高矿化度矿井水对水泥改性实验设计

张珊珊 李涛 李文杰 罗琛 安春燕 高颖

摘 要：矿物开采过程中，地下水因一系列物理、化学、生物反应而形成具有显著的煤炭行业特征的矿井水。六盘水地区矿产种类多、资源丰富，采集该区域的高矿化度矿井水作为水泥拌合水用不同浓缩程度的矿井水与水泥拌合形成的试样来进行抗压、抗拉实验。研究结果显示，高矿化度矿井水对水泥的性能有一定的影响。为矿井水处理指出了一条更加环保、经济的方法。

關键词：高矿化度；矿井水；水泥；强度

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

0 前言

目前我国矿井水的资源利用原则是减量再循环，将资源到产品最后到废物的单线线性流动改为资源到产品再到资源的物质闭环流动性经济，根据矿区水文地质情况进行矿井水的资源化利用，充分运用矿区内现有水利设施的资源， 贵州矿产资源丰富，在挖掘和采矿过程中，矿井水因其中所含离子浓度过大，和一些悬浮物等原因经常作为废水被排放。当前，相对科学的矿井水处理方法只有几种，且设备设施和运行成本较高，都不能达到有效合理的应用。

我们研究在于将低性能的水泥和高矿化度的矿井水混合之后，对其形成的水泥进行强度测定，研究高矿化度矿井水对水泥性能的影响。既合理使用了贵州地区含量丰富的矿井水资源，又能顺应水泥在今后的发展方向。

1 矿区水文地质概述

贵州省某矿区属于山峦连绵且沟壑交错的中低山高原地貌，其构造主要以地形为主，且地势起伏较大。贵州地区矿产资源丰富，是著名的矿产资源大省，贵州省已发现矿产110多种。矿井水来源于大气降水、地表水、地下水等。贵州最主要的地下水类型为岩溶水分布广，水量大，地质特征为沉积地层，地层中含有大量的古生物化石，并赋存有丰富的煤、磷、铝等矿产资源。其中碳酸盐岩最为普遍，约占全省陆地总面积的61.9%，尤以生物碳酸盐岩占绝对优势。火成岩岩类较多，属性较全面。变质岩以层状浅变质岩系为主，有岩溶水、裂隙水和孔隙水三大类，其中以岩溶水为主。

2 实验过程

（1）以六盘水地区矿井水为例，充分收集和分析当地矿井水的水量、水质及处理方法现状。得到关于矿井水的分析报告。

（2）对所得的矿井水进行逐级富集和浓缩，在此过程中取样，最终分别得到具有一定浓度层次的多组矿井水实验试样，并对每一组试样水质特性进行测试。

（3）用所得不同浓度的矿井水与标准性能的水泥进行混合，按照单一变量原则，控制温度，混合时间与矿井水和水泥的比例等因素不变。对水泥的早期、中期及后期强度进行测试，并分析其中的强度变化和性能方面的规律。

