基于剪切应力变化量的全尾砂浆触变特性分析

2021-09-09甘德清常英杰张友志闫泽鹏杜双成1

金属矿山 2021年8期

甘德清常英杰张友志闫泽鹏杜双成1

（1.华北理工大学矿业工程学院，河北唐山063210；2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北唐山063210）

随着国家对矿山环境保护的重视，充填采矿法作为环境友好型采矿方法被众多矿山企业作为主要采矿方法［1］。充填料浆作为一种由全尾砂、水泥、絮凝剂等材料混合而成的复杂悬浮体系［2］，具有一定的触变性。触变性是指在搅动或其他机械作用下矿浆体系流变特性随时间变化的复杂流变学现象［3-4］，其直接关系到全尾砂浆的制备、管道输送、采场料浆流动等核心技术的突破［5-6］。因此，国内外一些专家学者从不同角度对触变性展开了研究。

1923年触变现象被发现，随后一些专家学者对其机理展开了研究［7］，发现最大临界应变与水泥颗粒间的胶态相互作用有关，而最小的临界应变与早期水合物有关，它们优先形成于水泥颗粒间的絮网结构［8］。MEWIS J等［9］对现有的触变悬浮流变学模型进行了分类和评价，但未对触变性进行定量描述。DULLAERT K［10］等基于非弹性悬浮介质，建立了描述触变体系流动行为的一般结构动力学模型。为探究触变性的影响因素，AHARI等［11］采用不同的辅助胶凝材料对混凝土的触变性和破坏行为进行了研究，发现除了高炉矿渣（BFS）外，与只含硅酸盐水泥的混合物相比，在混凝土中使用胶结材料可使其触变值升高。张友志等［12］利用桨式流变仪研究了充填料浆在不同情况下的触变行为，并提出了基于量纲分析的触变特性预测模型。薛振林等［13］采用正交设计方法分析了灰砂比、质量浓度和温度对流变参数的影响规律，得出料浆的屈服应力影响权重从高到低依次为质量浓度、温度、灰砂比。刘晓辉等［14］通过不同条件下的恒定剪切速率流变试验，研究了剪切速率、膏体质量分数、絮凝剂添加量、静置时间等因素对膏体触变的影响规律，发现在静置条件下，膏体质量分数越高，其絮网结构恢复速率越快。HARUNA S［15］等研究了高效减水剂对胶结充填料浆在不同温度下制备和固化的流变学特性，发现环境温度的升高会使充填料浆的屈服应力和黏度增大，且不同尾砂类型需要不同的减水剂用量才能达到相同的流动性水平。JIANG等［16］研究了矿物掺合料对充填料浆流变特性的影响，充填料浆的触变性随着粉煤灰添加量的增加而降低，而矿渣和硅灰的加入使充填料浆的触变性早期值降低，后期触变性获得率提高。用硅灰部分替代水泥导致充填料浆的静态变形能力增加，流动性显著改善。

在管道输送过程中触变性对料浆性质和管输阻力有一定影响，朱世彬等［17］对不同骨料比的料浆流变特性随时间的变化规律展开了研究，得出了塑性黏度和屈服应力随时间的变化公式。LIU L等［18］发现含冰胶结充填料浆表现为宾汉流体，屈服应力、塑性黏度和触变性随冰水比和浓度的增加而增加，而柱状坍落度则随冰水比和浓度的增加而减小。CHENG等［19］通过分析时间和温度对膏体流变性的影响，建立了膏体的阻力计算模型，并利用COMSOL数值软件进行了计算，得到了流动参数的分布，得出膏体的流变行为具有时间-温度等效效应，并建立了时间-温度效应的转换方程，结合白金汉方程，提出了考虑时间-温度效应的管道阻力计算模型。

由此可以看出，前人对充填尾砂料浆触变性的研究多针对于其影响因素和其对管输阻力的影响，对于全尾砂浆触变性和剪切稀化特征尚缺少规律性的系统研究，本文针对全尾砂浆触变性影响因素及其剪切稀化特征进行研究，探究全尾砂浆触变性影响因素及其一般规律，为现场料浆的制备及管道输送过程的优化提供理论依据。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料与设备

试验用尾砂为河北省某铁矿全尾砂，水泥为普通硅酸盐水泥（P.O 42.5）。经实验室测试，尾砂密度为2 620 kg/m3，利用NKDG100-D型激光粒度分析仪对尾砂及水泥进行测试，粒度分布如图1所示。由图1可知，粒径＜74 μm的尾砂颗粒占到90%以上，属于细尾砂［20］，中值粒径为10 μm，水泥中值粒径为15 μm。

流变试验所用设备为美国的赛默飞世尔科技公司生产的便携式流变仪HAAKE Viscotester iQ，配备转子为FL22 4B/SS-01170440的四叶桨式转子。

