膏体充填料浆超细颗粒与流变特性关系研究

蔡 君 崔继强 谢锦程 李广涛

（1.凉山矿业股份有限公司；2.金川集团股份有限公司龙首矿；3.昆明理工大学国土资源工程学院）

膏体充填料浆往往采用粗骨料、尾砂、水泥和水混合制成。在许多膏体充填料浆流变特性的研究中都提到，超细骨料对料浆的流变特性具有很大影响。但是对于超细颗粒的界定却没有统一和科学客观的依据。在泥沙研究中，把粒径小于0.01 mm的颗粒称为细颗粒［1］，此范围在学术研究中较为准确。矿业界对细粒尾砂并没有严格的定义，尹光志等［2］认为平均粒径小于0.03 mm，其中粒径小于0.019 mm的含量大于10%的尾砂称为细颗粒尾砂。在膏体充填研究中，国外学者认为-20μm颗粒含量不小于15%的料浆才能构成膏体。国外大量研究表明［3］，-20μm颗粒含量对料浆流动性具有显著影响，且-20μm含量为15%~20%时浆体具有较好的流动性。王洪江等［4］采用均匀试验设计研究不同粒径范围对料浆泌水率的影响，试验结果表明：粒度为20~37μm的尾砂颗粒对浆体泌水率的影响最大。吴爱祥等［5］认为超细全尾砂其粒级组成为平均粒径小于30μm，19μm以下的颗粒含量大于50%，74μm以上的颗粒含量小于10%，37μm以上的颗粒含量小于30%。康瑞海等［6］采用了L管模型对杜达铅锌矿充填料浆流动参数进行了测定和计算，结果表明：在一定范围内，提高-20 μm极细颗粒有利于提高浆体的流动性。徐文彬等［7］开展了不同级配骨料的矸石充填料浆流变特性试验，结果表明：0~30μm粒径颗粒对料浆流变性能影响最大。在颗粒絮凝机理的研究中，Mehta和Li［8］认为黏性颗粒与非黏性颗粒的分界粒径可取20μm。而黏性颗粒对料浆的絮凝结构的形成具有重要影响。杨磊等［9］分析了具有活性的超细尾砂的强度特征。薛娜等［10］分析了超细铁尾砂充填料浆的流变特性，解析了其微观的流变机理。梁栋等［11］分析了级配对充填体强度的影响。付自国等［12］建立了超细尾砂充填体的强度计算模型，超细尾砂的粒径范围为-20μm。

综上所述，对于超细颗粒的粒径范围的常取20 μm作为分界线，但是为什么定义为20μm，并没有文献给出明确的标准。不同矿山的尾砂在表观密度、颗粒形态、粒径分布等方面都具有很大差异，若仅以粒径尺寸大小作为颗粒分级的依据，那么分级标准考虑因素过于单一，不够科学客观。充填采矿法发展至今，由于磨矿和选矿技术的不断提高，尾砂的粒径逐渐减小，大部分矿山的尾砂的粒径已经达到了土力学中“泥”的范畴。在工程实际中，往往把几到几十微米以下的颗粒也称为超细颗粒。如此模糊的定义必将使得研究缺乏普适性，因此，有必要对超细颗粒进行重新定义，以期更加方便地研究问题。

1 膏体充填料浆流变试验

本项目主要研究超细颗粒与膏体充填料浆流变特性的关系，根据水力粗度定义的超细颗粒粒径的公式为

式中，ρp为尾砂的表观密度，kg/m3；ρW为水的表观密度，kg/m3；ρS为水泥的表观密度，kg/m3；β为水泥的基本需水率。在定义了超细颗粒后，通过流变试验测试不同充填料配比下膏体充填料浆的流变特性。

试验使用法国生产的RheoCAD500型混凝土流变仪，如图1所示。试验选用双螺旋（1#）转子，计算机内部程序设置为转子速度从0 rpm增加到250 rpm，再由250 rpm降低到0 rpm，共100个转速点，每个转速点等待5 s，1 s采集1个数值，每个转速点下的5个数据取平均值。

采用专家模式进行试验，可以检测膏体由固态向流态转变的过程。RheoCAD500型流变仪的加载与触变控制如图2所示。

拟选用金川公司二矿的破碎废石集料和风砂作为充填骨料进行研究，充填料浆的流变试验方案如表1（试验所用的充填料浆均满足料浆极限浓度条件，料浆均质且无离析）。

根据超细颗粒的定义，对废石和风砂的超细颗粒粒径以及含量进行了计算，结果见表1。

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如表2所示，风砂的超细颗粒含量较多达到了31%，废石的超细颗粒含量相对较少为9%。

