廢石全尾砂高濃度充填料漿的均質(zhì)化模型

楊曉炳，尹升華，郝 碩，楊 航

1) 北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083 2) 礦物加工科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102628 3) 北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

伴隨國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，金屬礦產(chǎn)資源的開發(fā)與利用需求日益增長，而淺部資源越來越少，我國金屬礦山逐漸走向深部開采[1?3].深部開采所面臨的高井深、高應(yīng)力及高井溫采礦條件，易造成巖層移動、采場垮落、巷道變形等事故.近年來我國環(huán)保措施逐步升級，國家對采選過程排放的大量廢石及尾砂征收環(huán)保稅，直接推動企業(yè)謀求固廢利用的途徑.在此背景下，充填采礦法因其綠色開采及控制地壓的突出優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用[4?6].

充填料漿經(jīng)管道輸送至采場是充填采礦法中重要的一環(huán)，料漿的均質(zhì)性對于料漿的管道可輸性及膠結(jié)體強(qiáng)度影響較大[7?8].提高料漿的均質(zhì)性，能有效改善其流動性，降低管輸阻力.如充填料漿均質(zhì)性較差，在輸送過程中易分層離析，不僅加速管道的磨損，而且極易造成堵管等事故[9?11].所以，開展充填料漿均質(zhì)性研究是保證料漿安全高效輸送的關(guān)鍵點(diǎn).影響料漿均質(zhì)化特性的因素繁雜，其中料漿濃度、骨料級配、攪拌時(shí)長和外加劑種類等因素較顯著[12?13].對此，國內(nèi)外行業(yè)專家進(jìn)行了深入探究，其中，閆澤鵬等[14]采用全面試驗(yàn)法研究了攪拌時(shí)間等因素對料漿均質(zhì)性的影響，建議攪拌時(shí)長為4～5 min.王洪江等[15]分析了不同攪拌時(shí)間的銅尾砂粗骨料膏體均質(zhì)化特性，通過增加攪拌時(shí)間的方式解決了水泥聚團(tuán)問題，當(dāng)攪拌時(shí)間為3.33 min時(shí)均質(zhì)化程度最佳.楊志強(qiáng)等[16]開展了關(guān)于尾砂?棒磨砂料漿的流動性與強(qiáng)度特性試驗(yàn)，認(rèn)為減水劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)料漿綜合效果較好，并已應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn).曹恩祥[17]通過測定水泥漿顆粒的表面電位，驗(yàn)證了減水劑對于水泥表面電位的降低作用，減水劑加入后固相顆粒的分布更分散.Jézéquel與 Collin[18]認(rèn)為全尾砂、粗骨料和膠結(jié)劑混合制備的料漿在攪拌作用下，固液相材料的性質(zhì)隨時(shí)在發(fā)生改變，形成的膠凝結(jié)構(gòu)影響料漿的流動性.

綜上可知，減水劑在一定程度上改善了料漿流動性能，但對廢石全尾砂高濃度充填料漿適配減水劑的研究工作相對匱乏，特別是缺乏摻加減水劑后料漿的均質(zhì)程度量化指標(biāo).因此，本文將探究減水劑對充填料漿流動性及力學(xué)性能的影響，從料漿流動特性、充填體強(qiáng)度及漿體表觀特征等方面構(gòu)建料漿均質(zhì)程度量化模型，并基于聚團(tuán)結(jié)構(gòu)發(fā)展消散進(jìn)程解釋料漿均質(zhì)化機(jī)理.

1 充填材料與減水劑

1.1 充填材料

試驗(yàn)中的充填材料主要為廢石粗骨料、全尾砂細(xì)骨料、膠結(jié)劑、PC減水劑、萘系(FDN)減水劑、脂肪族(AK)減水劑與水.廢石粗骨料取自國內(nèi)某鎳礦廢石場，其粒徑大、形狀極不規(guī)則，其密度為2.81 t·m?3；采用四分法篩分多點(diǎn)取樣后的烘干廢石，測定其粒度范圍為0.20～12.00 mm，主要分布于 0.20～8.80 mm，d10=0.20 mm，d50=2.70 mm，d90=8.80 mm (d10，d50和d90分別為篩下廢石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，50%和90%時(shí)對應(yīng)的粒徑)，中值粒徑為3.50 mm.全尾砂細(xì)骨料取自國內(nèi)某鎳礦尾礦庫，經(jīng)曝光晾曬與烘干脫水后，測定其密度為2.78 t·m?3；采用激光粒度分析儀測定全尾砂的粒級范圍為0.28～447.74 μm，主要分布于 10.00～80.00 μm，d10=2.22 μm，d50=16.89 μm，d90=75.99 μm.廢石與全尾砂骨料粒級分布如圖1所示.

