安徽罗河铁矿副井井壁混凝土破坏实验探究

许紫灵，桂和荣，王 涛，王宏喜

(1.安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001；2.国家煤矿水害防治工程技术研究中心(宿州学院)，安徽 宿州 234000；3.中煤第三建设集团，安徽 宿州 234000； 4.安徽马钢罗河矿业有限责任公司，安徽 合肥 230000)

安徽罗河铁矿副井井壁混凝土破坏实验探究

许紫灵1,2，桂和荣2，王 涛3，王宏喜4

(1.安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001；2.国家煤矿水害防治工程技术研究中心(宿州学院)，安徽 宿州 234000；3.中煤第三建设集团，安徽 宿州 234000； 4.安徽马钢罗河矿业有限责任公司，安徽 合肥 230000)

针对安徽马钢集团罗河铁矿副井发生的一系列混凝土结构破坏的问题，在查明井壁渗出水来源的基础上，利用现场采取的井壁渗出水分别浸泡井壁原状普通硅酸盐混凝土和修复井壁所用的抗硫酸盐混凝土，通过对浸泡液主要阴阳离子及pH值的监测，得出如下结论：(1)井壁渗出水主要来源于侏罗系上统砖桥组下段裂隙孔洞水；(2)井壁原状普通混凝土和修复所用的抗硫酸盐混凝土受到的侵蚀类型均以硫酸盐侵蚀为主，镁盐侵蚀为辅；(3)与原状普通混凝土相比，修复井壁所用的抗硫酸混凝土具有良好的抗硫酸盐侵蚀的耐性，但是并不能有效抵抗镁盐的侵蚀。

井壁破坏；承压水；浸泡实验；罗河铁矿

a混凝土泥化 b出水眼渗水

c井壁麻面 d马头门混凝土腐蚀图1 井筒井壁破坏状况Figure 1 Shaft wall failure status

0 引言

安徽马钢集团罗河铁矿副井自2011年通过验收至今，生产状况一直良好。但在2015年9月的一次例行检查中，发现副井出现以下几个问题：(1)标高-285m以及-301～-366m附近出现井筒开裂破坏，井壁表面混凝土泥化、剥层等现象(图1a)；(2)井壁有较多的出水眼，渗水、淋水现象严重(图1b)；(3)标高-420m附近有两处较严重的井壁麻面和混凝土掉块现象(图1c)；(4)标高-560m马头门底板东西两侧摇台基础混凝土被腐蚀严重(图1d)。可以看出，以上问题都与井壁混凝土结构劣化相关。之所以出现这些状况，可能是由于井筒渗出水中某种离子或是几种离子与井壁混凝土发生了反应，造成混凝土强度下降，从而导致了井壁结构的破坏。

地下水对混凝土的破坏机理有很多种类型，对混凝土造成的破坏程度也因水质的不同大相径庭。Bellmann等调查了自然条件下混凝土受到硫酸盐侵蚀后结构性能的变化[1-2]；Sibbick在观察了长期处于酸性地下水侵蚀下的混凝土表面特征以后，发现在短期内，酸性地下水会使混凝土结构受到极大的破坏[3]；Miller等为了探究地下水对桥梁、矿区通风井以及沿海城市建筑所用混凝土的破坏情况，进行了长达40a的实验，发现混凝土结构的劣化与硫酸盐有关[4-5]。这些研究多半是在自然条件下进行，在研究对象上主要着眼于混凝土结构的改变，并且时间跨度少则几年，多则几十年。而实际条件下有时需要在短时间内了解混凝土结构被地下水侵蚀后的变化，因此进行室内加速模拟实验就显得尤为重要。赵翀通过对同一地点在不同取水时间取到的水样进行分析，探究其对混凝土结构的腐蚀性大小[6]；唐杨对国内某市的地下水进行调查，发现该地区地下水含有的硫酸根离子对地铁交通轨道所用建筑材料有中等腐蚀作用[7]；陈晓斌针对含有多种腐蚀离子的地下水，对混凝土进行侵蚀实验，发现多种离子混合后对混凝土的腐蚀作用与单个离子作用相差很大[8]。这些研究克服了时间跨度长，并且建立了水样中离子含量与腐蚀性等级之间的联系，但是缺少了对离子间相互影响的研究。

为了探究井壁混凝土破坏机理，防止井壁被进一步破坏，本文在前人研究的基础上，通过取样检测及水源识别，并进行浸泡试验，最终对浸泡液中主要阴阳离子浓度变化的深层原因以及离子间可能产生的相互影响展开研究，探究混凝土结构的劣化过程并给出防腐建议。

