Wpływ nanotlenków glinu i cynku na parametry świeżego i stwardniałego zaczynu cementowego

• Autorzy: Dębińska E.

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2016.04.04

Warianty tytułu

EN

The effects of Al₂O₃ and ZnO nanoparticles on properties of fresh and set cement slurry

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Nanomateriały i ich unikatowe właściwości znalazły już zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, umożliwiając tworzenie materiałów o bardzo korzystnych właściwościach, pozwalając poprawić cechy produktów już istniejących oraz tworzyć nowe. Poprawa parametrów mechanicznych materiałów zawierających dodatek nanocząstek to tylko jedna z wielu możliwości ich zastosowania. W artykule przedstawiono wstępne wyniki badań wpływu nanotlenków: glinu (nano-Al₂O₃) i cynku (nano-ZnO) na właściwości zaczynów i kamieni cementowych. W trakcie badań do cementu portlandzkiego CEM I 32,5R dodawano 1%, 3%, 5% roztworu nano-Al₂O₃ oraz 0,01% i 0,1% nano-ZnO. Przeprowadzone badania potwierdziły, że dodatek nawet niewielkich ilości nano-Al₂O₃ oraz nano-ZnO poprawia parametry wytrzymałościowe kamienia cementowego w porównaniu z próbką bazową bez takiego dodatku, jak również powoduje zagęszczenie jego mikrostruktury, a tym samym obniżenie porowatości i przepuszczalności dla gazu. Tak zmodyfikowane kamienie charakteryzują się wysoką wytrzymałością na ściskanie oraz wysoką przyczepnością do rur stalowych. Kamienie cementowe charakteryzują się zwartą mikrostrukturą o niskiej zawartości makroporów. Na podstawie wykonanych badań można również stwierdzić, że zbyt duża ilość nanotlenków powoduje obniżenie wytrzymałości kamienia cementowego, co może być spowodowane trudnościami w równomiernym rozmieszczeniu dużych ilości nanocząsteczek w zaczynie i tworzeniem dużych aglomeratów nanocząsteczek, które osłabiają strukturę kamienia cementowego

EN

Nanomaterials and their unique properties have already been used in many branches of the industry, enabling the creation of materials having very favorable properties, allowing to improve the properties of existing products and creating new ones. Improving the mechanical properties of materials containing nanoparticles as an additive is just one of the many possibilities of their use. The article presents the preliminary results of the influence of nano alumia oxide (nano-Al₂O₃) and nano zinc oxide (nano-ZnO) on the properties of fresh and set cement slurries. In the research, to Portland cement CEM I 32.5R were added 1, 3, 5% nano-Al₂O₃ solution and 0.01 and 0.1% nano-ZnO powder. The study confirmed that the addition of even small amounts of nano-Al₂O₃ and nano-ZnO improves the strength of set cement as compared to the sample base without such additive, and also causes compaction of the microstructure and thereby reducing the porosity and gas permeability. Such modified set cement slurries exhibit high compressive strength and high adhesion to steel pipes. Set cement slurries have a compact microstructure with a low content of macropores. On the basis of tests it may also be noted, that too much nano oxides reduces the strength of the hardened cement slurry, which may be due to difficulty in uniform distribution of large quantities of nanoparticles in the slurry and the formation of large agglomerates of nanoparticles, which weaken the structure of set cement slurries.

Słowa kluczowe

PL

zaczyn cementowy; nano-Al2O3; nano-ZnO; stwardniały zaczyn cementowy; wytrzymałość na ściskanie

EN

fresh cement slurry; nano-Al2O3; nano-ZnO; set cement slurry; compressive strength

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2016
• Tom: R. 72, nr 4
• Strony: 251--261
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Dębińska E.

