抗二氧化碳腐蚀井筒水泥材料研究获进展

CO₂捕集、利用与封存技术是现行最有效的CO₂减排技术之一，是实现碳中和目标的重要技术支撑。近日，中国科学院武汉岩土力学研究所团队利用超临界CO₂对纳米黏土材料进行改性处理，发现改性纳米黏土阻碍了CO₂向水泥石内部的侵入，并对溶解区域具有一定的修复作用，使得井筒水泥石耐久性得以提高。

据介绍，CO₂注入井、监测井等井筒的固井水泥在CO₂腐蚀作用下的耐久性是保障CO₂长期有效封存的关键。因此，开发CO₂注入和监测井用水泥抗腐蚀剂，评价井筒水泥抗CO₂腐蚀剂的性能，阐明抗CO₂腐蚀作用机理，可有效提高井筒水泥耐久性，保障CO₂注入井和监测井长期、稳定运行，具有重要的工程价值和研究意义。

针对上述需求，武汉岩土所二氧化碳地质封存组研究团队利用超临界CO₂对纳米黏土材料进行改性处理，通过透射电镜与选区电子衍射分析，获得了改性纳米黏土的微观结构与纳米晶体物相；利用高温高压反应釜模拟高浓度CO₂腐蚀环境，对添加改性纳米黏土材料的井筒水泥石和对照组腐蚀过程进行了研究，并基于微米CT表征手段，提出了CT切片特征分析算法，通过统计分析大孔隙、水泥基质和碳化层的分布概率，得到描述井筒水泥石腐蚀导致的大孔隙、水泥基质和碳化层演变过程的平均化概率分布图，进而评价改性纳米黏土提升井筒水泥石耐CO₂腐蚀的性能。

研究结果表明，由于超临界改性纳米黏土材料的加入，井筒水泥石在长期CO₂腐蚀后其大孔隙的扩展和水泥基质的流失被控制；改性纳米黏土阻碍了CO₂向水泥石内部的侵入，并对溶解区域具有一定的修复作用，使得井筒水泥石耐久性得以提高。

研究人员表示，为进一步提高CO₂利用效率、拓展其利用途径，可利用超临界CO₂的独特性质，进行新型超临界CO₂改性材料开发，为高附加值、多元化利用CO₂提供新思路。

相关成果近期发表于水泥和混凝土材料研究期刊Construction and Building Materials，第一作者为博士后梅开元，通讯作者为研究员张力为。研究成果主要由国家重点研发计划、国家自然科学基金、内蒙古自治区科技重大专项、湖北省博士后创新研究岗位、四川省科技项目资助。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.125744