位于胶东半岛的三山岛金矿是一座大型的滨海井下蚀变岩金矿山，地下开采深度已超过700 m, 产能达10 000 t/d[1]。目前，三山岛金矿主要采用分层式充填采矿，用具有一定早期强度的水泥基胶结充填体控制井下地压和地层位移，在充填体等支护结构的保护下开展回采作业[2]。然而，三山岛金矿毗邻黄海海域，矿区内地质和水文条件较为严峻，矿井中的涌水高度矿化，富含大量的盐卤离子[3]。经研究发现，滨海地区地下盐卤环境具有显著的腐蚀效应，使得胶结充填体的密实度与胶结程度降低，加速充填体在上覆岩层压力作用下发生的变形和破坏，进而降低了开采的安全性和稳定性[4]。盐卤腐蚀效应对充填体的破坏过程经历了复杂的化学反应，揭示充填体力学性能与细微观结构劣化规律和机理，有利于在实际工程中提出相应的防护措施[5]。

在富含盐卤溶液的井下涌水中，大量腐蚀性离子的长期作用使得水泥基胶结充填体的结构发生不可恢复的损伤，腐蚀效应与外部荷载的共同作用引发了应力集中，使得力学指标低于强度设计值[6]。抗压强度和弹性模量是衡量充填体力学性能的两个重要参数，也是确定充填支护结构承载力设计值的主要依据[7,8]。因此，开展力学试验掌握充填材料抗压强度和弹性模量的演化规律，对充填支护的长期稳定性具有重要意义。另一方面，由于盐卤溶液的长期作用，腐蚀性的离子对充填体的细微观结构产生显著影响，胶结充填体内部的水化产物会开裂，逐渐发展形成裂隙通道，加速腐蚀性离子进入材料内部，导致材料力学性能进一步衰减[9]。从前人的研究结果来看，由于原生裂隙效应与尾砂的随机分布，充填体试件内部的胶凝物质具有较高的不均匀性，其结构在腐蚀过程中的损伤规律难以量化[10]。近年来，计算机层析扫描(简称CT)技术的革新、改进和发展，为水泥基材料细微结构的研究提供了重要帮助[11]。微米级计算机层析扫描(CT)技术为水泥基材料的细观探测提供了重要途径，已取得诸多研究成果[12,13,14,15]。鉴于当前对盐卤腐蚀环境下胶结充填体的损伤规律与机理认识不足，亟需开展相关的力学试验与细微观结构分析。

本研究以三山岛金矿为工程依托，采用模拟胶东半岛井下涌水环境的盐卤溶液对试件进行腐蚀处理，同时开展单轴压缩试验与CT扫描分析，最后结合强度与孔隙度指标探讨盐卤腐蚀机理，旨在为水泥基胶结充填体的腐蚀防护设计提供参考依据。

1、试验材料和方法

1.1 材料与试件制备

本研究参照三山岛金矿矿山现场的充填材料配比，原材料的配比见表1。制备的充填料浆的质量分数分别为75%和78%,采用浇筑的方法成型，成型后将两种质量分数的试件放在养护箱中进行养护。试验用的充填体骨料取自现场的金矿尾砂，其颗粒级配曲线如图1所示。胶凝剂采用P·O 42.5型的普通硅酸盐水泥，外加掺合料为Ⅱ级粉煤灰。

表1 三山岛金矿充填料浆的配合比

图1 尾砂颗粒级配曲线   

1.2 盐卤腐蚀试验

根据胶东半岛海域地下水的离子成分检测结果配制井下涌水的盐卤溶液。通过对矿区内12个测点水质的调研，发现井下涌水的pH值为5.62～9.55,正离子主要含Na+、K+、Ca2+和Mg2+等，负离子主要含SO

等，检测结果的均值见表2。根据离子成分检测结果配制盐卤溶液，用以模拟井下涌水对充填体造成的腐蚀环境。采用浸泡法对试件进行盐卤腐蚀试验，先将养护龄期为28 d的试件浸没在溶液中，浸泡的时间分别选取为0, 30, 60, 90, 180, 360 d。在浸泡过程中，每隔3 d换一次新的盐卤溶液，以保障溶液中离子浓度和pH值的恒定。在到达预定的腐蚀时间后，将充填体试件从溶液中取出，拭干表面的水，晾干后开展后续试验。

表2 井下涌水离子成分的检测结果

1.3 试验方法

1.3.1 力学试验

采用单轴压缩测试仪对水泥基胶结充填体进行力学测试，试件规格为直径50 mm, 高度100 mm的圆柱体。试验前将试件放置在加载台上，设置加载速率为0.02 MPa/s, 由数据采集系统获得压力和位移数据，并换算为应力 - 应变曲线，从数据中计算出抗压强度fc和弹性模量E作为衡量静载下的力学参数。抗压强度fc为曲线中的峰值应力σm,其对应的轴向应变为破坏应变εm。充填体弹性模量计算见式(1)。

