掺入泵送剂全尾砂膏体流变特性研究＊

刘斯忠 王洪江 吴爱祥 彭乃兵 杨鹏

（北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室 北京 100083）

0 引 言

膏体充填技术用于矿山井下充填具有水泥耗量低、充填体接顶性能和充填体整体性能良好等优点［1］.与传统的尾矿处置方式相比，尾矿膏体处置技术还具有节约水资源、减少污染、保护环境等优势.此外，膏体充填使矿山产生的尾砂得到完全回收利用成为可能，实现真正意义上的变废为宝，这将大幅降低尾砂处置和充填采空区的费用.综上原因，膏体充填越来越受到人们的青睐［2-5］.本研究以新疆某铜矿尾砂为原料，研究泵送剂掺量、掺加泵送剂条件下质量分数及废石添加量对膏体流变性能影响.并以恒剪切速率搅拌模拟膏体管道输送过程，探析掺加泵送剂膏体现场应用效果.

1 泵送剂作用机理

水泥在与水接触后，浆体内部的各种颗粒之间由于异性电荷相吸引、热运动、相互碰撞吸附、范德华引力等原因引起的絮凝，形成连续的结构，限制了浆体的流变性［6］.泵送剂使表面活性剂分子定向吸附，使浆体中的各种颗粒质点表面上带有相同符号的电荷，于是在静电测力的作用下，不但使体系处于相对稳定的悬浮状态，并使悬凝状结构分散解体，絮凝体包裹的拌合水逐渐释放出来.

同时，泵送剂可使水泥颗粒有效的分散，增加润湿面积，从而加快水化速度.此外，亲水集团吸附于水泥颗粒表面形成溶剂化水膜，起润滑作用，也达到了增大流动和减水作用.泵送剂还能引入一定量的微细气泡，气泡被分子膜所包围，与水泥颗粒吸附膜的电性相同.在电性斥力的作用下，气泡与气泡、气泡与水泥颗粒间的相互分散，增加了颗粒间的滑动能力.因此，膏体料浆中添加泵送剂可以达到改善流变性能的效果.

2 试验设计

2.1 原材料

1）尾砂 尾砂基本物理性质和粒级组成见表1和2.

表1 全尾砂实验结果汇总表

表2 全尾砂粒级组成

尾砂是由大小不同的颗粒所组成，可用不均匀系数CU和曲率系数CC表征该物料粒级组成的均匀程度，计算得全尾砂不均匀系数CU为18.36，曲率系数CC为1.62，可以看出尾砂粒级分布范围较大，尾砂粒径连续状况较好.

国外普遍认为，膏体中-20μm 的颗粒含量应不应少于15%［7］，但-20μm 的颗粒含量过多，会使膏体脱水困难、管道输送阻力增大，因此-20μm 的颗粒含量也不宜过多.该矿全尾砂中-20μm 的细颗粒含量高达29.8%，在添加粗颗粒骨料后预期能够制备出理想的充填膏体.

2）粗骨料和水泥 粗骨料为已破碎废石（粒径小于10mm），测得平均粒径为3mm，相对密度为2.663t／m3；水泥为普通32.5R硅酸盐水泥.

2.2 仪器

本次实验采用的设备为R／S 型四叶桨式旋转流变仪，此设备的测试原理是和扭矩测量头相连的四叶桨式转子浸入所要测试的料浆中，以可变化的剪切速率旋转，通过在附RHEO3000软件界面设置流变参数进行实时监测输出剪切应力-剪切速率曲线，并可做进一步的数据处理.

2.3 流变特性测试原理

Bingham 模型公式如下.

式中：τ为剪切应力，Pa；τ0为动态屈服应力，Pa；μΡ为表观粘度，Pa·s；γ为剪切速率，s-1.

3 试验结果与分析

3.1 掺加／不掺加泵送剂对比试验

试验选用了云南某铅锌矿的尾砂做对照，其基本物理性质如表3所列.膏体配比均为质量分数76%、灰砂质量比1∶5、废石添加量20%.共进行了云南某铅锌矿／新疆某铜矿不加泵送剂及新疆掺加泵送剂流变参数测试试验.试验结果见图1.

表3 云南某铅锌矿全尾砂基本物理性质

图1 对比试验流变测试结果

3.2 泵送剂掺量对膏体流变特性的影响

试验对象为质量分数76%、灰砂比1：6、废石添加量为20%的膏体，考核指标为屈服应力.将泵送剂的试验范围定为0.5%～2.5%.膏体外加剂按照0.5为一个增量进行6组实验.试验结果见图2.