圖1 粒徑特征分布曲線.(a)廢石; (b)尾砂Fig.1 Characteristic distribution curve of particle size: (a)waste rock; (b)tailings

膠結(jié)劑為符合GB 175—2007的普通硅酸鹽水泥P·O42.5R.減水劑均為市售減水劑，其性能指標(biāo)如表1所示.

表1 減水劑的性能指標(biāo)Table 1 Performance index of water-reducing agent

1.2 減水劑適配性擇優(yōu)

當(dāng)膠砂比1∶4，廢石尾砂料漿中固相材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為81%，攪拌時(shí)間為3 min，廢尾比（b）為5∶5時(shí)，充填料漿均質(zhì)化程度較差，雖強(qiáng)度滿足礦山充填要求，但坍落度僅為17.8 cm，無法實(shí)現(xiàn)高濃度自流輸送.因此摻加PC、FDN和AK三種減水劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、0.1%、0.3%、0.5%，測試料漿的坍落度、泌水率，得出二者隨減水劑類型及質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化情況如圖2所示.

圖2 減水劑作用下料漿泌水?坍落變化情況Fig.2 Changes of slurry bleeding and slump under the action of water?reducing agent

由圖2可知，隨著不同減水劑摻量增加，料漿坍落度均呈現(xiàn)增大趨勢.摻入PC的改善效果最為明顯，當(dāng)PC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.50%時(shí)料漿坍落度達(dá)到最大值27.70 cm，提高了55.6%.此外，摻入PC對料漿的泌水率影響最大，而FDN、AK兩種減水劑對料漿泌水率基本無影響，同時(shí)二者對坍落度的提升也有限.綜上，減水劑對料漿坍落特性改善效果次序?yàn)椋篜C＞FDN＞AK.在PC減水劑最優(yōu)摻量范圍內(nèi)(<0.5%)，回歸得到其摻量與料漿坍落度(Sl，cm)及泌水率 (Bl，%)的關(guān)系見式 (1)，其中，ω為料漿的PC質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%.后續(xù)研究分析均基于PC減水劑.

2 料漿均質(zhì)化的宏觀性能表征

為了提升充填料漿的均勻性，通常采用充分剪切攪拌的方法.攪拌作用能使體系內(nèi)部顆粒發(fā)生遷移及碰撞[19]，在微觀層面表現(xiàn)為擴(kuò)散與剪切運(yùn)動，在宏觀上表現(xiàn)為料漿的對流運(yùn)動，結(jié)果是料漿均質(zhì)化的改善.而料漿的流變特性與力學(xué)性能與該過程具有顯著相關(guān)性.因此，可以采用料漿流變參數(shù)及抗壓強(qiáng)度來表征料漿均質(zhì)化程度.

2.1 流變特性表征

根據(jù)減水劑適配實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取摻量與料漿泌水率、坍落度線性遞增階段，設(shè)定ω為0～0.50%的6個(gè)等分水平.進(jìn)行膠砂比為1∶4，尾廢比為5∶5，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為81%條件下的料漿流變試驗(yàn).采用控制剪切速率法（Controlled shear rate，CSR），設(shè)定 0～5 s轉(zhuǎn)子的剪切速率為 5 s?1，6～120 s轉(zhuǎn)子以+1 s?1的速率提升至 120 s?1，得到不同 PC 摻量時(shí)料漿的流變特性曲線，如圖3所示.

圖3 PC作用下料漿的剪切應(yīng)力?剪切速率曲線Fig.3 Shear stress?shear rate curve of slurry under the action of PC

圖3所示流變曲線初期有明顯的震蕩現(xiàn)象，這是由于廢石粗骨料顆粒大且不均勻，在攪拌過程中隨機(jī)撞擊轉(zhuǎn)子導(dǎo)致.不同PC摻量時(shí)，料漿剪切應(yīng)力與剪切速率均為正相關(guān)關(guān)系，符合Bingham流體模型，如式(2)所示.

其中，τ為剪切應(yīng)力，Pa；τ0為屈服應(yīng)力，Pa；μ為塑性黏度系數(shù)，Pa·s；為單位位移上的流速，即剪切速率，s?1.

