高濃度全尾砂充填料漿流變特性試驗(yàn)研究

，， ，

(1.南華大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001； 2.河南理工大學(xué) 河南省礦產(chǎn)資源綠色高效開采與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454000)

高濃度全尾砂充填具有“全尾砂”和“高濃度”充填的雙重特征和優(yōu)勢(shì)，既避免了分級(jí)尾砂的細(xì)粒級(jí)尾砂二次排放，料漿又具有基本不泌水、不離析、不沉降的顯著優(yōu)點(diǎn)，是礦山充填的發(fā)展方向之一[1-3]。高濃度全尾砂充填技術(shù)的關(guān)鍵問題之一是料漿的管道輸送，料漿濃度、灰砂比等因素是作為衡量料漿能否進(jìn)行管道輸送及其難易程度的重要指標(biāo)。流變特性可由屈服應(yīng)力和黏度系數(shù)等來表征[4-5]。

高濃度充填料漿內(nèi)部的細(xì)顆粒具有相對(duì)較強(qiáng)的表面物理化學(xué)作用，產(chǎn)生“顆粒絮凝成團(tuán)”現(xiàn)象，形成具有一定抗剪切強(qiáng)度的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，此網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)與高濃度料漿所受的剪切速率及剪切時(shí)間有關(guān)。當(dāng)高濃度料漿所受的外力大于某臨界值時(shí)，料漿才表現(xiàn)其流動(dòng)的性質(zhì)，該臨界值即為屈服應(yīng)力。高濃度充填料漿一般被認(rèn)為是黏彈性的非牛頓流體，隨著剪切速率在不同的范圍內(nèi)變化，其黏度值也是不斷變化的[6-12]。因此，通過測(cè)定屈服應(yīng)力和黏度2個(gè)參數(shù)，對(duì)于評(píng)價(jià)高濃度充填料漿的流變特性有重要的意義。

1 料漿流變參數(shù)測(cè)試方案

1.1 試驗(yàn)材料

圖1 全尾砂粒度分布曲線Fig.1 Granularity distribu- tion curve of full tailings

試驗(yàn)用尾砂取自某鉛鋅礦，尾砂密度2 550 kg/m3，容重1 720 kg/m3，孔隙率33.5%，尾砂中可回收金屬含量相對(duì)較低，不含或者含有少量的有毒有害元素。尾砂的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，其粒徑組成利用LS13320激光粒度分析儀測(cè)試獲得，如圖1所示。粒徑范圍主要分布在4.7～305.9 μm，平均粒徑為105.9 μm，中值粒徑為37.31 μm。經(jīng)計(jì)算，尾砂的不均勻系數(shù)Cu=91.92，曲率系數(shù)Cc=4.34，尾砂粒徑分布范圍較廣，粒徑不均勻。然而全尾砂中-20 μm尾砂含量為28.2%，遠(yuǎn)超過膏體的配料中-20 μm顆粒的含量必須>15%的要求。

試驗(yàn)?zāi)z凝材料采用PC32.5R復(fù)合硅酸鹽水泥，密度為3 000 kg/m3，比重為1∶3。試驗(yàn)用水直接采用城市自來水。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用MCR52模塊化智能型流變儀進(jìn)行測(cè)試，如圖2(a)所示，轉(zhuǎn)子選用ST24-2D/2V/2V-30漿葉式轉(zhuǎn)子(轉(zhuǎn)子直徑20 mm，高度40 mm)，并利用配套的RheoCompass軟件在操作界面上設(shè)置控制參數(shù)來實(shí)時(shí)輸出剪切速率-剪切應(yīng)力曲線、剪切速率-黏度曲線。該設(shè)備具有控制剪切應(yīng)力和剪切速率雙重測(cè)量模式，具有較多的選擇性和靈活性。

為了更加直觀地觀察料漿的流動(dòng)性能，全面地分析料漿的流變特性，試驗(yàn)同時(shí)采用砂漿擴(kuò)展度來衡量料漿的流動(dòng)特性。擴(kuò)展度測(cè)定采用《客運(yùn)專線鐵路CRTSII型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件》(2008年)方法；擴(kuò)展度筒尺寸為：上Φ35 mm，下Φ50 mm，高65 mm，如圖2(b)所示。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備Fig.2 Test equipment

