thủy hóa ở trạng thái cứng 5.3. Đặc điểm quá trình thủy hóa và đông cứng ximăng (không qua trạng thái hòa tan) bằng cách liên kết với nước theo bề mặt các Về chi tiết, quá trình thủy hóa của C3S được chia thành 5 giai đoạn: hạt. Các hạt ximăng được bao phủ bằng một lớp màng làm thể tích của – Tiền cảm ứng (preinduction): vài phút, tỏa nhiều nhiệt, thủy hóa sơ bộ chúng tăng dần. Các hạt ximăng sau thủy hóa kết hợp với nhau, xen ghép – Cảm ứng (induction): vài giờ, tỏa nhiệt rất ít, tạo vỏ bảo vệ lẫn nhau, làm chặt dần khối vữa và tạo thành đá ximăng. – Tăng tốc phản ứng (acceleration) và giảm tốc phản ứng (deceleration): vài ngày, thủy hóa mạnh, mạng tinh thể hình thành và hệ thống bắt đầu phát triển Độ bền của đá ximăng do lực hút phân tử (yếu hơn lực liên kết ion). Tuy độ bền. Khi độ rỗng giảm, thủy hóa sẽ chậm lại. Giai đoạn này còn gọi là giai nhiên, đá ximăng có độ bền cao là do bề mặt đơn vị của các hạt gel và bề đoạn đông cứng. mặt tiếp xúc giữa chúng rất lớn, quá trình đông cứng là quá trình làm chặt – Khuếch tán (diffusion): giai đoạn sau cùng, thủy hóa chậm dần, mạng tinh thể dần của gel. chặt sít, độ bền tăng. Mặc dù thủy hóa của C3S thường được dùng để mô phỏng quá trình thủy hóa Ngoài cách giải thích trên, còn nhiều cách giải thích khác về quá trình đông ximăng Portland, cần lưu ý là còn nhiều thông số khác có liên quan. cứng của vữa và độ bền của đá ximăng. 6-41 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 6-42 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết V. LÝ THUYẾT VỀ SỰ RẮN CHẮC CỦA XIMĂNG GEOPET V. LÝ THUYẾT VỀ SỰ RẮN CHẮC CỦA XIMĂNG GEOPET Quá trình thủy hóa ximăng là một chuỗi các phản ứng hòa tan và tạo kết tủa giữa các khoáng vật của clinke và nước, làm cho vữa ximăng đặc và từ từ C-S-H, calcium silicat hydrate (xCaO.SiO2.yH2O), là sản phẩm sau thủy hóa cứng lại. Các phản ứng này diễn ra đồng thời với tốc độ khác nhau. của C3S và C2S. Giá trị x và y thay đổi phụ thuộc thành phần tỉ lệ các chất Hình thành tham gia phản ứng thủy hóa, nhiệt độ, các chất phụ gia. Hòa tan và hình monosulphat thành gel C-S-H Hình thành nhanh Ở điều kiện bình thường, C-S-H chiếm khoảng 70% lượng ximăng Portland a ra C-S-H và CH Các phản ứng ỏ bị thủy hóa, và là thành phần chính của đá ximăng. Đông cứng khuếch tán ng t Giai đoạn sau cùng ượ cảm ứng t l ệ Thành phần Ca(OH)2 chiếm khoảng 15 – 20% trong đá ximăng, tồn tại dưới Đông cứng Nhi ban đầu dạng tinh thể dẹt 6 cạnh. phút giờ ngày Hình 6.6. Ví dụ quá trình thủy hóa ximăng Portland 6-43 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 6-44 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 11
12. V. LÝ THUYẾT VỀ SỰ RẮN CHẮC CỦA XIMĂNG GEOPET V. LÝ THUYẾT VỀ SỰ RẮN CHẮC CỦA XIMĂNG GEOPET a. Sự thay đổi thể tích khi đông cứng b. Ảnh hưởng của nhiệt độ Khi thủy hóa, thể tích hệ thống ximăng và nước sẽ bị giảm bớt. Tỉ trọng của Nhiệt độ là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình thủy hóa sản phẩm thủy hóa cao hơn tỉ trọng của các thành phần ban đầu. ximăng Portland. Ví dụ về tỉ lệ % thể tích ximăng Portland bị co ngót: Nhiệt độ khi thủy hóa cao sẽ tăng tốc các phản ứng, rút ngắn giai đoạn cảm ứng và đông