高礦化度礦井水對水泥改性實驗設(shè)計

張珊珊 李濤 李文杰 羅琛 安春燕 高穎

摘 要：礦物開采過程中，地下水因一系列物理、化學(xué)、生物反應(yīng)而形成具有顯著的煤炭行業(yè)特征的礦井水。六盤水地區(qū)礦產(chǎn)種類多、資源豐富，采集該區(qū)域的高礦化度礦井水作為水泥拌合水用不同濃縮程度的礦井水與水泥拌合形成的試樣來進(jìn)行抗壓、抗拉實驗。研究結(jié)果顯示，高礦化度礦井水對水泥的性能有一定的影響。為礦井水處理指出了一條更加環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的方法。

關(guān)鍵詞：高礦化度；礦井水；水泥；強(qiáng)度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.060

0 前言

目前我國礦井水的資源利用原則是減量再循環(huán)，將資源到產(chǎn)品最后到廢物的單線線性流動改為資源到產(chǎn)品再到資源的物質(zhì)閉環(huán)流動性經(jīng)濟(jì)，根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)情況進(jìn)行礦井水的資源化利用，充分運用礦區(qū)內(nèi)現(xiàn)有水利設(shè)施的資源， 貴州礦產(chǎn)資源豐富，在挖掘和采礦過程中，礦井水因其中所含離子濃度過大，和一些懸浮物等原因經(jīng)常作為廢水被排放。當(dāng)前，相對科學(xué)的礦井水處理方法只有幾種，且設(shè)備設(shè)施和運行成本較高，都不能達(dá)到有效合理的應(yīng)用。

我們研究在于將低性能的水泥和高礦化度的礦井水混合之后，對其形成的水泥進(jìn)行強(qiáng)度測定，研究高礦化度礦井水對水泥性能的影響。既合理使用了貴州地區(qū)含量豐富的礦井水資源，又能順應(yīng)水泥在今后的發(fā)展方向。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)概述

貴州省某礦區(qū)屬于山巒連綿且溝壑交錯的中低山高原地貌，其構(gòu)造主要以地形為主，且地勢起伏較大。貴州地區(qū)礦產(chǎn)資源豐富，是著名的礦產(chǎn)資源大省，貴州省已發(fā)現(xiàn)礦產(chǎn)110多種。礦井水來源于大氣降水、地表水、地下水等。貴州最主要的地下水類型為巖溶水分布廣，水量大，地質(zhì)特征為沉積地層，地層中含有大量的古生物化石，并賦存有豐富的煤、磷、鋁等礦產(chǎn)資源。其中碳酸鹽巖最為普遍，約占全省陸地總面積的61.9%，尤以生物碳酸鹽巖占絕對優(yōu)勢?；鸪蓭r巖類較多，屬性較全面。變質(zhì)巖以層狀淺變質(zhì)巖系為主，有巖溶水、裂隙水和孔隙水三大類，其中以巖溶水為主。

2 實驗過程

（1）以六盤水地區(qū)礦井水為例，充分收集和分析當(dāng)?shù)氐V井水的水量、水質(zhì)及處理方法現(xiàn)狀。得到關(guān)于礦井水的分析報告。

（2）對所得的礦井水進(jìn)行逐級富集和濃縮，在此過程中取樣，最終分別得到具有一定濃度層次的多組礦井水實驗試樣，并對每一組試樣水質(zhì)特性進(jìn)行測試。

（3）用所得不同濃度的礦井水與標(biāo)準(zhǔn)性能的水泥進(jìn)行混合，按照單一變量原則，控制溫度，混合時間與礦井水和水泥的比例等因素不變。對水泥的早期、中期及后期強(qiáng)度進(jìn)行測試，并分析其中的強(qiáng)度變化和性能方面的規(guī)律。