设置对照组，净水拌合水泥净浆试样1组、未处理矿井水拌合水泥净浆试样1组。

同时设置实验组，分浓度梯度设置浓缩程度35%、50%、65%、80%的矿井水拌合水泥净浆试样以及稀释程度30%的矿井水拌合水泥净浆试样。

通过仪器测定各组试样的抗压、抗剪强度，绘制折线图，研究分析不同浓缩程度的矿井水的水泥改性的影响。

2.1 抗压强度

（1）抗压强度试验通过规定的仪器（压力试验机）。

（2）水泥净浆试块中心对准压力机压板受压中心。

（3）在整个加荷过程中以一定的速率均匀地加荷直至破坏。

（4）抗压强度Rc以牛顿每平方毫米（MPa）体现，按下式进行计算：

Rc=Fc/A

式中：Fc——破坏时的最大荷载，N，A——受压部分面积，mm2，（40mm×40mm）=1600mm2 。

2.2 水泥劈裂抗拉试验

本试验规定了测定水泥立方体试件的劈裂抗拉强度方法，本试验适用于水泥的立方体试样。

2.2.1 试件制备

（1）采用边长150mm方块作为标准试件。

（2）本试件应同龄期者为一组，每组为2个同条件制作和养护的水泥试块。

2.2.2 试验步骤

（1）试件养护完成后，擦干净，测量尺寸，检查外观，在试件中部划出劈裂面位置线。劈裂面与试件成型时的顶面垂直，尺寸测量精确至1mm。

（2）试件放在试验台上，其方向与试件顶面互相垂直。

（3）当水泥强度等级低于C30时，以0.02～0.05MPa/s的速度连续而均匀地加荷；当水泥强度等级不低于C30时，以0.05～0.08MPa/s的速度连续而均匀地加荷，当上压板与试件接近时，调整球座使接触均衡，当试件接近破坏时，应停止调整油门，直至试件破坏，记下破坏荷载，准确至0.01kN。

3 矿井水对水泥的改性原理分析

在煤炭开采过程中，地下水因各种原因发生了一系列的物理、化学和生化反应，因而水质具有显著的煤炭行业特征。矿井水中含有的总离子含量比一般地表水高得多，高矿化度矿井水中含有SO42-、Cl-、Ca2+、K+、Na+、Mg2+、HCO3-、Fe3+等离子， 不同的元素、离子对水性能有多种影响[1-5]。研究表明，在拌合水中加入Ca2+、Fe3+、等离子时，水泥试样的强度要高于普通纯净水拌合试样的强度，同时，当离子浓度在1%-3%时，试样早期强度先增大后减小，在2 %时，试样强度最高。这是应为Ca2+、Fe3+促进了钙矾石的生长，并促进水化反应，使C3S更好的转化为Ca（OH）2。在水化过程中Ba2+能促进水泥浆体硬化，高矿化度矿井水中特有的高浓度离子，在特定浓度范围内能使水化反应更完全，生成更多的C-S-H凝胶，使得水泥浆体变得更致密，从而增加水泥浆体试样的整体强度。

4 结论与展望

本文主要论述了将高矿化度矿井水在矿井开发建设中对水泥性能的改性作用，通过对矿区取得的矿井水进行浓缩，富集处理，利用控制变量的方法来对其形成的水泥式样进行力学性能的检测。得出高矿化度矿井水对水泥具有改性作用。此项结论合理处理了矿区矿井水难处理的问题， 在以后得研究过程中我们还能利用增大液体表面的张力来改进水泥的性能。通过外界因素将水进行磁化进而提高水表面的张力。用这种被磁化水来参与水泥的制作过程，也同样会对水泥的性能和可泵性具有改善的作用。这是在以后继续研究的一个方向。

未来将高矿化度的矿井水与磁场相结合，将这两种都会对水泥性能有一定影响的外界条件合并在一起用于水泥的改性中。在对改性之后制造出来的水泥对其力学性能进行检测分析。现有研究表明，磁场改性和高矿化度矿井水结合的效果会更好，能够创造出性能更加良好，且节能高效的水泥，这是外加剂无法替代的。

参考文献：

[1]殷仕颖.不同浓度对水泥土强度的影响规律研究综述[J].四川建材，2018，14（08）：39-46.

[2]朱龙芬.含水量变化对水泥土室内强度的影响[J].山西建筑，2007

，33（25）：192-193.

[3]阳克连，宁宝宽.水泥土强度影响应素的研究[J].中外公路，2009

，29（04）：188-192.

[4]贾坚.影响水泥土强度的综合含水研究[J].地下空间与工程学报，2006，26（01）：131-135.

[5]王井雨，周宗辉.不同离子对水泥水化性能的影响[J].原料于品种，2013（05）.

基金项目：六盘水师范学院重点学科（LPSSYZDXK201802）、省级大学生创新创业训练计划项目（2018521021）、六盘水师范学院教学内容与课程体系改革项目（LPSSYjg201813）、贵州省教育厅青年科技人才成长项目（黔教合KY字[2018]376）、贵州省教育厅青年科技人才成长项目（黔教合KY字[2018]386）

作者简介：张珊珊（1996-），女，贵州遵义人，本科，研究方向：矿井水文地质工程。

*为通讯作者