萘系減水劑對(duì)凡口礦尾砂充填料漿性能影響研究

杜向紅, 史采新, 吳 璟

(深圳市中金嶺南有色金屬股份有限公司凡口鉛鋅, 廣東韶關(guān) 512325)

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萘系減水劑對(duì)凡口礦尾砂充填料漿性能影響研究

杜向紅, 史采新, 吳 璟

(深圳市中金嶺南有色金屬股份有限公司凡口鉛鋅, 廣東韶關(guān) 512325)

針對(duì)凡口鉛鋅礦03尾砂充填料漿濃度偏低而導(dǎo)致水泥單耗高，充填體強(qiáng)度偏低等問(wèn)題，開(kāi)展了03尾砂的基本物理化學(xué)性質(zhì)分析、添加萘系減水劑的充填料漿的流動(dòng)性能試驗(yàn)及充填材料配比室內(nèi)試驗(yàn)。試驗(yàn)表明萘系減水劑的分散、潤(rùn)滑作用可明顯改善03尾砂充填料漿的流動(dòng)性，并且能夠使水泥水化反應(yīng)更完全，產(chǎn)生更多的水化產(chǎn)物。同時(shí)，在確保03尾砂充填料漿流動(dòng)性能的條件下，可將03尾砂充填料漿的濃度由60%提高至66%，進(jìn)而可提高充填體強(qiáng)度，對(duì)凡口鉛鋅礦具有重要意義。

萘系減水劑；流動(dòng)性能；擴(kuò)散度；屈服應(yīng)力；抗壓強(qiáng)度

有色金屬固廢排放與資源化消納是礦山亟待解決的重大問(wèn)題，已成為制約我國(guó)礦產(chǎn)資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用與礦業(yè)健康發(fā)展的瓶頸。有色固廢膠結(jié)充填技術(shù)不僅能夠有效控制固廢排放物對(duì)大氣、土地、水源的污染，減少占地面積，提高土地的利用率，而且將固廢材料充填采空區(qū)還可防止地表的塌陷，提高礦石的回收率[1]。目前，有色金屬礦山的固廢排放主要是尾砂的堆存，隨著開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展，礦山生產(chǎn)能力近年來(lái)有了較大的提升，尾砂堆存量也逐漸增多，堆積在礦山附近的尾砂，對(duì)礦山企業(yè)安全生產(chǎn)有一定的安全威脅。在新形勢(shì)下，環(huán)保部門提出將無(wú)廢料開(kāi)采、無(wú)尾礦排放、無(wú)廢水外排的新型“三無(wú)”礦山作為冶金礦山發(fā)展的方向，無(wú)尾礦排放就要求對(duì)尾砂進(jìn)行高效的回收利用[2-3]。

提高充填料漿的濃度是提高尾砂利用率的有效途徑之一，其決定了充填料漿的管道輸送性能與充填體的強(qiáng)度，因此是影響充填效率的重要因素。實(shí)踐證明：提高充填料漿的輸送濃度是提高充填體質(zhì)量、降低充填成本的有效途徑。但是料漿的輸送性能與輸送濃度成反比，即當(dāng)料漿的濃度提高時(shí)，必然會(huì)降低料漿的流動(dòng)性，這樣將影響到料漿的順利輸送。因此在提高料漿濃度的同時(shí)，如何獲得充填工藝要求高濃度料漿的良好流動(dòng)特性成為高濃度充填或膏體充填的重要課題[4]。

為了改善砂漿的工作性能，提高充填體的強(qiáng)度，國(guó)內(nèi)外廣泛研究應(yīng)用各類添加劑，如早強(qiáng)劑、減水劑、增強(qiáng)劑、泵送劑、緩凝劑、塑化劑、起泡劑等[5]。

凡口鉛鋅礦沿礦體走向建有4座充填站，6套充填系統(tǒng)，其中攪拌樓03細(xì)尾砂充填系統(tǒng)充填材料采用尾砂分級(jí)后的溢流細(xì)砂，-74 μm的尾砂含量達(dá)95%以上，屬于極細(xì)粒級(jí)尾砂，限制了充填料漿濃度的提高。根據(jù)凡口鉛鋅礦充填質(zhì)監(jiān)站2014年充填統(tǒng)計(jì)情況，該系統(tǒng)充填料漿的平均充填質(zhì)量濃度僅60%左右，稍高的充填料漿濃度由于稠度大，不易輸送，會(huì)導(dǎo)致攪拌桶滿桶事故。較低的充填料漿濃度也限制了充填體的強(qiáng)度，嚴(yán)重影響了企業(yè)安全高效生產(chǎn)。面對(duì)凡口03充填系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在問(wèn)題，凡口鉛鋅礦技術(shù)中心探索研究了萘系減水劑對(duì)03尾砂充填料漿性能的影響，通過(guò)開(kāi)展添加萘系減水劑的充填料漿的流動(dòng)性能試驗(yàn)及充填材料配比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)萘系減水劑可明顯改善充填料漿的性能，能夠?qū)崿F(xiàn)提高充填料漿濃度、降低水泥單耗、提高充填體強(qiáng)度的目的。

