摘要
地质聚合物（Geopolymer，简称地聚物）是一类由碱激发剂和固体原料制备而成的、具有SiO4和AlO4正四面体单元组成的三维立体网状结构的无机聚合物材料。该类材料具有力学性能优异、与无机基材粘结强度高和流动性良好等特点。针对以往材料无法满足道路快速修复时效性的问题，本文通过添加高铝水泥对地聚物材料进行改性，并研究了高铝水泥含量对地聚物材料超早强和后期高强性能的影响。此外，针对泥饼的残余导致水泥浆无法有效胶结“固井二界面”的问题，本文还采用偏高岭土（MK）对地聚物进行改性，设计制备了低粘度、高渗透性的改性地聚物固泥材料，并探究了其对固井界面胶结性能的影响。主要内容如下： 1）针对道路快速修复时效性的需求，我们通过添加高铝水泥对偏高岭土基地聚物材料进行改性，制备了一种具有超早强性能，同时兼具优异后期高强性能的地聚物灌浆材料。凝结时间测试结果表明，高铝水泥的加入能显著缩短地聚物灌浆材料的凝结时间，25%高铝水泥添加量能使初凝时间从20小时缩短至20分钟；力学性能测试结果表明，2小时后地聚物灌浆材料的抗压强度可达1.5MPa（亦即2小时能达到道路领域早期通车标准）；同时，该材料28天抗压强度、抗折强度和粘结强度分别达30.5MPa、3.0MPa和1.5MPa。低场核磁测试数据表明，适量的高铝水泥可以吸收地聚合反应产生的水，从而对地聚合反应起到催化作用，这是该类地聚物灌浆材料具有超早强性能的重要原因。 2）泥饼的固化是解决油气井固井领域中“固井二界面”（“地层-水泥”界面和“套管-水泥”界面）胶结强度低问题的关键。我们通过水玻璃和偏高岭土制备了低粘度、高渗透率的改性地聚物固泥材料。力学性能测试表明，改性地聚物固泥材料（M=1.5，MK添加量=2.5%）在常压和高压环境下均能有效渗入泥饼；在常压和高压环境下，经90℃固化10小时后泥饼的抗压强度分别为3.0MPa和1.0MPa；同时，固化后的泥饼能有效提高水泥对固井二界面的胶结性能，“地层-水泥”界面和“套管-水泥”界面的胶结强度分别为0.6MPa和1.0MPa。X射线衍射分析（XRD）结果表明，MK的加入无法改变最终固化后泥饼的结晶性能，但其适量加入能提高胶凝材料的含量，从而进一步提高固化后泥饼的抗压强度和胶结强度。
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