尾礦膏體流變學參數(shù)試驗方法

尾礦膏體流變學參數(shù)試驗方法

郭亞兵1，徐鼎2

(太原科技大學環(huán)境與安全學院，太原 030024)

摘要：在圓柱體塌落度試驗數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，利用不同的尾礦樣品，對不同直徑、不同高度的圓柱體進行了塌落度試驗研究，同時利用HAAKEVT550粘度計對相應的屈服應力進行了精確測定。通過兩種結(jié)果的比較，揭示了塌落度圓柱體尺寸的變化對屈服應力的影響。同時顯示了直徑為Φ50 mm、Φ70 mm的塌落度試驗圓柱體的高度為100 mm時，其屈服應力值與粘度計非剪切屈服應力值吻合良好。在此基礎(chǔ)上，利用直徑為Φ50 mm、高度為100 mm的圓柱體對四種不同的尾礦樣品進行了塌落度與HAAKEVT550粘度計試驗分析，并對其結(jié)果進行了對比；結(jié)果表明了塌落度試驗所得到的屈服應力值與粘度計測定的精確屈服應力值吻合度良好。因此，可作為屈服應力測定的可靠手段。

關(guān)鍵詞：膏體；塌落度；粘度計測定；屈服應力

收稿日期：2015-03-13

基金項目：山西省攻關(guān)項目(20130313006-1)；山西省特色、重點學科建設(shè)項目(201214505)

作者簡介：郭亞兵(1958-)，男，副教授，主要研究方向為環(huán)境系統(tǒng)模擬仿真及沉降理論；徐鼎，碩士研究生，E-mail：yumu_123@163.com

中圖分類號：TD926文獻標志碼：A

隨著人類對地球環(huán)境生態(tài)的高度關(guān)注，對礦山尾礦的處置與堆放[1-4]越來越受到全世界各國的重視。由于目前礦山尾礦采用尾礦壩儲存，而尾礦壩存在著潛在的安全風險，尾礦壩的潰壩將會給人類生命安全及地球生態(tài)造成極大的破壞，因此，尾礦的地表堆放[5-6]成為一個可靠的方法。但尾礦地表堆放需要將尾礦漿液濃縮到膏體狀態(tài)[7-9]，而膏體的流變學特性[10-12]決定了膏體濃縮機的工藝設(shè)計及膏體的管道輸送設(shè)計。為了科學的設(shè)計膏體堆放系統(tǒng)，必須對膏體的流變學特性進行研究分析，確定膏體的流變學參數(shù)，為膏體濃縮系統(tǒng)及輸送系統(tǒng)設(shè)計提供理論依據(jù)。由于尾礦膏體作為一種非牛頓流體[13]，其流變學參數(shù)的測定需要流變儀或葉片式粘度儀等復雜的儀器設(shè)備，試驗成本高、攜帶較困難，不適宜進行現(xiàn)場測試。因此，塌落度試驗[14]就成為一種簡單易行的現(xiàn)場流變學參數(shù)測定的方法。

