李军民 郭生茂 张晨洁 张 亭 刘 涛

(1.白银有色集团股份有限公司深部矿业公司；2.西北矿冶研究院；3.甘肃省深井高效开采与灾变控制工程实验室)

混凝土中的水泥只有在碱性条件下，其水化物才能稳定存在[1-5]，在酸性条件下，H+可以与水泥中的CH、CSH等水化产物发生中和反应，从而降低混凝土中的OH-，使得混凝土整体pH值下降，导致混凝土强度和耐久性降低。同时，酸性条件下，混凝土中的钢筋也会被加速腐蚀，稳定性降低。矿山井下巷道一般采用喷射混凝土、混凝土衬砌、锚杆等一种或是多种联合支护方式[6]。当井下涌水为酸性，混凝土和锚杆长期处于酸性水环境下，其支护强度将受到很大影响，尤其是锚杆支护，在酸性条件下，锚杆很快腐蚀生锈，丧失支撑能力，造成巷道支护失效，发生片帮、垮塌等事故。

1 工程概况

深部铜矿属于高硫矿床，矿石中主要金属硫化物为黄铁矿、黄铜矿，地下水及生产用水的废水硬度和矿化度均较大，pH值小，具有较强腐蚀性。根据现场调查，因地下酸性水腐蚀作用，混凝土支护严重变形(图1)，严重影响井下作业人员安全。深部铜矿为块状含铜黄铁矿型和浸染状(包含少量脉状和网脉状)黄铜矿型，均属于火山岩黄铁矿型铜矿床，其中前者含硫42.82%以上，后者含硫17.88%。通过分析，矿井下的酸性水的形成原因主要是矿床中存在较高硫分与空气中的氧相互作用、渗透的结果，酸性强弱与形成的酸性产物浓度有关。自然界普遍存在的黄铁矿氧化反应是导致酸性水产生的主要因素。根据现场调查，因地下酸性水腐蚀作用，混凝土支护被腐蚀严重变形(图1)，部分巷道在喷射混凝土7 d左右便出现混凝土整体脱落的现象，需要进行二次支护，严重影响了矿山的正常生产和巷道的稳定性。

图1 酸性水对支护腐蚀情况

2 干湿循环侵蚀试验

为了提高深部铜矿井下混凝土支护的有效性，提高混凝土抗酸性腐蚀的能力，通过查阅相关的参考文献，提出在混凝土中添加粉煤灰以提高混凝土的抗酸性腐蚀能力。

2.1 试验材料

水泥采用深部铜矿井下支护选用的P.C 32.5R普通硅酸盐水泥；细骨料采用河砂，松散堆积密度为1 483 kg/m3，含泥量为2.49%；粗骨料采用碎石，粒径为5～20 mm，松散堆积密度为1 480 kg/m3，含泥量为0.54%。组骨料和细骨料均取自深部铜矿井巷工程支护混凝土所用骨料。外加剂选用FDN-C型高效减水剂，其添加量为胶凝材料质量的1%。为了与现场情况保持一致，试验采用的混凝土搅拌用水为深部铜矿井下工业用水。

2.2 试验方法

将粉煤灰混凝土制作成100 mm×100 mm×100 mm的标准试样，标准环境下(温度28°，湿度95%)养护2 d脱模，然后对试样进行干湿循环侵蚀试验，试验过程如下：

(1)室温下将试件浸入母液中浸泡(15±0.5) h，然后风干1 h。

(2)风干过程结束后立即升温，将试件盒内的温度升到80 ℃，从升温到烘干结束的时间为6 h。

(3)烘干过程结束后，立即将试件冷却至25～30 ℃。

(4)每个干混循环的总时间为(24±2) h，再次放入溶液，然后进行下一个干湿循环。

(5)对试样进行加载，测得抗压强度值。

图2为制备好的部分混凝土试件，图3为pH=1的干湿循环母液，图4为试样加载过程，图5为加载破坏后的试样。

图2 混凝土试件

图3 pH=1的干湿循环母液

图4 试样加载过程

图5 加载破坏后的试样

2.3 试验方案

为了探究最佳的粉煤灰添加量的混凝土的抗腐蚀性能，对粉煤灰掺量占胶凝材料总量百分比为10%、15%、20%、25%、30%、35%的6组试验在干湿循环加速侵蚀条件下养护28 d，每组试验3个试样取平均值。为了对比在常规养护条件下混凝土的抗腐蚀性能，对粉煤灰掺量占胶凝材料总量百分比为10%、15%、20%、25%、30%、35%的6组试验在自来水条件下养护28 d，每组试验3个试样取平均值。为了对比添加粉煤灰的混凝土试样在干湿循环加速侵蚀条件下和自来水条件下养护28 d后的抗腐蚀性能，设置2组试验，每组3个试样。试验方案见表1。

表1 试验方案

2.4 试验结果

根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)，混凝土强度耐蚀系数Kf越大，混凝土的抗腐蚀性能越好。当Kf<75%时，表明混凝土已受腐蚀程度非常严重，当Kf≥80%时，表明混凝土抗腐蚀性能合格。耐蚀系数Kf计算公式如下：

Kf=fn/f0,

(1)

式中,Kf为抗压强度耐蚀系数，%；fn为在受硫酸盐干湿循环腐蚀条件下混凝土28 d的抗压强度平均值，MPa；f0为在受自来水养护条件下混凝土28 d的抗压强度平均值，MPa。

单轴抗压试验结果及腐蚀系数计算结果见表2。为了进一步分析不同粉煤灰添加量下混凝土28 d 强度的变化规律，将表2中的数据绘制成图，干湿循环试验组与自来水养护试验组条件下的抗压强度变化曲线见图6。可以看出，在2种试验条件下，混凝土28 d抗压强度表现相同的变化趋势，即先减小，后增大，再减小的趋势。粉煤灰添加量为0～15%，混凝土28 d抗压强度呈减小趋势；添加量为15%～20%，呈增大趋势；添加量为20%～35%，呈减小趋势。尤其是在干湿循环条件下，当粉煤灰添加量为20%时，强度最大。

表2 试验及计算结果

图6 不同试验条件下试样强度变化规律▲—干湿循环试验组;●—自来水养护试验组

图7为不同粉煤灰添加量(0～35%)条件下混凝土试块28d龄期抗腐蚀系数的变化规律。可以看出，混凝土抗腐蚀系数呈现先增大后减小的趋势，当粉煤灰添加量为20%时，抗腐蚀系数最大，为94.644%。

图7 不同粉煤灰添加量下试样的腐蚀系数

综上分析看出，在干湿循环加速侵蚀试验条件下，当粉煤灰添加量为20%，混凝土的抗腐蚀性能最佳，最终确定抗腐蚀性混凝土中粉煤灰的添加量为20%。通过计算，最终确定混凝土的配合比为350∶680∶1100∶180∶85∶3.5(水泥∶细骨料∶粗骨料∶水∶粉煤灰∶减水剂)。

3 结 论

通过开展粉煤灰掺量占胶凝材料总量百分比为10%、15%、20%、25%、30%、35%6种添加量条件下干湿循环侵蚀试验，对其28 d抗压强度进行了测试，分析试样强度，最终确定粉煤灰添加量为20%时，粉煤灰混凝土的抗压强度最大，可有效抵抗酸性水的腐蚀作用，保证井下混凝土支护强度。