回歸得到不同摻量時(shí)的料漿流變參數(shù)，PC摻量與屈服應(yīng)力 τ0、塑性黏度系數(shù)μ的關(guān)系如圖4所示.

圖4 PC摻量與屈服應(yīng)力、塑性黏度的回歸結(jié)果Fig.4 Regression results of PC content, yield stress and plastic viscosity

由圖4可知，屈服應(yīng)力、塑性黏度系數(shù)與ω均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，PC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，料漿屈服應(yīng)力與塑性黏度達(dá)到最小值，分別為197.23 Pa和0.78 Pa·s，屈服應(yīng)力較無PC作用的料漿降低了34.4%，塑性黏度降低了21.2%.分析認(rèn)為，充填料漿中全尾砂細(xì)骨料的主要粒徑區(qū)間為10～80 μm，其粒度越小，比表面積越大，吸附自由水的能力越強(qiáng)，造成料漿的流動性變差.而PC的加入，能夠使尾砂顆粒釋放出多余的自由水，減弱小顆粒間的黏滯力[20]，使得料漿的屈服應(yīng)力與塑性黏度系數(shù)降低.

2.2 強(qiáng)度特性表征

以與流變試驗(yàn)相同方案開展充填強(qiáng)度配比試驗(yàn).參照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T70—2009》，采用 φ50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體制備試塊，靜置于養(yǎng)護(hù)溫度為（20±3） ℃、濕度為（90%±10%）的環(huán)境參數(shù)中.使用WEW?600D液壓試驗(yàn)機(jī)，以 0.2 kN·s?1的加載速率測定試塊 3、7 和28 d的抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，充填體抗壓強(qiáng)度曲線如圖5所示.

圖5 充填體抗壓強(qiáng)度曲線Fig.5 Characterization curve of compressive strength of filling body

表2 摻PC減水劑膠結(jié)體強(qiáng)度測試結(jié)果Table 2 Strength test results of cement mixed with PC water-reducing agent

由表2、圖5可知，3、7和28 d齡期膠結(jié)體的強(qiáng)度(R3、R7、R28)最小值分別為2.35、3.77 和6.45 MPa，均滿足礦山充填R3≥1.50 MPa、R7≥2.50 MPa、R28≥5.00 MPa的要求[21].從圖5中可以看出，膠結(jié)體強(qiáng)度隨減水劑摻量的增加均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且對3 d、7 d齡期強(qiáng)度的改善效果優(yōu)于28 d齡期.這主要是減水劑的加入，減弱了水泥及尾砂顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象，提高了料漿的均質(zhì)化程度，使得水泥能夠更加充分的水化，產(chǎn)生更多的水化產(chǎn)物使得膠結(jié)體孔隙結(jié)構(gòu)趨于密實(shí)，強(qiáng)度相應(yīng)提高.而隨著摻量的進(jìn)一步增加，料漿的泌水率增大，自由水增多使得膠結(jié)體強(qiáng)度減小.特別是28 d齡期時(shí)，自由水揮發(fā)后留下較多的孔隙，使得隨著減水劑摻量的增加，膠結(jié)體28 d齡期強(qiáng)度減弱.

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果擬合齡期d、PC摻量ω與強(qiáng)度σ的參數(shù)方程，如式(3)所示.為了更直觀描述PC摻量與養(yǎng)護(hù)齡期交互作用對強(qiáng)度的影響規(guī)律，繪制抗壓強(qiáng)度與影響因素關(guān)系曲面如圖6所示.

圖6 充填體抗壓強(qiáng)度與影響因素關(guān)系曲面Fig.6 Relationship between compressive strength of filling body and factors

由圖6可以看出，充填體強(qiáng)度受2個(gè)因素交互作用的影響.隨著充填料漿中PC摻量增加，相同養(yǎng)護(hù)齡期下，強(qiáng)度呈先增大后減小趨勢.3 d養(yǎng)護(hù)齡期條件下，PC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.26%時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大值3.61 MPa；7 d養(yǎng)護(hù)齡期條件下，PC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.24%時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大值4.68 MPa；28 d養(yǎng)護(hù)齡期條件下，PC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大值6.59 MPa，可以看出隨養(yǎng)護(hù)齡期增大，降低PC摻量有利于強(qiáng)度峰值的出現(xiàn)，即PC摻量的增加利于齡期較低時(shí)強(qiáng)度的提升，隨養(yǎng)護(hù)齡期增大，PC摻量對強(qiáng)度的提升效果有所減弱.