膏體的塌落度試驗提供了一種簡單而有效的測定膏體的流變學特性的方法，即通過測量膏體塌落度，從而決定膏體的屈服應力。這種方法不需要復雜的實驗裝置，要求的僅僅是一個圓柱筒和其它輔助裝置。塌落度試驗最初是用來對混凝土的使用性和濃度進行評估。Pashias等(1996)[14]將這種方法作為一種簡單的屈服應力測定的手段。他們根據(jù)Murata(1984)最初的理論和由Christensen(1991)修正后的理論，展示了屈服應力直接與塌落度相關(guān)，Pashias等的理論方法將在第二節(jié)進行詳細闡述。圓柱筒塌落度試驗采用的圓柱體的長徑比為2：1，試驗過程如下：(1)用尾礦膏體材料充滿圓柱筒，確保在膏體材料中不存在空氣泡；(2)小心提升圓柱筒，使膏體材料自由塌落直到平衡狀態(tài)；(3)測量由于塌落產(chǎn)生的高度變化，確定其塌落度[15]。盡管圓柱筒塌落度試驗已經(jīng)用于礦山尾礦膏體的流變學參數(shù)的測定，并且實踐證明了方法的有效性，但是對圓柱筒塌落度試驗的實踐應用，仍然存在很多問題，例如圓柱筒尺寸的影響、高度與筒徑之比等的影響；塌落度試驗數(shù)據(jù)與粘度計試驗數(shù)據(jù)的對應關(guān)系等，這些問題嚴重影響塌落度試驗數(shù)據(jù)的可靠性。本研究利用幾種尾礦懸浮液為實驗材料，采用不同尺寸的圓柱筒及HAAKEVT550粘度計對不同濃度的膏體進行流變學試驗及特性分析。通過將VT550粘度計所收集的數(shù)據(jù)與不同尺寸的圓柱筒得到的塌落度試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，揭示了塌落度圓柱體尺寸的變化對屈服應力的影響。同時顯示了直徑為Φ50 mm、Φ70 mm的塌落度試驗圓柱體的高度為100 mm時，其屈服應力值與粘度計非剪切屈服應力值吻合良好；在上述試驗分析基礎(chǔ)上，利用直徑為Φ50 mm、高度為100 mm的圓柱體對四種不同的尾礦樣品進行了塌落度與HAAKEVT550粘度計試驗分析，并對其結(jié)果進行了對比；結(jié)果表明了塌落度試驗所得到的屈服應力值與粘度計測定的精確屈服應力吻合度良好。因此，可作為屈服應力測定的可靠手段。

1圓柱筒塌落度理論模型

在塌落度試驗過程中，當圓柱筒被移除后，膏體通過自身的重量，上層的物料對下層物料進行壓縮，使下部的物料發(fā)生屈服，如圖1.作為塌落現(xiàn)象的結(jié)果，形成下部發(fā)生屈服，上部保持不變。屈服與沒有屈服部分的分界面假定是平面，在此平面以下的材料發(fā)生流動。原始高度變成最后的總高度(h)，由兩部分組成：屈服部分(h1)和沒有屈服部分(h0).在變形前的圓柱體上任取一個微元dz，變形后微元的厚度壓縮到dz1，如圖2所示。在變形階段假設(shè)所有水平面仍然是水平的。這樣所有發(fā)生屈服變形的微元僅做向外的相對運動。圖1扼要解釋了變形過程。

通過對壓縮后的微元體在h1高度內(nèi)積分，并通過幾何關(guān)系建立無量綱塌落度s′與無量綱屈服應力τ′之間的關(guān)系如下式(1).詳細的塌落度公式的推到過程見文獻[14].

(1)

圖1　塌落度實驗初始和最終狀態(tài)時的壓力分布

圖2　圓柱體提起后微元體的壓縮變形

2試驗方法及材料

2.1試驗儀器及材料

試驗研究采用了三組不同尺寸的PVC圓柱筒(Φ50 mm×80 mm、Φ50 mm×100 mm 、Φ50 mm×120 mm、Φ70 mm×80 mm、Φ70 mm×100 mm、Φ70 mm×120 mm、Φ90 mm×80 mm、Φ90 mm×100 mm、Φ90 mm×120 mm)作為塌落度試驗工具；一臺HAAKE VT550粘度計以及其它輔助設(shè)備。粘度計探頭采用FL100型葉片轉(zhuǎn)子；試驗樣品采用磁鐵礦尾礦，絮凝劑采用Rheomax 9010.

2.2實驗步驟

2.2.1樣品的準備

取2.3 kg的尾礦放入一個大容器中，加水9.2 L配置成10%重量濃度的漿液，加入30 g·t-1的Rheomax 9010離子型高分子絮凝劑并進行攪拌，使固體顆粒與絮凝劑充分接觸，進行絮凝反映；靜置12個小時后倒去上清液，得到滿足塌落度試驗濃度的樣品；從樣品中取出800 mL的尾礦泥漿放入1 L燒杯內(nèi)，并測定樣品的初始固體濃度；樣品的初始重量濃度為74.6%.

