高浓度全尾砂充填料浆流变特性试验研究

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(1.南华大学 资源环境与安全工程学院，湖南 衡阳 421001； 2.河南理工大学 河南省矿产资源绿色高效开采与综合利用重点实验室，河南 焦作 454000)

高浓度全尾砂充填具有“全尾砂”和“高浓度”充填的双重特征和优势，既避免了分级尾砂的细粒级尾砂二次排放，料浆又具有基本不泌水、不离析、不沉降的显著优点，是矿山充填的发展方向之一[1-3]。高浓度全尾砂充填技术的关键问题之一是料浆的管道输送，料浆浓度、灰砂比等因素是作为衡量料浆能否进行管道输送及其难易程度的重要指标。流变特性可由屈服应力和黏度系数等来表征[4-5]。

高浓度充填料浆内部的细颗粒具有相对较强的表面物理化学作用，产生“颗粒絮凝成团”现象，形成具有一定抗剪切强度的网络状结构，此网络状结构与高浓度料浆所受的剪切速率及剪切时间有关。当高浓度料浆所受的外力大于某临界值时，料浆才表现其流动的性质，该临界值即为屈服应力。高浓度充填料浆一般被认为是黏弹性的非牛顿流体，随着剪切速率在不同的范围内变化，其黏度值也是不断变化的[6-12]。因此，通过测定屈服应力和黏度2个参数，对于评价高浓度充填料浆的流变特性有重要的意义。

1 料浆流变参数测试方案

1.1 试验材料

图1 全尾砂粒度分布曲线Fig.1 Granularity distribu- tion curve of full tailings

试验用尾砂取自某铅锌矿，尾砂密度2 550 kg/m3，容重1 720 kg/m3，孔隙率33.5%，尾砂中可回收金属含量相对较低，不含或者含有少量的有毒有害元素。尾砂的物理化学性质稳定，其粒径组成利用LS13320激光粒度分析仪测试获得，如图1所示。粒径范围主要分布在4.7～305.9 μm，平均粒径为105.9 μm，中值粒径为37.31 μm。经计算，尾砂的不均匀系数Cu=91.92，曲率系数Cc=4.34，尾砂粒径分布范围较广，粒径不均匀。然而全尾砂中-20 μm尾砂含量为28.2%，远超过膏体的配料中-20 μm颗粒的含量必须>15%的要求。

试验胶凝材料采用PC32.5R复合硅酸盐水泥，密度为3 000 kg/m3，比重为1∶3。试验用水直接采用城市自来水。

1.2 试验设备

试验采用MCR52模块化智能型流变仪进行测试，如图2(a)所示，转子选用ST24-2D/2V/2V-30浆叶式转子(转子直径20 mm，高度40 mm)，并利用配套的RheoCompass软件在操作界面上设置控制参数来实时输出剪切速率-剪切应力曲线、剪切速率-黏度曲线。该设备具有控制剪切应力和剪切速率双重测量模式，具有较多的选择性和灵活性。

为了更加直观地观察料浆的流动性能，全面地分析料浆的流变特性，试验同时采用砂浆扩展度来衡量料浆的流动特性。扩展度测定采用《客运专线铁路CRTSII型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件》(2008年)方法；扩展度筒尺寸为：上Φ35 mm，下Φ50 mm，高65 mm，如图2(b)所示。

图2 试验设备Fig.2 Test equipment

1.3 试验方案

根据选用尾砂的性质，本试验仅考虑分析料浆质量浓度、灰砂比2个因素对流变特性的影响规律，为使研究具有普适性和代表性，选取充填工程及研究中较为常用的参数范围，质量浓度分别取72%,74%,76%,78%,80%的5个水平，灰砂比分别取1∶4,1∶8,1∶12,1∶16的4个水平。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

屈服应力和黏度是表征充填料浆流变特性的基本参数，屈服应力的直接法测量重复性好、精度高，是较为理想的屈服应力测试方法；而黏度是个动态变化的参数，通常采用剪切时间内的算术平均值来表征[7]。根据MCR52流变仪所得试验数据，采用直接法进行计算处理获得屈服应力，黏度则取其剪切时间内的算术平均黏度，最终试验结果如表1所示。

2.2 流变特性分析

2.2.1 表观黏度特性

限于篇幅，这里仅给出灰砂比为1∶8时不同浓度充填料浆黏度随剪切速率的变化曲线和质量浓度78%时不同灰砂比充填料浆黏度随剪切速率的变化曲线，见图3。

表1 流变参数Table 1 Rheological parameters

图3 不同条件下充填料浆黏度-剪切速率Fig.3 Viscosity vs. shear rate of filling slurry with different concentrations and cement-sand ratios

(1)结合表1，相同灰砂比时，料浆的表观黏度与浓度呈正相关性，浓度在72%～76%时黏度变化不明显，而料浆浓度达到78%时黏度则显著增大；相同质量浓度时，胶凝材料掺量越多，料浆的表观黏度越大，但并无突变性变化，相同质量浓度、不同灰砂比充填料浆黏度随剪切速率的变化曲线趋势基本一致。

(2)从图3(a)可以看出，以78%为界，较低浓度的充填料浆黏度随剪切速率的变化可以划分为黏度快速减小(0～10 s-1)、近似线性(10～60 s-1)和动态稳定(60 s-1以后)3个阶段。快速减小阶段，料浆的初始黏度很大，需要破坏其内部的絮网结构，才能使料浆流动，此阶段料浆黏度急剧下降，流动能力迅速增大；近似线性阶段，料浆黏度随剪切速率增大而缓慢减小，此时黏度的变化逐渐趋于动态稳定；而动态稳定阶段，料浆的黏度趋于平衡且几乎不再受其浓度和剪切速率的影响，此时各个条件下黏度近似相等，具有“剪切变稀”的明显特征。主要是由于料浆内部细微颗粒在较高剪切速率作用下不断分散、碰撞、聚集、再分散所造成的，此时料浆表现为牛顿体的特性。不同灰砂比条件下(如图3(b))同样表现出类似特征。

(3)当料浆浓度在78%及以上时，其黏度随剪切速率的变化可以划分为快速减小(0～20 s-1)和逐步减小(20 s-1以后)的动态稳定2个阶段，此时的料浆黏度随剪切速率变化呈导函数(y=a/x，a为与料浆浓度、灰砂比相关的系数，x为剪切速率，y为黏度)趋势变化，料浆随剪切速率的不断增大经过短暂剪切后表现为似宾汉体或者宾汉体特征。

(4)如图3(b)所示，不同灰砂比条件下的料浆浓度变化全部呈现出明显的导函数趋势变化，说明灰砂比对料浆黏度的变化影响相对较小，料浆黏度的变化主要受其浓度的影响。因此在料浆管道输送中，控制合适的浓度是输送难易的关键。

2.2.2 料浆扩展度

图4为不同灰砂比和不同浓度时充填料浆的扩展度，图5为料浆扩展后的形态(俯视图)。

图4 不同条件下充填料浆扩展度Fig.4 Extensibility of slurry with different concentrations and cement-sand ratios

图5 料浆扩展形态(灰砂比1∶12)Fig.5 Extended shapes of slurry when cement-sand ratio is 1∶12

(1)随着料浆质量浓度的增加，扩展度呈减小的趋势，由图4(a)可知，任意灰砂比条件下，当充填料浆浓度从76%增大至78%时，扩展度均急剧减小，图5以灰砂比1∶12条件下76%和78%两种质量浓度的充填料浆扩展形态为例，可明显看出浓度76%的料浆扩展性较好，而浓度78%的料浆扩展形态基本与扩展度筒形态一致。

(2)随着料浆胶凝材料掺量的增加，扩展度呈减小的趋势，但从图4(b)看出，灰砂比的变化对料浆的扩展度影响相对较小。

(3)当充填料浆浓度增大至78%时，流动性能急剧变差，说明该全尾砂充填料浆流动性的突变临界浓度在78%左右，这与流变特性中的黏度规律高度吻合，扩展度的变化能直观地反映充填料浆的流动特性。

2.2.3 充填料浆流变特性

充填料浆流变特性主要由屈服应力和平均黏度表征，图6和图7分别为屈服应力变化曲线和平均黏度变化曲线。

图6 料浆屈服应力变化曲线Fig.6 Curves of yield stress of slurry

图7 料浆黏度变化曲线Fig.7 Curves of viscosity of slurry

(1)料浆质量浓度相同时，屈服应力和平均黏度均随胶凝材料掺量的减小而减小，76%以下低浓度料浆的屈服应力和平均黏度随胶凝材料掺量变化不明显，而76%以上较高浓度料浆的屈服应力和平均黏度则随胶凝材料掺量变化明显。

(2)料浆灰砂比相同时，屈服应力和平均黏度随料浆质量浓度增大而增大，当浓度低于76%时，屈服应力和平均黏度随浓度的变化不明显，而浓度高于76%时，屈服应力和平均黏度陡增，明显大于浓度76%料浆的屈服应力及平均黏度，达到其2～3倍，但浓度在80%时，料浆特性并不符合整体变化规律。

3 结 论

以某矿全尾砂制备充填料浆为研究对象，利用MCR52流变仪对充填料浆的流变特性进行测试，并使用扩展度筒测定扩展度表征其流动性能，研究了质量浓度、灰砂比2个因素对流变特性的影响规律，取得以下结论：

(1)料浆质量浓度和灰砂比2个因素对充填料浆流变特性的影响程度顺序由大到小依次为质量浓度、灰砂比。

(2)料浆质量浓度相同时，屈服应力和平均黏度均随胶凝材料掺量的减小而减小，扩展度增大；料浆灰砂比相同时，屈服应力和平均黏度随料浆质量浓度增大而增大，扩展度减小。78%浓度料浆的屈服应力、平均黏度较76%浓度料浆陡增，达其2～3倍，扩展度急剧减小，说明76%以下浓度充填料浆的流动性能较好。

(3)全尾砂充填料浆具有“剪切变稀”的明显特征，充填料浆的流变过程是多个流变模型复合的结果，流变特性可以作为区分高浓度和低浓度料浆的表征。