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摘要 随着井筒深度不断加大，一次冻全深井筒冻结深度不断加深，对置换用缓凝水泥浆液稳定性、浆液凝固时间、水泥浆固结体强度等都有了更高的要求，本文对超深度冻结孔置换用缓凝水泥浆试验研究进行了总结。
关键词 超深井筒 缓凝水泥浆 优化试验
中图分类号：TD265.34
近年来，随着井筒深度不断加大，一次冻全深井筒冻结深度不断加深，对置换用缓凝水泥浆液稳定性、浆液凝固时间、水泥浆固结体强度等都有了更高的要求，因此开展超深度冻结孔置换用缓凝水泥浆试验研究对冻结法施工具有重要的意义和很强的实用价值。
一、新配比缓凝水泥浆试验研究
缓凝水泥浆置换对浆液稳定性和凝固时间以及固结体强度都有严格的技术要求。在工地下放冻结管的要求时间内，浆液在孔内沉淀少而不离析，一般充填材料结石率要大于95%，沉淀厚度也能达到设计要求。根据井筒冻结深度确定每根冻结管从置换钻孔内粘土浆---起钻---下放冻结管---焊接---打压试漏整个施工过程所需的时间，再确定缓凝水泥浆的初凝时间。设计的缓凝水泥浆初凝时间，一定要满足下放冻结管最长时间的要求，初凝时间20小时或30小时。水泥浆结石体28天抗压强度应达到地下水压力的2倍以上。试验用原材料使用内蒙鄂托克前旗永恒水泥有限责任公司生产蒙优牌复合硅酸盐水泥P.C32.5R.，HN-1混凝土缓凝减水剂和西安科技大学研制的JS-1型高效缓凝剂，以及浆液稳定剂：膨润土等。
按照使用单位提供的原材料及配比配制了水泥浆液，并对浆液各项性能进行了测试，该配比所配制的缓凝水泥浆液泌水率大，结石率低，6h可插入性差，不能满足浆液稳定性要求；初凝时间较短，不能满足20或30小时以上的要求，必须进行进一步的试验研究。分别配比添加缓凝剂、稳定剂，并按相应水灰比制作缓凝水泥浆液10组，对每组浆液泌水率、结石率及流动性进行了测试。可以看出：（1）在缓凝剂掺量和水灰比相同的情况下，稳定剂的掺入可大大改善浆液的稳定性，浆液6h的泌水率由不掺和时的29%减少到5.5%，结石率大幅度提高，但同时也伴随着流动性的小幅减少。（2）在缓凝剂掺量和稳定剂相同的情况下，水灰比降低同样可以使浆液的稳定性有所改善。（3）随着水灰比的增大，稳定剂的掺量也要随着改变，一般在3～10%之间。
浆液凝结时间试验首先从基本入手。首先采用施工单位提供的HN-1型缓凝剂对浆液凝结时间进行了较为系统的测定。分别配比添加缓凝剂、稳定剂，并按相应水灰比制作缓凝水泥浆液16组，对每组浆液泌水率、6h可插入程度、初始流動性及初凝时间进行了测试。结果看出，浆液1h泌水率越小，稳定性越好，6h可插入程度越好。
要使浆液稳定必须根据水灰比的变化掺加0～10%的膨润土，凝结时间采用HN-1缓凝剂显然不能达到30小时以上的使用要求，为此我们专门配制了一种JS-1型高效缓凝剂。分别配比添加缓凝剂、膨润土，并按相应水灰比制作缓凝水泥浆液8组，对每组浆液泌水率、6h可插入程度、初始流动性及初凝时间进行了测试。结果看出：（1）与HN-1缓凝剂比较，JS-1型高效缓凝剂的掺入可在保证浆液稳定性良好的前提下大幅度的延缓其凝结时间。（2）当掺量为水泥重量的0.2%时，对于不同水灰比浆体的凝结时间可延缓至35～40小时。当掺量为水泥重量的0.1%时，对于不同水灰比浆体的凝结时间可延缓至16～24小时。（3）同时可以看出，JS-1型高效缓凝剂的掺入提高了浆液的流动性，6h可插入程度与HN-1缓凝剂比较有明显提高，大大有利于冻结管的沉降。
