Możliwości zastosowania nanorurek węglowych (CNTs) w technologii zaczynów cementowych

• Autorzy: Kędzierski Miłosz , Rzepka Marcin , Kremieniewski Marcin

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2020.02.05

Warianty tytułu

EN

The possibility of using carbon nanotubes in cement slurries technology

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Artykuł przedstawia wyniki badań wpływu nanorurek węglowych (CNTs) na parametry reologiczne zaczynu cementowego oraz mechaniczne kamienia cementowego. Do zaczynów dodawano 0,1% i 0,2% nanorurek węglowych. Receptury cementowe opracowane były w Instytucie Nafty i Gazu – Państwowym Instytucie Badawczym, w Laboratorium Zaczynów Uszczelniających. Zaczyny posiadały gęstość od około 1830 kg/m3 do około 1870 kg/m3 , a ich sporządzanie odbywało się na bazie cementu portlandzkiego CEM I 42,5. Badania wytrzymałości na ściskanie i przyczepności do rur prowadzono po 2, 7, 14 i 28 dniach, pomiar porowatości wykonano po 28 dniach hydratacji. Opracowano receptury o bardzo dobrych parametrach technologicznych, które po utwardzaniu (po okresie 28 dni hydratacji) posiadały bardzo wysokie wartości wytrzymałości na ściskanie, dochodzące nawet do 51 MPa (dla zaczynu z dodatkiem 0,1% nanorurek węglowych) oraz 36,8 MPa (dla zaczynu z dodatkiem 0,2% nanorurek węglowych). Tak wysokie wartości wytrzymałości są niezwykle trudne do uzyskania w przypadku zastosowania zaczynów konwencjonalnych. Optymalną ilością CNTs jest dodatek 0,1%. Po dodaniu 0,2% CNTs otrzymano niższe wartości wytrzymałości na ściskanie, co może być spowodowane niedostatecznym rozproszeniem nanocząsteczek w zaczynie. Uzyskano wysokie wartości przyczepności kamienia cementowego do rur oraz zaobserwowano zmniejszenie filtracji zaczynu w porównaniu z zaczynem bazowym. Otrzymane kamienie cementowe posiadały niską porowatość, a rozkład ich porów charakteryzował się niewielką ilością porów o średnicach powyżej 100 nm (średnio w granicach 1,3–2,8%), co świadczy o ich zwartej strukturze. W wyniku przeprowadzonych badań można zauważyć pozytywny wpływ dodatku nanorurek węglowych na wytrzymałość oraz mikrostrukturę kamieni cementowych z ich dodatkiem. Uzyskane wyniki umożliwiają określenie wpływu dodatku nanorurek węglowych na zaczyn i kamień cementowy i są wstępem do dalszych badań w tym kierunku.

EN

The article presents the results of testing the influence of carbon nanotubes on the mechanical and rheological properties of cement slurry and stone. 0.1 and 0.2% carbon nanotubes were added to the cement slurry. Laboratory tests of cement slurries were carried out at Oil and Gas Institute – National Research Institute. The densities of tested slurries ranged from 1830 to 1870 kg/m3 , and were prepared on the basis of CEM I 42.5 Portland cement. Compressive strength tests and adhesion measurements were carried out after 2, 7, 14 and 28 days, while porosity after 28 days. Cement slurry recipes with very good technological parameters were developed, with very high compressive strength values after curing (after 28 days of hydration), reaching up to 51 MPa (for slurry with the addition of 0.1% CNTs) and 36.8 MPa (for slurry with the addition of 0.2% CNTs). Such high compressive strength values are extremely difficult to obtain with conventional cement slurries. When 0.2% CNTs was added, lower compressive strength values were obtained, which may be due to difficulty in uniform distribution of large quantities of nanoparticles in the slurry. Cements were characterized by high values of adhesion to pipes and smaller fluid loss – compared to basic cement slurry. The obtained set cement slurries had low porosity and their pore distribution was characterized by a small number of pores with diameters greater than 100 nm, within the range of 1.3–2.8%, which prove their compact structure. As a result of the research, it can be stated that the addition of carbon nanotubes has a positive effect on the mechanical strength and microstructure of cement stones. The obtained results allow to determine the influence of carbon nanotubes on the cement slurry and stone and are initial research in this direction.

Słowa kluczowe

PL

nanorurki węglowe; kamień cementowy; wytrzymałość na ściskanie; zaczyn cementowy

EN

carbon nanotubes (CNTs); cement stone; compressive strength; cement slurry

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2020
• Tom: R. 76, nr 2
• Strony: 110--118
• Opis fizyczny: Bibliogr. 42 poz.

