Содержание
Производство бетона — ударная вязкость, стойкость к ударам и износу
Примерами конструкций, подвергающихся ударам, могут служить бетонные сваи, полы промышленных зданий из раствора или бетона, на которые мостовым краном регулярно сбрасываются тяжелые грузы, бетонные дамбы, подвергающиеся ударам морских волн с камнями и галькой, фундаменты, испытывающие вибрации, которые представляют собой по сути дела серии кратких ударов (здесь речь идет также о пределе усталости), бетонные пирсы, по которым ударяют пристающие суда, конструкции, подвергающиеся артиллерийскому обстрелу (сооружения военного назначения).
Наиболее полно в лабораториях исследованы вопросы, связанные с производством сборных обычных или преднапряженных железобетонных свай, забиваемых в грунт копром. Известно, что во избежание разрушения бетона свай копровой бабой необходимо принимать различные меры предосторожности, несмотря на то, что верхняя часть сваи обычно хорошо упрочняется и имеет стальной оголовник, выдерживающий высокие нагрузки.
Существует немало способов проведения лабораторных испытаний на прочность при ударе, однако все они основаны на одном общем принципе. Молот определенной массы сбрасывается в свободном падении на бетонный образец. Считают число ударов, необходимых для разрушения бетона, или отмечают высоту падения, достаточную для разрушения образца за один удар. Энергию удара (кгм) легко подсчитать.
Скорость при ударе v (м/с) определяется по формуле:
v = ?2gh,
где g — 9,81, h — высота, м.
Таким образом, груз массой 50 кг, падающий с высоты 1 м, обладает такой же энергией удара, какую имеет груз массой 12,5 кг, падающий с высоты 4 м, однако скорость этого последнего в момент удара будет в два раза выше.
Груз можно сбрасывать на бетонный цилиндр размером 15X30 см или 16X32 см, на бетонную плиту, лежащую ровно на песчаной постели, или на бетонную плиту, расположенную на двух опорах.
В США нормализованы испытания на разрушение природного камня, которые состоят в сбрасывании груза массой 2 кг с высоты, превышающей 1м, до разрушения образца.
Западногерманские нормы включают описание аппаратуры, также применяемой для испытания природного камня. Масса груза 50 кг, а максимальная высота падения 1,5 м. Подобный метод применяют и для испытаний бетона, из которого изготовляют цилиндрические образцы размером 15×30 см с оголовником толщиной 8 см.
Число ударов, которое способен выдержать образец, начинает быстро уменьшаться, начиная с определенной высоты, примерно 60 см (по данным этих испытаний). Хорошая прочность при сжатии (более 450 бар) — необходимое условие, но ее одной недостаточно для хорошей ударной вязкости.
Под ударами твердого тяжелого тела бетон не имеет времени приспособиться, поскольку деформации длятся очень короткое время и никакое перераспределение усилий невозможно. Поэтому весьма сильно возрастает роль местных дефектов материала и возникает необходимость получения высокой однородности состава.
По всей видимости, наибольшее значение имеют такие факторы, как расход воды, тип заполнителя и условия выдерживания бетона.
Существует явно выраженная зависимость между В/Ц и прочностью на удар. Как видно, для достижения достаточно хорошего сопротивления наносимым подряд ударам В/Ц бетонной смеси не должно превышать 0,45. Бетон гораздо лучше сопротивляется ударам, когда они наносятся после достаточно продолжительного предварительного выдерживания (2—3 месяца).
По данным исследований, проводившихся Дамсом (1969 г.), можно рекомендовать следующие правила, которых следует придерживаться при изготовлении бетона с высокой ударной прочностью: применять цемент высоких марок с расходом 350—400 кг/м3, В/Ц не более 0,45, заполнителем должен служить щебень, частицы которого имеют шероховатую поверхность, неправильной формы, с низким модулем деформации, диаметром менее 30 мм и содержанием песка с частицами до 7 мм более 60%. Выдерживать бетон необходимо во влажном состоянии не менее 7 суток.
Полученный бетон следует подвергать ударам не ранее чем через 28 суток, а если возможно, то через 90 суток.
Проектирование цементных растворов для глубоких, высокотемпературных наклонно-направленных скважин — Промысловая химия
При проектировании цементных растворов для глубоких, высокотемпературных скважин очень важно использовать точную статическую и циркуляционную температуру. Такие данные могут быть получены от испытаний, логов, специальной записи температуры скважинными приборами или пробы раствора при циркуляции. Компьютерные симуляторы также были разработаны для лучшего прогнозирования температуры скважины. Если раствор циркулируют в скважине в течение нескольких часов до цементирования, температура в скважине может значительно снижаться. В таких случаях необходимо быть осторожным, чтобы не до оценить температуру циркуляции и увеличить время застывания цементного раствора [1].
Для всех типов цементных работ необходимо учитывать несколько свойств цементного раствора для успешного цементирования.
1. Температура
Таблицы циркуляционных температур, созданные американским нефтяным институтом, были основаны на вертикальных скважинах, расположенных на земле, с температурным градиентом ниже 1,9°C/30 м. Эти таблицы не применяются для наклонно-направленных, глубоководные морские скважины и скважины с аномально высокой температурой. Сегодня американский нефтяной институт рекомендует использовать температурные симуляторы при условиях, находящиеся за пределами «диапазона АНИ». Температура АНИ всегда недооценивает, когда речь идет о горизонтальных скважинах. В длинных горизонтальных скважинах циркуляционная температура находится очень близко к статической температуре, поэтому не редкость использование статической температуры для испытания цемента в горизонтальных скважинах. Симулятор температуры, основанный на математической и физической модели температурного обмена, точно вычисляет циркуляционную температуру в зависимости от геометрии скважины и формации, литологии, геологический градиент температуры, свойства жидкостей, скорость насоса и время циркуляции и т.
