井下充填體內鋼筋的腐蝕特性及安全防護研究

張勝光

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012；2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室， 湖南 長沙 410012)

井下充填體內鋼筋的腐蝕特性及安全防護研究

張勝光1,2

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012；2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室， 湖南 長沙 410012)

針對井下鹽鹵水對充填體和鋼筋的腐蝕作用，為提高鹽鹵水腐蝕條件下充填體的長期服役強度，在分析鹽鹵水對充填體和鋼筋腐蝕原理的基礎上，設計采用了鈍化處理、添加防銹劑和添加環氧樹脂涂層三種防護技術，通過3種防護條件下鋼筋在鹽鹵水中的腐蝕試驗，結果表明：鋼筋表面涂刷環氧樹脂涂層能夠有效保護鋼筋免受鹽鹵水的腐蝕，環氧樹脂涂層能夠有效阻止鹽鹵水離子的侵入。

充填體；鋼筋；腐蝕；防護

0 前 言

鹽鹵水是一種富含氯鹽、硫酸鹽和其他鹽類的一種溶液，其礦化程度很高。鹽鹵水具有一定的腐蝕作用，主要是由于氯鹽和硫酸鹽的物理化學腐蝕造成的，且鹽鹵水對鋼筋混凝土的腐蝕作用明顯，且對于混凝土的長期強度有著重要的影響。Harver Haynes[1]在實驗室內對硫酸鹽對混凝土的腐蝕作用規律進行了模擬研究。H.D.Hlaser[2]對硫酸鈉鹽澤土對混凝土的強度影響進行了研究。Hootoo[3]通過研究，對鹽鹵水對于混凝土的腐蝕機理記性了研究，認為在鹽鹵水條件下，氯離子、硫酸離子通過擴散、滲透、毛細作用等方式進入混凝土內部，進而對混凝土的強度產生影響。Julie Ann[4]通過研究認為鹽鹵水對于混凝土內部結構的化學是造成混凝土耐久性降低的主要原因，而一些學者認為硫酸鹽結晶造成的物理破壞才是造成混凝土耐久性失效的最主要原因。國內對于鹽鹵水對混凝土的腐蝕、安全防護方面也進行了大量的研究。朱蓓蓉[5]研究了NaCl和CaCl2對混凝土的化學腐蝕機理。楊全兵[6]對硫酸鹽的腐蝕性進行了研究。徐慧[7]對硫酸鹽對混凝土的損傷特性進行了深入研究。王凱[8]結合具體的工程情況對鹽鹵水對混凝土的腐蝕作用進行了深入研究。

三山島金礦采用分級尾砂膠結充填采礦技術，但充填用水為高濃度的鹽鹵水，鹽鹵水內富含氯鹽和硫酸鹽。礦體主要賦存在海底，且礦體結構裂隙較為發育，在開采過程中，海水通過巖石內的節理裂隙流入采場內，并匯集于水倉，進行人工稀釋后作為充填用水。充填人工假底是由分級尾砂和水泥按照6∶1的比例攪拌而成，并在充填體內布置一定數量的鋼筋，增加人工假底的強度和抗拉性能。但由于鹽鹵水的存在，鋼筋遭到腐蝕大大降低了人工假底的強度，對礦山的安全生產造成了一定的影響。本文通過研究鹽鹵水環境下對充填體及鋼筋的腐蝕作用，找出經濟合理的防護措施，保證人工假底的強度，延長其服役時間。

1 鹽鹵水對充填體的腐蝕原理分析

井下的充填體是由選礦尾砂、水泥、水按照一定配比攪拌而成，可以將其看成一種強度較低的混凝土，鹽鹵水對充填體的腐蝕機理與對混凝土的腐蝕機理相似，主要分為化學腐蝕和物理腐蝕。

1.1 化學腐蝕原理

1.1.1 石膏型腐蝕

相關研究顯示，當溶液中SO42-離子濃度>1000 mL/L時，水泥水化物的產物CH與C-S-H將會與硫酸鹽發生反應生成石膏。其化學反應如下：

Ca(OH)2+SO42-+2H2O→CaSO4·2H2O+2OH-

(1)

