三山島金礦鹽鹵水對膠結(jié)充填體早期強度的影響

林枝祥 楊 鵬，2 呂文生

(1.北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京100083;2.北京聯(lián)合大學，北京100101)

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國對各類礦產(chǎn)資源的需求量也逐漸增大，礦產(chǎn)資源的不可再生性促使礦業(yè)開采逐步轉(zhuǎn)向地表深部、高寒高鹽堿地區(qū)以及海洋。這些地區(qū)屬地質(zhì)環(huán)境復雜、生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，因此，在此類區(qū)域開發(fā)礦業(yè)對技術(shù)的要求高、生產(chǎn)難度大，屬于高風險、高投資、高技術(shù)工程［1-2］。

為盡可能減少礦業(yè)開發(fā)對這些區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)的擾動和對地表環(huán)境的影響，將尾砂膠結(jié)充填采空區(qū)是較理想的選擇。然而，在這些區(qū)域開展尾砂膠結(jié)充填，有時必須要考慮高鹽鹵的腐蝕問題。

鹽鹵水普遍富存于鹽湖、鹽堿及海濱地區(qū)，是一種富含Na+、K+、Mg2+、Ca2+等金屬離子，Cl－、等陰離子及少量其他物質(zhì)的電解質(zhì)溶液。將此類鹽鹵水用于膠結(jié)充填，易造成充填料漿離析、腐蝕水泥水化產(chǎn)物、充填體膨脹崩落等現(xiàn)象，進而影響膠結(jié)質(zhì)量，尤其是充填體的后期強度，成為礦山安全生產(chǎn)的重大隱患。

為解決鹽鹵水充填體的強度問題，需明確鹽鹵水對充填體強度影響的規(guī)律，并針對鹽鹵水對充填體的破壞機理開展相應的技術(shù)攻關(guān)。

1 鹽鹵成分對充填體強度影響規(guī)律分析

充填體強度主要依靠水泥水化產(chǎn)物氫氧鈣石和C－S－H 凝膠的膠結(jié)作用，氫氧鈣石和C－S－H 凝膠的含量及成分變化決定著充填體的強度，而氫氧鈣石和水化鋁酸鈣是易受腐蝕的水化產(chǎn)物。鹽鹵成分對充填體的破壞比較復雜，各種離子的化學腐蝕作用相互交叉，同時還伴隨鹽結(jié)晶物理破壞。

1.1 硫酸鹽的腐蝕

1.2 氯鹽的腐蝕

氯鹽腐蝕主要表現(xiàn)為結(jié)晶腐蝕，如南極石(CaCl2·6H2O)與水化產(chǎn)物反應生成氯氧化鎂(Mg2(OH)3Cl·4H2O)和氯鋁酸鈣(C3A·CaCl2·10H2O)［4］。

1.3 鎂和堿金屬離子的腐蝕

Mg2+對膠結(jié)充填體的破壞主要表現(xiàn)在3 方面［5］:①Mg2+與游離的石灰質(zhì)結(jié)合沉淀，降低水泥石的堿度，導致充填體孔隙液pH 值持續(xù)降低;②生成各類鹽結(jié)晶;③鎂離子取代水化硅酸鈣中的鈣離子，形成含水硅酸鎂M－S－H 的過渡產(chǎn)物C－M－S－H，這類凝膠的膠結(jié)能力差，使充填體變脆、強度降低。

Na+、K+等堿金屬離子容易部分取代C－S－H 凝膠中的鈣，發(fā)生類似于堿骨料的反應，形成具有吸水膨脹特性的堿硅凝膠(C－N(K)－S－H)，堿硅凝膠形成后易使充填體解體。

相關(guān)文獻指出，適量的氯化鈉和碳酸鹽［6］有利于抑制硫酸鹽的腐蝕，且氯化鈉和硫酸鈉［7］常作為混凝土的早強劑使用。

2 試驗原料與試驗方法

2.1 試驗材料

(1)鹽鹵水。為三山島金礦的充填用水，是經(jīng)一系列處理的礦坑涌水。礦坑涌水主要來源于海水、構(gòu)造裂隙水及第四系地下水，所占比例分別為58.5%、36.4%和5.1%。海水來源:礦區(qū)處于渤海海域，絕大部分位于潮間帶內(nèi)的海水之下，受附近開采地下水的影響，海水沿多條導水構(gòu)造進入礦坑，為礦坑充水的主要補給源;構(gòu)造裂隙水來源:礦區(qū)存在2 個較大的裂隙構(gòu)造F1、F3，貯存較為豐富的地下水，水質(zhì)復雜，礦化程度較高，各離子濃度在39.1 ～92.7 g/L，受海水的補給;第四系水主要來源是地表降水。鹽鹵水水樣主要離子含量分析結(jié)果見表1。

表1 鹽鹵水離子含量分析結(jié)果Table 1 Ion content analysis results in brine mg/L

(2)分級尾砂。取自三山島金礦，為現(xiàn)場膠結(jié)充填材料，粒度分析結(jié)果見表2。

表2 分級尾砂粒度分析結(jié)果Table 2 Grain size distribution of graded tailings

(3)水泥。為焦家水泥廠生產(chǎn)的42.5 強度等級的普通硅酸鹽水泥。

2.2 試驗方法與步驟

(1)分級尾砂膠結(jié)試塊的制作與抗壓強度測試。分級尾砂膠結(jié)試塊制備的灰砂比分別為1 ∶6、1 ∶8、1 ∶12，添加鹽鹵水制成濃度為70%的料漿，將攪拌均勻的料漿澆成7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm 的試塊，按同樣的參數(shù)用自來水澆注對照組試塊，常溫狀態(tài)下養(yǎng)護24 h 后脫模，然后送入養(yǎng)護箱內(nèi)標準養(yǎng)護(20±0.5 ℃、濕度為95%)，測定各試塊養(yǎng)護3、7、14 和28 d 后的單軸抗壓強度。