д. На рисунке 1 показана циркуляционная температура согласно АНИ (61°C) по сравнению с имитированной температурой (85°C) и статическая температура (96°C) в типичной горизонтальной скважине (3,660 м с горизонтальной секцией 1070 м). Симулированная температура намного выше, чем АНИ [4].
2. Реология
Основной критерий для цементного раствора заключается в том, чтобы реология соответствовала удаления бурового раствора. Реология может быть увеличена за счет использования загустителей, таких как бентонит, понизителя седиментации. Однако можно использовать раствор без добавок, если они имеют умеренную пластическую вязкость и напряжение сдвига, чтобы гарантировать, что правильная иерархия реологий бурового, буферного и цементного раствора была достигнута.
3. Механические свойства
Его очень важным свойством цементного раствора является его механические свойства. Но в последнее время все усилия научно-исследовательских работ в цементировании были сконцентрированы на цементе, когда он находится в жидком состоянии.
Сегодня же больше внимания уделяется свойствам цемента, когда он застывает, поскольку цементный камень должен выдерживать бурение, капитальный ремонт и условия эксплуатации скважины в течение всего срока службы скважины, а иногда после, после ликвидации.
Сегодня индустрия также ищет и изучает другие свойства цементного камня, такие как модуль Юнга и прочность на растяжение. Модуль Юнга является измерение гибкости цемента, а прочность на растяжение обычно более важно, чем прочность на сжатие, поскольку цементный камень обычно разрушается при растяжении, а не при сжатии.
Поскольку в большинстве горизонтальных скважин, особенно тех, которые пробурены в газовых сланцах, при гидроразрыве пласта наблюдается повышенное давления в стволе скважины (до 41,1 Мпа, иногда до 82,7 МПа). Это давление будет оказывать значительное влияние на цементный камень и разрушать его, если цемент не обладает достаточно хорошими механическими свойствами.
Как правило, по мере увеличения температуры, чувствительность систем цемента к мельчайшим химическим и физическим различиям между раствором и добавками также увеличиваются.
Поэтому все лабораторные испытания должны выполняться с образцами воды, цемента, и добавки, которые будут использоваться во время работы [2].
Контроль водоотдачи необходим для сохранения химических и физических характеристик цементного раствора и предотвращения образования фильтрационной корки, который может вызвать забивание в кольцевом пространстве. Для большинства цементирования хвостовиков скорость потери водоотдачи согласно АНИ 50 мл/30 мин, как правило, считается адекватным.
Типичная композиция раствора для глубокой, высокотемпературной скважины состоит из цемента класса G, 35% диоксида кремния, пластификатора, понизителя водоотдачи, замедлитель, понизителя седиментации и водоотстоя. Как показывает практика, замедлители с высокой чувствительностью к концентрации могут привести к катастрофическим последствиям в виде преждевременного схватывания цемента или слишком долгого застывания.
Есть большие во всех этих свойствах проблемы регрессии прочности, которые могут быть предотвращены путем уменьшения массового соотношения оксида кальция (CaO) к диоксиду кремния (SiO2) (отношение C/S) в цементе.
Для этого в портландцемент добавляем кварц, обычно в виде мелкозернистого песка кремнезема или обыкновенного кремнезема. Фаза C-S-H имеет переменное отношение CaO/SiO2, составляющее в среднем соотношение около 1,5. Конверсию в α-C2SH при 110 °C можно предотвратить добавлением от 35% диоксида кремния (по массе цемента), уменьшая CaO/ SiO2 соотношение до 1,0. На этом уровне образуется минерал, известный как тоберморит (C5S6H5), этот минерал сохраняет высокую прочность на сжатие и низкую проницаемость. Когда температура увеличивается до примерно 150°C, тоберморит обычно превращается в ксонотлит (C6S6H) и не большое количество гиролита (C6S3H2) с минимальным ухудшением характеристик цемента.
При 250°C начинает образовываться траскоттит (C7S12H3). При увеличении температуры до 400 °C, как и ксонотлит, так и траскоттит находятся вблизи максимального предела их стабильности.
При более высоких температурах ксонотлит и траскоттит обезвоживаются, что приводит к распаду цементного камня.
Цементы, содержащие значительные количества трикоттита, обычно характеризуются низкой проницаемостью. Образование пектолита, гидрата силиката натрия, сопровождается расширение цемента; к тому же, пектолит, по-видимому, делает цементы более устойчивыми к коррозии высокосолеными рассолами. Скаутит показал, что повышают прочность на сжатие цемента, когда они присутствуют в небольших количествах. В общем, цементы, которые состоят преимущественно из гидратов силиката кальция с соотношениями C/S, меньшими или равными до 1,0, как правило, имеют более высокую прочность на сжатие и более низкую водопроницаемость.
Выше сказанное показывает сложность гидротермального поведения гидратов силиката кальция. Производительность цемента зависит не только от температуры в скважине, но также и наличие подземных флюидов и других минералов. В результате преобразований полученные при стандартных условиях, не всегда наблюдаются в скважине.
Следовательно, установленный цемент должен рассматриваться как метастабильный, потому что его состав может развиваться по мере изменения условий скважины.