式中，εm、σm分别为试件的破坏应变、峰值应力；εi和σi分别为弹性变形初始点的应变、应力。

1.3.2 工业CT扫描试验

对胶结充填体试件进行扫描的分析仪器为Metrotom 800型X射线工业CT检测仪。该仪器通过发射源发射的X射线穿透被测试件，得到材料内部结构的二维断面图像。用于CT扫描试验的样品尺寸较小，取自标准试件的中心部位，直径和高度均约为10 mm。基于CT扫描数据，经由Image J软件计算了250张扫描图像的面裂隙率ρ,计算公式见式(2)。

式中，n为CT图像的总数量；i为图像的序号；si为第i张图像中的胶结体面积；ci为第i张图像中的裂隙面积。

1.3.3 扫描电镜试验

采用JSM-F5001 型场发射扫描电子显微镜对充填体的微观形貌进行观测，采用的试件规格是边长约10 mm的立方体，扫描前对试件进行干燥、冷冻和喷金处理。由扫描电镜试验得到了试件断面处放大500～2000倍的微观图像。

2、试验结果与讨论

2.1 宏观强度特性

如图2所示，对水泥基胶结充填体试件开展单轴压缩试验，分别得到了两种料浆质量分数条件下的应力 - 应变关系曲线。按照曲线特征将充填体的变形过程分为4个阶段。第一阶段对应充填体被荷载压密的变形过程，随轴向应变由0增长至0.1%,轴向应力以一个非常缓慢的速率上升；第二阶段是充填体的线弹性变形，轴向应力和应变近似保持线性关系；第三阶段对应轴向应力的快速下降阶段，试件的轴向应力增至最大值后出现突变性的跌落趋势，充填体在此时发生断裂破坏；第四阶段对应充填体的残余变形，应力 - 应变的下降趋势逐渐趋于平稳，结构损伤达到最大。利用胶结充填体试件的峰值应力点作为抗压强度fc,相应的横坐标为破坏应变εm。以料浆质量分数为78%的试件为例，发生破坏的试件形态如图3所示，随着腐蚀时间的增加，试件整体的破坏类型逐渐由压缩破碎型向剪切滑移型过渡，表明充填体在荷载作用下的脆性破坏特征愈发显著。结合应力 - 应变曲线和试件破坏特征，可以看出，尽管充填体试件的变形规律类似，但破坏后整体滑移面的连通度随初始损伤程度提高而逐渐增大。

图2 充填体的应力 - 应变关系   

图3 充填体的试件破坏   

图4给出了不同料浆质量分数条件下的抗压强度fc、弹性模量E的计算结果。从图4可以看出：两种充填体试件的强度参数(fc与E)随盐卤腐蚀天数增加均逐渐降低，且在腐蚀时间30～90 d的范围内变化较快，超过180 d后的强度参数逐渐趋于稳定。如图4(a)所示，料浆质量分数为78%和75%的充填体抗压强度fc分别为10.98 MPa和9.75 MPa, 在盐卤溶液中浸泡360 d后，fc的下降幅度分别为38.8%和33.6%;如图4(b)所示，两组试件的弹性模量E分别为156.5 MPa和123.2 MPa, 浸泡360 d后的E下降幅度分别为46.8%和36.2%。试验结果说明充填料浆质量分数对试件力学性能也有显著影响，适当提高料浆的质量分数有利于增强充填体的力学性能。然而，在超过180 d的盐卤溶液腐蚀作用下，两种料浆质量分数条件下的充填体试件强度参数逐渐趋于一致。

图4 不同盐卤腐蚀时间下的充填体强度指标  

2.2 细观结构变化特点

开展CT扫描得到了水泥基胶结充填体试件的二维横截面图像。图5所示的图像分别对应料浆质量分数为78%和75%的试件。CT图像中的灰色区域为水化产物和尾砂组成的胶结体，黑色区域为裂隙。对图5所示的扫描图像进行对比分析可以看出，充填料浆质量分数为78%的胶结体密实程度明显高于质量分数为75%的胶结体。在盐卤腐蚀时间为0～60 d以内时，两组水泥基胶结充填体内部的裂隙宽度、长度和连通度均较小，数量也相对较少；随着盐卤腐蚀时间由90 d增加至360 d, 试件内部结构的裂隙迅速扩张和连通，裂隙的数量也相应增加。

