新型減水劑改善充填料漿性能試驗(yàn)研究

史采星，郭利杰，許文遠(yuǎn)

（北京礦冶研究總院，北京 100160）

新型減水劑改善充填料漿性能試驗(yàn)研究

史采星，郭利杰，許文遠(yuǎn)

（北京礦冶研究總院，北京 100160）

為了解決目前凡口鉛鋅礦因溢流尾砂充填料漿濃度偏低而導(dǎo)致的水泥單耗高、充填體強(qiáng)度偏低等問(wèn)題，本文采用新型減水劑改善料漿流變性能，提高溢流尾砂料漿的輸送濃度及管道輸送性能。開展了基于新型減水劑的料漿擴(kuò)散度、流變?cè)囼?yàn)及充填材料配比試驗(yàn)。試驗(yàn)表明采用新型減水劑可明顯改善充填料漿的流動(dòng)性，對(duì)充填體強(qiáng)度產(chǎn)生有益影響。最終確定最優(yōu)配比料漿的濃度為66%、灰砂比為1∶6，節(jié)灰率達(dá)15.4%，充填體7d單軸抗壓強(qiáng)度提高率為42.4%，充填體28d單軸抗壓強(qiáng)度提高率為15.2%，實(shí)現(xiàn)充填成本降低了為4%，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益及推廣應(yīng)用的意義。

新型減水劑；流變性能；溢流尾砂；節(jié)灰率

尾砂是礦山選礦后必然產(chǎn)生的剩余物，由于其粒徑小，具有較大的比表面積，因而存在脫水困難、工程性質(zhì)差的特點(diǎn)［1］。目前凡口鉛鋅礦尾砂粒級(jí)越來(lái)越細(xì)，尤其是溢流尾砂，－74μm的尾砂含量達(dá)97.95%。利用溢流尾砂充填，充填料漿濃度限制在60%濃度左右，濃度較大的充填料漿因?yàn)槌矶茸兇?，?huì)導(dǎo)致充填料漿的流動(dòng)性變差而無(wú)法實(shí)現(xiàn)自流輸送。充填濃度低導(dǎo)致了充填體強(qiáng)度偏低、充填成本高等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了企業(yè)發(fā)展，成為凡口鉛鋅礦亟待解決的重大問(wèn)題。

為提高溢流尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度，在不增大灰砂比的前提下，提高充填料漿的濃度，并且能夠保證充填料漿的流動(dòng)性是解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵。為了改善混凝土的工作性能，提高混凝土強(qiáng)度，國(guó)內(nèi)外廣泛研究應(yīng)用各類添加劑，如早強(qiáng)劑、外加劑、增強(qiáng)劑、泵送劑等。近些年來(lái)，在礦山充填技術(shù)領(lǐng)域，無(wú)論是高濃度料漿充填還是膏體充填，都開始研究和使用混凝土外加劑。為了解決目前凡口鉛鋅礦細(xì)粒級(jí)尾砂充填料漿濃度偏低導(dǎo)致水泥單耗高，充填體強(qiáng)度偏低等問(wèn)題，本項(xiàng)目探索采用新型減水劑提高充填料漿濃度的可行性。因此筆者在實(shí)驗(yàn)室對(duì)凡口溢流細(xì)粒級(jí)尾砂進(jìn)行了基于新型減水劑的料漿擴(kuò)散度試驗(yàn)、料漿流變?cè)囼?yàn)及充填材料配比試驗(yàn)，綜合評(píng)價(jià)新型減水劑對(duì)于促進(jìn)或提高料漿流動(dòng)性能的效果［2－3］。

1 減水劑作用原理

新型減水劑屬于陰離子表面活性劑，分子結(jié)構(gòu)包括親水基和憎水基。憎水基團(tuán)吸附于水泥顆粒的表面，親水基團(tuán)和水分子相結(jié)合，從而構(gòu)成了單分子或多分子吸附膜。減水劑分子的定向吸附使水泥分子表面帶有相同的電荷，在同性電荷的排斥力作用下，使得在水泥水化初期形成的絮凝結(jié)構(gòu)解體，將絮狀結(jié)構(gòu)內(nèi)包裹的水釋放出來(lái)，從而達(dá)到了減水的目的。同時(shí)由于減水劑中的親水基團(tuán)和水分子以氫鍵的形式結(jié)構(gòu)，該作用力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于減水劑分子與水泥之間的結(jié)合力，這就使水泥顆粒表面形成一層穩(wěn)定的水膜，從而阻礙了水泥顆粒間的接觸，并起到了潤(rùn)滑作用。減水劑的這種吸附、分散、潤(rùn)滑作用，改善了充填料漿的流動(dòng)性能［4］。