Если проанализировать реагирования цементности на высокие температуры, то результат на ультразвуковом цементном анализаторе без добавления кварца при температуре 125°С будет показан на рисунке 2. Как видно на графике на тридцать третьем часе был пик набора прочности после чего прочность начала падать связанно это с тем, что при температурах выше 110°C фаза C-S-H превращается в фазу, называемую альфа гидрат дикальций силиката — (α-C2SH). α-C2SH является высоко кристаллическим и более плотной, чем C-S-H-фаза. В результате происходит усадка матрицы, которая негативно влияет на прочность цементного камня, что мы и видим на графике.
После этого с добавление 35% диоксида кремния в сухой цемент в виде обыкновенного кремнезема результат станет лучше (рисунок 3). Как видно на графике цементный камень набрал прочность на сжатие на двадцать шестой час и продолжал сохранять его на том же уровне в течении последующих часов.
В результате по графикам можно сделать вывод, что в краткосрочной перспективе цементная система с добавлением диоксида кремния лучше набирает и сохраняет прочность на сжатия
В ходе исследования двух графиков получаем следующие данные. Цементная система без добавления диоксида кремния после 33 часов имела прочность цементного камня 13 МПа, после чего она начала постепенно падать. Однако при добавлении диоксида кремния с концентрацией в 35% наблюдаем лишь совсем не значительное потерю прочности, при тех же самых условиях.
В результате проведённого анализа обнаружили, что добавлении диоксида кремния в цементную систему в виде кремнезема может предотвратить снижение прочности цементного в долгосрочной перспективе.
По данным результатам установлено, что добавление диоксида кремния в концентрации 35% от веса сухого цемента, стабилизирует прочность и непроницаемость цементного камня при температурах более 110°C. Без добавления диоксида кремния цементный камень в затрубном пространстве при высокой температуре будет иметь тенденцию к постоянному снижению прочности.
Включение в раствор специальных добавок увеличит прочность со стабильным сохранением.
Статья «Проектирование цементных растворов для глубоких, высокотемпературных наклонно-направленных скважин» опубликована в журнале «Neftegaz.RU» (№7, Июль 2022)
Проникновение цемента высокой вязкости в сравнении с цементом низкой вязкости на этапе замешивания in vivo при первичной тотальной артропластике коленного сустава
. 2021 июнь;36(6):1995-1999.
doi: 10.1016/j.arth.2021.02.010.
Epub 2021 9 фев.
Майкл Г Риццо
1
, Аня Т Холл
1
, Джастин Т. Даунинг
1
, Раймонд П. Робинсон
1
принадлежность
- 1 Кафедра ортопедической хирургии, Университет Майами, Медицинская школа Миллера, Майами, Флорида.
PMID:
33707124
DOI:
10.1016/ж.арт.2021.02.010
Майкл Г. Риццо и др.
J Артропластика.
2021 июнь
. 2021 июнь;36(6):1995-1999.
doi: 10.1016/j.arth.2021.02.010.
Epub 2021 9 фев.
Авторы
Майкл Г Риццо
1
, Аня Т Холл
1
, Джастин Т. Даунинг
1
, Раймонд П. Робинсон
1
принадлежность
- 1 Кафедра ортопедической хирургии, Университет Майами, Медицинская школа Миллера, Майами, Флорида.
PMID:
33707124
DOI:
10.1016/ж.арт.2021.02.010
Абстрактный
Фон:
Предыдущие исследования показали, что глубина проникновения цемента и наличие рентгенопрозрачных линий (RLL) соответствуют риску асептического расшатывания при тотальном эндопротезировании коленного сустава, в то время как другие обнаружили корреляцию между вязкостью цемента и глубиной проникновения цемента. Мы сравнили цемент, продаваемый как цемент высокой вязкости (HVC), с цементом, продаваемым тем же производителем, что и цемент низкой вязкости (LVC). Мы предположили, что не будет обнаружено существенной разницы в глубине проникновения или наличии RLL между двумя когортами.
Методы:
Когорты HVC (n = 50) и LVC (n = 50) были собраны из двух последовательных серий первичных тотальных эндопротезирований коленного сустава с использованием одних и тех же имплантатов и методов цементирования. Глубина проникновения цемента и наличие RLL измерялись в четырех большеберцовых зонах и сравнивались между когортами.
Полученные результаты:
Случаев асептического расшатывания ни в одной из групп не было (в среднем 29).месяцы. Среднее максимальное проникновение цемента в 3 из 4 зон было >3 мм для обоих цементов. Не было существенной разницы в максимальном проникновении в любой зоне между двумя цементами. При HVC было меньше рентгенопрозрачностей большеберцовой кости, чем при LVC.
Заключение:
Эти результаты показывают, что маркетинговое описание HVC или LVC не обязательно является фактором проникновения цемента.
Термин «высокая вязкость» не следует использовать в качестве описания цемента, который быстрее достигает фазы теста, а скорее цемента, который имеет более высокую вязкость в своей фазе теста, когда он обычно применяется.
Ключевые слова:
асептическое расшатывание; биоматериалы; проникновение цемента; вязкость цемента; рентгенопрозрачные линии; тотальное эндопротезирование коленного сустава.
Copyright © 2021 Elsevier Inc. Все права защищены.
Похожие статьи
Отказ на границе цемент-имплантат большеберцовой кости при использовании цемента высокой вязкости при тотальном эндопротезировании коленного сустава.
Копински Дж. Э., Аггарвал А., Нанли Р. М., Барак Р. Л., Нам Д.
Копинский Дж.Е. и соавт.