1 充填材料基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)試與分析

試驗(yàn)采用03尾砂取經(jīng)自經(jīng)圓盤(pán)過(guò)濾機(jī)過(guò)濾后產(chǎn)生的尾砂，根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程T0112-1993測(cè)得的尾砂主要物理參數(shù)見(jiàn)表1，利用電感耦合等離子光譜發(fā)生儀測(cè)得的03尾砂化學(xué)成分及含量見(jiàn)表2，利用激光粒度分析儀測(cè)得的尾砂粒級(jí)組成見(jiàn)圖1.

表1 尾砂主要物理參數(shù)

圖1 03尾砂粒級(jí)組成曲線

膠凝材料：海螺P.O.42.5R級(jí)水泥。

試驗(yàn)用水：采用充填用水。

表2 03尾砂化學(xué)成分及含量

2 充填料漿擴(kuò)散度試驗(yàn)研究

表征充填料漿輸送性能的方法及參數(shù)有多種，如利用擴(kuò)散筒測(cè)試擴(kuò)散度值、利用坍落度筒測(cè)試坍落度值、擴(kuò)展度值，利用流變儀測(cè)試的流變參數(shù)等。由于03尾砂充填料漿達(dá)不到膏體性態(tài)，因此利用坍落度筒測(cè)試的意義不大，本試驗(yàn)采用簡(jiǎn)單、易用的“擴(kuò)散筒法”，其試驗(yàn)結(jié)果比較直觀，可通過(guò)簡(jiǎn)單對(duì)比反映充填料漿的流動(dòng)性能。測(cè)定擴(kuò)散度主要是為了掌握充填料漿流動(dòng)性能、并輔以直觀經(jīng)驗(yàn)評(píng)定粘聚性和保水性，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[6]。在本次試驗(yàn)中，主要是研究不同濃度與灰砂比的03尾砂充填料漿在摻加不同數(shù)量萘系減水劑的情況下的流動(dòng)規(guī)律。依據(jù)試驗(yàn)前的探索試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同濃度與灰砂比的03尾砂充填料漿達(dá)到某一流動(dòng)性時(shí)所需的萘系減水劑的數(shù)量有明顯差異，具體試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表3.

擴(kuò)散度試驗(yàn)方法是采用小型擴(kuò)散筒在一塊標(biāo)有刻度的玻璃上進(jìn)行，其圓柱擴(kuò)散筒上下口徑分別為8.0cm，筒高8.0cm。

試驗(yàn)步驟：首先用抹布把擴(kuò)散筒內(nèi)壁及邊緣擦拭干凈，并將其放在水平、整潔、帶有刻度尺的玻璃板上，將配比好的充填料漿從圓柱擴(kuò)散筒上口倒入，用鋼尺將上口刮平后，迅速將擴(kuò)散筒垂直提起，充填料漿將在玻璃板上擴(kuò)散形成一個(gè)圓，通過(guò)測(cè)定二個(gè)垂直方向的圓直徑，其平均值即為該料漿的擴(kuò)散度。如圖2所示。

圖2 充填料漿擴(kuò)散度試驗(yàn)過(guò)程

凡口03尾砂充填料漿擴(kuò)散度試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3.

表3 03尾砂充填料漿擴(kuò)散度試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果 單位cm

由試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)不添加新型減阻劑時(shí)，在灰砂比比一定的條件下，充填料漿擴(kuò)散度隨著濃度的增加而減小。在濃度與砂灰比相同的條件下，充填料漿的擴(kuò)散度隨減水劑摻量的增加而增大。相同濃度與灰砂比的03尾砂充填料漿隨減水劑摻量的變化規(guī)律如圖3所示。