1.3 試驗(yàn)方案

根據(jù)選用尾砂的性質(zhì)，本試驗(yàn)僅考慮分析料漿質(zhì)量濃度、灰砂比2個(gè)因素對(duì)流變特性的影響規(guī)律，為使研究具有普適性和代表性，選取充填工程及研究中較為常用的參數(shù)范圍，質(zhì)量濃度分別取72%,74%,76%,78%,80%的5個(gè)水平，灰砂比分別取1∶4,1∶8,1∶12,1∶16的4個(gè)水平。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

屈服應(yīng)力和黏度是表征充填料漿流變特性的基本參數(shù)，屈服應(yīng)力的直接法測(cè)量重復(fù)性好、精度高，是較為理想的屈服應(yīng)力測(cè)試方法；而黏度是個(gè)動(dòng)態(tài)變化的參數(shù)，通常采用剪切時(shí)間內(nèi)的算術(shù)平均值來表征[7]。根據(jù)MCR52流變儀所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用直接法進(jìn)行計(jì)算處理獲得屈服應(yīng)力，黏度則取其剪切時(shí)間內(nèi)的算術(shù)平均黏度，最終試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

2.2 流變特性分析

2.2.1 表觀黏度特性

限于篇幅，這里僅給出灰砂比為1∶8時(shí)不同濃度充填料漿黏度隨剪切速率的變化曲線和質(zhì)量濃度78%時(shí)不同灰砂比充填料漿黏度隨剪切速率的變化曲線，見圖3。

表1 流變參數(shù)Table 1 Rheological parameters

圖3 不同條件下充填料漿黏度-剪切速率Fig.3 Viscosity vs. shear rate of filling slurry with different concentrations and cement-sand ratios

(1)結(jié)合表1，相同灰砂比時(shí)，料漿的表觀黏度與濃度呈正相關(guān)性，濃度在72%～76%時(shí)黏度變化不明顯，而料漿濃度達(dá)到78%時(shí)黏度則顯著增大；相同質(zhì)量濃度時(shí)，膠凝材料摻量越多，料漿的表觀黏度越大，但并無突變性變化，相同質(zhì)量濃度、不同灰砂比充填料漿黏度隨剪切速率的變化曲線趨勢(shì)基本一致。

(2)從圖3(a)可以看出，以78%為界，較低濃度的充填料漿黏度隨剪切速率的變化可以劃分為黏度快速減小(0～10 s-1)、近似線性(10～60 s-1)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定(60 s-1以后)3個(gè)階段?？焖贉p小階段，料漿的初始黏度很大，需要破壞其內(nèi)部的絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)，才能使料漿流動(dòng)，此階段料漿黏度急劇下降，流動(dòng)能力迅速增大；近似線性階段，料漿黏度隨剪切速率增大而緩慢減小，此時(shí)黏度的變化逐漸趨于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定；而動(dòng)態(tài)穩(wěn)定階段，料漿的黏度趨于平衡且?guī)缀醪辉偈芷錆舛群图羟兴俾实挠绊?，此時(shí)各個(gè)條件下黏度近似相等，具有“剪切變稀”的明顯特征。主要是由于料漿內(nèi)部細(xì)微顆粒在較高剪切速率作用下不斷分散、碰撞、聚集、再分散所造成的，此時(shí)料漿表現(xiàn)為牛頓體的特性。不同灰砂比條件下(如圖3(b))同樣表現(xiàn)出類似特征。

(3)當(dāng)料漿濃度在78%及以上時(shí)，其黏度隨剪切速率的變化可以劃分為快速減小(0～20 s-1)和逐步減小(20 s-1以后)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定2個(gè)階段，此時(shí)的料漿黏度隨剪切速率變化呈導(dǎo)函數(shù)(y=a/x，a為與料漿濃度、灰砂比相關(guān)的系數(shù)，x為剪切速率，y為黏度)趨勢(shì)變化，料漿隨剪切速率的不斷增大經(jīng)過短暫剪切后表現(xiàn)為似賓漢體或者賓漢體特征。

(4)如圖3(b)所示，不同灰砂比條件下的料漿濃度變化全部呈現(xiàn)出明顯的導(dǎo)函數(shù)趨勢(shì)變化，說明灰砂比對(duì)料漿黏度的變化影響相對(duì)較小，料漿黏度的變化主要受其濃度的影響。因此在料漿管道輸送中，控制合適的濃度是輸送難易的關(guān)鍵。

