DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2022.129913

本文研究了氧化铝纳米纤维（ANFs）作为添加剂对油井水泥复合材料机械性能的增强作用。为了模拟注汽井固井作业期间的地下条件，首先在50℃（标准固化条件）下固化水泥复合浆体，然后在300℃/13MPa（蒸汽注入作业期间的一般条件）下进行固化。将四种比例的ANFs（水泥的0.1至0.4wt%）添加到油井水泥复合材料中。研究了它们对流变性能、抗压强度和抗拉强度的影响。此外，还分析了应力-应变特性。通过X射线衍射仪、热重分析、压汞仪孔隙度测定、扫描电子显微镜和能量色散X射线光谱追踪了固化后受ANFs影响的浆体的矿物学和微观结构特征。结果表明，ANFs存在一个最佳添加量，对于增强水泥复合材料而言，添加量不一定越多越好。添加0.3%的ANFs可提高抗压强度和抗拉强度，最大增幅分别为9.18%和28.85%。另一方面，将ANFs掺入水泥基质中导致孔径细化，形成更多的水化凝胶，以及少量的硬硅钙石。通过MIP和DTA结果分别定义了R100和C-S-H凝胶/硬硅钙石比率。R100、C-S-H凝胶/硬硅钙石比率与机械强度有着较强的相关性，可定量描述水化产物、孔隙结构和机械强度之间的关系。

图1.（a）OWC和（b）二氧化硅粉的SEM形态，以及（c）ANFs的TEM图像。

图2.有无ANFs的OWC复合材料浆料的制备示意图。

图3.添加ANFs的水泥复合浆体的流变特性：（a）拟合流动曲线（剪切速率-剪切应力的关系）；（b）流动指数（n）和稠度系数（K）与ANFs添加量的关系。

图4.固化后水泥复合材料样品的抗压强度和抗拉强度。

图5.五种水泥复合材料固化后的应力-应变曲线；（a）原始OWC复合材料和添加不同ANFs的增强型水泥复合材料：（b）CSA0，（c）CSA1，（d）CSA2，（e）CSA3和（f）CSA4。

图6.原始ANFs以及添加和不添加ANFs的OWC复合材料固化后的XRD图谱。

图7.固化后OWC复合材料的热重分析：（a）TG和（b）DTG曲线。

图8.（a）孔径分布，（b）孔隙度变化和孔径分布分类。

图9.固化后，（a,c,e）CSA0和（b,d,f）CAS3浆料的SEM显微照片以及选定点的EDX分析。

图10.机械强度、孔隙率和R100之间的关系：（a）抗压强度与孔隙率的关系；（b）抗拉强度与孔隙率的关系；（c）抗压强度与R100的关系；（d）抗拉强度与R100的关系。

图11.（a）ANFs添加量与C-S-H凝胶/硬硅钙石和R100之间的关系图；（b）孔隙度、C-S-H凝胶/硬硅钙石与R100之间的关系。