2 充填物料物化性質(zhì)研究

充填材料基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)試主要包括尾砂物理參數(shù)（容重、密度、孔隙率）、尾砂化學(xué)元素分析、尾砂粒級(jí)組成、充填工業(yè)用水化學(xué)組成等。

2.1 尾砂基本物理參數(shù)

尾砂基本物理參數(shù)包括密度、容重、孔隙率，密度及容重分別采用比重瓶法及堆積法測(cè)定，試驗(yàn)根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)T0112－1993測(cè)得。尾砂基礎(chǔ)物理參數(shù)見表1。

表1 尾砂基礎(chǔ)物理參數(shù)表

2.2 尾砂化學(xué)成分

對(duì)凡口的溢流細(xì)砂進(jìn)行了化學(xué)成分分析，其元素定量分析結(jié)果見表2。

表2 凡口溢流細(xì)砂元素定量分析結(jié)果表

從化學(xué)元素定量分析結(jié)果可以看出，凡口溢流尾砂中主要非金屬氧化物為SiO2，含量為25.37%；主要金屬元素及其氧化物為CaO、Fe、FeO、Al2O3、K2O，其他金屬元素含量較低。由試驗(yàn)結(jié)果可以得出，凡口尾砂中SiO2、Al2O3的含量較高，是一種比較好的惰性材料，且含有大量的CaO、FeO和一定量的MgO成分，有利于充填體的膠結(jié)性能發(fā)展，但尾砂中S含量較高，不利于充填體強(qiáng)度發(fā)展及充填體整體質(zhì)量。

2.3 尾砂粒級(jí)組成

粒級(jí)組成分析用于測(cè)定尾砂顆粒組成尺寸及含量，利用激光粒度分析儀，根據(jù)激光與顆粒之間相互作用的光散射原理（Fraunhofer衍射理論和Mie光散射理論等），得到激光探測(cè)到的顆粒粒徑及其分布。粒級(jí)組成見表3，粒級(jí)組成曲線見圖1。

凡口溢流細(xì)砂d10＝1.487μm，d50＝9.384μm，d90＝38.387μm，粒級(jí)組成不均勻系數(shù)為8.76。分級(jí)尾砂與溢流細(xì)砂的級(jí)配效果均一般。

表3 凡口溢流細(xì)砂粒級(jí)組成

2.4 充填用水化學(xué)元素組成

充填用水化學(xué)性質(zhì)分析采用ICP半定量分析，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

從表3可以看出，在檢測(cè)精度范圍內(nèi)，充填用水中含有較多的金屬元素Ca，少量的Mg、Zn，含量分別為0.14g/L、0.025g/L、0.006g/L，其他金屬元素含量很低。

3 充填料漿流變特性試驗(yàn)

充填料漿流變特性試驗(yàn)主要包括充填料漿擴(kuò)散度試驗(yàn)和流變?cè)囼?yàn)，從兩個(gè)方面探索新型減水劑對(duì)凡口溢流尾砂膠結(jié)充填料漿的流動(dòng)特性。

3.1 充填料漿擴(kuò)散度試驗(yàn)

圖1 粒級(jí)組成曲線

表4 充填用水化學(xué)元素分析結(jié)果

擴(kuò)散度試驗(yàn)是適應(yīng)高流動(dòng)性拌合物的開發(fā)和應(yīng)用而出現(xiàn)的，是一種能夠反映拌合物的變形能力和變形速度的試驗(yàn)方法，主要是為了掌握充填料漿流動(dòng)性、并輔以直觀經(jīng)驗(yàn)評(píng)定粘聚性和保水性。本試驗(yàn)主要是探索不同摻加量下的新型減水劑對(duì)充填料漿流動(dòng)性能的影響規(guī)律。由于凡口溢流尾砂比一般礦山所用充填尾砂細(xì)，當(dāng)充填料漿濃度越高，達(dá)到某一所需的新型減水劑的量就越多。試驗(yàn)結(jié)果見表5。