浆体的抗压强度试验是在以上性能试验的同时对其抗压强度进行基本的测试，分别测定了水灰比为1：0.8和1：1时的3天、28天抗压强度，结果是：（1）当时水灰比为1：0.8时，浆体3天的抗压强度1.04～2.03MPa之间，28天抗压强度3.62～5.23MPa之间；（2）当水灰比为1：1时，浆体3天的抗压强度1.17～3.10MPa之间，28天抗压强度5.76～10.20MPa之间；（3）从整体情况来看，浆体的强度与浆体水灰比的大小有直接的关系，也就是说水灰比是影响浆体强度的主要因素。（4）水灰比相同时，抗压强度之间的差异主要来源于其他原材料配比的相互影响和实验误差，但其影响较小。
二、缓凝水泥浆各性能优化试验
置换冻结孔内粘土浆用缓凝水泥浆的稳定性、凝结时间、结石强度等各种性能要求必须满足施工工艺技术的基本要求，而且各种性能与使用的原材料、外加剂的种类和性能以及他们之间的比例关系都有很大的关系，通过以上的试验分析研究，我们从中优化了能满足要求的几组配合比进行了系统的各性能参数测试。
配合比优化的依据原则，满足使用单位对浆体凝结时间大于20小时和大于30小时的基本要求，并使浆体具有比较良好的稳定性，达到顺利下放冻结管的目的。
缓凝水泥浆各性能参数的去顶，根据以上缓凝水泥浆各性能参数的初步试验结果分析，缓凝水泥浆各性能参数应满足下列条件：浆液的初始流动性30～32cm；浆液6h泌水率不大于10%（6h结石率不小于90%）；浆液的初凝时间大于20小时；28天具有较高的抗压强度，满足结石体防水、防渗、固结的基本要求。
配合比优化试验及结果分析，根据冻结孔置换用缓凝水泥浆各性能参数的要求，我们确定了优化实验方案，并进行了系统的各性能参数测试。可以看出：（1）从不掺缓凝剂时水泥浆液性能试验结果可以看出，浆液的初始流动性23～24.5cm；浆液6h泌水率一般小于5%，6h结石率达到95%以上；（2）掺入JS-1型缓凝剂后，水泥浆液的初始流动性提高到30～32.5cm；浆液6h泌水率一般不大于10%，6h结石率达到90%以上。从实验结果可以看出，JS-1型缓凝剂不但能较大幅度的延缓浆体的初凝时间，同时也具有较大减水作用，提高浆体的初始流动性。（3）浆液的初凝时间也随水灰比的减小而加快，当JS-1掺量为0.1时，一般在14～24小时之间。当JS-1掺量为0.2时，初凝时间可达35～41小时之间；（4）从以上给出的抗压强度试验结果来看，浆体的各龄期强度总体上实随着水灰比的减小而提高，当水灰比从1：0.8减小到1：1.4时，其抗压强度可从5.00MPa提高到12.00MPa。（5）通过以上各配比浆液的性能实验，较大范围的给出了缓凝水泥浆液的性能参数，使用单位可根据具体要求合理的选择使用。
三、缓凝水泥浆实验主要结论及说明
1.主要结论
（1）单独采用HN-1型缓凝剂所配制的缓凝水泥浆液泌水率大，结石率低，6h可插入性差，不能满足浆液稳定性要求，初凝时间较短，不能满足超深冻结孔置换用缓凝水泥浆的基本要求。（2）要使缓凝水泥浆满足浆液稳定性要求，必须加入适量的浆液稳定剂，稳定剂的掺入可大大改善浆液的稳定性，随着稳定剂掺量的增大，结石率大幅度提高。（3）JS-1型高效缓凝剂的掺入可在保证浆液稳定性良好的前提下大幅度的延缓其凝结时间，同时可提高了浆液的流动性，6h可插入程度与HN-1缓凝剂比较有明显提高，大大有利于冻结管的沉降。（4）从抗压强度试验结果来看，浆体的各龄期强度总体上实随着水灰比的减小而提高，当水灰比从1：0.8减小到1：1.4时，其抗压强度可从5.00MPa提高到12.00MPa。（5）通过优化各配比浆液的性能实验，较大范围的给出了缓凝水泥浆液的性能参数，使用单位可根据具体要求合理的选择使用。
2.几点说明