J Артропластика. 2016 ноябрь;31(11):2579-2582. doi: 10.1016/j.arth.2016.03.063. Epub 2016 12 апр.
J Артропластика. 2016.PMID: 27155996
Первичное тотальное эндопротезирование коленного сустава, выполненное с использованием цемента высокой вязкости, связано с более высокими шансами ревизии по поводу асептического расшатывания.
Buller LT, Rao V, Chiu YF, Nam D, McLawhorn AS.
Буллер Л.Т. и др.
J Артропластика. 2020 июнь; 35 (6S): S182-S189. doi: 10.1016/j.arth.2019.08.023. Epub 2019 16 августа.
J Артропластика. 2020.PMID: 31521443
Низкие показатели асептического расшатывания большеберцовой кости у пациентов с ожирением при использовании высоковязкого цемента и стандартной большеберцовой ложки: последующее наблюдение минимум через 2 года.
Кроуфорд Д.
А., Беренд К.Р., Нам Д., Барак Р.Л., Адамс Дж.Б., Ломбарди А.В. мл.Кроуфорд Д.А. и соавт.
J Артропластика. 2017 сен;32(9)С):S183-S186. doi: 10.1016/j.arth.2017.04.018. Epub 2017 22 апр.
J Артропластика. 2017.PMID: 28511945
Методы цементирования большеберцового компонента при первичной тотальной замене коленного сустава.
Коули Д.Т., Келли Н., МакГарри Дж.П., Шеннон Ф.Дж.
Коули Д.Т. и др.
Bone Joint J. 2013 Mar; 95-B(3):295-300. doi: 10.1302/0301-620X.95B3.29586.
Костяной сустав Дж. 2013.PMID: 23450010
Обзор.
Сравнение цемента высокой и низкой вязкости при лечении компрессионных переломов позвонков: систематический обзор и метаанализ.
Zhang ZF, Huang H, Chen S, Liu DH, Feng YH, Xie CL, Jiao F.
Чжан ЗФ и др.
Медицина (Балтимор). 2018 март;97(12):e0184. doi: 10.1097/MD.0000000000010184.
Медицина (Балтимор). 2018.PMID: 29561435
Бесплатная статья ЧВК.Обзор.
doi: 10.1016/j.arth.2016.03.063. Epub 2016 12 апр.
А., Беренд К.Р., Нам Д., Барак Р.Л., Адамс Дж.Б., Ломбарди А.В. мл.
Посмотреть все похожие статьи
Цитируется
Влияние жгута на проникновение цемента при тотальном эндопротезировании коленного сустава.
Зак С.Г., Танг А., Пивек Р., Мефтах М., Остин М.С., Шнасер Э., Шварцкопф Р.
Зак С.Г. и др.
Arch Orthop Trauma Surg. 13 мая 2022 г. doi: 10.1007/s00402-022-04470-w. Онлайн перед печатью.
Arch Orthop Trauma Surg. 2022.PMID: 35552801
термины MeSH
вещества
Влияние водоцементного отношения на изменение вязкости цементного раствора при проницаемом растворе Теоретические модели для предсказания радиуса диффузии практиковались, но все еще существуют значительные расхождения между теоретическими расчетами и реальными результатами практического построения.
Одной из важнейших причин неправильного прогноза является поведение цементного раствора в зависимости от времени, на которое существенно влияет водоцементное отношение (В/Ц). Таким образом, в этой статье экспериментально и численно изучается влияние В/Ц на изменение вязкости цементного раствора и процесса цементирования. Во-первых, кажущаяся вязкость цементного раствора при различном В/Ц проверяется ротационным вискозиметром в лабораторном эксперименте. Впоследствии на основе лабораторных испытаний создаются численные модели для исследования влияния В/Ц на процесс диффузии цементного раствора в слоях песка. По результатам лабораторных исследований кажущаяся вязкость цементных растворов снижается с увеличением В/Ц. Кроме того, кажущаяся вязкость увеличивается со временем, а диапазон увеличения кажущейся вязкости сначала увеличивается, а затем уменьшается по мере увеличения В/Ц. Основываясь на результатах моделирования, при изменении В/Ц от 0,8 до 1,1 радиус диффузии при 60 мин испытывает все менее и менее очевидное увеличение при заданном давлении цементации для проникающего цементирования в песчаном слое.
Когда В/Ц равно 0,9, относительная ошибка достигает 37,65% при 60 мин, что немного ниже, чем у 0,8. Однако при изменении В/Ц от 0,9 до 1,0 относительная погрешность становится очень узкой (21,36%), и этот показатель значительно меньше, чем при 0,8 или 0,9. Результаты моделирования подтверждены полевыми испытаниями, относительная погрешность составляет 6%, что свидетельствует об эффективности анализа. Таким образом, модель проникновения цемента, учитывающая изменение вязкости цементного раствора, является разумной альтернативой в реальном проекте. При этом следует учитывать зависимость поведения цементных растворов от времени, особенно при использовании в практическом строительстве цементных растворов с низким водоцементным отношением.
1. Введение
Неблагоприятное основание является распространенной проблемой в гражданском и транспортном строительстве. Стоимость обработки фундамента иногда может составлять более половины общей стоимости инженерного строительства, поэтому улучшение фундамента становится критически важным.