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2 骨料级配对流变参数的影响分析

通过流变试验得到废石-风砂料浆在不同浓度，不同水泥含量以及不同配比下的流变特性（H-B模型），流变参数主要受到浓度、水泥含量等料浆特性的影响。事实上，大多数研究表明，充填骨料的粗细部分的比例，很大程度上也影响着充填料浆的流变参数。

2.1 细粒级含量对料浆塑性黏度的影响

多数研究表明充填料浆中超粒级的含量对充填料浆的流动性能影响很大。充填料浆中超细尾砂（不包含水泥絮凝体）的含量与充填料浆的塑性黏度关系见图3。

如图3所示，质量比无论是5∶5还是7∶3的充填料浆中，超细粒径骨料的含量对充填料浆塑性黏度影响的趋势完全相同，随着超细粒级骨料含量的增多，膏体料浆的塑性黏度增加，在相同的级配下，不同水泥含量的增加趋势几乎相同，由此可见超细粒级的含量无疑是影响充填料浆塑性黏度的主要原因，且塑性黏度与超细粒级含量呈正相关。

如图4所示，超细颗粒含量与塑性黏度正相关，超细粒级含量的增加塑性黏度随之增大。相同浓度下，超细颗粒含量的多少决定了塑性黏度的大小。在相同的超细颗粒含量下，料浆质量浓度越高塑性黏度越高。级配的不同也会引起塑性黏度的改变，废石含量越多的料浆，在相同浓度下塑性黏度越低。废石含量越多，料浆中的超细颗粒越少，导致了塑性黏度的降低。

对比不同级配的充填料浆可以看出，仅用超细颗粒的含量作为衡量料浆塑性黏度变化的因素是不够科学的。在膏体充填料浆中，形成料浆最重要的条件是水的加入，水使颗粒间的孔隙得到填满，多余的水量使颗粒间能保持运动的传递，水的加入引起了料浆的流动和浆体的形成，因此超细颗粒含量与水的相互关系共同决定了料浆的塑性黏度，因此将超细颗粒含量与水的质量之比作为因变量，作图讨论它与料浆塑性黏度间的关系。

如图5所示，将不同级配下，超细颗粒与水的质量之比作为变量料浆的塑性黏度作为因变量。料浆的塑性黏度会随着比值的增加而增加，且增长的幅度呈指数增长。对数据进行回归分析，可以看出，数据符合指数方程。回归结果R2=94.13%，因素相关性非常高，方程的回归结果非常显著。因此，可以使用超细颗粒与水质量之比作为计算和衡量料浆塑性黏度的标准，使得对于充填料浆塑性黏度的计算和回归统计更为方便。

2.2 粗骨料含量对料浆屈服应力的影响

为了分析料浆中粗骨料对料浆塑性黏度的影响。将相同级配、不同水泥含量、不同浓度下粗骨料（大于超细颗粒粒径的骨料）与水质量之比作为自变量，膏体充填料浆的屈服应力作为因变量，将实验数据作图。

如图6所示，废石-风砂料浆中粗骨料（大于超细颗粒粒径的骨料）含量对充填料浆屈服应力的影响巨大。如图6所示，粗骨料含量的改变会引起料浆中屈服应力的改变，粗骨料与水质量之比和屈服应力呈正相关，也就是说粗骨料含量的增多会导致料浆中屈服应力的增多。粗骨料含量的增多无疑降低了料浆中的孔隙率，增大了料浆中骨料间摩擦作用的可能性，宏观上导致了料浆屈服应力的增加。在不同级配的废石-风砂料浆中，以上关系均是存在且很明显的。

料浆的屈服应力与料浆中骨料和水质量之比呈指数增长的关系，使用回归分析方法对料浆中各因素关系进行分析得到废石∶风砂=5∶5（质量比）的回归方程：y=5.26x1.71，R²=0.86；废石∶风砂=6∶4（质量比）的回归方程：y=4.64x1.71，R²=0.87；废石∶风砂=7∶3（质量比）的回归方程：y=4.71x1.41，R²=0.88。从以上回归方程可以看出，粗骨料和水的质量之比可以明显地表征不同配比下膏体充填料浆的屈服应力。

3 结论

膏体充填料浆中超细颗粒含量与料浆的流变特性具有强相关性。超细颗粒的含量越多，料浆的塑性黏度越大，其增长幅度呈指数型增长。粗骨料含量越多膏体充填料浆的屈服应力越大。这个结论与大多数文献能相互佐证。超细颗粒含量与料浆中水的含量之比体现了超细颗粒含量的多寡，通过回归分析建立了废石-风砂系列料浆流变特性的回归分析模型，模型简单且因素较少，模型的相关系数很高，能够准确地预测膏体充填料浆的流变特性，对指导工程实践十分有利。