3 料漿均質(zhì)程度二維圖像量化表征

3.1 攪拌試驗(yàn)

由前述試驗(yàn)可知，減水劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0增加到0.5%，不僅顯著改善了料漿流動性且膠結(jié)體強(qiáng)度仍能滿足礦山技術(shù)要求.為更直觀地表征減水劑對充填料漿均質(zhì)性的影響，開展攪拌時(shí)間、廢尾比、減水劑對料漿表觀形貌的影響試驗(yàn)研究.充填料漿膠砂比為1∶4，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為81%，設(shè)計(jì)ω為 0、0.50%，廢尾比分別為 5∶5、6∶4、7∶3，攪拌時(shí)間a分別為3、4和5 min的攪拌試驗(yàn).試驗(yàn)采用HJW-30單臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)，進(jìn)料容量為33～66 L，出料容量為30～60 L.參照建工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《JG 244—2009混凝土試驗(yàn)用攪拌機(jī)》，設(shè)置攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速為 (35±3) rad·min?1.采用 Nikon D350 相機(jī)拍攝攪拌結(jié)束后的充填料漿狀態(tài)，結(jié)果如圖7所示.

圖7 不同 PC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下的攪拌試驗(yàn)結(jié)果.（a）ω=0；（b）ω=0.50%Fig.7 Stirring test result with different ω: （a）ω=0；（b）ω=0.50%

由圖7可知，在減水劑的作用下，廢石全尾砂高濃度充填料漿的均質(zhì)狀態(tài)明顯改變.未添加PC的料漿中廢石未能被漿體均勻包裹，形成明顯的顆粒感.而摻加減水劑后，充填料漿表面較為平滑，顆粒感明顯減弱.當(dāng)攪拌時(shí)間為4～5 min時(shí)，料漿表面均質(zhì)狀態(tài)明顯改善，這與文獻(xiàn)[11]的結(jié)論相符.而廢尾比為5∶5的料漿均質(zhì)性最差，這是因?yàn)楣橇现形采暗暮孔罡?，?xì)顆粒團(tuán)聚效應(yīng)最強(qiáng)，吸附了過多的自由水，使得細(xì)顆粒漿體黏聚力強(qiáng)，不易充分均勻包裹廢石顆粒.

3.2 圖像二值化計(jì)算原理

最大類間方差法(OTSU)是確定圖像二值化分割閾值的方法，其采用方差描述圖像的灰度分布均勻性.類間方差越大，說明圖像的灰度分布不均勻，圖像的兩部分構(gòu)成差別越大；若歸類錯誤會導(dǎo)致類間方差變小，因此使用最大類間方差可以精準(zhǔn)量化并區(qū)分“目標(biāo)”與“背景”.假設(shè)圖像灰色等級總數(shù)為k，“目標(biāo)(前景)”與“背景”之間存在閾值T，將所有像素依據(jù)灰度分為A(目標(biāo))和B(背景)兩種類型，灰度級為1～T像素為A(目標(biāo))區(qū)域，灰度級為（T+1）～（k-1）像素為 B(背景)，則有：

其中，m1、m2分別為A、B類型的像素均值；m為圖像全局像素均值；p1、p2分別為像素被劃分至A、B兩類型的概率.像素灰度的類間方差 σ2的表達(dá)式為：

聯(lián)立式(4)和式(5)可得：

由上述定義可知存在以下關(guān)系：

其中，M為灰度級為k的累加均值；m為圖像的全局均值；i為遍歷步數(shù)，0≤i≤255；pi為第i次的灰度級k被劃分至A類型的概率；k為像素點(diǎn)的灰色等級總數(shù).由式 (5)，m1、m2就可推演為：

將式(8)代入式(6)獲得最終的最大類間方差公式為：

存在T能使得式(9)達(dá)到最大值，此時(shí)T為目標(biāo)OTSU最佳閾值.

3.3 圖像信息熵求解

圖像的紋理特征能夠說明區(qū)域內(nèi)的不連續(xù)性[22]，以料漿表面紋理定量化表征廢尾比、攪拌時(shí)間對料漿均質(zhì)化程度的影響.圖像分塊單元的像素熵值是衡量該分塊區(qū)域內(nèi)灰度情況的重要參數(shù)，熵值越大，分塊單元內(nèi)灰度的分布更廣，等面積樣本區(qū)域內(nèi)圖片像素的分布更分散，此時(shí)認(rèn)為對應(yīng)料漿狀態(tài)更均勻；反之，分塊單元內(nèi)的灰度分布集中，說明對應(yīng)未達(dá)到最均勻狀態(tài).

