7.3 Шлакопесчаные цементы

Способность портландцемента образовывать затвердевающие водные суспензии обусловлена высокой химической активностью составляющих его соединений. Такая активность, необходимая для получения достаточной скорости реакции при невысоких температурах, обеспечивается соответствующим составом соединений и высокой температурой обжига в процессе производ­ства.

В условиях глубоких скважин повышение температуры зна­чительно ускоряет химические реакции и делает возможным до­статочно быстрое затвердевание суспензий менее активных вя­жущих веществ. При высоких температурах скорость гидрата­ции портландцемента излишне высокая, требующая применения замедлителей, поэтому поиски низкоактивных вяжущих веществ, прежде всего, преследовали цель получить медленносхватывающиеся тампонажные цементы. Из числа низкоактивных вяжу­щих веществ для цементирования скважин в СССР наиболее широко используются доменные шлаки, в США — известково-пуццолановые вяжущие.

Доменные шлаки содержат в основном те же оксиды, что и портландцементный клинкер. Но в них содержится значительно меньше оксида кальция и больше оксидов кремния, и алюми­ния. При охлаждении шлака низкое содержание оксида кальция обусловливает кристаллизацию соединений с низкой по срав­нению с клинкерными минералами основностью. К этим соеди­нениям относятся β- и γ-2СаО * Si0₂, твердый раствор геленита 2СаО*Аl₂0₃ * Si0₂ с окерманитом 2СаО • MgO • 2Si0₂ (меллилиты), магнезиальная шпинель MgO * Al₂O₃ и другие соедине­ния, которые в гидратационном отношении менее активны, чем минералы портландцементного клинкера. При комнатной темпе­ратуре способностью к медленному твердению обладает лишь β-2CaO-Si0₂.

Если шлак быстро охладить, что достигается при грануля­ции, то он застывает в стекловидном состоянии. Гидратационная активность его при этом значительно повышается. Грану­лированные доменные шлаки при затворении на воде и введе­нии небольшого количества химических возбудителей (оксида кальция, портландцемента, сульфатов) способны медленно за­твердевать.

Гидратационная активность шлаков увеличивается при по­вышении температуры. В этом случае проявляют способность к твердению и закристаллизованные (отвальные) шлаки. Эта их способность была использована при применении молотых до­менных (гранулированные и отвальные) шлаков, как основы для получения медленносхватывающихся и термостойких тампонажных цементов. Скорость схватывания суспензий измель­ченных шлаков не намного меньше, чем портландцемента, од­нако схватывание значительно замедляется при их смешении с кварцевым песком, особенно молотым.

При исследовании свойств шлаковых растворов выяснилось, что в условиях повышенных температур (выше 100 °С) они об­разуют к двум суткам твердения более прочный цементный ка­мень, чем портландцементные растворы. Однако при длитель­ном гидротермальном воздействии цемент в виде молотого шлака, а также облегченный шлако-бентонитовый цемент термостойкий только до 120—160°С. При более высоких темпе­ратурах термостойким является только шлакопесчаный цемент, который даже при высокой тонкости помола компонентов обра­зует растворы с пониженной седиментационной устойчивостью, поэтому его приходится затворять при В/Ц<0,5 или вводить стабилизирующие добавки (бентонит, диатомит).

Процесс загустевания растворов на шлаковой основе очень чувствителен к колебаниям состава шлака, соотношению шлак: песок и примесям. Кислые шлаки обычно дают быстро-загустевающие растворы, мало реагирующие на разбавление песком. Основные шлаки, которые главным образом и применя­ются в качестве тампонажного материала, в смеси с молотым кварцевым песком загустевают медленно. Неблагоприятная особенность растворов на шлаковой основе — их быстрое загустевание в присутствии небольших примесей портландцемента. Другой недостаток — широкие пределы колебания состава, шла­ков и свойств цемента в различных партиях.