（1）试验方法是按照国家有关标准和行业有关规范进行的。（2）试验结果受原材料的变化影响而有所变化，使用单位必须进行使用前的浆液性能试验，可适当调整配比，以满足使用要求。
关键词 超深井筒 缓凝水泥浆 优化试验
中图分类号：TD265.34
近年来，随着井筒深度不断加大，一次冻全深井筒冻结深度不断加深，对置换用缓凝水泥浆液稳定性、浆液凝固时间、水泥浆固结体强度等都有了更高的要求，因此开展超深度冻结孔置换用缓凝水泥浆试验研究对冻结法施工具有重要的意义和很强的实用价值。
一、新配比缓凝水泥浆试验研究
缓凝水泥浆置换对浆液稳定性和凝固时间以及固结体强度都有严格的技术要求。在工地下放冻结管的要求时间内，浆液在孔内沉淀少而不离析，一般充填材料结石率要大于95%，沉淀厚度也能达到设计要求。根据井筒冻结深度确定每根冻结管从置换钻孔内粘土浆---起钻---下放冻结管---焊接---打压试漏整个施工过程所需的时间，再确定缓凝水泥浆的初凝时间。设计的缓凝水泥浆初凝时间，一定要满足下放冻结管最长时间的要求，初凝时间20小时或30小时。水泥浆结石体28天抗压强度应达到地下水压力的2倍以上。试验用原材料使用内蒙鄂托克前旗永恒水泥有限责任公司生产蒙优牌复合硅酸盐水泥P.C32.5R.，HN-1混凝土缓凝减水剂和西安科技大学研制的JS-1型高效缓凝剂，以及浆液稳定剂：膨润土等。
按照使用单位提供的原材料及配比配制了水泥浆液，并对浆液各项性能进行了测试，该配比所配制的缓凝水泥浆液泌水率大，结石率低，6h可插入性差，不能满足浆液稳定性要求；初凝时间较短，不能满足20或30小时以上的要求，必须进行进一步的试验研究。分别配比添加缓凝剂、稳定剂，并按相应水灰比制作缓凝水泥浆液10组，对每组浆液泌水率、结石率及流动性进行了测试。可以看出：（1）在缓凝剂掺量和水灰比相同的情况下，稳定剂的掺入可大大改善浆液的稳定性，浆液6h的泌水率由不掺和时的29%减少到5.5%，结石率大幅度提高，但同时也伴随着流动性的小幅减少。（2）在缓凝剂掺量和稳定剂相同的情况下，水灰比降低同样可以使浆液的稳定性有所改善。（3）随着水灰比的增大，稳定剂的掺量也要随着改变，一般在3～10%之间。
浆液凝结时间试验首先从基本入手。首先采用施工单位提供的HN-1型缓凝剂对浆液凝结时间进行了较为系统的测定。分别配比添加缓凝剂、稳定剂，并按相应水灰比制作缓凝水泥浆液16组，对每组浆液泌水率、6h可插入程度、初始流動性及初凝时间进行了测试。结果看出，浆液1h泌水率越小，稳定性越好，6h可插入程度越好。
要使浆液稳定必须根据水灰比的变化掺加0～10%的膨润土，凝结时间采用HN-1缓凝剂显然不能达到30小时以上的使用要求，为此我们专门配制了一种JS-1型高效缓凝剂。分别配比添加缓凝剂、膨润土，并按相应水灰比制作缓凝水泥浆液8组，对每组浆液泌水率、6h可插入程度、初始流动性及初凝时间进行了测试。结果看出：（1）与HN-1缓凝剂比较，JS-1型高效缓凝剂的掺入可在保证浆液稳定性良好的前提下大幅度的延缓其凝结时间。（2）当掺量为水泥重量的0.2%时，对于不同水灰比浆体的凝结时间可延缓至35～40小时。当掺量为水泥重量的0.1%时，对于不同水灰比浆体的凝结时间可延缓至16～24小时。（3）同时可以看出，JS-1型高效缓凝剂的掺入提高了浆液的流动性，6h可插入程度与HN-1缓凝剂比较有明显提高，大大有利于冻结管的沉降。