將攪拌試驗(yàn)中獲得的各料漿表面圖像分為15個(gè)大小相同的等邊矩形單元，采用式(10)計(jì)算每個(gè)小區(qū)域內(nèi)的二維圖像灰度的信息熵值[23].由于每個(gè)等邊矩形單元區(qū)域大小相同，且料漿表面圖像為15個(gè)單元組合而成，故將各個(gè)單元的熵值進(jìn)行數(shù)值求和，獲得不同廢尾比、攪拌時(shí)間條件下的料漿表面圖像熵值H0，熵值越高則圖像亮度、細(xì)節(jié)變化越頻繁，圖像越平滑，反之圖像越粗糙，結(jié)果如表3所示.

表3 不同條件下料漿表面單元及整體圖像的熵值Table 3 Entropy of the surface unit and the overall image of the slurry under different conditions

根據(jù)表3，采用多項(xiàng)式回歸方法計(jì)算PC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0和0.5%條件下，攪拌圖像信息熵與攪拌時(shí)間、廢尾比交互的數(shù)學(xué)關(guān)系，繪制特征曲面如圖8所示.

圖8 攪拌時(shí)間與廢尾比交互作用下表面圖像信息熵變化.(a) ω=0(R2=0.9951)；(b) ω=0.5%(R2=0.9333)Fig.8 Change of surface image information entropy under the interaction of mixing time and rock/tailing ratio:(a) ω=0(R2=0.9951) ； (b)ω=0.5%(R2=0.9333)

由圖8可知，不同攪拌時(shí)長與廢尾比條件下，添加PC的充填料漿表面圖像熵值均高于未摻加PC的情況.圖8(a)可以看出，相同廢尾比時(shí)，料漿表面圖像熵值隨攪拌時(shí)間的增大呈先增大后減小趨勢，這是由于尾砂細(xì)顆粒對料漿中自由水的吸附作用強(qiáng)，導(dǎo)致料漿和易性差，出現(xiàn)全尾砂干顆粒的“團(tuán)聚”現(xiàn)象[20]，隨攪拌時(shí)間的增加，“團(tuán)聚”中的尾砂在攪拌機(jī)剪切作用下逐漸被打散，表面圖像趨于“平滑”，故表面圖像的熵值出現(xiàn)增大現(xiàn)象.當(dāng)攪拌繼續(xù)增加，熵值呈減小趨勢，這可能是因?yàn)榱蠞{與空氣接觸時(shí)間增大，由于蒸發(fā)作用料漿中的自由水相對含量降低，“團(tuán)聚”現(xiàn)象再次出現(xiàn)，表面圖像的熵值減小.

圖8(b)可以看出，隨攪拌時(shí)間增加，料漿表面圖像熵值變化情況與未添加PC時(shí)的料漿類似.不同之處在于PC作用下，攪拌時(shí)間較長時(shí)，隨料漿廢尾比值增大熵值呈先增大后減小的趨勢，分析認(rèn)為，一方面，與未添加PC時(shí)原理類似，攪拌剪切作用減弱了全尾砂干顆粒的“團(tuán)聚”現(xiàn)象，而摻加PC后料漿釋放出更多自由水，使得更多尾砂顆粒與水形成漿體，均勻包裹粗顆粒，料漿表面趨于平滑，熵值增加.另一方面，廢尾比值為6∶4時(shí)混合骨料堆積密度達(dá)到最大，在攪拌剪切作用下其“嵌鎖”結(jié)構(gòu)最緊實(shí)，表面無過多突出的紋理，因此廢尾比從5∶5增至6∶4時(shí)熵值增大.而隨著廢尾比進(jìn)一步增加，尾砂顆粒減少混合骨料孔隙增大，使得漿體無法包裹廢石顆粒，表面顆粒感增加，料漿圖像均勻度變差熵值降低.

