基于剪切應(yīng)力變化量的全尾砂漿觸變特性分析

甘德清 常英杰 張友志 閆澤鵬 杜雙成1

（1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山063210；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室，河北唐山063210）

隨著國家對礦山環(huán)境保護(hù)的重視，充填采礦法作為環(huán)境友好型采礦方法被眾多礦山企業(yè)作為主要采礦方法［1］。充填料漿作為一種由全尾砂、水泥、絮凝劑等材料混合而成的復(fù)雜懸浮體系［2］，具有一定的觸變性。觸變性是指在攪動或其他機(jī)械作用下礦漿體系流變特性隨時間變化的復(fù)雜流變學(xué)現(xiàn)象［3-4］，其直接關(guān)系到全尾砂漿的制備、管道輸送、采場料漿流動等核心技術(shù)的突破［5-6］。因此，國內(nèi)外一些專家學(xué)者從不同角度對觸變性展開了研究。

1923年觸變現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)，隨后一些專家學(xué)者對其機(jī)理展開了研究［7］，發(fā)現(xiàn)最大臨界應(yīng)變與水泥顆粒間的膠態(tài)相互作用有關(guān)，而最小的臨界應(yīng)變與早期水合物有關(guān)，它們優(yōu)先形成于水泥顆粒間的絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)［8］。MEWIS J等［9］對現(xiàn)有的觸變懸浮流變學(xué)模型進(jìn)行了分類和評價，但未對觸變性進(jìn)行定量描述。DULLAERT K［10］等基于非彈性懸浮介質(zhì)，建立了描述觸變體系流動行為的一般結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型。為探究觸變性的影響因素，AHARI等［11］采用不同的輔助膠凝材料對混凝土的觸變性和破壞行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)除了高爐礦渣（BFS）外，與只含硅酸鹽水泥的混合物相比，在混凝土中使用膠結(jié)材料可使其觸變值升高。張友志等［12］利用槳式流變儀研究了充填料漿在不同情況下的觸變行為，并提出了基于量綱分析的觸變特性預(yù)測模型。薛振林等［13］采用正交設(shè)計方法分析了灰砂比、質(zhì)量濃度和溫度對流變參數(shù)的影響規(guī)律，得出料漿的屈服應(yīng)力影響權(quán)重從高到低依次為質(zhì)量濃度、溫度、灰砂比。劉曉輝等［14］通過不同條件下的恒定剪切速率流變試驗，研究了剪切速率、膏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、絮凝劑添加量、靜置時間等因素對膏體觸變的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在靜置條件下，膏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，其絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)恢復(fù)速率越快。HARUNA S［15］等研究了高效減水劑對膠結(jié)充填料漿在不同溫度下制備和固化的流變學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度的升高會使充填料漿的屈服應(yīng)力和黏度增大，且不同尾砂類型需要不同的減水劑用量才能達(dá)到相同的流動性水平。JIANG等［16］研究了礦物摻合料對充填料漿流變特性的影響，充填料漿的觸變性隨著粉煤灰添加量的增加而降低，而礦渣和硅灰的加入使充填料漿的觸變性早期值降低，后期觸變性獲得率提高。用硅灰部分替代水泥導(dǎo)致充填料漿的靜態(tài)變形能力增加，流動性顯著改善。

在管道輸送過程中觸變性對料漿性質(zhì)和管輸阻力有一定影響，朱世彬等［17］對不同骨料比的料漿流變特性隨時間的變化規(guī)律展開了研究，得出了塑性黏度和屈服應(yīng)力隨時間的變化公式。LIU L等［18］發(fā)現(xiàn)含冰膠結(jié)充填料漿表現(xiàn)為賓漢流體，屈服應(yīng)力、塑性黏度和觸變性隨冰水比和濃度的增加而增加，而柱狀坍落度則隨冰水比和濃度的增加而減小。CHENG等［19］通過分析時間和溫度對膏體流變性的影響，建立了膏體的阻力計算模型，并利用COMSOL數(shù)值軟件進(jìn)行了計算，得到了流動參數(shù)的分布，得出膏體的流變行為具有時間-溫度等效效應(yīng)，并建立了時間-溫度效應(yīng)的轉(zhuǎn)換方程，結(jié)合白金漢方程，提出了考慮時間-溫度效應(yīng)的管道阻力計算模型。

由此可以看出，前人對充填尾砂料漿觸變性的研究多針對于其影響因素和其對管輸阻力的影響，對于全尾砂漿觸變性和剪切稀化特征尚缺少規(guī)律性的系統(tǒng)研究，本文針對全尾砂漿觸變性影響因素及其剪切稀化特征進(jìn)行研究，探究全尾砂漿觸變性影響因素及其一般規(guī)律，為現(xiàn)場料漿的制備及管道輸送過程的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料與設(shè)備

