Mg(OH)2改性防滅火膏體流變特性研究

張辛亥，胡 震, 薛韓玲，張國(guó)偉，李經(jīng)文，尚治州

(西安科技大學(xué) a.安全科學(xué)與工程學(xué)院； b.能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

粉煤灰由于成本低且與水泥等材料拌和會(huì)表現(xiàn)出一定的活性，可通過(guò)微集料效應(yīng)改變其形成漿體的流變性，因而在國(guó)內(nèi)外礦山充填中被廣泛應(yīng)用[1-9]。

粉煤灰膏體流變性的改變可通過(guò)對(duì)減水劑、泵送劑等的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)[10-13]。Mg(OH)2是一種較為常見(jiàn)的阻燃劑，用于煤礦防滅火充填堵漏的具有阻燃性能的Mg(OH)2被用以改變粉煤灰膏體流變性的研究并不多見(jiàn)。Mg(OH)2自身難溶于水，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響，并且其自身化學(xué)特性明顯，所需添加量少，取材方便[14-16]。鑒于Mg(OH)2的上述優(yōu)勢(shì)，筆者以成本低、來(lái)源廣、漿液黏度較好、不易發(fā)生沉淀且易于流動(dòng)的粉煤灰為膏體骨料，研究Mg(OH)2對(duì)膏體防滅火劑的流變性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料及基本特征

本次防滅火膏體流動(dòng)性測(cè)試實(shí)驗(yàn)所用材料主要包括骨料粉煤灰、復(fù)合添加劑、Mg(OH)2等。

復(fù)合添加劑由水玻璃、聚丙烯酰胺、復(fù)合膏體劑以等比例混合組成。復(fù)合添加劑占膏體總質(zhì)量的0.06%。

1.1 工業(yè)分析

應(yīng)用5E-MAG6700型全自動(dòng)工業(yè)分析儀對(duì)鞏義電廠粉煤灰進(jìn)行工業(yè)分析，結(jié)果如表1所示(表中數(shù)據(jù)為質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

表1 鞏義電廠粉煤灰工業(yè)分析結(jié)果 單位：%

1.2 粒徑分布

采用LS13320型激光粒度儀，在室溫條件下測(cè)試粉煤灰粒徑分布，結(jié)果如圖1所示。

圖1 粉煤灰粒徑分布圖

由圖1可見(jiàn)，樣品經(jīng)超聲分散后進(jìn)行測(cè)試，粒子直徑主要集中分布在一個(gè)范圍，即2.0 μm附近。樣品平均粒徑為2.6 μm，樣品粒徑在1.6～2.8 μm內(nèi)時(shí)所占的體積比最大,約占到總數(shù)的79%。

1.3 形貌分析

應(yīng)用JSM-IT300掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì) Mg(OH)2顆粒的表觀形貌進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖2所示。圖2(a)為粒徑500 nm的單顆粒Mg(OH)2放大100 000倍的顆粒形貌圖，圖2(b)為粒徑10 μm的單顆粒Mg(OH)2放大5 000倍的顆粒形貌圖。

(a)100 000倍

由圖2可知，在5 000倍放大率下，Mg(OH)2顆粒形貌均以豆?fàn)畹炔灰?guī)則顆粒形狀呈現(xiàn)；在100 000倍放大率下，Mg(OH)2顆粒以不規(guī)則的團(tuán)聚體狀態(tài)呈現(xiàn)，且其表面粗糙、形狀不規(guī)則。

2 性能測(cè)試

2.1 黏度實(shí)驗(yàn)

采用SNB-2型黏度測(cè)試儀對(duì)防滅火膏體的黏度進(jìn)行檢測(cè)，其測(cè)量范圍為1～106 MPa·s，標(biāo)配 1～4 號(hào)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分別為1.5、3.0、6.0、12.0、30.0、60.0 r/min，測(cè)量精度為±2%(牛頓流體)。SNB-2型黏度測(cè)試儀如圖3所示。

圖3 SNB-2型黏度測(cè)試儀

其測(cè)試過(guò)程為：配制黏度測(cè)試儀所規(guī)定的一定高度和體積的待測(cè)溶液，將匹配型號(hào)的轉(zhuǎn)子安裝在黏度測(cè)試儀上，并置于待測(cè)漿液或膏體劑中;啟動(dòng)黏度測(cè)試儀并使其旋轉(zhuǎn)，每隔一定時(shí)間記錄一次黏度值，直至黏度不再變化[17]。