cứng. STT Loại 1 ngày 7 ngày 28 ngày 100 ngày Các sản phẩm thủy hóa ở điều kiện thường không bị thay đổi nhiều nếu nhiệt 1 Ximăng Portland 2,8 4,8 6,0 6,9 độ không vượt quá 40oC. Một số biến đổi về cấu trúc vi mô của C-S-H sẽ 2 Ximăng Portland 1,7 4,4 __ 6,3 xuất hiện khi nhiệt độ tăng cao. Nếu nhiệt độ vượt quá 110oC, gel C-S-H sẽ 3 Ximăng Portland 2,7 8,0 8,6 8,7 không bền vững. 4 không thạch cao 2,6 6,3 7,5 7,6 6-45 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 6-46 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết V. LÝ THUYẾT VỀ SỰ RẮN CHẮC CỦA XIMĂNG GEOPET V. LÝ THUYẾT VỀ SỰ RẮN CHẮC CỦA XIMĂNG GEOPET c. Hiện tượng “đông nhanh” và “đông giả” d. Ảnh hưởng bởi độ ẩm và nhiệt độ “Đông nhanh” – khi clinke nghiền không có thạch cao tác dụng với nước, C3A Hoạt tính của ximăng Portland bịảnh hưởng đáng kể nếu để lâu trong không sẽ nhanh chóng phản ứng, hình thành lớp hồ cứng, ngăn cản các phản ứng khí hoặc môi trường có nhiệt độ cao, bao gồm: tiếp theo. Nếu lượng thạch cao trong ximăng không đủ, hiện tượng này vẫn – Tăng thời gian đông đặc sẽ xảy ra. –Giảm sức bền nén –Giảm nhiệt lượng thoát khi thủy hóa “Đông giả” – trong quá trình nghiền, nhiệt độ tăng cao làm calcium sulphat – Tăng độ nhớt của vữa ximăng. 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. 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, ximăng có khuynh hướng bị “đông giả”. 6-47 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 6-48 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 12
13. V. LÝ THUYẾT VỀ SỰ RẮN CHẮC CỦA XIMĂNG GEOPET VI. ĐÁ XIMĂNG GEOPET e. Ảnh hưởng bởi các chất kiềm Vữa ximăng sau khi đông cứng tạo thành đá ximăng. Tính chất của đá Thành phần kiềm chủ yếu trong trong ximăng Portland là Natri và Kali. Các ximăng phụ thuộc rất nhiều vào bản thân vữa ximăng và các yếu tố bên nghiên cứu cho thấy chúng ảnh hưởng đến sự đông cứng và phát triển độ ngoài trong quá trình đông cứng: độ ẩm môi trường, nhiệt độ, đặc điểm hóa bền của ximăng. Do đó, tỉ lệ ôxit kiềm thường được giữ dưới 1%. học của môi trường. Các tính chất cơ bản của đá ximăng bao gồm: f. Ảnh hưởng bởi thành phần độ hạt 1. Độ bền nén Độ mịn của ximăng là thông số quan trọng đối với hoạt tính và tính lưu biến của vữa ximăng. 2. Độ thấm 3. Tính cách ly Tổng diện tích bề mặt của các hạt ximăng liên quan chặt chẽ tới sự phát triển 4. Tính kháng sulfat độ bền nén của nó. Ximăng càng mịn độ bền nén khi đông cứng càng cao. 6-49 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 6-50 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết VI. ĐÁ XIMĂNG GEOPET VI. ĐÁ XIMĂNG GEOPET 6.1. Độ bền nén Độ bền nén của ximăng phụ thuộc nhiều yếu tố: Giá trị độ bền nén tối ưu của đá ximăng (vữa ximăng sau khi đông cứng) phải ¾ Thời gian: hầu hết trường hợp, độ bền của đá ximăng tăng nhanh, sau tương ứng với độ bền của thành hệ được cách ly. Đá ximăng phải phát triển đó ổn định dần và cuối cùng có chiều hướng giảm. Thời gian tăng độ độ bền nén đủ để: bền tỉ lệ nghịch với nhiệt độ môi trường đông cứng. –Bảo vệống chống trong giếng, ¾ Tỉ lệ nước/ximăng (N/X): khi N/X tăng thì độ bền cơ học giảm do trong đásẽ có các túi nước và không khí. Tỉ lệ N/X cần thiết cho quá trình –Chịu được rung động, va chạm trong quá trình khoan, bắn mở vỉa, phản ứng khoảng 27-33% trọng lượng ximăng. – Tránh hiện tượng gây nứt vỡ thành hệ khi áp suất thủy tĩnh cao. ¾ 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 độ bền. Thông thường, ximăng đông cứng trong giếng chịu tác động bởi lực nén ¾ Các chất phụ gia ngang do áp suất thành hệ gây ra và ứng suất kéo do trọng lượng của cột ¾ Độ thấm: độ thấm tăng tức là độ bền của đágiảm. ống chống. Do đó để bảo vệ cột ống chống, độ bền ximăng phải đủ lớn để tạo liên kết giữa ống chống và ximăng. 6-51 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 6-52 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 13
14. VI. ĐÁ XIMĂNG GEOPET VI. ĐÁ XIMĂNG GEOPET a. Xác định độ bền của đá ximăng b. Sự suy giảm độ bền ở nhiệt độ cao Độ bền cơ học của đá ximăng bao gồm độ bền nén, độ bền uốn và độ bền Ở điều kiện nhiệt độ bình thường, ximăng đông cứng tiếp tục quá trình thủy kéo, được xác định thông qua thí nghiệm. hóa và phát triển độ bền cho đến một giá trị xác định. Mẫu thí nghiệm phải được làm lạnh tới nhiệt độ phòng và bão hòa nước. Tải Ở nhiệt độ hơn 1100F, ximăng sẽ đạt được độ bền tối đa trong vài tuần đầu, trọng phải tăng từ từ để tránh phá hủy mẫu, cụ thể: sau đó độ bền bắt đầu giảm. Trong một số trường hợp, độ bền của đá 2 ximăng tiếp tục giảm cho đến khi bị phá hủy hoàn toàn. – Khi xác định σn, tốc độ tăng tải nhỏ hơn 20 KG/cm /s. 2 – Khi xác định σu và σk , tốc độ tăng tải nhỏ hơn 1 KG/cm /s. 2 2 Đá ximăng có σn > 40 KG/cm , σu > 10 KG/cm mới được dùng trám giếng khoan. 6-53 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 6-54 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết VI. ĐÁ XIMĂNG GEOPET VI. ĐÁ XIMĂNG GEOPET Hai nguyên nhân chủ yếu gây suy giảm độ bền đá ximăng ở nhiệt độ cao: 6.2. Độ thấm Độ thấm của đá ximăng trong giếng khoan phụ thuộc nhiều yếu tố: độ rỗng 1– Sự thay đổi cấu trúc của ximăng đã liên kết với nước trong quá trình thủy hữu hiệu của đá ximăng, điều kiện môi trường và các phản ứng tương tác hóa và sự mất nước. Một thành phần của ximăng là C-S-H khi ở nhiệt độ giữa môi trường với các thành phần của ximăng. 250oF sẽ trở thành alpha-dicalcium-silicate-hydrate, làm tăng độ rỗng, từ đó làm tăng mức độ nhiễm bẩn và giảm độ bền của đá ximăng. Độ thấm được chia thành: – Độ thấm vật lý (độ thấm tuyệt đối): là độ thấm đối với lưu chất đồng nhất 2– Độ thấm của ximăng tăng lên dẫn đến sự gia tăng các lỗ rỗng tạo điều và không có tác động hóa lý giữa lưu chất và môi trường. kiện cho quá trình ăn mòn, làm giảm độ bền. – Độ thấm hữu hiệu: là độ thấm đối với lưu chất khi trong lỗ hỗng đã có một pha nào đó. Để hạn chế sự suy giảm độ bền của đá ximăng, người ta bổ sung silica oxit. Silica oxit ngăn chặn sự hình thành alpha-dicalcium-silicate-hydrate. Quá trình thấm chất lỏng qua đá ximăng cũng tuân theo định luật Darcy. 6-55 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 6-56 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 14