試驗用尾砂為河北省某鐵礦全尾砂，水泥為普通硅酸鹽水泥（P.O 42.5）。經(jīng)實驗室測試，尾砂密度為2 620 kg/m3，利用NKDG100-D型激光粒度分析儀對尾砂及水泥進(jìn)行測試，粒度分布如圖1所示。由圖1可知，粒徑＜74 μm的尾砂顆粒占到90%以上，屬于細(xì)尾砂［20］，中值粒徑為10 μm，水泥中值粒徑為15 μm。

流變試驗所用設(shè)備為美國的賽默飛世爾科技公司生產(chǎn)的便攜式流變儀HAAKE Viscotester iQ，配備轉(zhuǎn)子為FL22 4B/SS-01170440的四葉槳式轉(zhuǎn)子。

試驗用水為實驗室自來水。

1.2 試驗方案及方法

為探究質(zhì)量濃度、溫度、灰砂比、剪切速率等因素對全尾砂漿觸變特性的影響，在考慮料漿流動性的前提下，設(shè)計單因素4水平試驗，如表1所示。

剪切試驗采用CR測試方法，分別進(jìn)行100 s的恒定剪切試驗。觸變性是指全尾砂漿受剪切破壞作用內(nèi)部結(jié)構(gòu)隨時間的破壞和恢復(fù)過程，對于剪切破壞過程可利用剪切應(yīng)力變化量Δτ來表示，Δτ可由式（1）計算得出。

式中，Δτ為剪切應(yīng)力變化量，Pa；τ0為初始剪切應(yīng)力，Pa；τe為平衡剪切應(yīng)力，Pa；

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量濃度對全尾砂漿觸變特性的影響

在灰砂比為1∶4，剪切速率為60 s-1，溫度為20℃的條件下，進(jìn)行了不同質(zhì)量濃度的恒定剪切試驗。圖2為質(zhì)量濃度對全尾砂漿觸變性的影響。

由圖2可知：在剪切速率相同的情況下，隨著剪切時間的延長，料漿絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)被逐漸破壞，剪切應(yīng)力逐漸減小，直至剪切破壞作用與料漿本身的恢復(fù)作用平衡后，在某一值趨于穩(wěn)定；同時可以看出，在剪切速率相同時，低質(zhì)量濃度下觸變特性并不明顯；以觸變前后剪切應(yīng)力變化量來表征全尾砂漿觸變性的大小［14］，在全尾砂漿質(zhì)量濃度低于62%時，剪切應(yīng)力變化量Δτ增加速度較為緩慢，質(zhì)量濃度大于62%后，隨著全尾砂漿質(zhì)量濃度的增加，剪切應(yīng)力變化量Δτ迅速增加，全尾砂漿絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增加，觸變特性急劇增強(qiáng)。隨著全尾砂漿質(zhì)量濃度的增加，料漿內(nèi)部固體成分含量增多，絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，剪切應(yīng)力越大［13］（圖 3）。

因此，在質(zhì)量濃度為60%～66%的范圍內(nèi)，質(zhì)量濃度越高全尾砂漿觸變特性越強(qiáng)，可以通過適當(dāng)增加料漿濃度增強(qiáng)其觸變性，從而在減少泌水率的同時增強(qiáng)料漿觸變性，提高料漿流動性。同時，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)其與濃度增長呈冪函數(shù)關(guān)系，對其進(jìn)行回歸擬合分析，回歸方程如式（2）所示。

式中，Δτ為應(yīng)力變化量，Pa；c為質(zhì)量濃度，%；

回歸方程中決定系數(shù)R2=0.99，F(xiàn)值的顯著水平P=0.002＜0.05，回歸方程較為合適，擬合度較高。

2.2 溫度對全尾砂漿觸變特性的影響

在質(zhì)量濃度為66%，灰砂比為1∶4，剪切速率為60 s-1的條件下，進(jìn)行了不同溫度的恒定剪切試驗。圖4為溫度對全尾砂漿觸變性的影響。

由圖4可知：在剪切速率相同的情況下，隨著剪切時間的增加，料漿絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，剪切應(yīng)力逐漸減小，直至剪切破壞作用與料漿本身的恢復(fù)作用平衡后，在某一值趨于穩(wěn)定；溫度升高，全尾砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)受溫度影響，分子布朗運動加劇，掙脫范德華力束縛，自由水增多，全尾砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)由絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)向液網(wǎng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，導(dǎo)致溫度越高，剪切應(yīng)力越低［21］，同時剪切應(yīng)力變化量Δτ降低，觸變性降低（圖5）。

因此，在溫度較高時，全尾砂漿絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為液網(wǎng)結(jié)構(gòu)，觸變性較小，流動性較好，可通過適當(dāng)提高料漿溫度增加料漿流動性減小管道輸送阻力。同時，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)其與溫度增長呈一定線性關(guān)系，對其進(jìn)行回歸擬合分析，回歸方程如式（3）所示。