萘系減水劑能夠提高03尾砂充填料漿的流動(dòng)性主要是因?yàn)檩料禍p水劑是一種表面陰離子表面活性劑，屬于高分子化合物，分子結(jié)構(gòu)的一端為親水基團(tuán)，另一端為憎水基團(tuán)，這決定了萘系減水劑具備分散作用與潤(rùn)滑作用。分散作用體現(xiàn)在憎水基團(tuán)使得減水劑分子吸附于水泥顆粒的表面，形成單分子或多分子的吸附膜，從而使水泥顆粒表面帶上負(fù)電荷，形成了靜電排斥現(xiàn)象，從而使水泥顆粒分散，破壞了水泥顆粒間的絮凝結(jié)構(gòu)，將水泥顆粒間包裹的水分子析出，參與漿體的流動(dòng)性，達(dá)到有效增加充填料漿流動(dòng)性的目的[5]。而萘系減水劑的親水基團(tuán)的極性很強(qiáng)，與水分子以氫鍵的結(jié)構(gòu)存在，使在水泥顆粒的表面形成的吸附膜與水分子結(jié)合成能溶劑化水膜，這層水膜不僅穩(wěn)定而且具有潤(rùn)滑作用，能有效降低水泥顆粒間的滑動(dòng)阻力，從而使充填料漿的流動(dòng)性進(jìn)一步的提高[7-8]。萘系減水劑具備的梳型結(jié)構(gòu)，以及氨基等側(cè)鏈，具有一定的鏈長(zhǎng)，具有較好的枝化程度，當(dāng)親水性的支鏈伸展于水溶液時(shí)，會(huì)在水泥顆粒表面形成一定厚度的親水性立體吸附層。當(dāng)

圖3 03尾砂充填料漿擴(kuò)散度值隨減水劑不同摻量變化規(guī)律

水泥顆?？拷鼤r(shí)，吸附層會(huì)發(fā)生重疊，即在水泥顆粒間產(chǎn)生空間位阻作用，重疊越多，空間位阻斥力就會(huì)越大，對(duì)水泥顆粒間凝聚作用的阻礙也越大，從而保證了充填料漿的和易性[9]。

3 充填料漿流變?cè)囼?yàn)研究

依據(jù)流體力學(xué)相關(guān)研究，將某一剪切力作用在流體的外部時(shí)，流體會(huì)發(fā)生流動(dòng)變形。相應(yīng)的在作用力與反作用力的影響下，流體的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生抵抗行為，表現(xiàn)形式為內(nèi)摩擦，專家將這一行為成為流體的粘滯性或粘性，是流體所固有的物理屬性。依據(jù)流變性能的不同，流體分為牛頓流體和非牛頓流體[5]。反應(yīng)流變性能的參數(shù)有粘性系數(shù)與屈服應(yīng)力，當(dāng)剪切應(yīng)力大于屈服應(yīng)力時(shí)，漿體即可發(fā)生流動(dòng)。

本試驗(yàn)利用美國(guó)Brookfield公司生產(chǎn)的流變儀測(cè)定不同濃度、不同灰砂比、不同萘系減水劑摻量下03尾砂充填料漿的流變參數(shù)，試驗(yàn)配比參數(shù)與擴(kuò)散度試驗(yàn)相同。通過(guò)屈服應(yīng)力的大小探索萘系減水劑對(duì)充填料漿流動(dòng)性能的影響。

流體的剪切應(yīng)力與剪切速率之間的變異關(guān)系用圖形表示則稱為流變曲線。流變特性測(cè)試的剪切速率范圍為0～120s-1，流變儀由低速檔開(kāi)始，逐漸增大，運(yùn)行120秒，每秒記錄一個(gè)讀數(shù)，然后由統(tǒng)計(jì)軟件顯示出各剪切速率下對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力，作出流變曲線。文章僅以灰砂比為1:4時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明，流變曲線見(jiàn)圖4.

圖4 灰砂比1:4時(shí)，03尾砂充填料漿隨減水劑摻量的流變曲線

由試驗(yàn)結(jié)果可知，03尾砂充填料漿添加萘系減水劑后，屈服應(yīng)力τ0即流變曲線縱坐標(biāo)截距，明顯要小于未加減水劑的屈服應(yīng)力，且隨著萘系減水劑摻量的越多，03尾砂充填料漿的屈服應(yīng)力越小，由此說(shuō)明萘系減水劑的加入有利于改善料漿的流動(dòng)性，且流動(dòng)性能的優(yōu)良與萘系減水劑的摻量成正比，與擴(kuò)散度試驗(yàn)結(jié)論互相印證。

4 充填材料配比試驗(yàn)研究

本試驗(yàn)主要是探索不同摻加量下的萘系減水劑對(duì)03尾砂充填料漿不同配比的影響規(guī)律。試驗(yàn)配比參數(shù)與上述試驗(yàn)相同，按照設(shè)定的參數(shù)稱量尾砂、水泥、萘系減水劑、水等充填材料，并倒入混合容器中攪拌均勻，使用UJZ—15型行星式水泥膠砂攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，形成均勻的充填料漿后倒入長(zhǎng)×寬×高：7.07×7.07×7.07cm的標(biāo)準(zhǔn)三聯(lián)充填試模制作試塊。在48h內(nèi)進(jìn)行脫模并放入養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28d后用NYL-300D型壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)其單軸抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4.