Проникающая заливка цементными растворами широко используется для улучшения фундаментов благодаря простоте конструкции и высокой эффективности [1–3]. Однако на эффективность тампонирования в практическом инженерном деле существенное влияние оказывают свойства тампонажных материалов и геологические условия [4]. Кроме того, разумная оценка параметров заливки перед практическим проектированием поможет конструкции заливки выполнить требования по относительно низкой цене. Чтобы повысить точность расчета, ученые исследовали инъекционный раствор с разных точек зрения. Например, некоторые выдвигают теоретические расчеты, основанные на некоторых допущениях и упрощениях. Ян и др. [5] и Ye et al. [6] установили теоретические модели, основанные на различных конститутивных моделях схемы течения, и вывели расчетные формулы для диапазона диффузии или давления цементации для инъекционного цементирования. Кроме того, некоторые исследователи изучали инъекционное цементирование с использованием экспериментальных и численных методов.
Например, Селик [7] исследовал характеристики проникающего раствора на основе цемента, основываясь на некоторых важных параметрах раствора, таких как реологические свойства, коэффициент проницаемости для раствора и нагнетаемость цементного раствора. Точно так же, основываясь на теории несмешивающихся многофазных потоков, Коскун и Токдемир [8] создали математическую модель проницаемой цементации в полностью насыщенном грунте. Кроме того, Fu et al. [9] предложил математическую модель инъекционного цементирования в соответствии с эффектом собственного веса цементного раствора и установил модель прогнозирования размера схватывания цементного раствора Бингама. Кроме того, Фу и соавт. разработали комплекс устройств для испытаний тампонажных растворов, которые состоят из силового устройства, напорного шламонакопителя и нескольких испытательных рам [9]. В качестве показателей оценки армирующего эффекта цементации были выбраны прочность на сжатие, модуль деформации и коэффициент проницаемости.
С другой стороны, исследователи придают большое значение влиянию растворов на эффективность цементирования.
Среди прочего, некоторые ученые пытались улучшить теоретические формулы, используя новые методы, чтобы получить более точные реологические параметры. Дай и Бёрд [10] представили другой подход к установлению уравнения типа Рейнольдса в теории смазки с помощью вариационной теории. Кроме того, Рахман и др. [11, 12] измеряли статические и динамические напряжения текучести с помощью различных методов измерения. Кроме того, другие ученые исследовали влияние цементирующих материалов на процесс диффузии. Действительно, мощность, затрачиваемая механизмом впрыска, представляет собой энергию, рассеиваемую вязкими эффектами. Основываясь на этом факте, Эль Тани [13] получил радиальный расход цементного раствора в трещине горной породы из соотношения Бингама. Чжан и др. [14] рассматривали быстросхватывающуюся суспензию как жидкость Бингама с зависящим от времени поведением и использовали модель четной капиллярной группы для описания процесса пористого течения. Они предложили тщательно учитывать пространственное неравномерное распределение вязкости при проектировании цементации.
В настоящее время исследования сосредоточены либо на измерении вязкости, либо на изменении вязкости при одном В/Ц. Исследования влияния В/Ц на изменение вязкости и процесс диффузии проводятся относительно редко. Кроме того, количественно не исследовано несоответствие между радиусом диффузии с учетом поведения, зависящего от времени, и без учета разного В/Ц.
Поэтому в данной работе проводятся лабораторные эксперименты и численное моделирование для исследования влияния В/Ц на радиус диффузии цементных растворов в песчаном слое, а также расхождений между радиусом диффузии с учетом поведения, зависящего от времени, и что не учитывая. В частности, сначала были проведены лабораторные испытания по измерению кажущейся вязкости цементных растворов при различном В/Ц, после чего были исследованы характеристики изменения вязкости путем подгонки измеренной кажущейся вязкости к ORIGIN. Впоследствии, на основе полученного поведения цементных растворов во времени, COMSOL создал расчетные модели для моделирования процесса диффузии цементного раствора в слое песка.
Кроме того, было проведено сравнение результатов моделирования с учетом и без учета поведения во времени при различном В/Ц и проанализировано влияние В/Ц на проникновение цементного раствора.
2. Лабораторный эксперимент по определению вязкости цементного раствора
2.1. Экспериментальные инструменты и испытательный материал
Лабораторные эксперименты сосредоточены на изучении реологических свойств чистых цементных растворов, и рассматриваемый диапазон В/Ц составляет 0,5-1,1, широко используемый в практической инженерии. Согласно Ruan [15], цементные растворы с В/Ц 0,5-0,7 могут быть классифицированы как жидкость со степенным законом, тогда как растворы с В/Ц 0,8-1,0 обычно классифицируются как жидкость Бингама.
В эксперименте для приготовления свежего цементного раствора использовался смеситель типа YDNJ-160A (рис. 1). Для точного измерения кажущейся вязкости был принят ротационный вискозиметр типа NXS-11B (рис. 2), а основные технические показатели вискозиметра показаны в таблице 1.
Цемент, использованный в эксперименте, представляет собой портландцемент (ПЦ) класса 42,5 производства Sunnsy Group в Цзинане. Основной химический состав приведен в таблице 2.
2.2. Процедура испытаний
Свежие цементные растворы с В/Ц 0,5~1,1 сначала готовили и хранили в термостате при температуре 20°. В последующем измеряли кажущуюся вязкость растворов с самого начала до 40 мин каждые 10 минут. Затем были проанализированы характеристики изменения вязкости цементных растворов при различном В/Ц путем подбора измеренной кажущейся вязкости с помощью программного обеспечения ORIGIN. Наконец, были сформированы математические уравнения, описывающие поведение цементных растворов в зависимости от времени при различном В/Ц (спецификация для геотехнических испытаний).