图2 屈服应力随泵送剂掺量变化曲线

由图2可见，膏体屈服应力随着泵送剂添加量的增加而呈现递减趋势，且幅度逐渐减小.尤其当添加量从2%增加至2.5%，图2中屈服应力变化曲线趋于水平，对流变性能改善效果不明显.随着泵送剂掺量的增加，其吸附、分散作用逐渐增加，使得砂浆中絮凝体逐渐解体，絮凝体包裹拌合水逐渐释放出来.而在泵送剂达到饱和掺量后，其掺量的增大已经不能增加自由水量，膏体的流变参数达到最小值.综合考虑添加效果及充填成本，应将掺加量控制在2%以下.

3.3 掺加泵送剂后质量分数对膏体流变特性的影响

对5组不同质量分数（废石添加量20%、灰砂比1∶6、泵送剂掺量2%、质量分数74%～78%）的膏体料浆进行流变参数测试，其屈服应力及塑性粘度随质量分数变化曲线见图3.

图3 膏体料浆流变参数随质量分数变化曲线

由图3可知，添加一定量的泵送剂后，膏体屈服应力随质量分数呈指数函数增长，塑性粘度随质量分数呈二次函数增长.宏观方面表现为随着质量分数的升高，浆体容重增大，转子转动需要克服更大的外界应力；微观方面则表现为细颗粒的增加导致絮团三维网状结构增多且絮网结构更紧固了，具备更强的抗剪能力.

3.4 掺加泵送剂后废石添加量对膏体流变特性的影响

考察相同质量分数（75%）和灰砂质量比（1∶6）条件下，掺加等量泵送剂时废石添加量对膏体流变性能的影响.图4 为废石添加量为10%～30%时膏体流变性能变化情况.

图4 废石添加量对膏体流变性能的影响

从图4可知，膏体屈服应力随废石添加量的增多而减小，这是由于粗骨料加得越多，颗粒越粗，则混合料的比表面积越小，颗粒之间相互作用的数目减少，隔开颗粒的水泥浆层越厚，从而导致屈服应力下降.而塑性粘度却不存在明显的变化规律，因为影响浆体粘性的因素很多，不仅包括分子间的附着力、吸引力及使分子脱离流体微团所需要的力，还有固体颗粒的大小、分布、质量分数、固体颗粒与液体分子间的动量交换等因素.

4 模拟现场效果

掺加泵送剂虽然可以提高料浆流变性和降低用水量，但是由于膏体初始水灰比低，同时水泥的分散度又比其他固体物料大得多，所以随着水泥水化的进行，结合水会增多，游离水会减少，浆体的流动性可能很快降低.同时，由于掺加泵送剂之后，破坏了C3A 与可溶性硫酸盐之间的平衡，可能引起不同程度的闪凝、快凝现象［8］.因此，设计了一组恒剪切速率长时间搅拌试验，料浆配比为质量分数78%、灰砂质量比1∶7、废石添加量20%，测试时间为1h.根据现场推荐料浆输送速度，计算得管道壁对浆体的剪切速率为53（1／s），因此试验控制剪切速率恒为53（1／s）.试验结果如图5所示.

图5 恒剪切速率情况下剪切应力随时间变化曲线

从图5可知，恒剪切速率情况下，剪切应力随时间呈先减小后增大的趋势，可理解为试验前期剪切变稀作用大于水泥水化反应产生的料浆凝结作用，而后期则刚好相反.该矿山最长输送距离为2300m，按输送速度1m／s计算得到料浆在管道中最长停留时间为2300s，从图中观察到料浆在搅拌后2300s处仍具有最初的流变性能，而在此点之前由于剪切变稀的作用料浆一直保持着良好的流变性能，因此添加泵送剂对现场管道输送不产生负面影响.

5 结 论

1）膏体屈服应力随泵送剂掺量的增加而减小，且减小幅度逐渐下降，尤其当掺量从2%增加到2.5%时，膏体流变性能改善效果不明显.鉴于成本方面的考虑，建议将泵送剂掺量控制在2%以下.

2）掺加泵送剂后，膏体屈服应力随质量分数呈指数函数增长，塑性粘度随质量分数呈二次函数增长.

3）废石添加量越大，膏体屈服应力越小.但是膏体的塑性粘度对于废石添加量的不同并未表现出明显的变化规律

4）以一恒剪切速率模拟膏体料浆在充填管道中的输送过程，发现膏体流入采空区后仍能保持初始的流变性能.说明泵送剂对该矿山膏体管道输送无负面影响，可放心使用.

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