表4 充填材料配比試驗(yàn)結(jié)果 單位：Mpa

在充填料漿濃度與砂灰比相同時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度隨萘系減水劑不同摻量的變化規(guī)律見(jiàn)圖5.

由圖5中可知，03尾砂充填料漿中加入萘系減水劑后對(duì)其充填體強(qiáng)度整體上是隨減水劑摻量的增加略有增大，主要原因是由于萘系減水劑屬于高分子化合物，具有鏈長(zhǎng)，枝化程度好，對(duì)充填材料之間的分散具有顯著的作用，能夠使尾砂團(tuán)中包裹的自由水析出，從而加大了水泥的水化程度，產(chǎn)生了更多的水化產(chǎn)物，因此摻量的增加有利于充填體強(qiáng)度的增加。但影響程度很小，不會(huì)使03尾砂充填體單軸抗壓強(qiáng)度發(fā)生本質(zhì)上的改變。

由研究結(jié)果可知，凡口03細(xì)尾砂在不同摻量萘系減水劑的條件下，在保證輸送性能的前提下，可提高03尾砂充填料漿的濃度，進(jìn)而可提高充填體強(qiáng)度，對(duì)目前凡口鉛鋅礦具有重要意義。

圖5 萘系減水劑對(duì)充填體強(qiáng)度的影響規(guī)律

5 結(jié)論

針對(duì)凡口鉛鋅礦03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)目開(kāi)展了03尾砂的基本物理化學(xué)性質(zhì)分析、添加萘系減水劑的的充填料漿的流動(dòng)性能及充填材料配比室內(nèi)試驗(yàn)。得出以下結(jié)論：

1)萘系減水劑可明顯改善03尾砂充填料漿的流動(dòng)性。在濃度與砂灰比相同的條件下，充填料漿的擴(kuò)散度隨減水劑摻量的增加而增大。

2)03尾砂充填料漿添加萘系減水劑后，屈服應(yīng)力τ0明顯要小于未加減水劑的充填料漿的屈服應(yīng)力，且隨著萘系減水劑摻量的越多，03尾砂充填料漿的屈服應(yīng)力越小。

3)由于萘系減水劑的分散作用，使水泥的水化反應(yīng)更加充分，產(chǎn)生了更多的水化產(chǎn)物，使得03尾砂充填料漿中加入萘系減水劑后對(duì)其充填體強(qiáng)度整體上是隨減水劑摻量的增加略有增大。但影響程度很小，不會(huì)使03尾砂充填體單軸抗壓強(qiáng)度發(fā)生本質(zhì)上的改變。

4)萘系減水劑能夠確保高濃度03尾砂充填料漿流動(dòng)性能的同時(shí)，顯著提高充填料漿濃度與充填體強(qiáng)度，對(duì)目前凡口鉛鋅礦具有重要意義。

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On Naphthalene Water-reducer Performance Effects to Backfilling Slurry of Fankou Lead-zinc Mine

DU Xianghong, SHI Caixin, WU Jing

(Shenzhen Zhongjin Lingnan Nonfemet Company Limited Fankou Lead-zinc Mine,Shaoguan,Guangdong 512325)

Refer to the problems of Fankou Lead-Zinc Mine, the low volume of cement consumption resulting from the low concentration of 03 backfilling filling slurry and the low intensity of filling body, a series of experiments have been carried out, such as the basic physico-chemical analysis of 03 backfilling, the filling pulp flow performance after adding naphthalene series water reducing agent test and the indoor test of filling materials mixing ratio. Experiments have showed that the dispersive action and lubrication action could improve the liquidity of 03 filling slurry obviously. At the same time, the cement hydration reaction could be more complete thus producing more hydration products. Meanwhile, Under the condition of the favourable liquidity of 03 filling slurry, the concentration of 03 backfilling filling slurry increases from 60% to 66%, further improving the strength of the filling body. It has very important effects on Fankou Lead-Zinc Mine.

Naphthalene water-reducer; flow performance; diffusion degree; yield stress; compressive strength

杜向紅(1971-)，男，工程師，長(zhǎng)期從事礦山技術(shù)工作。

TD

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