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简介
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高铝水泥
一、概述
高铝水泥，又称矾土水泥或铝酸盐水泥，是以铝酸钙为主的熟料经磨细制成的水硬性胶凝材料。
1918年高铝水泥真正投入商业性生产。具有十分典型的早强快硬特性，最初主要用于军事工程，如法国军队在第一次世界大战中用其构筑炮座和其他特殊工程。目前这种水泥不仅用于军事工程，而且还广泛应用于各类抢修工程，冬季施工和要求早强的特殊工程。另外，高铝水泥还具有良好的耐高温特性，可用于制备耐热混凝土，作窑炉内衬材料，还是配制膨胀水泥和自应力水泥的主要组分。
二、组成
1、矿物组成
由于高铝水泥以Al2O3、CaO、SiO2为主要成分，因此其矿物组成为C12A7、CA和C2S，CA、C2S和C2AS，或CA、C2AS和CA2。
（1）铝酸一钙（CA）
CA是高铝水泥的主要矿物，它使高铝水泥的初始强度发展速率远比高C3S含量的硅酸盐水泥快。其特点是凝结正常，硬化迅速，是高铝水泥强度的主要来源。但是CA含量过高时，强度发展主要集中在早期，后期强度增进率不显著。
CA属于单斜晶系，熔融温度1600℃。其晶形与煅烧方法、冷却条件等因素有关，熔融法生产高铝水泥熟料中的CA呈棱柱状（5~10微米），烧结法生产熟料中的CA呈不规则矩形或板状。
（2）二铝酸一钙（CA2）
高铝水泥中CaO含量较低时，CA2较多。其水化硬化较慢，早强低，但后期强度能不断增长。如果CA2含量过高，将影响高铝水泥的快硬性能。但随CA2增加，水泥的耐热性能提高。属于单斜晶系。熔融法生产时，CA2晶体呈巨大棱柱状；烧结法生产时，呈粒状（10~20微米）。
（3）七铝酸十二钙（C12A7）
结构中铝和钙的配位极不规则，结构中存在大量空腔，水极易进入。因此，C12A7水化、凝结极快，但强度不及CA高。当水泥中C12A7较多时，水泥出现快凝，甚至强度倒缩，耐热性下降。
（4）钙铝黄长石（C2AS）
晶格中离子配位对称性很高，故水化活性极低。
（5）六铝酸一钙（CA6）
低钙铝酸盐水泥中常见的一种矿物，为惰性矿物，无水硬性。但其可提高水泥的耐热性。
2、化学组成
主要化学成分为CaO、Al2O3、SiO2、Fe2O3，还有少量的MgO、TiO2等。
（1）氧化铝（Al2O3）
氧化铝是保证形成低碱性铝酸钙的基本成分，我国采用烧结法生产时氧化铝大于45%；国外氧化铝为35%~45%。氧化铝过低，熟料中易出现C12A7，使水泥快凝，强度下降；Al2O3过高，CA2过多，使水泥早期强度降低。
（2）氧化钙
氧化钙过高，熟料中容易出现C12A7；氧化钙过低，大量形成CA2。熟料烧成温度随CaO含量增加而降低，采用烧结法生产时，若CaO过高，烧成温度范围较窄，生产不易控制。
（3）氧化硅
适量（4%~5%）能促进生料更均匀地烧结，加速熟料形成。但氧化硅过多，C2AS含量相应增加，水泥的早强性能降低。一般认为SiO2含量不宜超过10%。
（4）氧化铁
熔融法生产时，氧化铁能降低熔融温度，但含量不宜超过15%；烧结法生产时，少量氧化铁使熟料易于烧结，但超过4%时熟料容易产生夹馅现象，即表面正常，内部生烧，使水泥的凝结变快，强度降低。
（5）二氧化钛
含量超过4%时，水泥活性降低。
（6）氧化镁
少量MgO（1%~2%）能加速熟料形成，降低高铝熔融物的粘度和熔融温度。随着MgO增多，镁铝尖晶石相应增加，MA不具有胶凝性，生产中MgO含量应不小于2%。
（7）其他
碱可使熔融温度降低，但含量超过0.5%，会引起水泥快凝和强度下降。P2O5含量超过1%时，水泥的强度下降。