2.2.2粘度計測試

利用VT550流變儀可精確測定樣品的流變學參數(shù)，如粘度及屈服應力。VT550提供了多種粘度測定方法，同時提供了適合不同物料特性的流變曲線模型。本文采用了兩種測量方法：直接屈服應力法、流變曲線法。實驗過程及數(shù)據(jù)處理過程如下：第一種方法可直接得到樣品的屈服應力值；第二種方法形成一個環(huán)路，剪切速率從2 s-1開始到60 s-1結(jié)束，在60 s-1速率處持續(xù)5秒鐘，然后從60 s-1退回到2 s-1完成測量過程，并將數(shù)據(jù)保存為VT550數(shù)據(jù)文件。剪切速率上升的過程所得到的屈服應力為非剪切應力，剪切速率下降的過程所得到的屈服應力為剪切屈服應力。將樣品稀釋到一定濃度，重復上述過程。利用VT550數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進行處理，流變曲線模型選擇Bingham塑性模型。

2.2.3塌落度試驗

將配置好的尾礦樣品先后加入到規(guī)格為Φ50 mm×80 mm、Φ50 mm×100 mm 、Φ50 mm×120 mm、Φ70 mm×80 mm、Φ70 mm×100 mm、Φ70 mm×120 mm、Φ90 mm×80 mm、Φ90 mm×100 mm、Φ90 mm×120 mm圓柱筒中，進行塌落度實驗，用直尺測量圓柱筒和塌落后的物料之間的高度差，即塌落高度。將泥漿回收至燒杯中加水若干，攪拌均勻后重復上述測量過程，得到不同濃度的塌落高度。注意每一次加水攪拌均勻后都要測量一次泥漿濃度。重復上述步驟4次，測量不同濃度下的尾礦漿液的塌落高度。

3試驗結(jié)果與分析

3.1VT550流變儀數(shù)據(jù)分析

通過上述VT550粘度計獲得的試驗數(shù)據(jù)，利用RheoWin軟件進行數(shù)據(jù)處理；流變曲線模型采用Bingham塑性方程如下：

τ=τ0+ηγ

(2)

分別對上升曲線及下降曲線進行模型擬合，得到非剪切屈服應力和剪切后屈服應力及直接屈服應力，如圖3.

3.2塌落度試驗數(shù)據(jù)分析

對磁鐵礦尾礦樣品進行塌落度試驗，得到不同的塌落度試驗數(shù)據(jù)。利用公式(1)可以計算出樣品的無量綱屈服應力值。分別對不同直徑、不同高度的試驗數(shù)據(jù)進行比較；不同高度相同直徑的塌落度圓柱體試驗結(jié)果如圖4~圖6.不同直徑相同高度的圓柱體試驗結(jié)果如圖7~圖9.

結(jié)果顯示，當塌落度試驗圓柱體的高度相同，而直徑發(fā)生變化時，對無量綱屈服應力的有一定的影響。隨著直徑的增加，無量綱屈服應力有所增加，其最大誤差為0.025；對應的屈服應力為34.9 Pa，誤差為13%.當塌落度試驗圓柱體的直徑相同，而高度發(fā)生變化時，對應的無量綱屈服應力發(fā)生變化；無量綱屈服應力的大小為高度為80 mm的圓柱體得到最大的應力，120 mm圓柱體的應力值次之，100 mm高的圓柱體的應力值最小，其最大誤差為0.020 4，對應的屈服應力為32.5 Pa，誤差為12.3%.

圖3　VT550粘度計測試的精確屈服應力

圖4　高度為80 mm的圓柱體測試的屈服應力

圖5　高度為100 mm的圓柱體測試的屈服應力

圖6　高度為120 mm的圓柱體測試的屈服應力

圖7 Φ50 mm的圓柱體測試的屈服應力

圖8　Φ70 mm的圓柱體測試的屈服應力

3.3粘度計測試數(shù)據(jù)與塌落度數(shù)據(jù)的比較

為了確定最佳的塌落度圓柱體尺寸，將三組塌落度試驗得到的不同高度的屈服應力與HAAKEVT500粘度計得到的屈服應力進行比較，比較結(jié)果見圖11~圖12.結(jié)果顯示，直徑為Φ50 mm、Φ70 mm的塌落度試驗圓柱體的高度為100 mm時，其屈服應力值與粘度計非剪切屈服應力值吻和良好；而直徑為Φ90 mm的圓柱體在所有應力值都有較大的誤差。