2.3. Обсуждение результатов эксперимента
Кажущаяся вязкость цементных растворов при различном В/Ц показана в таблице 3. На основании предыдущих исследований [16] зависимость между кажущейся вязкостью цементных материалов для тампонажных работ и временем может быть представлена в виде функции натурального логарифма.
.
Подгоночные кривые представлены на рисунках 3 и 4. Согласно рисункам 3 и 4, в этот же момент кажущаяся вязкость растворов уменьшается при увеличении В/Ц от 0,5 до 1,1, а кажущаяся вязкость при В/Ц 0,5 -0,7 на порядок выше, чем 0,8~1,1. Кроме того, диапазон увеличения кажущейся вязкости сначала увеличивается, а затем уменьшается по мере увеличения В/Ц. Когда В/Ц составляет 0,5 и 0,6, диапазон увеличения менее чем в 2 раза превышает начальную вязкость. По мере увеличения В/Ц с 0,7 до 0,9, при увеличении размах увеличивается с 3,74 раза до 4,39 раза. Однако диапазон возрастания падает с 4,08 до 3,32 раза при увеличении В/Ц с 1,0 до 1,1. В заключение, влияние В/Ц на зависящее от времени поведение сначала увеличивается, а затем уменьшается по мере увеличения В/Ц.
Следовательно, необходимо учитывать поведение цементного раствора во времени, чтобы обеспечить эффективность заливки в период проектирования и строительства.
По результатам испытаний проанализированы закономерности варьирования прочности на сдвиг и плотности раствора при различных водоцементных отношениях, как показано на рисунках 5 и 6.
Очевидно, что с увеличением водоцементного отношения плотность уменьшается линейно, и прочность на сдвиг также уменьшается. Когда В/Ц больше 0,9, тенденция изменения уменьшается.
3. Анализ численного моделирования
На основе полученного поведения цементных растворов во времени, COMSOL используется для моделирования процесса диффузии цементных растворов и расчета радиуса диффузии при различном В/Ц. Учитывая, что инъекционная заливка под постоянным давлением заливки широко используется в практической инженерии, данное исследование сосредоточено на влиянии В/Ц на процесс заливки при заданном давлении заливки. Речь идет о цементном растворе при В/Ц 0,8~1,1, поскольку существует множество связанных теоретических анализов жидкости Бингама [17], и их удобно сравнивать с результатами моделирования. Фактически, цементный раствор с В/Ц около 1,0 широко используется в практической инженерии.
Вязкость считается константой и равна начальной вязкости, если не учитывать поведение, зависящее от времени.
Хотя изменение вязкости принимается во внимание, изменение вязкости эквивалентно средней вязкости путем интегрирования. Уравнение может быть выражено следующим образом:
где и – средняя вязкость цементного раствора и вязкость воды соответственно; β – это отношение вязкости цементного раствора к воде, а также полное время затирки.
3.1. Настройка параметров
Перед созданием модели расчета необходимо сделать следующие допущения:
(1) Гравитацией в процессе цементации можно пренебречь (2) Предел текучести рассматривается как константа со значением 3 Па (3) Проникающая цементация начинается с нижней части цементировочной трубы, и цементный раствор сферически проникает в слой песка под давление цементации 300 кПа
В модуле механики твердого тела поверхность задается как граница свободной деформации. Левая и правая границы модели задаются как опорные границы роликов, которые допускают только вертикальное смещение, а не поперечное смещение. Нижняя граница расчетной модели задается фиксированной.
В модуле механики фильтрации высота уровня грунтовых вод задается соответствующей высоте поверхности, а левая и правая границы и нижняя граница расчетной модели задаются как граница отсутствия потока, то есть .
Модель численного моделирования представлена на рисунке 7, а основные параметры численной модели представлены в таблице 4. Правая часть рисунка 7 представляет собой локальный увеличенный чертеж заливочной скважины. В исходном состоянии часть I и часть II заполнены водой и цементным раствором соответственно, а часть III представляет собой отверстие для заливки цементным раствором радиусом 30 мм. Вход в цементный раствор — это граница (F), а выход — границы (A), (B), (C) и (D).
3.2. Достоверность численной модели
Перед моделированием заливки цементным раствором с учетом различных В/Ц правильность расчетной модели сначала проверяется путем сравнения результатов моделирования с результатами, рассчитанными с помощью широко распространенного теоретического расчета [18].
Радиус диффузии с учетом поведения, зависящего от времени, теоретически может быть рассчитан в соответствии с
где — перепад давления; , , , – коэффициент водопроницаемости, отношение вязкости цементного раствора к вязкости воды, пористость песчаного слоя и удельный вес воды соответственно; и – диффузионный радиус и радиус тампонажной трубы соответственно; и , , и – начальное давление, предел текучести и радиус капилляра соответственно.
На основании полученных результатов относительная погрешность между радиусом диффузии, полученным теоретическим расчетом, и численным моделированием при соотношении В/Ц, равном 0,8, показана на рис. 8. Следует отметить, что относительные погрешности находятся в пределах 3%, что свидетельствует о том, что моделирование может хорошо отражать процесс диффузии. Таким образом, использование COMSOL для дальнейшего анализа влияния В/Ц на процесс цементации является разумной альтернативой.
После подтверждения правильности расчетной модели проводятся всесторонние исследования для изучения влияния В/Ц на радиус диффузии цементации в песчаном слое.
Кроме того, количественно анализируется относительная погрешность учета зависимости вязкости от времени при различных В/Ц.