浆体的抗压强度试验是在以上性能试验的同时对其抗压强度进行基本的测试，分别测定了水灰比为1：0.8和1：1时的3天、28天抗压强度，结果是：（1）当时水灰比为1：0.8时，浆体3天的抗压强度1.04～2.03MPa之间，28天抗压强度3.62～5.23MPa之间；（2）当水灰比为1：1时，浆体3天的抗压强度1.17～3.10MPa之间，28天抗压强度5.76～10.20MPa之间；（3）从整体情况来看，浆体的强度与浆体水灰比的大小有直接的关系，也就是说水灰比是影响浆体强度的主要因素。（4）水灰比相同时，抗压强度之间的差异主要来源于其他原材料配比的相互影响和实验误差，但其影响较小。
二、缓凝水泥浆各性能优化试验
置换冻结孔内粘土浆用缓凝水泥浆的稳定性、凝结时间、结石强度等各种性能要求必须满足施工工艺技术的基本要求，而且各种性能与使用的原材料、外加剂的种类和性能以及他们之间的比例关系都有很大的关系，通过以上的试验分析研究，我们从中优化了能满足要求的几组配合比进行了系统的各性能参数测试。
配合比优化的依据原则，满足使用单位对浆体凝结时间大于20小时和大于30小时的基本要求，并使浆体具有比较良好的稳定性，达到顺利下放冻结管的目的。
缓凝水泥浆各性能参数的去顶，根据以上缓凝水泥浆各性能参数的初步试验结果分析，缓凝水泥浆各性能参数应满足下列条件：浆液的初始流动性30～32cm；浆液6h泌水率不大于10%（6h结石率不小于90%）；浆液的初凝时间大于20小时；28天具有较高的抗压强度，满足结石体防水、防渗、固结的基本要求。
配合比优化试验及结果分析，根据冻结孔置换用缓凝水泥浆各性能参数的要求，我们确定了优化实验方案，并进行了系统的各性能参数测试。可以看出：（1）从不掺缓凝剂时水泥浆液性能试验结果可以看出，浆液的初始流动性23～24.5cm；浆液6h泌水率一般小于5%，6h结石率达到95%以上；（2）掺入JS-1型缓凝剂后，水泥浆液的初始流动性提高到30～32.5cm；浆液6h泌水率一般不大于10%，6h结石率达到90%以上。从实验结果可以看出，JS-1型缓凝剂不但能较大幅度的延缓浆体的初凝时间，同时也具有较大减水作用，提高浆体的初始流动性。（3）浆液的初凝时间也随水灰比的减小而加快，当JS-1掺量为0.1时，一般在14～24小时之间。当JS-1掺量为0.2时，初凝时间可达35～41小时之间；（4）从以上给出的抗压强度试验结果来看，浆体的各龄期强度总体上实随着水灰比的减小而提高，当水灰比从1：0.8减小到1：1.4时，其抗压强度可从5.00MPa提高到12.00MPa。（5）通过以上各配比浆液的性能实验，较大范围的给出了缓凝水泥浆液的性能参数，使用单位可根据具体要求合理的选择使用。
三、缓凝水泥浆实验主要结论及说明
1.主要结论
（1）单独采用HN-1型缓凝剂所配制的缓凝水泥浆液泌水率大，结石率低，6h可插入性差，不能满足浆液稳定性要求，初凝时间较短，不能满足超深冻结孔置换用缓凝水泥浆的基本要求。（2）要使缓凝水泥浆满足浆液稳定性要求，必须加入适量的浆液稳定剂，稳定剂的掺入可大大改善浆液的稳定性，随着稳定剂掺量的增大，结石率大幅度提高。（3）JS-1型高效缓凝剂的掺入可在保证浆液稳定性良好的前提下大幅度的延缓其凝结时间，同时可提高了浆液的流动性，6h可插入程度与HN-1缓凝剂比较有明显提高，大大有利于冻结管的沉降。（4）从抗压强度试验结果来看，浆体的各龄期强度总体上实随着水灰比的减小而提高，当水灰比从1：0.8减小到1：1.4时，其抗压强度可从5.00MPa提高到12.00MPa。（5）通过优化各配比浆液的性能实验，较大范围的给出了缓凝水泥浆液的性能参数，使用单位可根据具体要求合理的选择使用。
2.几点说明
（1）试验方法是按照国家有关标准和行业有关规范进行的。（2）试验结果受原材料的变化影响而有所变化，使用单位必须进行使用前的浆液性能试验，可适当调整配比，以满足使用要求。