图5 盐卤腐蚀过程中充填体试件的二维CT图像   

由Image J软件计算了不同腐蚀时间条件下的水泥基胶结充填体面裂隙率ρ,二者的关系如图6所示。充填体的面裂隙率随腐蚀时间增加不断提高，且上升速率先快后慢。两组试件的面裂隙率与腐蚀时间之间均呈典型的指数型关系，相关系数超过了0.96。根据力学试验与CT扫描试验的结果，得到了强度参数和面裂隙率的关系曲线，结果如图7所示。由图7可以看出，随着腐蚀时间的增加，面裂隙率和抗压强度呈相反变化趋势，且变化速率相似。对两者进行数据拟合分析发现：充填体试件的强度与面孔隙率之间存在负相关的线性关系，相关系数大于0.96。在盐卤的腐蚀作用下，水泥基胶结充填体的强度与裂隙演化趋势保持同步，说明宏观力学性能与细观结构损伤存在一定相关性，该现象与前人的研究结果一致[16,17]。力学试验和CT扫描的结果共同表明，盐卤的腐蚀作用使得水泥基胶结充填体受到持续性的宏观 - 细观损伤，且损伤程度随着腐蚀时间增加不断提高。由试验得到的抗压强度与裂隙率指标的相关性较高，说明采用CT扫描图像的结果预测充填体强度在盐卤腐蚀过程中的折减程度较为合理可行。

图6 面裂隙率与盐卤腐蚀时间的关系  

图7 抗压强度与面裂隙率的关系曲线   

2.3 微观颗粒形态

为了进一步认识胶结充填体在盐卤腐蚀作用下的损伤机理，对试件中的胶结物进行了显微结构观察。以质量分数为78%的充填体为观察对象，得到了如图8所示的初始状态与腐蚀180 d条件下的微观结构形态。根据观察，图8(a)未经腐蚀的充填体试件内部胶结物保持相对均匀、密实和平整的形态，尾砂与水化产物黏结紧密，颗粒间的孔隙数量较少；经过180 d盐卤腐蚀作用后，充填体中水化产物的形态发生卷曲，孔隙数量和尺寸明显增加，尾砂间的黏结度下降，如图8(b)所示。扫描电镜图像的变化表明，胶结充填体的微观结构形态在盐卤溶液的腐蚀作用下逐渐发生演变，孔隙在腐蚀过程中不断扩张，形成可供腐蚀性离子侵入和流动的连通裂隙，加速了水化产物的腐蚀进程[18]。

图8 盐卤腐蚀前后胶结体的扫描电镜图像   

由于水泥基胶结充填体中的孔隙液通常呈碱性，在碱性环境中的水化产物与尾砂颗粒的表面形成钝化膜，起到阻碍离子交换的作用。但当孔隙液的pH值小于11.8时，钝化膜失效[19]。盐卤溶液中富含的酸性物质使充填体内孔隙液的pH值下降，破坏了微观结构中的钝化膜，诱发胶结物的分解与流失。另外，由于盐卤溶液中存在大量Cl-离子，氯化物的腐蚀作用一旦形成就难以恢复[20]。氯离子侵入胶结物内部后，引起金属阳离子的交换反应，降低了“微观腐蚀电池”在阴、阳电极间的有效电阻，使得导电效率提高，进而加速充填体中微观电化学腐蚀的速率[21]。综上，盐卤溶液中的离子间化学反应是导致三山岛金矿充填体发生结构损伤和材料力学性能衰减的根本原因。在实际工程中应注意对人工充填矿柱进行表面防护，阻止腐蚀性离子的侵入，降低“微观腐蚀电池”形成的概率。

3、结论

(1) 通过单轴压缩试验发现，随着盐卤腐蚀时间从0 增加至360 d, 水泥基胶结充填体的强度损伤程度逐渐提高，抗压强度和弹性模量呈先快后慢的下降趋势。适当提高料浆质量分数有利于提升充填体力学性能，然而强烈的腐蚀作用对强度的影响程度更加明显。

(2) 开展CT扫描获取了不同腐蚀时间下胶结充填体试件的二维横截面图像，通过图像分析得出，随腐蚀时间增加，试件面裂隙率的提升速率先快后慢，两者呈典型的指数型关系。抗压强度和面裂隙率之间存在明显的负线性关系，说明试件的宏观力学性能与细观裂隙指标的相关性较高，采用CT图像能够合理预测胶结充填体的力学损伤程度。

(3) 通过观察试件中胶结物的显微结构发现，在盐卤溶液环境中，腐蚀性离子与充填体中的胶结物发生化学反应，尾砂颗粒的接触关系发生改变，微观孔隙不断扩张，导致水化产物黏结程度下降，最终引起结构强度的弱化。因此，在实际工程中，应对滨海地区的矿山充填矿柱进行表面防护，降低盐卤腐蚀的损伤程度，进而提高其耐久性。

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文章来源:魏姗,丁明磊.盐卤腐蚀环境中胶结充填体的强度演化与细观损伤机理[J].矿业研究与开发,2023,43(12):112-117.