Twórcy

autor

Kędzierski Miłosz

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Rzepka Marcin

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Kremieniewski Marcin

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Al-Saud T.S., Bin Hussain M.A.A., Batyanovskii E.I., Zhdanok S.A., Krauklis A.V., Samtsou P.P., 2011. Influence of carbon nanomaterials on the properties of cement and concrete. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 84(3): 546–553. DOI: 10.1007/s10891-011-0503-y.
• Ando Y., 1994. The preparation of carbon nanotubes. Fullerene Science and Technology, 2(2): 173–180. DOI:10.1080/15363839408009542.
• Bachmatiuk A., 2008. Badania nad technologią otrzymywania i właściwościami nanorurek. Praca doktorska. Szczecin, Politechnika Szczecińska, Wydział Technologii i Inżynierii Chemicznej.
• Chaipanich A., Nochaiya T., Wongkeo W., Torkittikul P., 2010. Compressive strength and microstructure of carbon nanotubes–fly ash cement composites. Materials Science and Engineering, 527(4): 1063–1067. DOI: 10.1016/j.msea.2009.09.039.
• Collins F., Lambert J., Duan W.H., 2012. The influence of admixtures on the dispersion, workability, and strength of carbon nanotube-OPCpaste mixtures. Cement and Concrete Composites, 34: 201–207. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2011.09.013.
• Dai H., 2002. Carbon nanotubes: opportunities and challenges. Surface Science, 500: 218–241. DOI: 10.1016/S0039-6028(01)01558-8.
• Dębińska E., 2014. Wpływ nanokrzemionki na parametry mechaniczne kamienia cementowego. Nafta-Gaz, 4: 229–235.
• Dębińska E., 2015. Niekonwencjonalne zaczyny cementowe z dodatkiem nanokrzemionki. Nafta-Gaz, 5: 290–300.
• Dębińska E., 2016. Wpływ nanotlenków glinu i cynku na parametry świeżego i stwardniałego zaczynu cementowego. Nafta-Gaz, 4: 251–261.
• DOI: 10.18668/NG.2016.04.04.
• Dębińska E., Rzepka M., Kremieniewski M., 2016. Nanocząsteczki – nowa droga w kształtowaniu parametrów świeżych i stwardniałych zaczynów cementowych. Nafta-Gaz, 12: 1084–1091. DOI: 10.18668/NG.2016.12.11.
• Dobrzańska-Danikiewicz A.D., Łukowiec D., Cichocki D., Wolany W., 2015. Nanokompozyty złożone z nanorurek węglowych pokrytych nanokryształami metali szlachetnych. Open Access Library, Annal V, 2: 1–131.
• Dresselhaus M.S., Dresselhaus G., Eklund P.C., 1996. Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes: Their Properties and Applications. Academic Press, San Diego, California.
• Eberhardsteiner J., Zhdanok S., Khroustalev B., Batsianouski E., Leonovich S., Samtsou P., 2011. Characterization of the influence of carbon
• nanomaterials on the mechanical behavior of cement stone. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 84(4): 697–704. DOI:10.1007/s10891-011-0531-7.
• Hielscher T., 2006. Ultrasonic production of nano-size dispersions and emulsions. ENS’05, December, Paris, France: 138–143.
• Huang X., Qi Y., Boey F., Zhang H., 2012. Graphene based composites. Chemical Society Reviews, 41(2): 666–686. DOI:10.1039/c1cs15078b.
• Iijima S., Ichihashi T., 1993. Single-Shell Carbon Nanotubes of 1-nm Diameter. Nature, 363: 603–605. DOI: 10.1038/363603a0.
• Kosta-Gdoutos M.S., Metaxa Z.S., Shah S.P., 2010. Multi-scale mechanical and fracture characteristics and early-age strain capacity of high performance carbon nanotube/cement nanocomposites. Cement and Concrete Composites, 32(2): 110–115. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2009.10.007.
• Kuilla T., Bhadra S., Yao D., Kim N.H., Bose S., Lee J.H., 2010. Recent advances in graphene based polymer composites. Progress in Polymer Science, 35(11): 1350–1375. DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2010.07.005.
• Li G.Y., Wang P.M., Zhao X., 2005. Mechanical behavior and microstructure of cement composites incorporating surface-treated multiwalled carbon nanotubes. Carbon, 43(6): 1239–1245. DOI: 10.1016/j.carbon.2004.12.017.
• Li X., Cao A., Jung Y.J., Vajtai R., Ajayan P.M., 2005. Bottom-up growth of carbon nanotube multilayers: unprecedent growth. Nano Letters, 5(10): 1997–2000. DOI: 10.1021/nl051486q.
• Maser W.K., Benito A.M., Martinez M.T., 2002. Production of carbon nanotubes: the light approach. Carbon, 40(10): 1685–1695. DOI: 10.1016/S0008-6223(02)00009-X.
