運動狀態下全尾砂膠結料漿流變參數時變性研究

寇云鵬，齊兆軍，盛宇航，杜加法，荊曉東，宋澤普，楊紀光

(1.山東黃金礦業股份有限公司，濟南 250100；2.山東黃金集團充填工程實驗室，山東 萊州 261441)

流變特性作為尾砂膠結料漿的基本參數，直接決定著礦山充填的成分配比、管道輸送設計[1-3]，也間接影響著充填后充填體的工程性能。料漿中的膠結料(水泥)遇水后會發生一系列化學反應，導致料漿的組分與比例、化學成分等都發生變化，必然會引起料漿流變參數的變化。因此，料漿流變參數將處于不斷演化的狀態(即流變參數具有時變性)。近年來，針對料漿流變參數，各研究者開展了大量的研究工作，取得了許多有益的成果。劉超[4]等以細粒級全尾砂為研究對象，借助Brookfield R/S+型流變儀分析了不同濃度下的料漿流變特性，得出了一定剪切速率范圍內的流變模型。翟永剛等[5]研究了質量濃度、灰砂比和淬尾比三因素對流變參數的影響規律。劉桂華等[6]研究了不同表面活性劑對尾礦漿體流變特性的影響。張欽禮等[7]探討了絮凝劑添加前后對似膏體流變參數的影響。然而在實際生產中，料漿在管道輸送過程中始終受到剪切作用處于運動狀態，以往料漿流變參數的研究往往在靜止狀態下進行。因此，本文利用攪拌作用來模擬料漿的受剪運動狀態，借助美國Brookfield流變儀對不同質量濃度和不同灰砂比的料漿流變參數進行測試，得到了運動狀態下料漿流變參數的時變性，研究成果可為充填管路輸送系統的設計提供一定的依據。

1 試驗

1.1 試驗材料

1)尾砂

試驗所用物料為某金礦浮選全尾砂。經測定，全尾砂平均密度為2.65 t/m3，堆密度為1.39 t/m3，孔隙率為47.54%。采用Mastersizer 3000激光粒度儀對全尾砂粒級組成進行分析，結果如圖1所示。全尾砂平均粒徑為82.80μm，中值粒徑為36.60μm，全尾砂中粒徑<74μm的含量為61.33%，粒徑<37μm的含量為51.15%。全尾砂的不均勻系數為19.13，曲率系數為0.30，屬于細粒級尾砂。通過XRD分析，全尾砂主要礦物成分為石英、長石、云母和蒙脫石。

2)膠凝材料與拌合水

試驗選用P.O.42.5號普通硅酸鹽水泥作膠凝材料，拌合水為自來水。

1.2 試樣制備

為模擬料漿運動，料漿持續性攪拌采用NJ-160型水泥凈漿攪拌機完成。根據試驗設計的料漿質量濃度和灰砂比，定量稱取所需的全尾砂、水泥和水，放入攪拌機容器中攪拌，攪拌時間分別設定為5 min、15 min、30 min和60 min。每測量一次需重新配置料漿。

1.3 測試方法

采用美國Brookfeild RST-SST型流變儀測量料漿流變參數，轉子采用四葉槳式，轉子直徑為20 mm，高度為40 mm，如圖2所示。為消除壁面滑移效應對測量結果的影響，試驗所用燒杯尺寸和轉子插入料漿的深度參照文獻[8]提供的方法。試驗所用燒杯容積為500 mL。

圖2 流變儀測試圖與流變參數測試程序Fig.2 Brookfield rheometer and the test program of rheological parameters

準確描述料漿流變特性是十分困難的。但在層流狀態下，料漿屬于典型的非牛頓流體，可近似采用賓漢姆模型進行描述?？紤]實際生產中料漿制備和管路輸送情況，本次試驗采用控制剪切速率模式(CSR)進行流變參數測試，程序如圖2所示。T1階段為剪切速率增大階段，時間2 min；T2階段為剪切速率恒定階段，時間1 min；T3階段為剪切速率減小階段，時間2 min。其中，前3 min為施加的預剪切，對T3下降段測量數據采用賓漢姆模型進行擬合分析得出流變方程，如式(1)所示，從而得到料漿流變參數：屈服應力(τ0)和黏性系數(η)。