3.3. Обсуждение смоделированного результата
3.3.1. Влияние В/Ц на радиус диффузии
Радиус диффузии цементных растворов при различных В/Ц показан на рис. 7. Согласно рис. 9, радиус диффузии увеличивается с увеличением В/Ц от 0,8 до 1,1, что указывает на то, что большее значение /C приведет к большему радиусу диффузии. В частности, при изменении отношения В/Ц от 0,8 до 0,9 радиус диффузии при 60 мин резко увеличивается с увеличением диапазона на 18%. Тенденция к увеличению становится менее очевидной, когда отношение В/Ц повышается с 0,9.до 1.1. Кроме того, радиус диффузии при одном и том же В/Ц со временем увеличивается, а скорость роста становится малой. Скорость затухания уменьшается по мере увеличения отношения В/Ц от 0,8 до 1,1. Одна из возможных причин заключается в том, что давление цементации ослабевает быстрее для цементных растворов с более высоким В/Ц, потому что цементным растворам с высокой концентрацией требуется больше энергии при диффузии в песчаном слое.
3.3.2. Влияние W/C на относительную погрешность радиуса диффузии с учетом учета нестационарного поведения
Сравниваются смоделированные результаты с учетом зависимости от времени и без учета зависимости от времени, а также теоретический радиус диффузии при различном В/Ц. Основываясь на полученных результатах, радиус диффузии при водоцементном отношении 0,8-1,1 показан на рисунке 10. Примечательно, что теоретические радиусы и смоделированные результаты с учетом поведения в зависимости от времени при всех В/Ц показывают хорошее совпадение и остаются стабильными после 40 мин., что соответствует реальным условиям. С уменьшением давления цементации радиус диффузии незначительно увеличивается и в конечном итоге приближается к постоянному значению. Напротив, радиус диффузии без учета зависимости от времени резко возрастает со временем, что приводит к увеличению разрыва с теоретическим радиусом или смоделированным результатом с учетом изменения вязкости цементных растворов.
Для количественного исследования влияния В/Ц были получены относительные погрешности между смоделированными результатами без учета изменения вязкости и теоретическим радиусом при различных В/Ц (см.
результат на рисунке 11). Влияние В/Ц на относительную погрешность радиуса диффузии с учетом изменения вязкости уменьшается с увеличением В/Ц от 0,8 до 1,1. При В/Ц = 0,8 относительная погрешность резко увеличивается со временем, достигая почти 40 % при 60 мин. Точно так же, когда В/Ц равно 0,9, относительная ошибка достигает 37,65% при 60 мин, что немного ниже, чем у 0,8. Однако при изменении В/Ц от 0,9 до 1,0 относительная ошибка становится более узкой (21,36%), и этот показатель значительно ниже, чем при 0,8 или 0,9. Относительная ошибка немного падает, когда отношение В/Ц увеличивается до 1,1, возможно, из-за того, что поведение, зависящее от времени, ослабевает при увеличении В/Ц.
3.3.3. Полевые испытания цементного раствора с радиусом диффузии
Для проверки результатов анализа и численного моделирования в настоящем документе были проведены полевые испытания цементного раствора в зоне удара реки Хуанхэ. В соответствии с указанными выше параметрами моделирования устанавливается раствор с различным водоцементным отношением, а время заливки составляет 60 минут (технические условия для заливки земляной дамбы).
После цементации, через 72 часа, часть цементации выкапывается (см. Рисунок 12).
После земляных работ подробно рассчитывается радиус цементации при различных соотношениях воды и цемента (см. конкретные параметры в Таблице 5).
Результаты полевых испытаний показывают, что с увеличением водоцементного отношения радиус диффузии цементного раствора постепенно увеличивается. Кроме того, сравниваются результаты испытаний и моделирования. Установлено, что средняя ошибка радиуса диффузии пульпы между результатами моделирования и результатами полевых испытаний составляет 6% (см. рис. 13), а результаты моделирования хорошо согласуются с результатами испытаний, что подтверждает выводы анализа в данном бумага.
4. Заключение
Для того, чтобы исследовать изменение вязкости цементных растворов при различном В/Ц и влияние В/Ц на процесс проницаемости раствора в песчаном слое, в данной статье были проведены лабораторные эксперименты и численное моделирование. В частности, лабораторные испытания сосредоточены на изучении влияния В/Ц на кажущуюся вязкость чистых цементных растворов.
Затем проводится численное моделирование для воспроизведения процесса заливки цементных растворов и изучения радиуса диффузии при рассмотрении поведения в зависимости от времени при различном В/Ц. На основании полученных результатов делаются следующие выводы:
(1) Кажущаяся вязкость цементных растворов уменьшается с увеличением отношения В/Ц. Кажущаяся вязкость увеличивается со временем. Кроме того, диапазон увеличения кажущейся вязкости сначала увеличивается, а затем уменьшается по мере увеличения В/Ц. давление цементации для проницаемости цементации в слое песка(3)Для исследованных случаев относительная погрешность радиуса диффузии, полученная путем теоретического анализа и численного моделирования без учета изменения вязкости, снижается при увеличении В/Ц(4)Согласно результатам испытаний, радиус диффузии цементного раствора постепенно увеличивается, и результаты испытаний и моделирования сравниваются. Установлено, что средняя ошибка радиуса диффузии пульпы между результатами моделирования и результатами полевых испытаний составляет 6%, а результаты моделирования хорошо согласуются с результатами испытаний
Доступность данных
Некоторые или все данные, модели или код, сгенерированные или использованные в ходе исследования, можно получить у соответствующего автора по запросу.
