保坍劑是能夠保持混凝土坍落度不快速損失的外加劑,保坍劑實質上是緩凝劑,延緩水泥水化凝結,達到保持坍落度的作用。
緩凝劑是一種調節稠化時間的化學外加劑。它能減緩水泥的水化速度,延長水泥漿由塑態到固態所需的時間,而對水泥石的後期強度無不利影響。
1.緩凝劑分類
目前常用的緩凝劑主要有三類:鹼性磷酸鹽、有機酸及其可溶鹽、以及蛋白質類等。
1.1有機酸類緩凝劑
主要有檸檬酸、檸檬酸鈉、酒石酸、酒石酸鉀、丙烯酸及丙烯酸鈉等,其緩凝效果按陽離子的類型排列順序為 H+>K+>Ca2+,其中研究最多、效果最好的屬於檸檬酸,檸檬酸及其鹽在摻量很小(0.1~0.3%)時即可達到較強的緩凝效果。
酒石酸(筒寫BK)在摻量為0.3~0.4%與降失水劑及其他外加劑,如磺化單寧、六偏磷酸等複合使用,即能使95℃中深井水泥在150℃~189℃下,有較長的稠化時間。酒石酸及其鹽類與硼酸和硼酸鹽等複合使用,可以在250℃~280℃下使用,對油井水泥有可靠的緩凝效果。
作用機理:則是一方面有機酸鈣沉澱於半水石膏粒子表面,另一方面是有機酸與 Ca2+離子形成環狀螯和物,阻礙半水石膏顆粒的進一步溶解與水化,從而達到緩凝作用。
1.2磷酸鹽類緩凝劑
主要有六偏磷酸鈉、多聚磷酸鈉等。
1.2.1作用機理
磷酸鹽類緩凝劑是在半水石膏粒子表面形成不溶性鈣鹽沉澱薄膜,阻礙半水石膏的進一步溶解,從而降低液相過飽和度,使凝結硬化受阻。
1.3 蛋白質類緩凝劑
包括骨膠、腖等。
1.3.1 作用機理
在於吸附於二水石膏顆粒表面,阻止胚芽的形成,或者是形成了保護性膠體阻礙半水石膏的水化。
2.緩凝劑HEDP
HEDP(羥基乙叉二膦酸)為油井水泥的高效緩凝劑。加入量對水泥漿的性能影響很大,需要嚴格控制。
2.1 HEDP和木質素鐵絡鹽緩凝效果對比
木質素鐵絡鹽(FCLS):加入量為0.5%,稠化時間短,靜態下緩凝效果好,動態下稠度大,不易泵送。HEDP:0.05%,初始稠度低,流動性好。流動指數隨加入量的增加,先增大後平穩。FCLS也有同樣趨勢,但是沒有HEDP變化大。
(圖1. 水泥漿的流動指數與緩凝劑的加入量關係)
摻加HEDP的水泥漿隨溫度升高一直能保持低稠度,而摻加FELS的水泥漿在溫度超過50℃時,稠度迅速增大。由於井深每增加100米,井底溫度一般升高為2~3℃。因此,中深井底的溫度都較高。摻加HEDP的水泥漿在環形空間運行中可一直保持良好的流動性。而FELS可使水泥漿稠度很快變大,以致於難以泵送。
(圖2.摻入緩凝劑的水泥漿稠度與溫度的關係)
2.2 HEDP的作用原理
水泥吸附HEDP之後,表面電荷很低,電位不足使水泥顆粒彼此遠離。HEDP在水中先離解,以各種價態的陰離子形式存在。這些離子被吸附到水泥顆粒表面上就地與Ca+離子結合,成難溶性鈣的磷酸鹽的,並生成薄膜覆蓋在水泥顆粒表面,形成了包裹層,這就延緩甚至阻止了水泥顆粒的水化反應口。或被吸附在水化水泥的晶核上,延緩了晶核生長,從而延緩了水泥的初期水化反應。
3. 常見保坍劑配方
3.1 保坍劑參考配方
成分 | 含量 | 成分說明 |
HEDP | 25-30% | / |
丙烯酸 | 1-3% | / |
水 | 75-80% | / |
3.2 緩凝劑的參考配方
成分 | 含量 | 成分說明 |
富馬酸 | 5-10% | / |
檸檬酸 | 5-10% | / |
檸檬酸鈉 | 5-10% | / |
丙烯酸-磷醯基共聚物 | 1-3% | / |
磷酸鹽 | 1-3% | / |
水泥 | 餘量 | / |