井下充填体内钢筋的腐蚀特性及安全防护研究

张胜光

(1.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012；2.金属矿山安全技术国家重点实验室， 湖南 长沙 410012)

井下充填体内钢筋的腐蚀特性及安全防护研究

张胜光1,2

(1.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012；2.金属矿山安全技术国家重点实验室， 湖南 长沙 410012)

针对井下盐卤水对充填体和钢筋的腐蚀作用，为提高盐卤水腐蚀条件下充填体的长期服役强度，在分析盐卤水对充填体和钢筋腐蚀原理的基础上，设计采用了钝化处理、添加防锈剂和添加环氧树脂涂层三种防护技术，通过3种防护条件下钢筋在盐卤水中的腐蚀试验，结果表明：钢筋表面涂刷环氧树脂涂层能够有效保护钢筋免受盐卤水的腐蚀，环氧树脂涂层能够有效阻止盐卤水离子的侵入。

充填体；钢筋；腐蚀；防护

0 前 言

盐卤水是一种富含氯盐、硫酸盐和其他盐类的一种溶液，其矿化程度很高。盐卤水具有一定的腐蚀作用，主要是由于氯盐和硫酸盐的物理化学腐蚀造成的，且盐卤水对钢筋混凝土的腐蚀作用明显，且对于混凝土的长期强度有着重要的影响。Harver Haynes[1]在实验室内对硫酸盐对混凝土的腐蚀作用规律进行了模拟研究。H.D.Hlaser[2]对硫酸钠盐泽土对混凝土的强度影响进行了研究。Hootoo[3]通过研究，对盐卤水对于混凝土的腐蚀机理记性了研究，认为在盐卤水条件下，氯离子、硫酸离子通过扩散、渗透、毛细作用等方式进入混凝土内部，进而对混凝土的强度产生影响。Julie Ann[4]通过研究认为盐卤水对于混凝土内部结构的化学是造成混凝土耐久性降低的主要原因，而一些学者认为硫酸盐结晶造成的物理破坏才是造成混凝土耐久性失效的最主要原因。国内对于盐卤水对混凝土的腐蚀、安全防护方面也进行了大量的研究。朱蓓蓉[5]研究了NaCl和CaCl2对混凝土的化学腐蚀机理。杨全兵[6]对硫酸盐的腐蚀性进行了研究。徐慧[7]对硫酸盐对混凝土的损伤特性进行了深入研究。王凯[8]结合具体的工程情况对盐卤水对混凝土的腐蚀作用进行了深入研究。

三山岛金矿采用分级尾砂胶结充填采矿技术，但充填用水为高浓度的盐卤水，盐卤水内富含氯盐和硫酸盐。矿体主要赋存在海底，且矿体结构裂隙较为发育，在开采过程中，海水通过岩石内的节理裂隙流入采场内，并汇集于水仓，进行人工稀释后作为充填用水。充填人工假底是由分级尾砂和水泥按照6∶1的比例搅拌而成，并在充填体内布置一定数量的钢筋，增加人工假底的强度和抗拉性能。但由于盐卤水的存在，钢筋遭到腐蚀大大降低了人工假底的强度，对矿山的安全生产造成了一定的影响。本文通过研究盐卤水环境下对充填体及钢筋的腐蚀作用，找出经济合理的防护措施，保证人工假底的强度，延长其服役时间。

1 盐卤水对充填体的腐蚀原理分析

井下的充填体是由选矿尾砂、水泥、水按照一定配比搅拌而成，可以将其看成一种强度较低的混凝土，盐卤水对充填体的腐蚀机理与对混凝土的腐蚀机理相似，主要分为化学腐蚀和物理腐蚀。

1.1 化学腐蚀原理

1.1.1 石膏型腐蚀

相关研究显示，当溶液中SO42-离子浓度>1000 mL/L时，水泥水化物的产物CH与C-S-H将会与硫酸盐发生反应生成石膏。其化学反应如下：

Ca(OH)2+SO42-+2H2O→CaSO4·2H2O+2OH-

(1)