1 矿区地层及含水层

1.1 地层

马鞍山钢铁股份有限公司罗河铁矿位于安徽省合肥市庐江县罗河镇(图2)。该地区处于庐枞火山岩盆地的西北边缘。庐枞火山岩盆地是一个以中侏罗统象山群陆相碎屑岩建造为基底，经过燕山早期运动发育起来的继承性火山岩盆地。主要出露地层有侏罗系上统砖桥组、白垩系下统双庙组、浮山组和杨湾组以及第四系全新统松散堆积层(图3a)。其中砖桥组出露于龙头—包山一带，向南延展至大包庄矿区；双庙组分布在矿区北东及南西，展布于砖桥组外侧；浮山组出露于矿区西南鼓楼山；杨湾组分布于矿区北西缘；全新统堆积层分布于河谷、河床及丘陵缓坡。副井上段主要以紫红色、灰色的粗面鞍山岩为主；中段为碎屑结构的沉凝灰岩和中粗状结构的粗安斑岩；下段以次生石英岩和粗面安山岩为主，夹杂着中细斑结构的安山玢岩和蚀变凝灰岩。井筒破坏段主要集中在含水层中下段，该段主要为次生石英岩，岩性致密坚硬，成分以硅质为主，裂隙、节理发育，沿裂隙见较多岩溶孔洞，多数呈孔状及蜂窝状，局部硅化较弱，以高岭土、水云母为主，伴生细粒浸染状黄铁矿化。

图2 研究区及取样点平面位置Figure 2 Study area location and sampling points

a综合地质柱状 b井壁渗出水取样位置 图3 研究区综合地质柱状及井壁渗出水取样位置Figure 3 Study area comprehensive geological column and shaft wall seepage water sampling points

1.2 含水层

根据罗河铁矿地质勘探详查报告[9]，该区域的地下水分为两类：一类是潜水(全新统松散堆积物孔隙水、杨湾组、双庙组和砖桥组上段风化裂隙水)；另一类是承压水(砖桥组下段次生石英岩中的裂隙孔洞水)。两类地下水之间没有水力联系[10]。砖桥组下段裂隙孔洞水为主要含水层。该组出露层上段为粗安岩，下段是受火山岩覆盖，导致大量二氧化硅沉淀形成孔洞发育的次生石英岩。该含水层顶、底板标高分别为-260.34、-345.18m，厚度为84.84m。副井井筒内含水层顶、底板标高分别为-289.0、-443.0m，厚度为154.0m。

2 水样采集与分析

为了探究井筒渗出水与矿区所在区域含水层的联系，更好的了解地下水对副井井壁混凝土的侵蚀作用，于2016年5月5日通过实地考察，采集井壁渗出水和砖桥组下段裂隙水样。其中井壁渗出水水样共5组(图3b)，上侏罗系砖桥组下段裂隙水样共9组(ZC1-ZC9)，取样位置如图2。将采集到的水样带至宿州市国家煤矿水害防治工程技术研究中心进行测试，常规离子含量测试由离子色谱仪完成，pH及TDS用多功能pH计进行检测。14组水样水质统计结果如表1，Piper三线图显示的水质分析结果如图4，聚类分析结果如图5。

表1 水样分析结果

图4 水中常规离子Piper三线图Figure 4 Piper trilinear chart of conventional ions in water

图5 水样聚类分析结果Figure 5 Water sample clustering analytical results

3 室内浸泡实验

根据井筒水样分析结果，设计室内浸泡实验。实验在宿州市国家煤矿水害防治工程技术研究中心进行，从2016年5月24日开始，2016年11月20日结束。为了对比井壁原状普通混凝土与井壁修复所用抗硫酸盐混凝土耐久性的差异，将实验分为J-1和J-2两组。每组取混凝土样500g置于塑料多孔底托之上，组分配比为∶水∶水泥∶砂∶碎石=0.44∶1∶1.87∶3.12。混凝土浇筑强度等级均为C35，黄砂为粗砂，细度模数3.1，石子为16～31.5mm石灰岩。其中，J-1组所用水泥为普通硅酸盐水泥；J-2组所用水泥为PO42.5抗硫酸盐水泥。浸泡液的选择采用"搭配"的方式，将#1和#2两组水样混合作为J-1组的浸泡液；将#1-#5五组水样混合作为J-2组的浸泡液。这种搭配方式可以很好的模拟现场原状普通混凝土受到#1和#2号取样口渗出水混合侵蚀以及修复所用的抗硫酸盐混凝土受到#1-#5号取样口渗出水混合侵蚀的情况。实验装置图如图6。