(1)

2 結果與討論

2.1 不同質量濃度下攪拌時間對料漿流變參數的影響

灰砂比1∶5，質量濃度為72%、74%與76%時，料漿流變曲線測試結果如圖3所示。

圖3 不同質量濃度下料漿流變曲線變化Fig.3 Changes of rheological curves of slurry under different mass concentrations

由圖3可以看出，在不同質量濃度下，料漿剪切應力隨剪切速率的增加而逐漸增大，剪切應力和剪切速率之間呈線性關系，具有較好的相關性，屬于賓漢姆流體模型，通過擬合可得到相應流變方程以及屈服應力與黏性系數。當料漿質量濃度為72%時(圖3a)，攪拌時間從5 min增加至60 min的過程中，料漿流變曲線呈現“向上移動”，攪拌時間越長，料漿流變曲線與攪拌5 min時料漿流變曲線距離越遠，其在縱坐標上的截距隨之增大，料漿屈服應力增大，表明料漿的屈服應力隨攪拌時間的增加而增大。另一方面，料漿流變曲線的斜率也隨攪拌時間的增加而增大，表明料漿的黏度系數同樣隨攪拌時間的增加而增大。料漿質量濃度為74%和76%時也表現出同樣規律。從而可以得出：不同質量濃度下，料漿的屈服應力和黏性系數均隨攪拌時間的增加而增大。

由圖3可得出不同質量濃度下攪拌時間與料漿流變參數之間的關系，如圖4所示。隨著攪拌時間的增加，不同質量濃度的料漿其屈服應力和黏性系數均表現出增加趨勢。質量濃度為72%的料漿，料漿攪拌時間為60 min時屈服應力比攪拌5 min的增大了3.63 Pa；質量濃度為74%和76%的料漿，則分別增大了4.08 Pa和9.10 Pa。攪拌時間對料漿黏性系數也存在同樣的影響，料漿質量濃度為72%時，攪拌時間60 min時料漿的黏性系數比攪拌5 min的增大了10.28%；質量濃度為74%和76%的料漿，相應增大了11.34%和14.33%。所以料漿質量濃度越大，攪拌時間的增加對料漿流變參數影響越明顯。當料漿攪拌5 min時，質量濃度72%、74%與76%的料漿，其屈服應力分別為33.14 Pa、51.02 Pa和83.60 Pa，黏性系數分別為0.236 Pa·s、0.324 Pa·s和0.526 Pa·s；而在攪拌時間為60 min時，質量濃度72%、74%與76%的料漿，其屈服應力分別為36.77 Pa、55.10 Pa和92.70 Pa，黏性系數分別為0.260 Pa·s、0.360 Pa·s和0.602 Pa·s，顯然，在相同的攪拌時間下，料漿的流變參數也隨質量濃度的增加而增大。

2.2 不同灰砂比下攪拌時間對料漿流變參數的影響

質量濃度74%，灰砂比為1∶10和1∶15時，料漿流變曲線測試結果如圖5所示。

由圖5和圖3(b)可以看出，在不同灰砂比下，料漿剪切應力同樣隨剪切速率的增加而逐漸增大，剪切應力和剪切速率之間呈線性關系，仍屬于賓漢姆流體模型，通過擬合可得到相應流變方程以及屈服應力與黏性系數。3種不同灰砂比的料漿其流變參數表現出一致的規律性，即當攪拌時間從5 min增加到60 min時，料漿流變曲線也呈現“向上移動”且流變曲線斜率增大，說明在不同灰砂比下料漿的屈服應力和黏性系數也隨攪拌時間的增加而增大。

(a)攪拌時間對料漿屈服應力的影響 (b)攪拌時間對料漿黏性系數的影響圖4 不同質量濃度下攪拌時間對料漿流變參數的影響Fig.4 Impact of stirring time on rheological parameters under different mass concentrations