由于反应会形成大量石膏，石膏的存在会大大降低CH的数量，从而降低了水泥水化物中CH与C-S-H的稳定性。

另外，反应生成的CaSO4·2H2O具有体积膨胀性，从而使充填体内产生较大的内用力，使充填体开裂破坏。

1.1.2 钙矾石型破坏

钙矾石，其化学式为3CaO·2Al2O3·3CaSO4·32H2O，通常也被称为水泥杆菌。通常情况下，水泥反应生成的钙矾石很少，对水泥的强度几乎不产生影响，但如果盐卤水中SO42-的浓度较高，SO42-将会与水泥中的Ca(OH)2和水化铝酸钙发生化学反应生成二次钙矾石：

3CaO·Al2O3·6H2O+3(CaSO4·2H2O)+

19H2O→3CaO·2Al2O3·3CaSO4·32H2O

(2)

3CaO·Al2O3·CaSO4·18H2O+2(CaSO4·2H2O)+10H2O→3CaO·2Al2O3·3CaSO4·32H2O

首先，目前高校和包括社区在内的行政部门在推进创新创业过程中更多在扮演“独角戏”的角色，教师和学生却因为激励机制不足而参与度不高。其次，在调度各方创新创业积极性上存在制度性壁垒，创新创业生态链条上针对各方的协同机制不健全。最后，目前多以政策驱动等外在因素为主导，各方内生动力不足，没有形成适合创新创业的整体生态文化。

(3)

钙矾石的溶解度非常低，并且会结合大量水分子生成结晶体，使得充填体体积显著增大，往往体积会增大1.5倍以上，使得充填体产生较大的膨胀内应力，超过充填体抗拉强度造成充填体破坏。

1.1.3 碳酸硅钙型腐蚀

碳酸硅钙石，化学式为：CaSiO3·CaSO4·CaCO3·19H2O。该化合物的生成会使得水泥水化物中的C-S-H转化为松散的泥状物质而失去胶结能力，从而降低充填体的强度。这种腐蚀是一种慢性腐蚀，对混凝土的长期服役强度不利。

1.2 物理腐蚀原理

盐卤水对充填体强度的物理腐蚀作用主要是指对充填体结晶体的侵蚀破坏。结晶体侵蚀破坏主要呈现以下特征：

(1) 破坏部位通常位于充填体与围岩接触以上40 cm范围内，接触面下部的破坏，主要为化学腐蚀破坏为主；

(2) 从外至内，物理破坏逐渐降低；

(3) 物理破坏区域可观察到白色结晶颗粒。

2 盐卤水对钢筋的腐蚀机理

盐卤水对钢筋的腐蚀作用为一个电化学的反应过程，而发生电化学反应，必须形成一定的反应条件，即：必须形成电位差，即电池原理；在阳极区域的钝化膜破坏，钢筋表面处于活跃状态；阴极区域含有足够的氧化剂在钢筋的表层；阳极和阴极之间通过电解质溶液相连，能够形成反应回路。其电化学反应过程如下：

2Fe→2Fe2++4e-

(4)

(2) 阴极反应。当阳极产生大量的电子，电子通过电解质溶液被转移到阴极，阴极的氧化剂捕捉通过电解质转移来的电子，发生还原反应，阴极的反应为：

O2+H2O+4e-→4OH-

(5)

(3) 锈蚀产物的生成。阳极反应生成的Fe2+与阴极反应生成的OH-结合生成Fe(OH)2，如果氧化剂的数量足够过，Fe(OH)2将会进一步发生化学反应生成Fe(OH)3，其化学反应如下：

Fe2++2OH-→Fe(OH)2

(6)

4Fe(OH)2+O2+2H2O→Fe(OH)3

(7)

当条件不同时，即在不同的湿度、温度和氧化环境下，Fe(OH)3将会进一步发生化学反应，生成更为复杂的铁氧化物，主要为Fe2O3和Fe3O4，这些化合物相对于铁而言，体积会增大数倍，钢筋对周围充填体造成挤压压力，随着腐蚀化学反应的持续进行，铁氧化物的不断积累，压力持续增加，当达到充填体的极限强度后，充填体便开始产生裂纹直至破坏。

