三山岛金矿盐卤水对胶结充填体早期强度的影响

林枝祥 杨 鹏，2 吕文生

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083;2.北京联合大学，北京100101)

随着经济的快速发展，我国对各类矿产资源的需求量也逐渐增大，矿产资源的不可再生性促使矿业开采逐步转向地表深部、高寒高盐碱地区以及海洋。这些地区属地质环境复杂、生态环境脆弱区，因此，在此类区域开发矿业对技术的要求高、生产难度大，属于高风险、高投资、高技术工程［1-2］。

为尽可能减少矿业开发对这些区域地质结构的扰动和对地表环境的影响，将尾砂胶结充填采空区是较理想的选择。然而，在这些区域开展尾砂胶结充填，有时必须要考虑高盐卤的腐蚀问题。

盐卤水普遍富存于盐湖、盐碱及海滨地区，是一种富含Na+、K+、Mg2+、Ca2+等金属离子，Cl－、等阴离子及少量其他物质的电解质溶液。将此类盐卤水用于胶结充填，易造成充填料浆离析、腐蚀水泥水化产物、充填体膨胀崩落等现象，进而影响胶结质量，尤其是充填体的后期强度，成为矿山安全生产的重大隐患。

为解决盐卤水充填体的强度问题，需明确盐卤水对充填体强度影响的规律，并针对盐卤水对充填体的破坏机理开展相应的技术攻关。

1 盐卤成分对充填体强度影响规律分析

充填体强度主要依靠水泥水化产物氢氧钙石和C－S－H 凝胶的胶结作用，氢氧钙石和C－S－H 凝胶的含量及成分变化决定着充填体的强度，而氢氧钙石和水化铝酸钙是易受腐蚀的水化产物。盐卤成分对充填体的破坏比较复杂，各种离子的化学腐蚀作用相互交叉，同时还伴随盐结晶物理破坏。

1.1 硫酸盐的腐蚀

1.2 氯盐的腐蚀

氯盐腐蚀主要表现为结晶腐蚀，如南极石(CaCl2·6H2O)与水化产物反应生成氯氧化镁(Mg2(OH)3Cl·4H2O)和氯铝酸钙(C3A·CaCl2·10H2O)［4］。

1.3 镁和碱金属离子的腐蚀

Mg2+对胶结充填体的破坏主要表现在3 方面［5］:①Mg2+与游离的石灰质结合沉淀，降低水泥石的碱度，导致充填体孔隙液pH 值持续降低;②生成各类盐结晶;③镁离子取代水化硅酸钙中的钙离子，形成含水硅酸镁M－S－H 的过渡产物C－M－S－H，这类凝胶的胶结能力差，使充填体变脆、强度降低。

Na+、K+等碱金属离子容易部分取代C－S－H 凝胶中的钙，发生类似于碱骨料的反应，形成具有吸水膨胀特性的碱硅凝胶(C－N(K)－S－H)，碱硅凝胶形成后易使充填体解体。

相关文献指出，适量的氯化钠和碳酸盐［6］有利于抑制硫酸盐的腐蚀，且氯化钠和硫酸钠［7］常作为混凝土的早强剂使用。

2 试验原料与试验方法

2.1 试验材料

(1)盐卤水。为三山岛金矿的充填用水，是经一系列处理的矿坑涌水。矿坑涌水主要来源于海水、构造裂隙水及第四系地下水，所占比例分别为58.5%、36.4%和5.1%。海水来源:矿区处于渤海海域，绝大部分位于潮间带内的海水之下，受附近开采地下水的影响，海水沿多条导水构造进入矿坑，为矿坑充水的主要补给源;构造裂隙水来源:矿区存在2 个较大的裂隙构造F1、F3，贮存较为丰富的地下水，水质复杂，矿化程度较高，各离子浓度在39.1 ～92.7 g/L，受海水的补给;第四系水主要来源是地表降水。盐卤水水样主要离子含量分析结果见表1。

表1 盐卤水离子含量分析结果Table 1 Ion content analysis results in brine mg/L

(2)分级尾砂。取自三山岛金矿，为现场胶结充填材料，粒度分析结果见表2。

表2 分级尾砂粒度分析结果Table 2 Grain size distribution of graded tailings

(3)水泥。为焦家水泥厂生产的42.5 强度等级的普通硅酸盐水泥。

2.2 试验方法与步骤

(1)分级尾砂胶结试块的制作与抗压强度测试。分级尾砂胶结试块制备的灰砂比分别为1 ∶6、1 ∶8、1 ∶12，添加盐卤水制成浓度为70%的料浆，将搅拌均匀的料浆浇成7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm 的试块，按同样的参数用自来水浇注对照组试块，常温状态下养护24 h 后脱模，然后送入养护箱内标准养护(20±0.5 ℃、湿度为95%)，测定各试块养护3、7、14 和28 d 后的单轴抗压强度。