從表5中可知，充填料漿在濃度與灰砂比相同的條件下，砂漿的擴(kuò)散度值與外加劑的摻量成正比關(guān)系，即砂漿的擴(kuò)散度隨外加劑摻量的增加而增大。具體變化趨勢(shì)見圖2。

3.2 充填料漿流變?cè)囼?yàn)

流體在受到外部剪切力作用時(shí)發(fā)生流動(dòng)變形，內(nèi)部相應(yīng)產(chǎn)生對(duì)變形的抵抗，并以內(nèi)摩擦的形式表現(xiàn)出來(lái)。這是流體的一種固有物理屬性，稱之為粘滯性或粘性。根據(jù)不同的流變性能，可將流體分為牛頓流體和非牛頓流體。

牛頓流體的剪切應(yīng)力與速度梯度呈線性關(guān)系，用式（1）表示。

式（1）又稱為牛頓剪切應(yīng)力公式，式中的比例系數(shù)μ代表流體粘滯性的物理量，反映了流體內(nèi)摩擦力的大小，稱為流體的動(dòng)力粘性系數(shù)。如果式（1）的函數(shù)關(guān)系是非線性的，所描述的流體就被稱為非牛頓流體。對(duì)于非牛頓型流體，人們提出了幾個(gè)描述內(nèi)摩擦特性的流變方程模型，譬如Ostwald—dewaele冪律模型、Ellis模型、Carreau模型、Bingham 模型等［5－6］。

表5 凡口溢流細(xì)尾砂充填料漿擴(kuò)散度試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)采用美國(guó)Brookfield公司的新型流變儀，使用槳式轉(zhuǎn)子測(cè)定不同條件下料漿的流變性能。在濃度相同、灰砂比1∶4的條件下，充填料漿流變曲線見圖3?；疑氨葹?∶5、1∶6時(shí)有類似規(guī)律。

從圖3中可以看出，與未添加新型減水劑的料漿相比，添加減水劑后的料漿剪切應(yīng)力、表觀黏度顯著降低，且隨著減水劑添加量的增加，屈服應(yīng)力逐漸降低。

將以上曲線進(jìn)行擬合，得到的擬合數(shù)學(xué)模型見表6。從中可以發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)配比的充填料漿符合賓漢姆流體模型，隨著剪切速率的增大，充填料漿黏度下降，屬于剪切變稀流體。添加減水劑后，料漿的流體性質(zhì)并未發(fā)生改變，仍屬于剪切變稀流體，料漿的剪切應(yīng)力、表觀黏度與砂灰比、濃度之間的變化規(guī)律與不添加外加劑時(shí)保持一致。但存在個(gè)別現(xiàn)象，60%濃度的充填料漿在加入2%的添加劑后呈赫切爾－巴爾克（HB）模型，且由于流體特性指數(shù)小于1，屬于假塑性或剪切變稀流體。

圖2 不同濃度的充填料漿在相同砂灰比下擴(kuò)散度值隨外加劑不同摻量變化規(guī)律

圖3 灰砂比1∶4時(shí)不同濃度充填料漿隨添加劑摻量變化規(guī)律

表6 灰砂比1∶4時(shí)流變曲線擬合結(jié)果

4 充填料漿配比試驗(yàn)

本試驗(yàn)主要是探索不同摻量下的新型減水劑對(duì)充填料漿不同配比的強(qiáng)度影響規(guī)律，達(dá)到為不同濃度的充填料漿選擇合適的減水劑添加量的目的。試驗(yàn)結(jié)果見表7（略去灰砂比1∶4與1∶5的試驗(yàn)結(jié)果）。

從表7可以發(fā)現(xiàn)，充填體的單軸抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增長(zhǎng)，均有不同程度的增長(zhǎng)。無(wú)論添加外加劑與否，在外加劑摻量、養(yǎng)護(hù)齡期與濃度相同的條件下充填體單軸抗壓強(qiáng)度從整體上表現(xiàn)為隨砂灰比的增大而減小。另外充填料漿中加入新型減水劑后對(duì)其強(qiáng)度略有影響，總體上表現(xiàn)為對(duì)充填體的強(qiáng)度產(chǎn)生有益影響，但不會(huì)有質(zhì)的改變。影響規(guī)律見圖4。

