基本介紹
- 中文名：水泥緩凝劑
- 外文名：retarder for cement slurry
概念,原理,分類,相關案例,
概念
緩凝劑種類很多，常用的主要有：木質素磺酸鹽及其衍生物、低分子量纖維素及其衍生物、羥基羧酸（鹽）、有機膦酸（鹽）、硼酸（鹽）、複合物等。國內外針對原有緩凝劑存在的缺陷進行了不斷改進，也新開發了一些緩凝劑。
具體可用作緩凝劑的物質有：糊精、各種類型的澱粉、乾酪素以及某些含蛋白的物質；還有蔗糖、葡萄糖、木質磺酸鈣鹽或鈉鹽、羧甲基纖維素鈉（CMC）、羧乙基纖維素（CHC）以及他們的混合物；另外還有酒石酸、酒石酸鉀、酒石酸鈣、二水硫酸鈣、亞硫酸鈣、硫酸亞鐵、硼酸、硼酸和酒石酸的混合物、酒石酸和碳酸氫鈉的混合物、六偏磷酸鈉、磷酸、磷酸二納、磷酸三納、磷酸四納、磷酸氫二鈉、焦磷酸鈉、烷基磷酸脂、乙二胺四乙酸二鈉、各種腐植酸等。
原理
一般來說，有機類緩凝劑大多對水泥顆粒以及水化產物新相表面具有較強的活性作用，吸附於固體顆粒表面，延緩了水泥和漿體結構的形成。無機類緩凝劑，往往是在水泥顆粒表面形成一層難溶的薄膜，對水泥顆粒的水化起屏障作用，阻礙了水泥的正常水化。這些作用都會導致水泥的水化速度減慢，延長水泥的凝結時間。緩凝劑對水泥緩凝的理論主要包括吸附理論、生成絡鹽理論、沉澱理論和控制氫氧化鈣結晶生產理論。多數有機緩凝劑有表面活性，它們在固液界面產生吸附，改變固體粒子表面性質，即親水性。由於吸附作用，它們分子中的羥基在水泥粒子表面，阻礙水泥水化過程，使晶體相互接觸受到禁止，改變了結構形成過程。如葡萄糖吸附在C3S表面生成吸附膜，因此摻0.1﹪葡萄糖是水泥凝結時間延長70﹪。
對羥基羧酸及其鹽的緩凝作用，用絡合物理論解釋更為合適。因為羥基羧酸鹽是絡合物形成劑，能於過渡金屬離子形成穩定的絡合物，而與鹼土金屬離子只能在鹼性介質中形成不穩定絡合物。正因為如此，羥基羧酸及其鹽類能與水泥中的鈣離子形成不穩定絡合物，在水化初期控制了液相中的鈣離子的濃度，產生緩凝作用，隨水化過程的進行，這種不穩定的絡合將會破壞，這樣水化將繼續正常進行。
緩凝劑分子在水泥離子上的吸附層的存在，使分子間的作用力保持在厚的水化層表面上，使水泥懸浮體也有分散作用。它們不但在原膠凝物質的粒子表面吸附，而且在水化和硬化過程中吸附在新相的晶胚上，並使其穩定。這種穩定作用組織結構形成過程，並降低早期強度。緩凝劑不僅由於在原化合物和最終化合物上的吸附作用，而且由於改變了飽和溶液中晶胚生成的速度，因此控制了膠凝物上的吸附作用，而且由於改變了飽和溶液中晶胚生成的速度，因此控制了膠凝物的水化和硬化過程。無論是使用何種緩凝劑，在水泥水化繼續進行過程中，由於水泥粒子的膨脹引起吸附層分子之間的空隙擴大或膜層破裂，因此水化作用可照常進行。這樣對後期強度的發展幾乎沒有壞的影響，在合理摻量範圍內（0.01﹪～0.20﹪）甚至可以增加後期強度。
緩凝作用的機理另一觀點認為，緩凝劑吸附在氫氧化鈣核上，抑制了其繼續生長，在達到一定過飽和度之前，氫氧化鈣的生長將停止。這個理論中重點放在緩凝劑在氫氧化鈣上的吸附，而不是在水化產物上吸附。但是，研究表明僅僅抑制或改變氫氧化鈣生長狀態不足引起緩凝，而更重要的是緩凝劑子在水化的C3S上的吸附。
分類
緩凝劑的種類按其化學成可分為無機緩凝劑和有機緩凝劑兩大類。從分子量的大小或合成方法的角度可以分為兩大類：有機化合物和聚合物。研究較多的有機物主要是有機膦酸（鹽）。用作緩凝劑的聚合物通常是低聚物，其分子量一般為數千，多通過共聚反應製得，研究較多的聚合物是含有羧基、膦酸基、磺酸基的聚合物。相對來說，羥基羧酸（鹽）、有機膦酸（鹽）等有機物類緩凝劑摻量較少，但比較敏感；而聚合物類緩凝劑摻量較大，但摻量與稠化時間線性關係較好。
無機緩凝劑
磷酸鹽、偏磷酸鹽類緩凝劑是研究較多的無機緩凝劑。正磷酸（H3PO4 ） 的緩凝作用並不大，但各種磷酸鹽的緩凝作用卻較強。在相同摻量情況下，磷酸鹽類緩凝劑中緩凝作用最強的是焦磷酸鈉（Na2P2O7 ） 。
（2）硼砂（Na2B4O7·10H2O）
（3）氟矽酸鈉（Na2SiF6 ）
白色結晶物質，密度2.68g·cm，微溶於水，不溶於乙醇，有腐蝕性，一般摻量為水泥用量的0.1-0.2%。
有機物類緩凝劑
有機膦酸（鹽）
有機膦酸（鹽）種類繁多，有不少品種適合用作油井水泥緩凝劑。
實例二： 將甲撐膦酸衍生物和硼砂按（0.025-0.2）:1質量比復配用作高溫緩凝劑，甲撐膦酸衍生物選自乙二胺四甲叉膦酸鈣、乙二胺四甲叉膦酸鈉、乙二胺五甲叉膦酸。該緩凝劑適用溫度121-260℃（BHST），適合長封固段高溫深井固井。
實例三： 將有機膦酸（鹽）和無機磷酸（鹽）按一定比例復配用作緩凝劑，此外，也可加入緩凝增強劑以擴大套用溫度範圍。一個推薦的緩凝劑組成如下：10-15%的乙二胺四甲叉膦酸鈉鈣，40-45%的磷酸以及40-50%緩凝增強劑。該緩凝劑有效使用溫度為70-140℃。
聚合物類緩凝劑
聚合物類緩凝劑是近年來國內外研究最的一類緩凝劑。由於通過聚合技術可將多種不同的功能性單體結合在一起，而且可以控制分子鏈的長短、分子量的大小及分布，因此這類緩凝劑可以用分子設計思想來指導其合成，得到綜合性能較為理想的緩凝劑。