由于反應會形成大量石膏，石膏的存在會大大降低CH的數量，從而降低了水泥水化物中CH與C-S-H的穩定性。

另外，反應生成的CaSO4·2H2O具有體積膨脹性，從而使充填體內產生較大的內用力，使充填體開裂破壞。

1.1.2 鈣礬石型破壞

鈣礬石，其化學式為3CaO·2Al2O3·3CaSO4·32H2O，通常也被稱為水泥桿菌。通常情況下，水泥反應生成的鈣礬石很少，對水泥的強度幾乎不產生影響，但如果鹽鹵水中SO42-的濃度較高，SO42-將會與水泥中的Ca(OH)2和水化鋁酸鈣發生化學反應生成二次鈣礬石：

3CaO·Al2O3·6H2O+3(CaSO4·2H2O)+

19H2O→3CaO·2Al2O3·3CaSO4·32H2O

(2)

3CaO·Al2O3·CaSO4·18H2O+2(CaSO4·2H2O)+10H2O→3CaO·2Al2O3·3CaSO4·32H2O

首先，目前高校和包括社區在內的行政部門在推進創新創業過程中更多在扮演“獨角戲”的角色，教師和學生卻因為激勵機制不足而參與度不高。其次，在調度各方創新創業積極性上存在制度性壁壘，創新創業生態鏈條上針對各方的協同機制不健全。最后，目前多以政策驅動等外在因素為主導，各方內生動力不足，沒有形成適合創新創業的整體生態文化。

(3)

鈣礬石的溶解度非常低，并且會結合大量水分子生成結晶體，使得充填體體積顯著增大，往往體積會增大1.5倍以上，使得充填體產生較大的膨脹內應力，超過充填體抗拉強度造成充填體破壞。

1.1.3 碳酸硅鈣型腐蝕

碳酸硅鈣石，化學式為：CaSiO3·CaSO4·CaCO3·19H2O。該化合物的生成會使得水泥水化物中的C-S-H轉化為松散的泥狀物質而失去膠結能力，從而降低充填體的強度。這種腐蝕是一種慢性腐蝕，對混凝土的長期服役強度不利。

1.2 物理腐蝕原理

鹽鹵水對充填體強度的物理腐蝕作用主要是指對充填體結晶體的侵蝕破壞。結晶體侵蝕破壞主要呈現以下特征：

(1) 破壞部位通常位于充填體與圍巖接觸以上40 cm范圍內，接觸面下部的破壞，主要為化學腐蝕破壞為主；

(2) 從外至內，物理破壞逐漸降低；

(3) 物理破壞區域可觀察到白色結晶顆粒。

2 鹽鹵水對鋼筋的腐蝕機理

鹽鹵水對鋼筋的腐蝕作用為一個電化學的反應過程，而發生電化學反應，必須形成一定的反應條件，即：必須形成電位差，即電池原理；在陽極區域的鈍化膜破壞，鋼筋表面處于活躍狀態；陰極區域含有足夠的氧化劑在鋼筋的表層；陽極和陰極之間通過電解質溶液相連，能夠形成反應回路。其電化學反應過程如下：

2Fe→2Fe2++4e-

(4)

(2) 陰極反應。當陽極產生大量的電子，電子通過電解質溶液被轉移到陰極，陰極的氧化劑捕捉通過電解質轉移來的電子，發生還原反應，陰極的反應為：

O2+H2O+4e-→4OH-

(5)

(3) 銹蝕產物的生成。陽極反應生成的Fe2+與陰極反應生成的OH-結合生成Fe(OH)2，如果氧化劑的數量足夠過，Fe(OH)2將會進一步發生化學反應生成Fe(OH)3，其化學反應如下：

Fe2++2OH-→Fe(OH)2

(6)

4Fe(OH)2+O2+2H2O→Fe(OH)3

(7)

當條件不同時，即在不同的濕度、溫度和氧化環境下，Fe(OH)3將會進一步發生化學反應，生成更為復雜的鐵氧化物，主要為Fe2O3和Fe3O4，這些化合物相對于鐵而言，體積會增大數倍，鋼筋對周圍充填體造成擠壓壓力，隨著腐蝕化學反應的持續進行，鐵氧化物的不斷積累，壓力持續增加，當達到充填體的極限強度后，充填體便開始產生裂紋直至破壞。