3 盐卤水条件下的钢筋安全防护研究

3.1 钝化处理

在高碱性环境下，钢筋的表面会生成一层钝化膜保护钢筋免受破坏，为了研究钝化处理对钢筋表面腐蚀的保护作用，设计两组钢筋在充填盐卤水中的腐蚀试验。A1组为无钝化的钢筋在盐卤水中的腐蚀试验，A2组为进行钝化处理的钢筋在盐卤水中的腐蚀试验，试验结果见图1。

图1 钝化处理对钢筋自腐电压的影响

从图1可以看出，A1无钝化处理的钢筋一开始自腐电位就低于-450 mV，说明在钢筋无钝化处理的条件下，钢筋一开始就发生了腐蚀，随着腐蚀时间的增加，自腐电位变化缓慢，50 d后，自腐电位基本不发生变化，说明达到了腐蚀平衡。A2钝化处理后的钢筋，其开始自腐电位为0，说明钝化处理起到了显著效果，但随着腐蚀时间的增加，自腐电位发生变化，最终区域平衡，说明钝化处理只能在腐蚀的初期起到一定的防护作用，但随着腐蚀时间的延长，钝化膜逐渐被破坏，便会失去防护效果。

3.2 添加阻锈剂

阻锈剂可以减缓氯离子对钢筋的腐蚀，设计两组钢筋在充填盐卤水中的腐蚀试验。B1组为未添加阻锈剂的钢筋在盐卤水中的腐蚀试验，B2组为添加阻锈剂的钢筋在盐卤水中的腐蚀试验，试验结果见图2。

图2 防锈剂对钢筋自腐电压的影响

由图2可以看出，添加防锈剂后，在实验的开始，能够有效降低钢筋被盐卤水的腐蚀速率，但随着腐蚀时间的增加，防锈剂的有效成分被逐渐消耗，防锈剂失去防护作用，自腐电压持续下降，但最终平衡后的自腐电压比未添加防锈剂的钢筋提高了18.5%。

3.3 添加环氧树脂涂层

为了研究环氧树脂涂层对钢筋的腐蚀防护效果，设计两组钢筋在充填盐卤水中的腐蚀试验。C1组为未添加环氧树脂涂层的钢筋在盐卤水中的腐蚀试验，C2组为添加环氧树脂涂层的钢筋在盐卤水中的腐蚀试验。实验结果如图3所示，从图3可以看出，添加环氧树脂涂层的钢筋在盐卤水环境下腐蚀速率显著降低，说明环氧树脂涂层能够有效阻止大部分氯离子对钢筋的腐蚀，显著提高了钢筋的抗腐蚀能力。

图3 环氧树脂涂层对钢筋自腐电压的影响

4 结 论

(1) 盐卤水对充填体的强度具有一定的影响，对充填的破坏主要分为物理破坏和化学破坏，在初期以物理破坏为主，后期以化学破坏为主。

(2) 盐卤水对钢筋具有很强的腐蚀作用，在盐卤水环境下，钢筋表面发生反应生成复杂的铁氧化物，这些化合物体积会增大数倍，钢筋对周围充填体造成挤压压力，随着腐蚀化学反应的持续进行，铁氧化物的不断积累，压力持续增加，当达到充填体的极限强度后，充填体便开始产生裂纹直至破坏。

(3) 通过试验研究得出，对钢筋表面进行钝化处理和添加防腐剂能够有效降低钢筋在盐卤水条件下初期的腐蚀速率，但随着腐蚀时间的延长，钝化膜逐渐被破坏，便会失去防护效果。

(4) 添加环氧树脂涂层的钢筋在盐卤水环境下腐蚀速率显著降低，说明环氧树脂涂层能够有效阻止大部分氯离子对钢筋的腐蚀，显著提高了钢筋的抗腐蚀能力。

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2017-03-06)

张胜光(1987-)，男，湖南益阳人，助理工程师，主要从事矿山安全技术工作,Email：378830630@qq.com。