3.4 圖像二值化處理

由料漿攪拌試驗(yàn)觀察可知，料漿未達(dá)到均質(zhì)化時(shí)其表面呈現(xiàn)出較為集中的紋理.而圖像紋理的灰度值與均質(zhì)料漿表面灰度值差異大，采用二值化方法將具備色調(diào)、大小、形狀和區(qū)域?qū)傩缘牧蠞{圖像按照灰度級別劃分為兩類連續(xù)集單元.料漿表面圖像中連續(xù)分布的像素點(diǎn)總數(shù)為“目標(biāo)”像素點(diǎn)總數(shù)，而料漿表面圖像紋理處的像素點(diǎn)為“背景”像素點(diǎn)，黑色像素點(diǎn)占比越高說明表面圖像中紋理占比越高，料漿均質(zhì)狀態(tài)不佳.依據(jù)式(9)中的OTSU最佳閾值T劃分“目標(biāo)”與“背景”，借助matlab軟件中的“im2bw”函數(shù)完成對應(yīng)圖像的二值化轉(zhuǎn)換，遍歷獲取黑色像素點(diǎn)（未達(dá)到均質(zhì)化的區(qū)域）占樣本圖像總像素點(diǎn)的比值，結(jié)果如表4所示.

表4 料漿表面圖像二值化后的黑色像素點(diǎn)占比Table 4 Percentage of black pixels after binarization of the slurry surface image

依據(jù)表4試驗(yàn)結(jié)果，采用插值計(jì)算方法構(gòu)建黑色像素占比情況云圖，同時(shí)給出特殊條件點(diǎn)的料漿表面二值化圖像，結(jié)果如圖9所示.

圖9 黑色像素點(diǎn)占比及二值化結(jié)果.(a)ω=0.5%；(b)ω=0Fig.9 Proportion of black pixels and the result of binarization:(a) ω=0.5% ； (b) ω=0

圖9(a)為PC質(zhì)量分?jǐn)?shù)是0.5%時(shí)的黑色像素點(diǎn)占比情況，由圖可知，當(dāng)廢尾比恒定時(shí)，不同攪拌時(shí)間的黑色像素點(diǎn)占比(Q，%)規(guī)律為Q3min>Q5min>Q4min，當(dāng)攪拌時(shí)長恒定時(shí)，不同廢尾比對應(yīng)的黑色像素點(diǎn)占比規(guī)律為Q6:4>Q7:3>Q5:5.隨攪拌時(shí)間增大，料漿黑色像素點(diǎn)占比呈先減小后增大趨勢，當(dāng)料漿的攪拌時(shí)長為3 min、廢尾比為5∶5的情況下或者料漿攪拌時(shí)長為3 min、廢尾比為7∶3的情況下，對應(yīng)的二值化圖像中紋理特征顯著，說明料漿均質(zhì)化特性差.而當(dāng)攪拌時(shí)長為4 min、廢尾比為6∶4時(shí)，云圖中心區(qū)域?qū)?yīng)的Q值較小，此時(shí)二值化結(jié)果圖中黑色像素點(diǎn)少且分散，說明料漿均質(zhì)狀態(tài)良好.圖9(b)為未添加PC料漿表面圖像黑色像素點(diǎn)占比情況，可以看出占比值隨廢尾比、攪拌時(shí)長的變化情況與PC作用下的料漿類似，但PC能夠有效降低料漿表面圖像黑色像素點(diǎn)的占比，提升料漿均質(zhì)程度，這與熵值計(jì)算結(jié)果一致.

4 均質(zhì)化特性量化模型

在固液混合體系攪拌至均質(zhì)化狀態(tài)的過程中，固相細(xì)小顆粒先發(fā)生“團(tuán)聚效應(yīng)”，而后在廢石、全尾砂、水泥與團(tuán)聚顆粒沖擊碰撞過程中，部分團(tuán)聚球體發(fā)生剪切變形、位移和分散，吸收少量水變?yōu)闈耦w粒.再次發(fā)生新的團(tuán)聚效應(yīng)時(shí)，自身體積圍度增大，與廢石、水泥接觸后，水泥表面逐漸被水浸濕，相互之間通過液橋作用吸引，形成硬料漿[24].結(jié)合摻入PC對料漿流變特性、強(qiáng)度特性、表面形態(tài)的影響，可知摻入PC減水劑能顯著增強(qiáng)料漿體系的均質(zhì)性，提高充填料漿的流動性和力學(xué)性能.這與PC對細(xì)顆粒吸附分散作用的調(diào)節(jié)有關(guān)，全尾砂廢石充填料漿中PC的均質(zhì)化作用機(jī)理如圖10所示.

