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Development of silica-enriched cement-based materials with improved aging resistance for application in high-temperature environments
Cement and Concrete Research ( IF 11.4 ) Pub Date : 2018-03-01 , DOI: 10.1016/j.cemconres.2018.01.004
Konrad J. Krakowiak , Jeffrey J. Thomas , Simon James , Muhannad Abuhaikal , Franz.-J. Ulm

Abstract Understanding the effects of high temperature (HT) and high pressure (HP) conditions on the microstructure of cement-based materials is critical to the construction and safe operation of deep oil and gas wells. Under such conditions, the persistence of calcium-silicate-hydrate (C-S-H) gel is compromised by ongoing crystallization that, if not controlled, may adversely affect the durability of the cement sheath. This work investigates the effect of silica content >35% by-weight-of-cement (BWOC), silica particle size, and solid volume fraction (SVF) on the microstructure and phase composition of cement-silica blends cured hydrothermally at 200 °C and 20.7 MPa. The results of X-ray diffraction and electron microprobe analysis revealed significant impact of these three mix design parameters on the final phase assembly, and on the conversion rate of semi-crystalline C-S-H to gyrolite and 11 A tobermorite. Incorporation of more fine siliceous material suppressed dissolution of coarse silica particles, resulting in a matrix with improved homogeneity and dominated by fine gel pores. Mixes with lower SVF showed greater formation of 11 A tobermorite, a higher degree of crystallinity and/or greater crystallite size. Prolonged HTHP curing of all systems (up to three months in this study), irrespective of the initial SVF, increased the fraction of capillary pores, indicating void coalesce caused by crystal growth. However, we find that this coarsening is less pronounced in systems with less pore space available for crystallization.

中文翻译:

开发在高温环境中应用的具有改进抗老化性的富硅水泥基材料

摘要 了解高温(HT)和高压(HP)条件对水泥基材料微观结构的影响对于深井油气井的施工和安全运行至关重要。在这种情况下,水化硅酸钙 (CSH) 凝胶的持久性受到持续结晶的影响,如果不加以控制,可能会对水泥环的耐久性产生不利影响。本工作研究了二氧化硅含量 >35%(按水泥重量计)、二氧化硅粒径和固体体积分数 (SVF) 对 200 °C 水热固化的水泥-二氧化硅混合物的微观结构和相组成的影响和 20.7 兆帕。X 射线衍射和电子探针分析的结果揭示了这三个混合设计参数对最终相组装的显着影响,以及半结晶 CSH 向陀螺石和 11 A 雪硅钙石的转化率。掺入更细的硅质材料抑制了粗二氧化硅颗粒的溶解,导致基质具有改善的均匀性并以细小的凝胶孔为主。具有较低 SVF 的混合物显示出更多的 11 A 雪硅钙石形成、更高的结晶度和/或更大的微晶尺寸。所有系统的延长 HTHP 固化(在本研究中长达三个月),无论初始 SVF 是多少,都会增加毛细孔的比例,表明由晶体生长引起的空隙聚结。然而,我们发现这种粗化在可用于结晶的孔隙空间较小的系统中不太明显。掺入更细的硅质材料抑制了粗二氧化硅颗粒的溶解,导致基质具有改善的均匀性并以细小的凝胶孔为主。具有较低 SVF 的混合物显示出更多的 11 A 雪硅钙石形成、更高的结晶度和/或更大的微晶尺寸。所有系统的延长 HTHP 固化(在本研究中长达三个月),无论初始 SVF 是多少,都会增加毛细孔的比例,表明由晶体生长引起的空隙聚结。然而,我们发现这种粗化在可用于结晶的孔隙空间较小的系统中不太明显。掺入更细的硅质材料抑制了粗二氧化硅颗粒的溶解,导致基质具有改善的均匀性并以细小的凝胶孔为主。具有较低 SVF 的混合物显示出更多的 11 A 雪硅钙石形成、更高的结晶度和/或更大的微晶尺寸。所有系统的延长 HTHP 固化(在本研究中长达三个月),无论初始 SVF 是多少,都会增加毛细孔的比例,表明由晶体生长引起的空隙聚结。然而,我们发现这种粗化在可用于结晶的孔隙空间较小的系统中不太明显。更高的结晶度和/或更大的微晶尺寸。所有系统的延长 HTHP 固化(在本研究中长达三个月),无论初始 SVF 是多少,都会增加毛细孔的比例,表明由晶体生长引起的空隙聚结。然而,我们发现这种粗化在可用于结晶的孔隙空间较小的系统中不太明显。更高的结晶度和/或更大的微晶尺寸。所有系统的延长 HTHP 固化(在本研究中长达三个月),无论初始 SVF 是多少,都会增加毛细孔的比例,表明由晶体生长引起的空隙聚结。然而,我们发现这种粗化在可用于结晶的孔隙空间较小的系统中不太明显。
更新日期:2018-03-01
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