• de Morais J.F., Haddad A.N., 2014. Analysis by ultrasound of the behavior of carbon nanotubes on cementitious composites. Journal of
• Nanotechnology and Advance Materials, 2(2): 89–98. DOI: 10.12785/jnam/020206.
• Musso S., Porro S., Giorcelli M., Chiodoni A., Ricciardi C., Tagliaferro A., 2007. Macroscopic growth of carbon nanotube mats and their mechanical properties. Carbon, 45(5): 1133–1136. DOI: 10.1016/j.carbon.2006.12.019.
• Musso S., Tulliani J-M., Ferro G., Tagliaferro A., 2009. Influence of carbon nanotubes structure on the mechanical behavior of cement composites. Composites Science and Technology, 69(11–12): 1985–1990. DOI: 10.1016/j.compscitech.2009.05.002.
• Nasibulin A.G., Koltsiva T., Nasibulin L.I., Anoshkin I.V., Semencha A., Tolochko O.V., Kauppinen E.I., 2013. A novel approach to composite preparation by direct synthesis of carbon nanomaterial on matrix or filler particles. Acta Materialia, 61(6): 1862–1871. DOI:10.1016/j.actamat.2012.12.007.
• Nochaiya T., Chaipanich A., 2011. Behavior of multi-walled carbon nanotubes on the porosity and microstructure of cement-based materials.
• Applied Surface Science, 257(6): 1941–1945. DOI: 10.1016/j.apsusc.2010.09.030.
• Oncel C., Yurum Y., 2006. Carbon nanotube synthesis via the catalytic CVD method: a review on the effect of reaction parameters. Fullerene, Nanotubes, Carbon Nanostructures, 14(1): 17–37. DOI: 10.1080/15363830500538441.
• Pandey P., Dahiya M., 2016. Carbon Nanotubes: Types, Methods of Preparation and Applications. International Journal of Pharmaceutical Science and Research, 1(4): 15–21.
• Patil R., Deshpande A., 2012. Use of Nanomaterials in Cementing Applications. Society of Petroleum Engineers. DOI: 10.2118/155607-MS.
• Popov V.N., 2004. Carbon nanotubes: properties and application. Materials Science and Engineering: R: Reports, 43(3): 61–102. DOI:10.1016/j.mser.2003.10.001.
• Puretzky A.A., Geohegan D.B., Fan X., Pennycook S.J., 2000. In situ imaging and spectroscopy of single-wall carbon nanotube synthesis by laser vaporization. Applied Physics Letters, 76(2): 182–184. DOI: 10.1063/1.125696.
• Rahman M.K., Khan W.A., Mahmoud M.A., Sarmah P., 2016. MWCNT for Enhancing Mechanical and Thixotropic Properties of Cement for HPHT Applications. Offshore Technology Conference. DOI: 10.4043/26465-MS.
• Rahman M.K., Murtaza M., 2015. Effect of Nanoclay on Mechanical and Rheological Properties of Oil Well Cement Slurry under HPHT
• Environment. International Petroleum Technology Conference. DOI: 10.2523/IPTC-18989-MS.
• Roij R., Egyed C., Lips J., 2012. Nano-engineered Oil Well Cement Improves Flexibility and Increases Compressive Strength: A Laboratory
• Study. Society of Petroleum Engineers. DOI: 10.2118/156501-MS.
• Saeed K., Khan I., 2013. Carbon nanotubes-properties and applications: A review. Carbon Letters, 14(3): 131–144. DOI:10.5714/CL.2013.14.3.131.
• Sàez de Ibarra Y., Gaitero J.J., Erkizia E., Campillo I., 2006. Atomic force microscopy and nanoindentation of cement pastes with nanotube dispersions. Physica Status Solid A, 203(6): 1076–1081. DOI: 10.1002/pssa.200566166.
• Sobolkina A., Mechtcherine V., Khavrus V., Maier D., Memde M., Ritschel M., Leonhardt A., 2012. Dispersion of carbon nanotubes and its influence on the mechanical properties of cement matrix. Cement and Concrete Composites, 34(10): 1104–1113. DOI:10.1016/j.cemconcomp.2012.07.008.
• Szadkowski B., Pingot M., 2016. Nanorurki węglowe – materiał przyszłości. Eliksir, 1: 16–19.
• Taniguchi N., 1974. On the basic concept of nanotechnology. Proceedings of the International Conference on Production Engineering, Tokyo, Japan, Part II.
• Wang B., Han Y., Liu S., 2013. Effect of highly dispersed carbon nanotubes on the flexural toughness of cement-based composites. Construction and Building Materials, 46: 8–12. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2013.04.014.
• Akty prawne i normatywne
• PN-EN ISO 10426-1:2009 Przemysł naftowy i gazowniczy – Cementy i materiały do cementowania otworów – Część 1: Specyfikacja.
• PN-EN ISO 10426-2:2003 Przemysł naftowy i gazowniczy – Cementy i materiały do cementowania otworów wiertniczych – Część 2: Badania cementów wiertniczych.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).