安徽羅河鐵礦副井井壁混凝土破壞實驗探究

許紫靈，桂和榮，王 濤，王宏喜

(1.安徽理工大學地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001；2.國家煤礦水害防治工程技術研究中心(宿州學院)，安徽 宿州 234000；3.中煤第三建設集團，安徽 宿州 234000； 4.安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限責任公司，安徽 合肥 230000)

安徽羅河鐵礦副井井壁混凝土破壞實驗探究

許紫靈1,2，桂和榮2，王 濤3，王宏喜4

(1.安徽理工大學地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001；2.國家煤礦水害防治工程技術研究中心(宿州學院)，安徽 宿州 234000；3.中煤第三建設集團，安徽 宿州 234000； 4.安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限責任公司，安徽 合肥 230000)

針對安徽馬鋼集團羅河鐵礦副井發(fā)生的一系列混凝土結構破壞的問題，在查明井壁滲出水來源的基礎上，利用現(xiàn)場采取的井壁滲出水分別浸泡井壁原狀普通硅酸鹽混凝土和修復井壁所用的抗硫酸鹽混凝土，通過對浸泡液主要陰陽離子及pH值的監(jiān)測，得出如下結論：(1)井壁滲出水主要來源于侏羅系上統(tǒng)磚橋組下段裂隙孔洞水；(2)井壁原狀普通混凝土和修復所用的抗硫酸鹽混凝土受到的侵蝕類型均以硫酸鹽侵蝕為主，鎂鹽侵蝕為輔；(3)與原狀普通混凝土相比，修復井壁所用的抗硫酸混凝土具有良好的抗硫酸鹽侵蝕的耐性，但是并不能有效抵抗鎂鹽的侵蝕。

井壁破壞；承壓水；浸泡實驗；羅河鐵礦

a混凝土泥化 b出水眼滲水

c井壁麻面 d馬頭門混凝土腐蝕圖1 井筒井壁破壞狀況Figure 1 Shaft wall failure status

0 引言

安徽馬鋼集團羅河鐵礦副井自2011年通過驗收至今，生產狀況一直良好。但在2015年9月的一次例行檢查中，發(fā)現(xiàn)副井出現(xiàn)以下幾個問題：(1)標高-285m以及-301～-366m附近出現(xiàn)井筒開裂破壞，井壁表面混凝土泥化、剝層等現(xiàn)象(圖1a)；(2)井壁有較多的出水眼，滲水、淋水現(xiàn)象嚴重(圖1b)；(3)標高-420m附近有兩處較嚴重的井壁麻面和混凝土掉塊現(xiàn)象(圖1c)；(4)標高-560m馬頭門底板東西兩側搖臺基礎混凝土被腐蝕嚴重(圖1d)。可以看出，以上問題都與井壁混凝土結構劣化相關。之所以出現(xiàn)這些狀況，可能是由于井筒滲出水中某種離子或是幾種離子與井壁混凝土發(fā)生了反應，造成混凝土強度下降，從而導致了井壁結構的破壞。

地下水對混凝土的破壞機理有很多種類型，對混凝土造成的破壞程度也因水質的不同大相徑庭。Bellmann等調查了自然條件下混凝土受到硫酸鹽侵蝕后結構性能的變化[1-2]；Sibbick在觀察了長期處于酸性地下水侵蝕下的混凝土表面特征以后，發(fā)現(xiàn)在短期內，酸性地下水會使混凝土結構受到極大的破壞[3]；Miller等為了探究地下水對橋梁、礦區(qū)通風井以及沿海城市建筑所用混凝土的破壞情況，進行了長達40a的實驗，發(fā)現(xiàn)混凝土結構的劣化與硫酸鹽有關[4-5]。這些研究多半是在自然條件下進行，在研究對象上主要著眼于混凝土結構的改變，并且時間跨度少則幾年，多則幾十年。而實際條件下有時需要在短時間內了解混凝土結構被地下水侵蝕后的變化，因此進行室內加速模擬實驗就顯得尤為重要。趙翀通過對同一地點在不同取水時間取到的水樣進行分析，探究其對混凝土結構的腐蝕性大小[6]；唐楊對國內某市的地下水進行調查，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)地下水含有的硫酸根離子對地鐵交通軌道所用建筑材料有中等腐蝕作用[7]；陳曉斌針對含有多種腐蝕離子的地下水，對混凝土進行侵蝕實驗，發(fā)現(xiàn)多種離子混合后對混凝土的腐蝕作用與單個離子作用相差很大[8]。這些研究克服了時間跨度長，并且建立了水樣中離子含量與腐蝕性等級之間的聯(lián)系，但是缺少了對離子間相互影響的研究。