圖5 不同灰砂比下料漿流變曲線變化Fig.5 Changes of rheological curves of slurry under different cement-sand ratios

同理根據圖5和圖3(b)可得不同灰砂比下攪拌時間與料漿流變參數之間的關系，如圖6所示。隨著攪拌時間的延長，灰砂比為1∶5料漿，攪拌時間60 min時其屈服應力比攪拌5 min時增大了4.08 Pa；灰砂比為1∶10和為1∶15的料漿，則分別增大了5.57 Pa和3.88 Pa。攪拌時間對料漿黏性系數也存在同樣的影響，灰砂比為1∶5，攪拌時間60 min時黏性系數比攪拌5 min時增大了11.34%；灰砂比為1∶10和1∶15時，黏性系數相應增大了5.50%和12.18%。

在相同的攪拌時間下，與質量濃度對料漿流變參數的影響相比，灰砂比對料漿流變參數的影響有所不同，主要表現在隨攪拌時間的增加，料漿黏性系數的增加幅度不同。如圖6(b)所示，在攪拌時間不超過15 min時，料漿黏性系數隨料漿中水泥含量的增加(灰砂比提高)而增加；當攪拌時間超過15 min時，在相同攪拌時間下，灰砂比為1∶15時料漿黏性系數增加量卻大于灰砂比為1∶10時料漿黏性系數增加量。但隨攪拌時間的增加，不同灰砂比的料漿的黏性系數隨之增加的規律沒有改變。

2.3 攪拌時間對流變參數作用機理分析

全尾砂料漿中含有大量的細粒級尾砂和細顆粒水泥，這些細顆粒在內聚力和其他力的共同作用下，產生“自絮凝”作用，形成三維絮網結構，使料漿呈現出一定的屈服應力和黏度。水泥遇水發生水化反應，在攪拌的過程中隨著水泥水化時間的持續進行，具有凝聚網絡結構的凝膠成分含量也不斷增加[9]，料漿則從整體上表現出屈服應力和黏度系數的增大。由于處于攪拌狀態下，料漿中的凝膠網絡結構也處于破壞與重建的動態過程中，使得料漿流變參數增加幅度有限。

為保障料漿安全、低耗的輸送以及料漿在采空區的流動性，在選擇料漿輸送管路時要盡量縮短管路長度，從而降低長距離輸送帶來的料漿流變參數增加量，減小料漿管路輸送時的阻力，擴大料漿的流動范圍。

(a)攪拌時間對料漿屈服應力的影響 (b)攪拌時間對料漿黏性系數的影響圖6 不同灰砂比下攪拌時間對料漿流變參數的影響Fig.6 Effects of stirring time on rheological parameters under different cement-sand ratios

3 結論

本文以連續攪拌方式模擬料漿運動狀態，試驗研究了不同質量濃度和灰砂比條件下全尾砂膠結料漿流變參數的時變性。

1)對灰砂比1∶5，質量濃度分別為72%、74%和76%的全尾砂膠結料漿進行了流變參數測量試驗。對測量數據運用賓漢姆模型擬合分析表明：料漿的屈服應力和黏性系數均隨攪拌時間的增加而增大，且料漿質量濃度越大，攪拌時間的增加對料漿流變參數影響越明顯。同樣，也進行了質量濃度為74%、灰砂比為1∶10和1∶15的全尾砂膠結料漿流變試驗，試驗結果表明在不同的灰砂比條件下，料漿的屈服應力和黏性系數也隨攪拌時間的增加而增大。

2)討論了攪拌時間對料漿流變參數的影響機理。水泥水化反應隨攪拌時間的增加持續進行，使料漿中具有凝聚網絡結構的凝膠成分含量也不斷增加，從而使料漿表現出流變參數值的增大趨勢。同時，由于料漿一直處于運動狀態，料漿中的凝膠網絡結構也處在破壞與重建的動態過程中，致使料漿流變參數值增加幅度有限。