2.2 塌落度及擴(kuò)展度實(shí)驗(yàn)

圓柱塌落實(shí)驗(yàn)采用自制的測(cè)試儀器，如圖4 所示。

圖4 圓柱塌落實(shí)驗(yàn)儀器示意圖

圓柱形塌落桶直徑為75 mm，高為100 mm。實(shí)驗(yàn)時(shí)將粉煤灰膏體倒入塌落桶中，然后立即提起塌落桶離開(kāi)測(cè)試面，使膏體完全脫離塌落桶即可，粉煤灰膏體自由落下，測(cè)量其塌落度及擴(kuò)展度[18]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 流變特性

3.1.1 表觀黏度

在研究Mg(OH)2對(duì)粉煤灰膏體黏度的影響時(shí)，設(shè)定粉煤灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%、65%、70% 3個(gè)規(guī)格；復(fù)合添加劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%；Mg(OH)2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、2%、3%、4%、5%等5個(gè)水平，并設(shè)立質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0作為空白對(duì)照實(shí)驗(yàn)。黏度隨Mg(OH)2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化情況如圖5所示。

圖5 黏度隨Mg(OH)2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線

由圖5可知，黏度隨著Mg(OH)2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而呈現(xiàn)出不同的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

由愛(ài)因斯坦公式可知含顆粒流體的黏度與顆粒體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系，見(jiàn)式(1)：

η=η0(1+2.5φ)

(1)

式中:η為顆粒流體的黏度，Pa·s；η0為不含顆粒流體的黏度，Pa·s；φ為顆粒的體積分?jǐn)?shù)，%。

當(dāng)粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%、65%時(shí)，與不添加Mg(OH)2相比，添加Mg(OH)2后其黏度會(huì)有小幅度增加，這歸因于Mg(OH)2顆粒的增加使得膏體劑中顆粒的體積分?jǐn)?shù)增大，從而導(dǎo)致粉煤灰膏體的黏度有所增加。當(dāng)Mg(OH)2質(zhì)量分?jǐn)?shù)持續(xù)增大時(shí)，粉煤灰膏體的黏度呈現(xiàn)緩慢增大趨勢(shì)，黏度的變化與Mg(OH)2質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的趨勢(shì)相一致。

但當(dāng)顆粒的體積分?jǐn)?shù)較大時(shí)，愛(ài)因斯坦公式則變?yōu)榕ｎD推導(dǎo)公式, 見(jiàn)式(2)：

η=η0(1-Aφ)-2.5

(2)

式中A為高質(zhì)量分?jǐn)?shù)流體的黏度系數(shù)，一般取1.35。

當(dāng)粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%時(shí)，與不添加Mg(OH)2相比，隨著Mg(OH)2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，其黏度大幅度增大。當(dāng)Mg(OH)2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～4%時(shí)膏體黏度急劇增大，由0.035 Pa·s增大到0.070 Pa·s，這歸因于Mg(OH)2顆粒的增加使得膏體劑中顆粒的體積分?jǐn)?shù)急劇增大，從而導(dǎo)致粉煤灰膏體的黏度值激增。

3.1.2 屈服應(yīng)力

屈服應(yīng)力是描述膏體的一項(xiàng)重要指標(biāo)[19]，采用黏度測(cè)試儀測(cè)定不同剪切速率下粉煤灰膏體的流變性能，粉煤灰膏體一般表現(xiàn)為非牛頓型流體[20]。

在不同剪切速率下所對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力關(guān)系擬合曲線如圖6～8所示。粉煤灰膏體流變特性擬合參數(shù)見(jiàn)表2。

圖6 不同Mg(OH)2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的粉煤灰膏體(60%)的流變特性擬合曲線

圖7 不同Mg(OH)2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的粉煤灰膏體(65%)的流變特性擬合曲線

圖8 不同Mg(OH)2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的粉煤灰膏體(70%)的流變特性擬合曲線

表2 粉煤灰膏體流變特性擬合參數(shù)

由表2中Bingham模型參數(shù)值及Bingham模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)R2值可知，相關(guān)系數(shù)為0.97～0.99，并且平均分布在0.98左右，這種粉煤灰膏體可以被認(rèn)為是賓漢流體。