三、高铝水泥的生产
一、原料
生产高铝水泥的原料为矾土和石灰石。
矾土主要成分为Al2O3，我国采用回转窑烧结法生产水泥时对矾土的要求为：
SiO2<10%，Al2O3>70%，Fe2O3<1.5%，TiO2<5%，Al2O3/SiO2>7%。熔融法生产水泥时可采用低品位铁矾土。
对石灰石的要求为：
要求采用较纯的石灰石，其中CaO≥52%，SiO2<1，MgO<2%。
2、配料计算
与硅酸盐水泥熟料生产相似，为了得到含适量CA的高铝水泥熟料，必须控制熟料中CA与CA2的比例。一般采用铝酸盐碱度系数（Am）和铝硅比系数（A/S）来配制。
（1）铝酸盐碱度系数（Am）
铝酸盐碱度系数（ Am ），是指熟料中形成CA和CA2的CaO量与熟料中铝酸钙全部为CA时所需的CaO量之比。
Am=（C-1.87S-0.70（F+T））/（0.55（A-1.70S-2.53M））
Am越大，表示熟料中CA/CA2之比值越大；反之，CA/CA2之比值越小。熟料中除生成C2AS和MA之外，当Am=1时，其余Al2O3全部化合成CA，而不存在CA2；当Am=0.5时，只形成CA2，而不存在CA。我国生产高铝水泥时，Am下限一般为0.5左右，上限值为0.8~0.9。当上限值接近于1时，用熔融法制得的水泥会出现快凝；烧结法生产水泥时易结窑引起产量明显下降。Am降低，水泥凝结变慢，强度降低，若Am低于0.5，则水泥强度发展很慢。
（2）铝硅比系数（A/S）
A/S越高，S越少，水泥强度越高。A/S大于7时，水泥标号可达到325#，A/S大于9时，水泥标号可达到425#。
（3）水泥熟料的矿物组成计算
CA=1.55（2Am-1）（A-1.70S-2.53M）；CA2=2.55（1-Am）（A-1.7S-2.53M）
C2AS=4.57S；CT=1.70T；C2F=1.7；MA=3.53M。
3、生产方法
可采用熔融法和烧结法。
（1）熔融法
将生料置于电炉、高炉、反射炉或转炉中熔融制取熟料。实际生产的熔融温度1300~1400℃。
（2）烧结法
回转窑烧成，烧成温度1300~1330 ℃。
四、高铝水泥的硬化过程
高铝水泥水化生成的CAH10、C2AH8属于六方晶系，所形成的片状与针状晶体互相交叉搭接，形成坚固的骨架结构，氢氧化铝凝胶填充其间，且结合水量大，因此孔隙率低，结构致密，使水泥获得较高的机械强度。
五、高铝水泥的性能
1、强度
GB201-81规定，高铝水泥分为四个标号。
特性：强度发展非常迅速，24h几乎可达到最高强度的80%。在低温（5~10℃）也能很好硬化。但其强度发展与养护温度、水灰比的关系很大，水化产物的晶型转变还将导致强度倒缩。温度高于30 ℃，水泥强度剧烈下降。使用环境温度不得高于30 ℃。
2、凝结时间
初凝不得早于40min，终凝不得迟于10h。温度低于25 ℃，对凝结时间不明显；超过25 ℃，凝结变慢。因此高铝水泥不需要加石膏作缓凝剂。增加溶液pH值的物质如CH、NaOH、Na2CO3、Na2SO4等可加速高铝水泥凝结；而NaCl、KCl、NaNO3、酒石酸、柠檬酸、糖蜜、甘油等可使水泥凝结变慢。少量CaSO4（0.25%）能延缓凝结，但1%的CaSO4可使水泥终凝缩短至30min以下。
硅酸盐水泥与高铝水泥复合，将缩短凝结时间和降低水泥强度，在一定范围内的混合物甚至可能出现瞬凝。
3、耐腐蚀性
（1）抗硫酸盐性能
主要矿物低碱性铝酸钙，水化时不析出游离CH；水泥石液相碱度低，从而增加钙矾石的溶解度，使其均匀分布在混凝土孔隙中。另外，水泥水化生成铝胶，使水泥石结构致密，抗渗性好。
（2）耐酸性
对碳酸和稀酸（pH值不小于4）具有很好的稳定性。原因：存在铝胶。当pH大于4时，铝胶才从铝酸盐溶液中沉淀出来。因此在pH值降低到4以下之前，硬化水泥浆体在酸溶液中不再溶解。