15. VI. ĐÁ XIMĂNG GEOPET VI. ĐÁ XIMĂNG GEOPET Các yếu tốảnh hưởng đến độ thấm 6.3. Tính cách ly – Độ mịn của ximăng: ximăng càng mịn thì độ thấm càng giảm. Độ thấm và độ bền của liên kết ximăng và ống chống là hai yếu tốảnh – Thành phần khoáng vật của ximăng: các thành phần làm tăng tốc độ thủy hưởng đến khả năng cách ly của đá ximăng. hóa trong ximăng như C3A, C4AF sẽ làm giảm độ thấm của ximăng. – Tỉ lệ N/X: nhìn chung, khi tỉ lệ N/X tăng thì thể tích lỗ hổng và mạch mao Độ thấm của ximăng đông cứng thường rất thấp (khoảng 0,01 mD). Vữa có tỉ dẫn tăng làm tăng độ thấm của đá ximăng. trọng thấp thường được sử dụng bơm trám vào thành hệ có độ thấm cao. – Nhiệt độ: khi nhiệt độ môi trường đông cứng nhỏ hơn 100oC thì tốc độ thủy hóa tăng, độ thấm của ximăng giảm. Khi nhiệt độ cao, các sản phẩm thủy Khi bơm trám ximăng ở những thành hệ chứa khí có áp suất cao thì tính hóa thường có kích thước lớn làm cho độ thấm tăng lên. cách ly của ximăng đông cứng rất quan trọng (nhất là các khí gây ăn mòn). – Áp suất: áp suất môi trường đông cứng tăng thu ngắn quá trình thủy hóa, làm độ thấm của đá ximăng giảm. Tuy nhiên, ảnh hưởng của chênh lệch áp suất sau khi tạo đásẽ quyết định hơn đến độ thấm. 6-57 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 6-58 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết VI. ĐÁ XIMĂNG GEOPET VI. ĐÁ XIMĂNG GEOPET Mối liên kết giữa đá ximăng và ống chống phụ thuộc vào: bản chất đá 6.4. Tính kháng sulfat ximăng, chủng loại ống chống và mức độ gia công bề mặt, nhiệt độ và áp 2- Sulfat (SO4 ) được xem là chất ăn mòn ximăng nhất. Thông thường nước suất môi trường. trong thành hệ chứa dầu thường chứa MgSO4 và Na2SO4. Ximăng tiếp xúc với nước sunfat sẽ dần dần bị mềm đi và phân rã. Thời gian tiếp xúc càng Do sự co ngót của ximăng trong quá trình thủy hóa cộng với sự biến dạng lâu và lượng nước sulfat được bổ sung sẽ gây tổn hại và làm ximăng mất của cột ống chống sẽ tạo các vi khe nứt trong khoảng không vành xuyến cho dần tính liên kết. phép chất lưu thấm qua. Cần sử dụng vành ximăng có tính giãn nở để khắc phục hiện tượng này. MgSO4 và Na2SO4 phản ứng với vôi trong ximăng tạo ra Mg(OH)2, NaOH và CaSO4. CaSO4 phản ứng với C3A tạo thành calcium sulfoaluminate có thể Ximăng liên kết với đất đá ở thành giếng phụ thuộc thành phần ximăng và tích lớn hơn lỗ rỗng của C3A, làm cho lớp ximăng giãn nở gây áp lực tách lớp đất đá, điều kiện đông cứng, trạng thái bề mặt và mức độ bão hòa nước ximăng bảo vệống chống. Chênh áp trong giếng làm vữa thấm sâu vào thành hệ, tăng liên kết. 6-59 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 6-60 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 15
16. VI. ĐÁ XIMĂNG GEOPET GEOPET Để tăng tính kháng sulfat cho ximăng, người ta thường giảm lượng C3A trong ximăng hay lượng vôi tự do trong ximăng đông cứng bằng cách thêm vật liệu pozzolan, chất này phản ứng với vôi tạo thêm một phần vật liệu ximăng. KẾT THÚC CHƯƠNG 6 Ngoài ra, cũng có thể thêm vào ximăng lượng CaSO4 tương ứng với C3A để tạo thành calcium sulfoaluminate trước khi vữa ximăng đông cứng. Hiện nay, không có phương pháp nào loại bỏ hoàn toàn ảnh hưởng của sulfat mà chỉ hạn chếởmột mức độ nhất định. 6-61 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 6-62 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 16