由圖6～8可知，隨著Mg(OH)2的添加，屈服應(yīng)力相應(yīng)增大。當(dāng)Mg(OH)2吸收水分時(shí)，可以使顆粒間的作用力變大[14]，這是屈服應(yīng)力增大的原因。當(dāng)不含Mg(OH)2時(shí)屈服應(yīng)力約為8～16 Pa，但當(dāng)Mg(OH)2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，屈服應(yīng)力約為8～40 Pa。

3.2 塌落度與擴(kuò)展度

塌落度與擴(kuò)展度是描述膏體流動(dòng)性能的重要性能指標(biāo)。塌落度、擴(kuò)展度隨Mg(OH)2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線如圖9～10所示。

圖9 塌落度隨Mg(OH)2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線

圖10 擴(kuò)展度隨Mg(OH)2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線

由圖9可知，Mg(OH)2的添加使得不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的粉煤灰膏體與不添加Mg(OH)2時(shí)相比塌落度有一定減小，不同的是隨著粉煤灰膏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，Mg(OH)2的添加對(duì)塌落度的影響增大，尤其在粉煤灰膏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%時(shí)，塌落度的變化最大。這是因?yàn)榉勖夯腋囿w質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低(60%～65%)時(shí)膏體中含有大量的游離水，添加的Mg(OH)2不能夠使膏體中的水分被過(guò)度消耗，使其繼續(xù)保持良好的膏體特性；反之，當(dāng)粉煤灰膏體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高(70%)時(shí)，膏體中自身的游離水含量較少，添加的Mg(OH)2會(huì)吸附一部分游離水，從而使其失去膏體特性，甚至?xí)霈F(xiàn)龜裂、凝結(jié)成塊等現(xiàn)象。

由圖10可知，隨著Mg(OH)2的添加，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的粉煤灰膏體的擴(kuò)展度都大幅度降低，這是由于加入Mg(OH)2后膏體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，使得膏體內(nèi)部聚合力增強(qiáng)，流動(dòng)性變差。而且在不同的粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，其擴(kuò)展度變化趨勢(shì)相同。

3.3 泌水率

泌水率是衡量材質(zhì)能否被定義為膏體的重要技術(shù)指標(biāo)。采用稱重法對(duì)膏體泌水率進(jìn)行測(cè)量，泌水率隨Mg(OH)2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線如圖11所示。

圖11 泌水率隨Mg(OH)2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線

由圖11可知，隨著Mg(OH)2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的粉煤灰膏體的泌水率會(huì)大幅下降，尤其是當(dāng)Mg(OH)2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1%之后，與不添加Mg(OH)2時(shí)相比泌水率有大幅度的下降。在 Mg(OH)2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1%后，泌水率的變化相對(duì)較為平緩，這是因?yàn)樘砑覯g(OH)2會(huì)增加粉煤灰顆粒的比表面積，同時(shí)能吸附更多的水分，減少游離水的存在，使膏體體系內(nèi)的水分增加，從而增強(qiáng)其保水性，減少泌水發(fā)生的機(jī)會(huì)；當(dāng)Mg(OH)2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～3%時(shí)，對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低(60%～65%)的粉煤灰膏體的成膏質(zhì)量影響較大，且泌水率在粉煤灰膏體所規(guī)定的范圍之內(nèi)(1.5%～5.0%)，此時(shí)成膏質(zhì)量較好，膏體不易失去水分而發(fā)生龜裂，能夠更長(zhǎng)時(shí)間保持膏體的良好特性；但當(dāng)Mg(OH)2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于4%時(shí)，泌水率會(huì)低于1.5%，不符合膏體對(duì)泌水率的定義，失去膏體特性。

4 結(jié)論

1)利用SNB-2型黏度儀對(duì)防滅火膏體的表觀黏度、屈服應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)粉煤灰膏體的表觀黏度、屈服應(yīng)力、塑性黏度增大的原因是由于膏體體系內(nèi)部顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大。

2)采用塌落桶，對(duì)膏體的塌落度和擴(kuò)展度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明隨著Mg(OH)2的添加，膏體的塌落度和擴(kuò)展度都相應(yīng)減小。

3)通過(guò)稱重的方式對(duì)膏體泌水率進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明添加Mg(OH)2會(huì)使膏體的保水性能大大增加，使膏體不易發(fā)生龜裂、離析、沉淀等，但是當(dāng) Mg(OH)2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于4%時(shí)，膏體的泌水率會(huì)小于1.5%的規(guī)定值，使其失去膏體特性。