（3）碳化
碳化反而使强度增大。
（4）抗碱性
抗碱性较差。
4、水化热
总水化热为450~500J/g，与硅酸盐水泥相近。但高铝水泥24h内水化热达到70~90%，而硅酸盐水泥相应仅放出25~50%。
5、密度、细度
密度3.2~3.25；细度要求80微米方孔筛筛余不超过10%，比表面积不得低于240m2/kg。
6、耐热性
干燥的高铝水泥在900℃下还有原始强度的70%。 1300℃还保留53%的原始强度。
油井水泥
一、概述
油井水泥是石油、天然气勘探和开采时，油、气井固井处理的专用水泥品种。
固井作业的具体过程是当钻井深度达到设计要求后，将钢质套筒下入井内，然后注入水泥浆，依靠水泥浆体把井内泥浆从套管与井壁间隙中强制排除，替代的水泥浆体随后使套管与井壁固结为一体，将地层内不同的油、气、水层封隔起来，形成通畅的油流管道。
油井水泥的使用环境
地下岩层结构十分复杂，地层下环境的温度和压力随深度增加不断变化，一般油井深度每增加30m，井温升高1℃，井深每增加1m，压力增加980~1960Pa，使得油井水泥的实际应用条件非常复杂、多变。
二、技术性能
流动性后，水泥浆具有较低的稠度，较高的沉降稳定度和较低的游离水含量，有利于作用中的泵送
凝结时间适宜，对不同井温、井压条件，水泥浆体有较长的稠化时间，保证固井过程结束后能快速凝结
浆体密度范围适宜，以保证各种岩层构造的固井施工需要
浆体强度发挥较快，固井施工结束后浆体迅速硬化，并保持长期稳定
硬化的浆体密实性好，不透水，不透气，且对各种侵蚀介质有良好的抵抗能力
三、油井水泥的种类
根据我国国家标准GB10238-88，油井水泥分为两大类：普通油井水泥和特种油井水泥。其中，普通油井水泥又分为九个级别三种类型，API A级到API J极油井水泥；特种油井水泥分为超深井水泥、低密度油井水泥、膨胀油井水泥。
1 、API A级油井水泥
A级油井水泥属硅酸盐水泥系列，适合于无特殊性能要求的、自地面起1800m井深的固井作业
一般来说，A级油井水泥具有可泵送性好、凝结硬化快及早期强度高的特点，对于高压井效果特别好，有利于防止油、气上窜，提高固井质量。
2 、API B级油井水泥
B级油井水泥与A级水泥相比，适用油井深度相同。但B级油井水泥具有抗硫酸盐性能，可分中抗硫酸盐型和高抗硫酸盐型。
3 、API C级油井水泥
适用于井深1830m深度，分为普通型、中抗硫酸盐型、高抗硫酸盐型三种，其突出特点是要求水泥具有早强性能。一般采用烧制特定组成的熟料和高细磨来生产C级油井水泥。
4、API D、E、F级油井水泥
适用于中井深和深井，其中D型适用于中温中压条件下1830~3050m；E级适用于3050~4270m井深；F级适用于3050~4880m井深。
5、API G、H级油井水泥
适用于自地面至2440m的井深度。称为基本油井水泥：
（1）在生产时除掺加少量石膏外不得掺加其他任何外加剂；
（2）使用时能与多种外加剂配合，可适应较大的井深和温度变化范围。
6、API J级油井水泥
适用于3660~4880m的井深度，具有耐高温性能。高温高压下具有高强度，以高C2S含量水泥为主。
7、特种油井水泥
（1）超深井水泥：5000m以上井深。
（2）低密度油井水泥：针对地层压裂系数低，为防止正常密度水泥浆液压力超过地层承受力而压裂破坏，造成水泥浆体损失，不能实现正常固井目的的情况而研制的水泥。
（3）膨胀油井水泥：主要依靠水泥水化硬化过程中的适度体积膨胀，进一步增强套管与井壁间的粘结作用，改善固井质量。
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