海水条件下矿山充填萘系减水剂应用试验*

张　浩　吕文生　王　昆

(1.北京科技大学土木与环境工程学院；2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室)



海水条件下矿山充填萘系减水剂应用试验*

张浩1,2吕文生1,2王昆1,2

(1.北京科技大学土木与环境工程学院；2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室)

摘要三山岛金矿充填用水中含有较高浓度的、 Cl-、Mg(2+)，对充填体的单轴抗压强度有一定的负面影响。通过检测充填用水和分级尾砂的化学成分，分析了海水中硫酸盐、卤盐、镁盐对充填体的破坏机理。通过试验验证了充填料浆浓度70%，灰砂比1∶4、1∶6，萘系减水剂掺加量分别为0.3%、0.1%时对提高充填试块的单轴抗压强度有较大的改善作用，灰砂比越高、养护龄期越长、充填试块的单轴抗压强度越大。试验结果表明：掺加萘系减水剂对提高海水条件下的充填体单轴抗压强度有一定作用。

关键词萘系减水剂分级尾砂灰砂比充填体单轴抗压强度

外加剂是现代高性能混凝土的重要组成部分，在工程中应用较广泛[1-3]。外加剂具有品种多、掺量小等特点，在改善新拌混凝土和硬化混凝土性能方面具有重要作用[4-5]。对此，韩松等[6]等研究了萘系减水剂与水泥相容性的影响，王新民等[7]研究了减水剂在充填料浆中的作用，何廷树等[8]研究了萘系减水剂对不同种类尾砂充填材料性能的影响，李茂辉等[9]研究了萘系减水剂对新型全尾砂充填胶凝材料强度的影响。有关萘系减水剂对全尾砂新型充填胶凝材料影响的研究成果丰硕，但针对萘系减水剂对盐卤水充填体强度影响的研究相对薄弱。为更好地调节三山岛金矿盐卤水胶结充填体的强度、流动性、凝结时间，本研究选用萘系高效减水剂，通过试验方案设计、试验验证等手段研究萘系高效减水剂对盐卤水胶结充填体单轴抗压强度的影响，进而确定最佳的萘系高效减水剂添加量。

1海水成分对分级尾砂充填体的破坏机理

1.1硫酸盐

2(3CaO·Al2O3·12H2O)+3(Na2SO4·10H2O)→

3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O+2Al(OH)3+6NaOH+6H2O

Ca(OH)2+Na2SO4·10H2O→CaSO4·2H2O+2NaOH+8H2O .

随着侵蚀作用的加剧，生成的膨胀产物便会增多从而导致膨胀应力加大，当膨胀应力增加至一定程度时会导致充填体膨胀开裂，从而影响充填体强度。

1.2卤盐

卤盐破坏充填体的作用主要体现在氯化钠与氢氧化钙反应生成松软膨胀而无胶凝作用的氢氧化镁，化学反应式为

MgCl2+Ca(OH)2→CaCl2+Mg(OH)2.

另外，当海水中卤盐浓度较高时，还会与氧化钙反应生成氯氧化钙(3CaO·CaCl2·15H2O)结晶体，当期累计较多时，便会像钙矾石一样使充填体膨胀，严重时导致充填体开裂。

1.3镁盐

Ca(OH)2+MgSO4+2H2O→

CaSO4·2H2O+Mg(OH)2.

生成的氢氧化镁松软膨胀，无胶凝作用，生成的二水石膏在充填体中继续结晶膨胀。

2试验分析

2.1试验结果

三山岛金矿现场胶结充填用盐卤水的离子成分检测结果见表1。该矿现场胶结充填用尾砂的粒度分析结果见表2。试验所用水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级42.5。萘系高效减水剂的最大特点是减水率高，与普通硅酸盐水泥有较好的适应性，减水率18%～25%。

表1离子成分检测结果

mg/L

表2　分级尾砂粒度分析结果

据现场调查，目前三山岛金矿采用全尾砂胶结充填的灰砂比为1∶4、1∶6、1∶10，充填料浆浓度控制在70%左右。为此，本研究选用灰砂比1∶4、1∶6、1∶10，料浆浓度70%，萘系减水剂参量0%、0.1%、0.3%、0.5%进行试验。配置灰砂比为1∶4、1∶6、1∶10，浓度为70%的充填料时，使用JJ-5型行星式搅拌机进行搅拌后，注入规格为7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的三联试模，常温状态下养护24 h后脱模，脱模后放入温度(20±1)℃、湿度95%的标准恒温养护箱中养护。试块3，7，28 d的单轴抗压强度测试结果见表3。