• Zakład technologii Wiercenia, Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy, ul. Lubicz 25A, 31-503 Kraków

Bibliografia

• [1] Arefi M. R., Rezaei-Zarchi S.: Synthesis of Zinc Oxide Nanoparticles and Their Effect on the Compressive Strength and Setting Time of Self-Compacted Concrete Paste as Cementitious Composites, http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3344217/ (dostęp: wrzesień 2015).
• [2] Birgisson B., Beatty C. L.: Nanomodified Concrete Additive and High Performance Cement Paste and Concrete Therefrom. International Patent Application, PCT/US2007/073430.
• [3] Birgisson B., Mukhopadhyay A. K., Geary G., Khan M., Sobolev K.: Nanotechnology in Concrete Materials: A Synopsis. Transportation Research Circular, Nr E-C170, December 2012.
• [4] Campillo I., Guerrero A., Dolado J. S., Porro A., Ibáñez J. A., Goñi S.: Improvement of Initial Mechanical Strength by Nanoalumina in Belite Cements. Materials Letters 2007, vol. 61, no. 8–9, s. 1889–1892.
• [5] Dębińska E.: Wpływ nanokrzemionki na parametry mechaniczne kamienia cementowego. Nafta-Gaz 2014, nr 4, s. 229–235.
• [6] Guskos N., Zolnierkiewicz G., Typek J., Blyszko J., Kiernozycki W., Narkiewicz U.: Ferromagnetic Resonance and Compressive Strength Study of Cement Mortars Containing Carbon Encapsulated Nickel and Iron Nanoparticles. Reviews on Advanced Materials Science 2010, vol. 23, no. 1, s. 113–117.
• [7] Herman Z.: Problemy migracji i ekshalacji gazu w odwiertach, http://www.inig.pl/hercules/reports/thirdyear/files/3WP2-3.3.pdf (dostęp: 16.08.2012).
• [8] Kelsall R. W., Hamley I. W., Geoghegan M.: Nanotechnologie. Warszawa, Wydawnictwo Naukowe PWN, 2008.
• [9] Kremieniewski M.: Proces migracji gazu w trakcie wiązania zaczynu cementowego. Nafta-Gaz 2011, nr 3, s. 175–181.
• [10] Labibzadeh M., Zahabizadeh B., Khajehdezfuly A.: Early-age compressive strength assessment of oil well class G cement due to borehole pressure and temperature changes. Journal of American Science 2010, vol. 6, no. 7, s. 38–45.
• [11] Li H., Xiao H., Ou J.: A Study on Mechanical and Pressure-Sensitive Properties of Cement Mortar with Nanophase Materials. Cement and Concrete Research 2004, vol. 34, no. 3, s. 435–438.
• [12] Li H., Xiao H., Ou J.: Microstructure of Cement Mortar with Nano-Particles. Composites: Part B 2004, nr 35, no. 2, s. 185–189.
• [13] Meng T., Yu Y., Qian X., Zhan S., Qian K.: Effect of nano-TiO2 on the mechanical properties of cement mortar, http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0950061811005964 (dostęp: wrzesień 2015).
• [14] Nazari Riahi S.: The effects of ZnO2 nanoparticles on properties of concrete using ground granulated blast furnace slag as binder, http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1516-14392011005000052 (dostęp: wrzesień 2015).
• [15] Patil R., Deshpande A.: Use of Nanomaterials in Cementing Applications. SPE 155607, 2012.
• [16] Rogers M. J., Dillenbeck R. L., Eid R. N.: Transition Time of Cement Slurries, Definitions and Misconceptions, Related to Annular Fluid Migration. Conference materials: SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Houston, Texas, 26–29 September 2004, SPE-90829-MS.
• [17] Rzepka M.: Zaczyny cementowe do uszczelniania kolumn rur okładzinowych w głębokich otworach wiertniczych, w temperaturze dynamicznej do ok. 120°C. Nafta-Gaz 2010, nr 4, s. 274–279.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.

Artykuł powstał na podstawie pracy statutowej pt. Kształtowanie parametrów technologicznych zaczynów cementowych cząsteczkami tlenku glinu i cynku - praca INiG - PIB na zlecenie MNiSW; nr archiwalny: DK-4100-37/2015, nr zlecenia: 0037/15/01.