為了探究井壁混凝土破壞機理，防止井壁被進一步破壞，本文在前人研究的基礎上，通過取樣檢測及水源識別，并進行浸泡試驗，最終對浸泡液中主要陰陽離子濃度變化的深層原因以及離子間可能產生的相互影響展開研究，探究混凝土結構的劣化過程并給出防腐建議。

1 礦區(qū)地層及含水層

1.1 地層

馬鞍山鋼鐵股份有限公司羅河鐵礦位于安徽省合肥市廬江縣羅河鎮(zhèn)(圖2)。該地區(qū)處于廬樅火山巖盆地的西北邊緣。廬樅火山巖盆地是一個以中侏羅統(tǒng)象山群陸相碎屑巖建造為基底，經過燕山早期運動發(fā)育起來的繼承性火山巖盆地。主要出露地層有侏羅系上統(tǒng)磚橋組、白堊系下統(tǒng)雙廟組、浮山組和楊灣組以及第四系全新統(tǒng)松散堆積層(圖3a)。其中磚橋組出露于龍頭—包山一帶，向南延展至大包莊礦區(qū)；雙廟組分布在礦區(qū)北東及南西，展布于磚橋組外側；浮山組出露于礦區(qū)西南鼓樓山；楊灣組分布于礦區(qū)北西緣；全新統(tǒng)堆積層分布于河谷、河床及丘陵緩坡。副井上段主要以紫紅色、灰色的粗面鞍山巖為主；中段為碎屑結構的沉凝灰?guī)r和中粗狀結構的粗安斑巖；下段以次生石英巖和粗面安山巖為主，夾雜著中細斑結構的安山玢巖和蝕變凝灰?guī)r。井筒破壞段主要集中在含水層中下段，該段主要為次生石英巖，巖性致密堅硬，成分以硅質為主，裂隙、節(jié)理發(fā)育，沿裂隙見較多巖溶孔洞，多數(shù)呈孔狀及蜂窩狀，局部硅化較弱，以高嶺土、水云母為主，伴生細粒浸染狀黃鐵礦化。

圖2 研究區(qū)及取樣點平面位置Figure 2 Study area location and sampling points

a綜合地質柱狀 b井壁滲出水取樣位置 圖3 研究區(qū)綜合地質柱狀及井壁滲出水取樣位置Figure 3 Study area comprehensive geological column and shaft wall seepage water sampling points

1.2 含水層

根據(jù)羅河鐵礦地質勘探詳查報告[9]，該區(qū)域的地下水分為兩類：一類是潛水(全新統(tǒng)松散堆積物孔隙水、楊灣組、雙廟組和磚橋組上段風化裂隙水)；另一類是承壓水(磚橋組下段次生石英巖中的裂隙孔洞水)。兩類地下水之間沒有水力聯(lián)系[10]。磚橋組下段裂隙孔洞水為主要含水層。該組出露層上段為粗安巖，下段是受火山巖覆蓋，導致大量二氧化硅沉淀形成孔洞發(fā)育的次生石英巖。該含水層頂、底板標高分別為-260.34、-345.18m，厚度為84.84m。副井井筒內含水層頂、底板標高分別為-289.0、-443.0m，厚度為154.0m。

2 水樣采集與分析

為了探究井筒滲出水與礦區(qū)所在區(qū)域含水層的聯(lián)系，更好的了解地下水對副井井壁混凝土的侵蝕作用，于2016年5月5日通過實地考察，采集井壁滲出水和磚橋組下段裂隙水樣。其中井壁滲出水水樣共5組(圖3b)，上侏羅系磚橋組下段裂隙水樣共9組(ZC1-ZC9)，取樣位置如圖2。將采集到的水樣帶至宿州市國家煤礦水害防治工程技術研究中心進行測試，常規(guī)離子含量測試由離子色譜儀完成，pH及TDS用多功能pH計進行檢測。14組水樣水質統(tǒng)計結果如表1，Piper三線圖顯示的水質分析結果如圖4，聚類分析結果如圖5。

表1 水樣分析結果

圖4 水中常規(guī)離子Piper三線圖Figure 4 Piper trilinear chart of conventional ions in water

圖5 水樣聚類分析結果Figure 5 Water sample clustering analytical results

3 室內浸泡實驗

根據(jù)井筒水樣分析結果，設計室內浸泡實驗。實驗在宿州市國家煤礦水害防治工程技術研究中心進行，從2016年5月24日開始，2016年11月20日結束。為了對比井壁原狀普通混凝土與井壁修復所用抗硫酸鹽混凝土耐久性的差異，將實驗分為J-1和J-2兩組。每組取混凝土樣500g置于塑料多孔底托之上，組分配比為∶水∶水泥∶砂∶碎石=0.44∶1∶1.87∶3.12?；炷翝仓姸鹊燃壘鶠镃35，黃砂為粗砂，細度模數(shù)3.1，石子為16～31.5mm石灰?guī)r。其中，J-1組所用水泥為普通硅酸鹽水泥；J-2組所用水泥為PO42.5抗硫酸鹽水泥。浸泡液的選擇采用"搭配"的方式，將#1和#2兩組水樣混合作為J-1組的浸泡液；將#1-#5五組水樣混合作為J-2組的浸泡液。這種搭配方式可以很好的模擬現(xiàn)場原狀普通混凝土受到#1和#2號取樣口滲出水混合侵蝕以及修復所用的抗硫酸鹽混凝土受到#1-#5號取樣口滲出水混合侵蝕的情況。實驗裝置圖如圖6。