設(shè)置對照組，凈水拌合水泥凈漿試樣1組、未處理礦井水拌合水泥凈漿試樣1組。

同時設(shè)置實驗組，分濃度梯度設(shè)置濃縮程度35%、50%、65%、80%的礦井水拌合水泥凈漿試樣以及稀釋程度30%的礦井水拌合水泥凈漿試樣。

通過儀器測定各組試樣的抗壓、抗剪強(qiáng)度，繪制折線圖，研究分析不同濃縮程度的礦井水的水泥改性的影響。

2.1 抗壓強(qiáng)度

（1）抗壓強(qiáng)度試驗通過規(guī)定的儀器（壓力試驗機(jī)）。

（2）水泥凈漿試塊中心對準(zhǔn)壓力機(jī)壓板受壓中心。

（3）在整個加荷過程中以一定的速率均勻地加荷直至破壞。

（4）抗壓強(qiáng)度Rc以牛頓每平方毫米（MPa）體現(xiàn)，按下式進(jìn)行計算：

Rc=Fc/A

式中：Fc——破壞時的最大荷載，N，A——受壓部分面積，mm2，（40mm×40mm）=1600mm2 。

2.2 水泥劈裂抗拉試驗

本試驗規(guī)定了測定水泥立方體試件的劈裂抗拉強(qiáng)度方法，本試驗適用于水泥的立方體試樣。

2.2.1 試件制備

（1）采用邊長150mm方塊作為標(biāo)準(zhǔn)試件。

（2）本試件應(yīng)同齡期者為一組，每組為2個同條件制作和養(yǎng)護(hù)的水泥試塊。

2.2.2 試驗步驟

（1）試件養(yǎng)護(hù)完成后，擦干凈，測量尺寸，檢查外觀，在試件中部劃出劈裂面位置線。劈裂面與試件成型時的頂面垂直，尺寸測量精確至1mm。

（2）試件放在試驗臺上，其方向與試件頂面互相垂直。

（3）當(dāng)水泥強(qiáng)度等級低于C30時，以0.02～0.05MPa/s的速度連續(xù)而均勻地加荷；當(dāng)水泥強(qiáng)度等級不低于C30時，以0.05～0.08MPa/s的速度連續(xù)而均勻地加荷，當(dāng)上壓板與試件接近時，調(diào)整球座使接觸均衡，當(dāng)試件接近破壞時，應(yīng)停止調(diào)整油門，直至試件破壞，記下破壞荷載，準(zhǔn)確至0.01kN。

3 礦井水對水泥的改性原理分析

在煤炭開采過程中，地下水因各種原因發(fā)生了一系列的物理、化學(xué)和生化反應(yīng)，因而水質(zhì)具有顯著的煤炭行業(yè)特征。礦井水中含有的總離子含量比一般地表水高得多，高礦化度礦井水中含有SO42-、Cl-、Ca2+、K+、Na+、Mg2+、HCO3-、Fe3+等離子， 不同的元素、離子對水性能有多種影響[1-5]。研究表明，在拌合水中加入Ca2+、Fe3+、等離子時，水泥試樣的強(qiáng)度要高于普通純凈水拌合試樣的強(qiáng)度，同時，當(dāng)離子濃度在1%-3%時，試樣早期強(qiáng)度先增大后減小，在2 %時，試樣強(qiáng)度最高。這是應(yīng)為Ca2+、Fe3+促進(jìn)了鈣礬石的生長，并促進(jìn)水化反應(yīng)，使C3S更好的轉(zhuǎn)化為Ca（OH）2。在水化過程中Ba2+能促進(jìn)水泥漿體硬化，高礦化度礦井水中特有的高濃度離子，在特定濃度范圍內(nèi)能使水化反應(yīng)更完全，生成更多的C-S-H凝膠，使得水泥漿體變得更致密，從而增加水泥漿體試樣的整體強(qiáng)度。

4 結(jié)論與展望

本文主要論述了將高礦化度礦井水在礦井開發(fā)建設(shè)中對水泥性能的改性作用，通過對礦區(qū)取得的礦井水進(jìn)行濃縮，富集處理，利用控制變量的方法來對其形成的水泥式樣進(jìn)行力學(xué)性能的檢測。得出高礦化度礦井水對水泥具有改性作用。此項結(jié)論合理處理了礦區(qū)礦井水難處理的問題， 在以后得研究過程中我們還能利用增大液體表面的張力來改進(jìn)水泥的性能。通過外界因素將水進(jìn)行磁化進(jìn)而提高水表面的張力。用這種被磁化水來參與水泥的制作過程，也同樣會對水泥的性能和可泵性具有改善的作用。這是在以后繼續(xù)研究的一個方向。

未來將高礦化度的礦井水與磁場相結(jié)合，將這兩種都會對水泥性能有一定影響的外界條件合并在一起用于水泥的改性中。在對改性之后制造出來的水泥對其力學(xué)性能進(jìn)行檢測分析。現(xiàn)有研究表明，磁場改性和高礦化度礦井水結(jié)合的效果會更好，能夠創(chuàng)造出性能更加良好，且節(jié)能高效的水泥，這是外加劑無法替代的。

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基金項目：六盤水師范學(xué)院重點學(xué)科（LPSSYZDXK201802）、省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（2018521021）、六盤水師范學(xué)院教學(xué)內(nèi)容與課程體系改革項目（LPSSYjg201813）、貴州省教育廳青年科技人才成長項目（黔教合KY字[2018]376）、貴州省教育廳青年科技人才成長項目（黔教合KY字[2018]386）

作者簡介：張珊珊（1996-），女，貴州遵義人，本科，研究方向：礦井水文地質(zhì)工程。

*為通訊作者