2.2.2 料漿擴(kuò)展度

圖4為不同灰砂比和不同濃度時(shí)充填料漿的擴(kuò)展度，圖5為料漿擴(kuò)展后的形態(tài)(俯視圖)。

圖4 不同條件下充填料漿擴(kuò)展度Fig.4 Extensibility of slurry with different concentrations and cement-sand ratios

圖5 料漿擴(kuò)展形態(tài)(灰砂比1∶12)Fig.5 Extended shapes of slurry when cement-sand ratio is 1∶12

(1)隨著料漿質(zhì)量濃度的增加，擴(kuò)展度呈減小的趨勢(shì)，由圖4(a)可知，任意灰砂比條件下，當(dāng)充填料漿濃度從76%增大至78%時(shí)，擴(kuò)展度均急劇減小，圖5以灰砂比1∶12條件下76%和78%兩種質(zhì)量濃度的充填料漿擴(kuò)展形態(tài)為例，可明顯看出濃度76%的料漿擴(kuò)展性較好，而濃度78%的料漿擴(kuò)展形態(tài)基本與擴(kuò)展度筒形態(tài)一致。

(2)隨著料漿膠凝材料摻量的增加，擴(kuò)展度呈減小的趨勢(shì)，但從圖4(b)看出，灰砂比的變化對(duì)料漿的擴(kuò)展度影響相對(duì)較小。

(3)當(dāng)充填料漿濃度增大至78%時(shí)，流動(dòng)性能急劇變差，說明該全尾砂充填料漿流動(dòng)性的突變臨界濃度在78%左右，這與流變特性中的黏度規(guī)律高度吻合，擴(kuò)展度的變化能直觀地反映充填料漿的流動(dòng)特性。

2.2.3 充填料漿流變特性

充填料漿流變特性主要由屈服應(yīng)力和平均黏度表征，圖6和圖7分別為屈服應(yīng)力變化曲線和平均黏度變化曲線。

圖6 料漿屈服應(yīng)力變化曲線Fig.6 Curves of yield stress of slurry

圖7 料漿黏度變化曲線Fig.7 Curves of viscosity of slurry

(1)料漿質(zhì)量濃度相同時(shí)，屈服應(yīng)力和平均黏度均隨膠凝材料摻量的減小而減小，76%以下低濃度料漿的屈服應(yīng)力和平均黏度隨膠凝材料摻量變化不明顯，而76%以上較高濃度料漿的屈服應(yīng)力和平均黏度則隨膠凝材料摻量變化明顯。

(2)料漿灰砂比相同時(shí)，屈服應(yīng)力和平均黏度隨料漿質(zhì)量濃度增大而增大，當(dāng)濃度低于76%時(shí)，屈服應(yīng)力和平均黏度隨濃度的變化不明顯，而濃度高于76%時(shí)，屈服應(yīng)力和平均黏度陡增，明顯大于濃度76%料漿的屈服應(yīng)力及平均黏度，達(dá)到其2～3倍，但濃度在80%時(shí)，料漿特性并不符合整體變化規(guī)律。

3 結(jié) 論

以某礦全尾砂制備充填料漿為研究對(duì)象，利用MCR52流變儀對(duì)充填料漿的流變特性進(jìn)行測(cè)試，并使用擴(kuò)展度筒測(cè)定擴(kuò)展度表征其流動(dòng)性能，研究了質(zhì)量濃度、灰砂比2個(gè)因素對(duì)流變特性的影響規(guī)律，取得以下結(jié)論：

(1)料漿質(zhì)量濃度和灰砂比2個(gè)因素對(duì)充填料漿流變特性的影響程度順序由大到小依次為質(zhì)量濃度、灰砂比。

(2)料漿質(zhì)量濃度相同時(shí)，屈服應(yīng)力和平均黏度均隨膠凝材料摻量的減小而減小，擴(kuò)展度增大；料漿灰砂比相同時(shí)，屈服應(yīng)力和平均黏度隨料漿質(zhì)量濃度增大而增大，擴(kuò)展度減小。78%濃度料漿的屈服應(yīng)力、平均黏度較76%濃度料漿陡增，達(dá)其2～3倍，擴(kuò)展度急劇減小，說明76%以下濃度充填料漿的流動(dòng)性能較好。

(3)全尾砂充填料漿具有“剪切變稀”的明顯特征，充填料漿的流變過程是多個(gè)流變模型復(fù)合的結(jié)果，流變特性可以作為區(qū)分高濃度和低濃度料漿的表征。