Конфликт интересов
Мы заявляем, что у нас нет коммерческих или ассоциативных интересов, которые представляют собой конфликт интересов в связи с представленной работой.
Благодарности
Эта работа была поддержана Шаньдунским ключевым планом исследований и разработок (2019JZZY010429) и Научно-техническим планом Департамента транспорта Шаньдуна (2019 г.).В48).
Ссылки
S. C. Liu, R. T. Liu, Q. S. Zhang и X. Zhang, «Защита от проникновения воды или грязи в туннели путем цементации: обзор», Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering , vol. 8, нет. 5, стр. 753–766, 2016 г.
Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Google Scholar
Х. Дж. Сео, Х. Чой и И. М. Ли, «Численное и экспериментальное исследование армирования колонн с заливкой под давлением и предварительным напряжением», Тоннелестроение и подземная космическая техника , вып.
54, стр. 135–144, 2016.Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Google Scholar
Q. Zhang, HB Wang, R. T. Liu et al., «Механизм инфильтрационного цементирования пористой среды с учетом путей диффузии цементного раствора», Yantu Gongcheng Xuebao/Chinese Journal of Geotechnical Engineering , vol. 40, стр. 918–924, 2018.
Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Академия Google
Z. Li, L. Zhang, Q. Zhang, R. Liu, W. Yang, and Y. Chu, «Моделирование эффекта усиления проникновения цементного раствора песчаного слоя», Meitan Xuebao/Journal of the China Coal Society , том. 43, стр. 3488–3497, 2018.
Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Google Scholar
Z. Yang, X. Niu, K. Hou et al., «Исследование параметров диффузии жидкости Бингема на основе заливки раствором колонны-полусферы», Journal of Sichuan University (Chinese Journal of Geotechnical Engineering) , том.
28, нет. 12, стр. 47–53, 2015.Просмотр по адресу:
Google Scholar
туннеля, учитывая снижение его вязкости», Zhongguo Gonglu Xuebao (China Journal of Highway and Transport) , vol. 26, нет. 1, стр. 127–134, 2013.
Посмотреть по адресу:
Google Scholar
Ф. Челик, «Наблюдение за методом проникающего цементирования как методом улучшения почвы с использованием различных моделей потока цементного раствора», Геомеханика и машиностроение , вып. 17, нет. 4, стр. 367–374, 2019.
Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Google Scholar
С. Б. Коскун и Т. Токдемир, «Моделирование проникновения цементного раствора через грунты», Journal of Applied Engineering Sciences , vol. 10, нет. 1, стр.
11–16, 2020 г.Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Google Scholar
Ю. Фу, С. Ван, С. Чжан и Ю. Ян, «Моделирование заливки цементным раствором с учетом эффекта собственной гравитации цементного раствора: теоретическое и экспериментальное исследование», Достижения в области материаловедения и инженерии , vol. 2019 г., идентификатор статьи 7968240, 16 страниц, 2019 г.
Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Google Scholar
Г. Дай и Р. Б. Берд, «Радиальный поток жидкости Бингама между двумя неподвижными круглыми дисками», Журнал неньютоновской механики жидкости , том. 8, нет. 3–4, стр. 349–355, 1981.
Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Google Scholar
М. Рахман, У. Хоканссон и Дж.
Виклунд, «Поточные реологические измерения цементных растворов: влияние водоцементного отношения и гидратации», Тоннелестроение и подземная космическая техника , вып. 45, стр. 34–42, 2015 г.Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Google Scholar
М. Рахман, Дж. Виклунд, Р. Коце и У. Хоканссон, «Предел текучести цементных растворов», Tunneling and Underground Space Technology , vol. 61, стр. 50–60, 2017.
Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Google Scholar
М. Эль Тани, «Заполнение трещин в горных породах цементным раствором», Rock Mechanics and Rock Engineering , vol. 45, нет. 4, стр. 547–561, 2012 г.
Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Google Scholar
Q. N. Zhang, L. W.
Zhang, X. Z. Zhang, R. Liu, M. Zhu, and D. Zheng, «Рассеивание цементного раствора в горизонтальной трещине с учетом временных и пространственных изменений вязкости», Yanshilixue Yu Gongcheng Xuebao/ Китайский журнал горной механики и инженерии , том. 2015. Т. 34. С. 1198–1210.Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Google Scholar
У. Дж. Руан, «Модель распространения цементации в трещинах горного массива на основе зависимости вязкости растворов на цементной основе от времени», Китайский журнал горной механики и инженерии , том. 24, нет. 15, pp. 2709–2714, 2005.
Посмотреть по адресу:
Google Scholar
У. Дж. Руан, «Исследование диффузии растворов и основных свойств растворов», Китайский журнал геотехнической инженерии , том. 27, нет. 1, pp. 69–73, 2005.
Просмотр по адресу:
Google Scholar
A.
54, стр. 135–144, 2016.
28, нет. 12, стр. 47–53, 2015.
11–16, 2020 г.
Виклунд, «Поточные реологические измерения цементных растворов: влияние водоцементного отношения и гидратации», Тоннелестроение и подземная космическая техника , вып. 45, стр. 34–42, 2015 г.
Zhang, X. Z. Zhang, R. Liu, M. Zhu, and D. Zheng, «Рассеивание цементного раствора в горизонтальной трещине с учетом временных и пространственных изменений вязкости», Yanshilixue Yu Gongcheng Xuebao/ Китайский журнал горной механики и инженерии , том. 2015. Т. 34. С. 1198–1210.