(2)水泥凈漿試塊的制作與強度測試。制作水泥凈漿試塊的水灰比分別為0.6、0.8、1.0，用水分普通自來水和鹽鹵水，凈漿試塊的制作過程嚴格按照GB/T17671—1999 進行，凈漿試塊的規(guī)格為4 cm×4 cm×16 cm，常溫狀態(tài)下養(yǎng)護24 h 后脫模，然后送入養(yǎng)護箱內(nèi)標準養(yǎng)護(20±0.5 ℃、濕度為95%)，測定各試塊養(yǎng)護3、7、14 和28 d 的抗壓及抗折強度。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 鹽鹵水對尾砂膠結(jié)試塊強度的影響

不同灰砂比、不同用水情況下尾砂膠結(jié)試塊不同養(yǎng)護齡期的抗壓強度見表3。

由表3 可見，選用鹽鹵水拌合的尾砂膠結(jié)試塊的抗壓強度都大于選用自來水拌合的試塊的抗壓強度;灰砂比下降，試塊的抗壓強度顯著下降，且二者的差距也顯著下降。

從2 類試塊內(nèi)部顏色的對比可發(fā)現(xiàn)，用鹽鹵水拌合的尾砂膠結(jié)試塊呈深灰色，而用自來水拌合的尾砂膠結(jié)試塊呈灰白色，這很可能是由于2 種試塊內(nèi)部發(fā)生了不同的水化反應造成的。

表3 尾砂膠結(jié)試塊的單軸抗壓強度Table 3 Uniaxial compressive strength of cemented tailings test block

3.2 鹽鹵水對水泥凈漿試塊強度和水化產(chǎn)物的影響

3.2.1 水泥凈漿試塊的強度試驗

不同水灰比、不同用水情況下水泥凈漿試塊的強度指標見表4。

由表4 可見，相同水灰比情況下，用鹽鹵水拌合的凈漿試塊的抗壓和抗折強度均高于用自來水拌合的凈漿試塊，且水灰比為0.6 時的強度差異最大。

表4 水泥凈漿試塊的強度指標Table 4 Compressive and flexural strength of cement paste test block

3.2.2 水泥凈漿試塊的水化產(chǎn)物分析

水泥的水化產(chǎn)物主要為C－S－H 凝膠、氫氧鈣石(Ca(OH)2)和鈣礬石(CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)［7］;其中C－S－H 凝膠有助于提高膠結(jié)強度，氫氧鈣石有助于催化水化反應，提高膠結(jié)試塊的早期強度，而鈣礬石的生成將對膠結(jié)試塊的長期強度造成腐蝕。水灰比為0.6，養(yǎng)護期齡為28 d 的自來水拌合的水泥凈漿試塊和鹽鹵水拌合的水泥凈漿試塊的XRD 圖譜見圖1。

圖1 水泥凈漿試塊的XRD 圖譜Fig.1 XRD diagram of cement paste test block

由圖1 可見:鹽鹵水水泥凈漿試塊中C－S－H 凝膠和氫氧鈣石的衍射峰數(shù)量較多、強度較高，即鹽鹵水凈漿試塊中C－S－H 凝膠和氫氧鈣石的含量更多，因此，鹽鹵水凈漿試塊的強度較高;鹽鹵水拌合的水泥凈漿試塊中鈣礬石的衍射峰明顯較多，這是由于鹽鹵水提供了大量的，有助于鈣礬石的產(chǎn)生，雖然鈣礬石會影響最終充填體的強度，但就早期強度而言，C－S－H 凝膠和氫氧鈣石的積極影響更明顯。

4 結(jié) 論

(1)三山島金礦的鹽鹵水尾砂膠結(jié)試塊的單軸抗壓強度較大;灰砂比下降，試塊的抗壓強度以及鹽鹵水試塊與自來水試塊的抗壓強度之差均顯著下降。說明用水不同，試塊內(nèi)部發(fā)生的水化反應也有明顯差異。

(2)相同水灰比情況下，鹽鹵水水泥凈漿試塊的抗壓和抗折強度均高于自來水水泥凈漿試塊，這是由于鹽鹵水水泥凈漿試塊中對水化反應有催化作用的氫氧鈣石和可提高膠結(jié)體強度的C－S－H 凝膠更多所致。水灰比為0.6 時的鹽鹵水水泥凈漿試塊的強度與自來水水泥凈漿試塊的強度差異最大，這可能與低水灰比下鹽鹵水水泥凈漿試塊體系的較少，對充填體強度有負面影響的鈣礬石也較少有關(guān)。

(3)鹽鹵水水泥凈漿試塊中鈣礬石的衍射峰明顯較多且較強，這是由于鹽鹵水提供了大量的，促進了鈣礬石的生成。鈣礬石對充填體的后期強度有負面影響，但早期強度更多取決于C－S－H 凝膠和氫氧鈣石的積極影響。

(4)該鹽鹵水用于尾砂膠結(jié)充填，有助于提高充填體的早期強度，而對于長期強度的影響將有待后期試驗研究。

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