5 經(jīng)濟(jì)比較分析

根據(jù)2014年上半年的充填數(shù)據(jù)分析可知，凡口溢流尾砂充填的平均濃度為60%左右，灰砂比為1∶4。以該配比的充填料漿的流變特性、強(qiáng)度為基準(zhǔn)，對(duì)比分析不同配比料漿在新型減水劑摻量不同的情況，統(tǒng)計(jì)出水泥單耗降低、7d與28d充填體抗壓強(qiáng)度增加的料漿配比見表8。

由表8的數(shù)據(jù)可對(duì)充填成本進(jìn)行比較（只考慮水泥與添加劑的成本）。成本對(duì)比見表9。

從表9可知，在現(xiàn)場(chǎng)室內(nèi)試驗(yàn)的配比范圍內(nèi)，充填料漿中加入新型減水劑后，部分配比充填料漿的節(jié)灰率、抗壓強(qiáng)度提高，但最終的成本會(huì)上升。

最終篩選出料漿濃度為66%、灰砂比為1∶6時(shí)，節(jié)灰率達(dá)15.4%，7d單軸抗壓強(qiáng)度提高率為42.4%，28d單軸抗壓強(qiáng)度提高率為15.2%，成本降低率為4%。

表7 新型添加劑對(duì)充填體強(qiáng)度影響試驗(yàn)結(jié)果（灰砂比1∶4）

表8 新型減水劑對(duì)充填料漿有益影響統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表9 添加外加劑成本對(duì)比

圖4 各濃度料漿在灰砂比相同時(shí)強(qiáng)度隨添加劑摻量變化規(guī)律

6 結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)凡口溢流尾砂充填料漿在添加新型減水劑時(shí)可顯著提高充填料漿流動(dòng)性，砂漿的擴(kuò)散度值隨減水劑摻量的增加而增大。不同濃度的充填砂漿，若要達(dá)到一定的流動(dòng)性，對(duì)減水劑的摻量要求不同。充填料漿中加入新型減水劑后對(duì)其強(qiáng)度略有影響，總體上表現(xiàn)為對(duì)充填體的強(qiáng)度產(chǎn)生有益影響，但不會(huì)有質(zhì)的改變。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，當(dāng)料漿濃度為66%、灰砂比為1∶6時(shí)，可達(dá)到目前凡口鉛鋅礦利用溢流細(xì)砂充填的要求，此時(shí)可使?jié)舛忍岣?%，節(jié)灰率達(dá)15.4%，7d單軸抗壓強(qiáng)度提高率為42.4%，28d單軸抗壓強(qiáng)度提高率為15.2%，成本降低率為4%，可為礦山帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益，具有一定的推廣應(yīng)用的意義。

［1］解偉，隋利軍，何哲祥.基于采礦充填的尾礦處置技術(shù)應(yīng)用前景［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2008，34（8）：37－39.

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Experimental study on properties of the new－reducer improved the filling slurry

Shi Cai－xing，GUO Li－jie，XU Wen－yuan
（Beijing General Research Institute of Mining ＆ Metallurgy，Beijing 100160，China）

In order to solve the problem of high cement unit consumption and the low strength of the filling body caused by the low density of overflow tailings filling slurry in Fankou Lead－Zine mine.In this paper，we used a new water－reducer to improve the slurry rheological performance，the filling slurry transportation density and the transportation pipeline characteristic.The filling slurry test、rheological test and filling material proportion test based on the new water－reducer were conducted.The results show that the new water－reducer can significantly improve the filling slurry flowing ability and benefit the strength of the filling body.Finally the optimum technological conditions were determined as following：the optimal ratio of slurry density is 66%and the cement－sand ratio is 1∶6，in which the cement reduce rate reaches 15.4%，the uniaxial compressive strength increases 42.4%of 7 days and 15.2%of 28 days，cost reduced by 4%.It can bring a certain economic benefit for mine and has popularization and application value.

the new water－reducer；rheological properties；overflow tailings；cement reduce rate

史采星（1987－），男，碩士，助理工程師，主要從事礦山充填技術(shù)研究工作。

TD853

A

1004－4051（2014）S2－0209－06

2014－10－09

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目資助（編號(hào)：2013BAB02B02）；國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目資助（編號(hào)：2014DFR70340）