3 鹽鹵水條件下的鋼筋安全防護研究

3.1 鈍化處理

在高堿性環境下，鋼筋的表面會生成一層鈍化膜保護鋼筋免受破壞，為了研究鈍化處理對鋼筋表面腐蝕的保護作用，設計兩組鋼筋在充填鹽鹵水中的腐蝕試驗。A1組為無鈍化的鋼筋在鹽鹵水中的腐蝕試驗，A2組為進行鈍化處理的鋼筋在鹽鹵水中的腐蝕試驗，試驗結果見圖1。

圖1 鈍化處理對鋼筋自腐電壓的影響

從圖1可以看出，A1無鈍化處理的鋼筋一開始自腐電位就低于-450 mV，說明在鋼筋無鈍化處理的條件下，鋼筋一開始就發生了腐蝕，隨著腐蝕時間的增加，自腐電位變化緩慢，50 d后，自腐電位基本不發生變化，說明達到了腐蝕平衡。A2鈍化處理后的鋼筋，其開始自腐電位為0，說明鈍化處理起到了顯著效果，但隨著腐蝕時間的增加，自腐電位發生變化，最終區域平衡，說明鈍化處理只能在腐蝕的初期起到一定的防護作用，但隨著腐蝕時間的延長，鈍化膜逐漸被破壞，便會失去防護效果。

3.2 添加阻銹劑

阻銹劑可以減緩氯離子對鋼筋的腐蝕，設計兩組鋼筋在充填鹽鹵水中的腐蝕試驗。B1組為未添加阻銹劑的鋼筋在鹽鹵水中的腐蝕試驗，B2組為添加阻銹劑的鋼筋在鹽鹵水中的腐蝕試驗，試驗結果見圖2。

圖2 防銹劑對鋼筋自腐電壓的影響

由圖2可以看出，添加防銹劑后，在實驗的開始，能夠有效降低鋼筋被鹽鹵水的腐蝕速率，但隨著腐蝕時間的增加，防銹劑的有效成分被逐漸消耗，防銹劑失去防護作用，自腐電壓持續下降，但最終平衡后的自腐電壓比未添加防銹劑的鋼筋提高了18.5%。

3.3 添加環氧樹脂涂層

為了研究環氧樹脂涂層對鋼筋的腐蝕防護效果，設計兩組鋼筋在充填鹽鹵水中的腐蝕試驗。C1組為未添加環氧樹脂涂層的鋼筋在鹽鹵水中的腐蝕試驗，C2組為添加環氧樹脂涂層的鋼筋在鹽鹵水中的腐蝕試驗。實驗結果如圖3所示，從圖3可以看出，添加環氧樹脂涂層的鋼筋在鹽鹵水環境下腐蝕速率顯著降低，說明環氧樹脂涂層能夠有效阻止大部分氯離子對鋼筋的腐蝕，顯著提高了鋼筋的抗腐蝕能力。

圖3 環氧樹脂涂層對鋼筋自腐電壓的影響

4 結 論

(1) 鹽鹵水對充填體的強度具有一定的影響，對充填的破壞主要分為物理破壞和化學破壞，在初期以物理破壞為主，后期以化學破壞為主。

(2) 鹽鹵水對鋼筋具有很強的腐蝕作用，在鹽鹵水環境下，鋼筋表面發生反應生成復雜的鐵氧化物，這些化合物體積會增大數倍，鋼筋對周圍充填體造成擠壓壓力，隨著腐蝕化學反應的持續進行，鐵氧化物的不斷積累，壓力持續增加，當達到充填體的極限強度后，充填體便開始產生裂紋直至破壞。

(3) 通過試驗研究得出，對鋼筋表面進行鈍化處理和添加防腐劑能夠有效降低鋼筋在鹽鹵水條件下初期的腐蝕速率，但隨著腐蝕時間的延長，鈍化膜逐漸被破壞，便會失去防護效果。

(4) 添加環氧樹脂涂層的鋼筋在鹽鹵水環境下腐蝕速率顯著降低，說明環氧樹脂涂層能夠有效阻止大部分氯離子對鋼筋的腐蝕，顯著提高了鋼筋的抗腐蝕能力。

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2017-03-06)

張勝光(1987-)，男，湖南益陽人，助理工程師，主要從事礦山安全技術工作,Email：378830630@qq.com。