图6 浸泡实验示意Figure 6 A schematic diagram of soaking test

4 实验结果讨论

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图7 J-1组主要阴阳离子浓度-pH-时间变化Figure 7 Time dependent main anion, cation concentrations and pH values in J-1

a b图8 J-1组Mg2+与和Cl-浓度回归线Figure 8 Mg2+, S and Cl- concentrations regression line in J-1

a b图9 J-2组主要阴阳离子浓度-pH-时间变化Figure 9 Time dependent main anion, cation concentrations and pH values in J-2

a b图10 J-2组Mg2+与和Cl-浓度回归线Figure 10 Mg2+, S and Cl- concentrations regression line in J-2

5 主要结论及建议

(1)对取得的井筒水样与罗河铁矿地质报告中砖桥组下段裂隙水水样进行分析后可以判断副井井壁渗出水来至于矿区承压水含水层，且与砖桥组下段裂隙水之间有一定的联系；

(2)井筒修复方案中所用到的抗硫酸盐混凝土在井筒渗出水的侵蚀下，在短期内可以有效抵抗硫酸盐侵蚀，但是长期来看并没有良好的抗硫酸盐耐性，并且对镁盐侵蚀也没有良好的抵抗效果；

(3)罗河铁矿副井井壁混凝土受到渗出水的侵蚀，类型以硫酸盐侵蚀为主。其次，镁盐侵蚀与硫酸盐侵蚀表现为协同作用。

由井筒所用的普通混凝土以及修复所用的抗硫酸盐混凝土对浸泡液中腐蚀离子的耐性表现，给出如下建议：

(1)修复用的混凝土除了要具有良好的抗硫酸盐性能，还要对混凝土结构破坏类型中的冻融破坏有优秀的抗性[14-15]；

(2)在骨料参入一定量的天然沸石可有效的提高混凝土抗硫酸盐侵蚀的能力[16]；(3)可以通过调节混凝土的水灰比来提高混凝土结构抗硫酸盐侵蚀的能力[17]。

[1]F Bellmann, W Erfurt, H M Ludwig.Field performance of concrete exposed to sulphate and low pH conditions from natural and industrial sources[J].Cenment and Concrete Composite,2012,34(1):86-93.

[2]ManuSanthanam, Menashi D Cohen, Jan Olek.Sulfate attack research-whither now?[J].Sulfate attack research-whither now,2001,31(6):845-851.

[3]R G Sibbick, N J Crammond, D Metcalf. The microscopicalcharacterisation of thaumasite[J].Cenment and Concrete Composite,2003,25(8):831-837.

[4]Miller R. Service life model for concrete structures in chloride laden environments[J]. ACI Material Journal, 1998, 95(4):445?453.

[5]ALeemann,RLoser.Analysis of concrete in a vertical ventilation shaft exposed to sulfate-containing groundwater for 45 years[J].Cenment and Concrete Composite,2011,33(1):74-83.

[6]赵翀,田迪冲.不同取水时间地下水对混凝土结构的腐蚀性[J].土工基础,2015,29(03):70-72.

[7]唐扬.地铁混凝土结构在地下水环境下的抗侵蚀耐久性研究[J].中国西部科技,2015,14(05):69-70.

[8]陈晓斌,唐孟雄,马昆林.地下混凝土结构硫酸盐及氯盐侵蚀的耐久性实验[J].中南大学学报(自然科学版),2012,43(07):350-359.

[9]安徽省庐江罗河铁矿详细地质勘探报告[R].庐枞地区铁矿会战指挥部,1980.

[10]龚星,陈植华,罗朝晖.罗河铁矿水文地球化学特征及成因[J].地球科学(中国地质大学学报),2014,39(03):47-56.

[11]闻宝联.城市污水环境下混凝土腐蚀及耐久性研究[D].天津：天津大学，2005.

[12]刘娟红,卞立波,何伟.煤矿矿井混凝土井壁腐蚀的调查与破坏机理[J].煤炭学报,2015,40(03):46-51.

[13]刘笑言.湛江地下水对混凝土腐蚀性的研究[J].土工基础,2013,27(04):89-91.

[14]慕儒,严安,孙伟.荷载作用下高强混凝土的抗冻性[J].东南大学学报,1998,28(04):140-146.

[15]慕儒,严安,严捍东.冻融和应力复合作用下HPC的损伤与损伤抑制[J].建筑材料学报,1999,2(04):81-86.

[16]JanMalolepszy,EwelinaGrabowska.Sulphate Attack Resistance of Cement with Zeolite Additive[J].Procedia Engineering,2015,108:170-176.

[17]R El Hachem, E Rozière, F Grondin, A. Loukili.Multi-criteria analysis of the mechanism of degradation of Portland cement based mortars exposed to external sulphate attack[J].CenmentandConcrete,2012,42(10):1327-1335.

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

许紫灵(1993—)，男，安徽淮南人，硕士在读，研究方向为地质灾害评价与防治。

2017-07-13

责任编辑：樊小舟