表3　充填试块抗压强度

由表3可知：灰砂比越高，充填试块的单轴抗压强度越大，随着养护龄期的增加，充填试块的单轴抗压强度也不断增加。当养护龄期达到28 d时，灰砂比1∶4、萘系减水剂掺量0.3%的充填试块的单轴抗压强度最大(5.465 MPa)；灰砂比1∶6、萘系减水剂掺量0.1%的充填试块单轴抗压强度最大(2.11 MPa)。

一般来说，充填体的单轴抗压强度达到2.0～3.0 MPa即可满足常规要求[8]。表3中灰砂比1∶4，萘系掺加量0.1%、0.3%，养护龄期3 d及灰砂比1∶4，任意萘系掺加量，养护龄期7，28 d与灰砂比1∶6，萘系掺加量0.1%，养护龄期28 d的充填试块单轴抗压强度均满足要求。

2.2试验结果分析

不同萘系减水剂掺量(0%、0.1%、0.3%、0.5%)对灰砂比1∶4、1∶6、1∶10，充填料浆浓度70%的充填试块单轴抗压强度的影响见图1。

图1　萘系减水剂掺量对不同灰砂比充填试块单轴抗压强度的影响

由图1可知：灰砂比为1∶4、萘系减水剂掺量为0.3%时可有效提高养护3，7，28 d充填试块的单轴抗压强度；灰砂比为1∶6、萘系减水剂掺量为0.1%时对提高充填试块的单轴抗压强度效果明显；对于灰砂比为1∶10的充填试块，萘系减水剂掺量对养护3，7，28 d的充填试块单轴抗压强度的影响较小，只有在萘系减水剂为0.1%时对养护3，7，28 d的充填试块单轴抗压强度比不掺加萘系减水剂时略有提高。

3结论

(2)掺加萘系减水剂可在一定条件下提高充填体单轴抗压强度，充填料浆浓度70%，灰砂比1∶4、1∶6，萘系掺加量分别为0.3%、0.1%时有助于提高充填体单轴抗压强度。

(3)灰砂比越高、养护龄期越长，充填试块的单轴抗压强度越大。对于不同萘系减水剂掺量，灰砂比为1∶4、1∶6、1∶10的充填试块，在不同萘系减水剂掺量的条件下，其单轴抗压强度均随养护龄期的增加呈明显的增大趋势。

参考文献

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[7]王新民，史良贵，肖智政，等.减水剂在充填料浆中的作用机理及应用研究[J].金属矿山，2004(4)：11-13．

[8]何廷树，蔡梦茜，史琛，等.萘系减水剂对不同种类尾砂充填材料性能的影响[J].硅酸盐通报，2015(1)：280-285．

[9]李茂辉，杨志强，高谦，等.外加剂对新型全尾砂充填胶凝材料强度影响研究[J].矿业研究与开发，2015(5)：47-51．

Test of the Application of Naphthalene Superplasticizer in Mine Filling Under the Seawater Condition

Zhang Hao1,2Lu Wensheng1,2Wang Kun1,2

(1.School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing;2.Key Laboratory of the Ministry of Education of China for High-efficient Mining and Safety of Metal Mines)

AbstractThe high contents of 、 Cl-、Mg(2+) and other ingredients of the filling water has great negative influence on the uniaxial compressive strength of the filling body in Sanshandao gold mine.The chemical compositions of the filling water and classified tailings are tested,the destruction mechanism of the sulfate,halide sate and magnesium sate in seawater to filling body is analyzed.The test results show that the uniaxial compressive strength of the filling block can be improved effectively by using the filling slurry that the concentration is 70%,the cement-sand ratio are 1∶4、1∶6,the mixing contents of is naphthalene superplasticizer are 0.3%,0.1% respectively.Besides that,the higher the cement-sand ratio,the longer the curing age,the uniaxial compressive strength of filling block is greater.The test results further show that the adding naphthalene superplasticizer has a certain significance to improve the uniaxial compressive strength of the filling body under the seawater condition.

KeywordsNaphthalene superplasticizer, Classified tailings, Cement-sand ratio, Filling body, Uniaxial compressive strength

(收稿日期2016-01-07)

*“十二五”国家科技支撑计划项目(编号：2012BAB08B01)。

张浩(1990—)，男，硕士研究生，100083 北京市海淀区学院路30号。

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