(2)水泥净浆试块的制作与强度测试。制作水泥净浆试块的水灰比分别为0.6、0.8、1.0，用水分普通自来水和盐卤水，净浆试块的制作过程严格按照GB/T17671—1999 进行，净浆试块的规格为4 cm×4 cm×16 cm，常温状态下养护24 h 后脱模，然后送入养护箱内标准养护(20±0.5 ℃、湿度为95%)，测定各试块养护3、7、14 和28 d 的抗压及抗折强度。

3 试验结果与分析

3.1 盐卤水对尾砂胶结试块强度的影响

不同灰砂比、不同用水情况下尾砂胶结试块不同养护龄期的抗压强度见表3。

由表3 可见，选用盐卤水拌合的尾砂胶结试块的抗压强度都大于选用自来水拌合的试块的抗压强度;灰砂比下降，试块的抗压强度显著下降，且二者的差距也显著下降。

从2 类试块内部颜色的对比可发现，用盐卤水拌合的尾砂胶结试块呈深灰色，而用自来水拌合的尾砂胶结试块呈灰白色，这很可能是由于2 种试块内部发生了不同的水化反应造成的。

表3 尾砂胶结试块的单轴抗压强度Table 3 Uniaxial compressive strength of cemented tailings test block

3.2 盐卤水对水泥净浆试块强度和水化产物的影响

3.2.1 水泥净浆试块的强度试验

不同水灰比、不同用水情况下水泥净浆试块的强度指标见表4。

由表4 可见，相同水灰比情况下，用盐卤水拌合的净浆试块的抗压和抗折强度均高于用自来水拌合的净浆试块，且水灰比为0.6 时的强度差异最大。

表4 水泥净浆试块的强度指标Table 4 Compressive and flexural strength of cement paste test block

3.2.2 水泥净浆试块的水化产物分析

水泥的水化产物主要为C－S－H 凝胶、氢氧钙石(Ca(OH)2)和钙矾石(CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)［7］;其中C－S－H 凝胶有助于提高胶结强度，氢氧钙石有助于催化水化反应，提高胶结试块的早期强度，而钙矾石的生成将对胶结试块的长期强度造成腐蚀。水灰比为0.6，养护期龄为28 d 的自来水拌合的水泥净浆试块和盐卤水拌合的水泥净浆试块的XRD 图谱见图1。

图1 水泥净浆试块的XRD 图谱Fig.1 XRD diagram of cement paste test block

由图1 可见:盐卤水水泥净浆试块中C－S－H 凝胶和氢氧钙石的衍射峰数量较多、强度较高，即盐卤水净浆试块中C－S－H 凝胶和氢氧钙石的含量更多，因此，盐卤水净浆试块的强度较高;盐卤水拌合的水泥净浆试块中钙矾石的衍射峰明显较多，这是由于盐卤水提供了大量的，有助于钙矾石的产生，虽然钙矾石会影响最终充填体的强度，但就早期强度而言，C－S－H 凝胶和氢氧钙石的积极影响更明显。

4 结 论

(1)三山岛金矿的盐卤水尾砂胶结试块的单轴抗压强度较大;灰砂比下降，试块的抗压强度以及盐卤水试块与自来水试块的抗压强度之差均显著下降。说明用水不同，试块内部发生的水化反应也有明显差异。

(2)相同水灰比情况下，盐卤水水泥净浆试块的抗压和抗折强度均高于自来水水泥净浆试块，这是由于盐卤水水泥净浆试块中对水化反应有催化作用的氢氧钙石和可提高胶结体强度的C－S－H 凝胶更多所致。水灰比为0.6 时的盐卤水水泥净浆试块的强度与自来水水泥净浆试块的强度差异最大，这可能与低水灰比下盐卤水水泥净浆试块体系的较少，对充填体强度有负面影响的钙矾石也较少有关。

(3)盐卤水水泥净浆试块中钙矾石的衍射峰明显较多且较强，这是由于盐卤水提供了大量的，促进了钙矾石的生成。钙矾石对充填体的后期强度有负面影响，但早期强度更多取决于C－S－H 凝胶和氢氧钙石的积极影响。

(4)该盐卤水用于尾砂胶结充填，有助于提高充填体的早期强度，而对于长期强度的影响将有待后期试验研究。

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