式中，Δτ為應(yīng)力變化量，Pa；T為溫度，℃；

回歸方程中決定系數(shù)R2=0.98，F(xiàn)值的顯著水平P=0.012＜0.05，回歸方程較為合適，擬合度較高。

2.3 灰砂比對全尾砂漿觸變特性的影響

在質(zhì)量濃度為66%，剪切速率為60 s-1，溫度為20℃的條件下，進(jìn)行了不同灰砂比的恒定剪切試驗。圖6為灰砂比對全尾砂漿觸變性的影響。

由圖6可知：在剪切速率相同時，隨著剪切作用時間的延長，料漿絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，剪切應(yīng)力逐漸減小，直至剪切破壞作用與料漿本身的恢復(fù)作用平衡后，在某一值趨于穩(wěn)定；由于使用尾砂為細(xì)尾砂，尾砂平均粒徑小于水泥平均粒徑，導(dǎo)致灰砂比越小，尾砂含量越多，細(xì)顆粒含量增多，細(xì)顆粒之間形成的絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)密集，全尾砂漿整體穩(wěn)定性增強(qiáng)，剪切應(yīng)力增大［22］；灰砂比越大，細(xì)顆粒含量越少，絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，導(dǎo)致觸變性變低，剪切應(yīng)力變化量Δτ越?。煌瑫r可以發(fā)現(xiàn)，在灰砂比大于1∶8時，觸變特性變化較快，尾砂細(xì)顆粒對觸變性影響較大，在灰砂比小于1∶8后，水化反應(yīng)產(chǎn)物與細(xì)顆粒結(jié)合形成的絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)到達(dá)極限，細(xì)顆粒對觸變性的影響逐漸減小。

因此，針對本實驗所用材料，為使料漿具有較強(qiáng)的觸變性，灰砂比最佳配比為1∶8。觸變量與灰砂比呈一定函數(shù)關(guān)系，對其進(jìn)行回歸擬合分析，回歸方程如式（4）所示。

式中，Δτ為應(yīng)力變化量，Pa；n為灰砂比；

回歸方程中決定系數(shù)R2=0.99，F(xiàn)值的顯著水平P=0.021＜0.05，回歸方程較為合適，擬合度較高。

2.4 剪切速率對全尾砂漿觸變特性的影響

在質(zhì)量濃度為66%，灰砂比為1∶4，溫度為20℃的條件下，進(jìn)行了不同剪切速率的恒定剪切試驗。圖7為剪切速率對全尾砂漿觸變性的影響。

由圖7可知：在恒定剪切作用下，不同剪切速率表現(xiàn)出相似的觸變行為，隨著剪切時間的延長，料漿絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，剪切應(yīng)力逐漸降低，最終趨于穩(wěn)定，且剪切速率越大全尾砂漿初始和穩(wěn)定剪切應(yīng)力越大；同時，剪切速率越大，其剪切應(yīng)力變化量Δτ越大。這表明對于相同質(zhì)量濃度的全尾砂漿，剪切速率越大，剪切作用對料漿絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)的破壞越徹底，從而可以有效降低料漿黏度［23］。

因此，在充填料漿管道輸送之前增加強(qiáng)力攪拌裝置，對充填料漿進(jìn)行攪拌，可以有效降低料漿黏度，增加料漿流動性，從而降低管輸阻力。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，觸變量與剪切速率呈一定函數(shù)關(guān)系，對其進(jìn)行回歸擬合分析，回歸方程如式（5）所示。

式中，Δτ為應(yīng)力變化量，Pa；γ為剪切速率，s-1；

回歸方程中決定系數(shù)R2=0.99，F(xiàn)值的顯著水平P=0.034＜0.05，回歸方程較為合適，擬合度較高。

3 結(jié)論

（1）質(zhì)量濃度、溫度、灰砂比、剪切速率等因素對觸變規(guī)律影響較小，不同質(zhì)量濃度、溫度、灰砂比、剪切速率下觸變性表現(xiàn)出相似的規(guī)律，但質(zhì)量濃度、溫度、灰砂比、剪切速率等因素對全尾砂漿觸變特性的大小有不同的影響。

（2）不同質(zhì)量濃度的全尾砂漿觸變特性有所不同，對于本試驗材料而言，質(zhì)量濃度低于62%時料漿絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，質(zhì)量濃度對觸變性影響較小，高于62%時料漿絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，質(zhì)量濃度對觸變性影響較大，可通過適當(dāng)增加料漿質(zhì)量濃度增強(qiáng)其觸變性。

（3）不同溫度的全尾砂漿在相同的恒定剪切速率作用下，隨著溫度的升高，料漿絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)向液網(wǎng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，觸變性逐漸變小，觸變量與溫度呈線性關(guān)系。

（4）不同灰砂比的全尾砂漿在相同的恒定剪切速率作用下，隨著灰砂比的降低，細(xì)顆粒的增加絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固，觸變性逐漸增強(qiáng)，但存在一定極限，對于本試驗而言，灰砂比小于1∶8后灰砂比對觸變特性影響明顯變小。

（5）剪切速率對觸變特性有一定影響，剪切速率越大對料漿絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)的破壞越徹底，料漿黏度越低，通過強(qiáng)剪切作用可以有效降低全尾砂漿黏度，增加料漿流動性。