圖10 全尾砂廢石充填料漿中PC的均質(zhì)化作用機(jī)理Fig.10 Homogenization mechanism of polycarboxylate in filler slurry of whole tailings and waste rock

摻入的PC能夠吸附至水泥團(tuán)聚顆粒表面，使水泥顆粒產(chǎn)生同性相斥的電荷效應(yīng)，從而釋放出聚團(tuán)間多余的自由水而改善硬料漿的均質(zhì)性.PC減水劑在水溶液中表面帶有負(fù)電荷，當(dāng)其處于充填料漿中會使細(xì)顆粒表面電荷數(shù)量發(fā)生變化，進(jìn)而引起料漿體系的電位變化[25].通過測試高濃度充填料漿的Zeta電位，可以分析PC作用前后對體系中細(xì)顆粒的吸附能力及最優(yōu)摻量.如圖11所示，在引入PC進(jìn)入高濃度充填漿后，電位變化基本呈如下規(guī)律：Zeta電位向負(fù)方向移動，逐漸趨于恒定值.分析認(rèn)為，這是由于PC在水溶液中解離形成具有大量負(fù)電荷的高分子離子，其水溶液中陰離子電荷密度大，同時(shí)提升了顆粒表面水化層的厚度，增大了顆粒間的排斥作用，故隨PC摻量增加，料漿體系的負(fù)電位逐漸增大[26?27].

圖11 水泥凈漿的Zeta電位與PC摻量的關(guān)系圖Fig.11 Relationship between the Zeta potential of the cement paste and the PC content

基于上述分析，建立減水劑摻量與流變參數(shù)、充填體強(qiáng)度及表觀圖像特征量的關(guān)系方程，構(gòu)建料漿均質(zhì)化量化模型，如式(11)所示.

考慮齡期、減水劑摻量、攪拌時(shí)長和剪切速率作用下的料漿均質(zhì)性量化值，以料漿的流動特性參數(shù)和充填體的力學(xué)特性參數(shù)作為約束條件，采用多目標(biāo)規(guī)劃方法(Goal programming)[28?29]優(yōu)化廢石全尾砂膠結(jié)充填料漿的減水劑摻量.借助matlab的fgoalattain函數(shù)，根據(jù)礦企要求，充填體強(qiáng)度應(yīng)滿足R3≥1.50 MPa、R7≥2.50 MPa、R28≥5.00 MPa，料漿坍落度應(yīng)滿足23 cm≤Sl≤28 cm，測定該約束下的PC質(zhì)量分?jǐn)?shù)取值范圍為0.26%～0.5%，最佳攪拌時(shí)間為4.3 min；其中，滿足強(qiáng)度及料漿表面參數(shù)合理的條件下，PC摻量為0.5%時(shí)存在最優(yōu)解，此時(shí)料漿均質(zhì)化程度最佳，塑性黏度μ為0.79 Pa·s，屈服應(yīng)力τ0為202.25 Pa.

5 結(jié)論

(1) 廢石粒度較大，全尾砂級配不良，高濃度充填料漿均質(zhì)化程度低流動性差，通過添加減水劑可改善其流動性，效果次序?yàn)椋篜C＞FDN＞AK.當(dāng)PC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.50%時(shí)，固相材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為81%的料漿坍落度達(dá)到最大值27.70 cm.

(2) 料漿的流變特性與力學(xué)特性能夠客觀反映料漿均質(zhì)化程度.加入PC能夠降低料漿的屈服應(yīng)力與塑性黏度系數(shù)，改善料漿和易性；摻入PC能夠提升充填體早期強(qiáng)度，削弱28 d齡期強(qiáng)度.

(3) 料漿表面圖像的像素點(diǎn)分布狀態(tài)(信息熵)與像素點(diǎn)數(shù)量(黑色像素點(diǎn)占比)能夠量化料漿的均質(zhì)化狀態(tài)，表面圖像信息熵越高、黑色像素點(diǎn)占比越小，則料漿均質(zhì)化程度越高.且均質(zhì)化隨攪拌時(shí)長、廢尾比的增大呈先增大后減小的趨勢.

(4) 構(gòu)建的料漿均質(zhì)化模型表明，滿足充填體強(qiáng)度特性和料漿流動特性時(shí)，PC摻量的取值范圍為0.26%～0.5%.當(dāng)PC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，塑性黏度和屈服應(yīng)力的最小值分別為0.79 Pa·s和202.25 Pa.