根據(jù)上述分析，利用直徑為Φ50 mm、高度為100 mm的塌落度試驗圓柱體對四種不同的樣品進行了塌落度分析及粘度計測定。四種樣品分別選擇鐵礦尾礦、銅尾礦、氧化鋁尾礦及錫尾礦。鐵礦尾礦的固體密度為3.19 t·m-3，粒度分布為-200網(wǎng)目占71.96%；銅礦尾礦固體密度為2.66 tm-3，粒度分布為200網(wǎng)目占71.21%；氧化鋁尾礦固體密度為2.45 t·m-3，粒度分布為200網(wǎng)目占90.0%；錫尾礦的固體密度為2.89 t·m-3，粒度分

圖9　Φ90 mm的圓柱體測試的屈服應力

圖10　Φ50 mm塌落度數(shù)據(jù)與粘度計數(shù)據(jù)的比較

圖11　Φ70 mm塌落度數(shù)據(jù)與粘度計數(shù)據(jù)的比較

圖12　Φ90 mm塌落度數(shù)據(jù)與粘度計數(shù)據(jù)的比較

圖13　鐵尾礦塌落度及粘度計屈服應力

圖14　銅尾礦塌落度及粘度計屈服應力

圖15　氧化鋁尾礦塌落度及粘度計屈服應力

圖16　錫尾礦塌落度及粘度計屈服應力

布為200網(wǎng)目占85%.實驗結(jié)果比較分析如圖13~圖16.比較結(jié)果顯示塌落度試驗所得到的屈服應力值與粘度計測定的精確屈服應力吻合度良好，因此，可作為現(xiàn)場屈服應力的測定的可靠手段。

4結(jié)論

通過塌落度試驗及VT550粘度計對非牛頓流體，即尾礦膏體進行試驗研究，并將塌落度試驗數(shù)據(jù)與粘度計精確結(jié)果進行比較，揭示了不同直徑及不同高度的圓柱體對屈服應力的影響。同時得到不同尺寸的圓柱體所對應的粘度計測定的屈服應力。主要結(jié)論如下：

(1)圓柱體塌落度試驗作為一種簡單、易行的屈服應力測試方法，可在現(xiàn)場進行試驗。但粘度計測定的精確屈服應力值相比較，其測量結(jié)果存在一定的誤差，其最大誤差在10%左右，但可以滿足工業(yè)應用的需要，如膏體濃縮機的選型設(shè)計、輸送泵的選型等。

(2)圓柱體的直徑及高度對利用式(1)計算的無量綱屈服應力有一定的影響，無量綱屈服應力值的誤差在10%左右。

(3)直徑為Φ50 mm、Φ70 mm的塌落度試驗圓柱體的高度為100 mm時，其屈服應力值與粘度計非剪切屈服應力值吻合良好，因此可采用直徑為Φ50 mm、Φ70 mm，高度為100 mm的圓柱體作為現(xiàn)場塌落度試驗的重要手段。

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Testing Method on Rheological Factors of Tailings Paste

GUO Ya-bing，XU Ding

(School of Environment and Safety，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China)

Abstract：This paper studied the slump testing on different cylinder diameters and heights based on mathematics model of cylinder slump by using different tailing samples.A HAAKE VT550 viscometer was used for yield stress measurement，and the results were compared with slump yield stress.The comparison shows that the impact on yield stress is due to the variety of cylinder dimension.It also illustrated that the yield stress from slump test with cylinders of 50 mm，70 mm diameter and 100 mm height chimed well with that measured by HAAKE VT550 viscometer.Based on the above study，a cylinder of 50 mm diameter and 100 mm height and HAAKE VT550 viscometer were used to conduct slump tests and yield stress measurements.The results testified that yield stresses by slump tests were conformed to that from viscometer.The slump test can be a reliable method for yield stress measurement.

Key words：paste，slump tests，viscometer measurement，yield stress