圖6 浸泡實驗示意Figure 6 A schematic diagram of soaking test

4 實驗結果討論

2OH-+ 8H2O

(1)

3(CaSO4·2H2O)+4CaO·A12O3·12H2O+14H2O

=3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O+Ca(OH)2

(2)

Ca(OH)2+MgSO4+2H2O→

CaSO4·2H2O+Mg(OH)2↓

(3)

Ca(OH)2+MgCl2→CaCl2+Mg(OH)2↓

(4)

a b圖7 J-1組主要陰陽離子濃度-pH-時間變化Figure 7 Time dependent main anion, cation concentrations and pH values in J-1

a b圖8 J-1組Mg2+與和Cl-濃度回歸線Figure 8 Mg2+, S and Cl- concentrations regression line in J-1

a b圖9 J-2組主要陰陽離子濃度-pH-時間變化Figure 9 Time dependent main anion, cation concentrations and pH values in J-2

a b圖10 J-2組Mg2+與和Cl-濃度回歸線Figure 10 Mg2+, S and Cl- concentrations regression line in J-2

5 主要結論及建議

(1)對取得的井筒水樣與羅河鐵礦地質報告中磚橋組下段裂隙水水樣進行分析后可以判斷副井井壁滲出水來至于礦區(qū)承壓水含水層，且與磚橋組下段裂隙水之間有一定的聯(lián)系；

(2)井筒修復方案中所用到的抗硫酸鹽混凝土在井筒滲出水的侵蝕下，在短期內可以有效抵抗硫酸鹽侵蝕，但是長期來看并沒有良好的抗硫酸鹽耐性，并且對鎂鹽侵蝕也沒有良好的抵抗效果；

(3)羅河鐵礦副井井壁混凝土受到滲出水的侵蝕，類型以硫酸鹽侵蝕為主。其次，鎂鹽侵蝕與硫酸鹽侵蝕表現(xiàn)為協(xié)同作用。

由井筒所用的普通混凝土以及修復所用的抗硫酸鹽混凝土對浸泡液中腐蝕離子的耐性表現(xiàn)，給出如下建議：

(1)修復用的混凝土除了要具有良好的抗硫酸鹽性能，還要對混凝土結構破壞類型中的凍融破壞有優(yōu)秀的抗性[14-15]；

(2)在骨料參入一定量的天然沸石可有效的提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力[16]；(3)可以通過調節(jié)混凝土的水灰比來提高混凝土結構抗硫酸鹽侵蝕的能力[17]。

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ProbeintoShaftWallConcreteFailureTestinLuoheIronmineAuxiliaryShaft,Anhui

Xu Ziling1,2, Gui Herong2, Wang Tao3and Wang Hongxi4

(1.School of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, Huainan, Anhui 232001; 2.National Coal Mine Water Disaster Control Engineering Technology Research Center in Suzhou University, Suzhou, Anhui 234000; 3.China Coal No.3 Construction (Group) Co. Ltd., Suzhou, Anhui 234000; 4.Luohe Ironmine, Magang (Group) Holding Co. Ltd., Hefei, Anhui 230000)

In allusion to a series of concretion failure problems happened in the Luohe ironmine auxiliary shaft, on the basis of shaft wall water seepage source study, using seepage water from the site to soak shaft wall original Portland cement concrete and sulfate resisting concrete used in shaft wall rehab respectively. Through the monitoring of main anions, cations and pH values came to the following conclusions: (1) Shaft wall seepage water is mainly from fractured cavities in upper Jurassic Zhuanqiao Formation lower part; (2) Shaft wall original Portland cement concrete and sulfate resisting concrete used in shaft wall rehab are mainly corroded by sulfate, supplemented by magnesium salt; (3) Compared to original Portland cement concrete, the sulfate resisting concrete has good resistant to sulfate corrosion, but not effectively to magnesium salt corrosion.

shaft wall failure; confined water; soaking test; Luohe ironmine

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.10.10

1674-1803(2017)10-0057-07

A

許紫靈(1993—)，男，安徽淮南人，碩士在讀，研究方向為地質災害評價與防治。

2017-07-13

責任編輯：樊小舟