试验用水为实验室自来水。

1.2 试验方案及方法

为探究质量浓度、温度、灰砂比、剪切速率等因素对全尾砂浆触变特性的影响，在考虑料浆流动性的前提下，设计单因素4水平试验，如表1所示。

剪切试验采用CR测试方法，分别进行100 s的恒定剪切试验。触变性是指全尾砂浆受剪切破坏作用内部结构随时间的破坏和恢复过程，对于剪切破坏过程可利用剪切应力变化量Δτ来表示，Δτ可由式（1）计算得出。

式中，Δτ为剪切应力变化量，Pa；τ0为初始剪切应力，Pa；τe为平衡剪切应力，Pa；

2 试验结果与分析

2.1 质量浓度对全尾砂浆触变特性的影响

在灰砂比为1∶4，剪切速率为60 s-1，温度为20℃的条件下，进行了不同质量浓度的恒定剪切试验。图2为质量浓度对全尾砂浆触变性的影响。

由图2可知：在剪切速率相同的情况下，随着剪切时间的延长，料浆絮网结构被逐渐破坏，剪切应力逐渐减小，直至剪切破坏作用与料浆本身的恢复作用平衡后，在某一值趋于稳定；同时可以看出，在剪切速率相同时，低质量浓度下触变特性并不明显；以触变前后剪切应力变化量来表征全尾砂浆触变性的大小［14］，在全尾砂浆质量浓度低于62%时，剪切应力变化量Δτ增加速度较为缓慢，质量浓度大于62%后，随着全尾砂浆质量浓度的增加，剪切应力变化量Δτ迅速增加，全尾砂浆絮网结构稳定性增加，触变特性急剧增强。随着全尾砂浆质量浓度的增加，料浆内部固体成分含量增多，絮网结构越稳定，剪切应力越大［13］（图 3）。

因此，在质量浓度为60%～66%的范围内，质量浓度越高全尾砂浆触变特性越强，可以通过适当增加料浆浓度增强其触变性，从而在减少泌水率的同时增强料浆触变性，提高料浆流动性。同时，通过观察可以发现其与浓度增长呈幂函数关系，对其进行回归拟合分析，回归方程如式（2）所示。

式中，Δτ为应力变化量，Pa；c为质量浓度，%；

回归方程中决定系数R2=0.99，F值的显著水平P=0.002＜0.05，回归方程较为合适，拟合度较高。

2.2 温度对全尾砂浆触变特性的影响

在质量浓度为66%，灰砂比为1∶4，剪切速率为60 s-1的条件下，进行了不同温度的恒定剪切试验。图4为温度对全尾砂浆触变性的影响。

由图4可知：在剪切速率相同的情况下，随着剪切时间的增加，料浆絮网结构逐渐被破坏，剪切应力逐渐减小，直至剪切破坏作用与料浆本身的恢复作用平衡后，在某一值趋于稳定；温度升高，全尾砂浆内部结构受温度影响，分子布朗运动加剧，挣脱范德华力束缚，自由水增多，全尾砂浆内部结构由絮网结构向液网结构转化，结构稳定性降低，导致温度越高，剪切应力越低［21］，同时剪切应力变化量Δτ降低，触变性降低（图5）。

因此，在温度较高时，全尾砂浆絮网结构转化为液网结构，触变性较小，流动性较好，可通过适当提高料浆温度增加料浆流动性减小管道输送阻力。同时，通过观察可以发现其与温度增长呈一定线性关系，对其进行回归拟合分析，回归方程如式（3）所示。

式中，Δτ为应力变化量，Pa；T为温度，℃；

回归方程中决定系数R2=0.98，F值的显著水平P=0.012＜0.05，回归方程较为合适，拟合度较高。

2.3 灰砂比对全尾砂浆触变特性的影响

在质量浓度为66%，剪切速率为60 s-1，温度为20℃的条件下，进行了不同灰砂比的恒定剪切试验。图6为灰砂比对全尾砂浆触变性的影响。

由图6可知：在剪切速率相同时，随着剪切作用时间的延长，料浆絮网结构逐渐被破坏，剪切应力逐渐减小，直至剪切破坏作用与料浆本身的恢复作用平衡后，在某一值趋于稳定；由于使用尾砂为细尾砂，尾砂平均粒径小于水泥平均粒径，导致灰砂比越小，尾砂含量越多，细颗粒含量增多，细颗粒之间形成的絮网结构密集，全尾砂浆整体稳定性增强，剪切应力增大［22］；灰砂比越大，细颗粒含量越少，絮网结构不稳定，导致触变性变低，剪切应力变化量Δτ越小；同时可以发现，在灰砂比大于1∶8时，触变特性变化较快，尾砂细颗粒对触变性影响较大，在灰砂比小于1∶8后，水化反应产物与细颗粒结合形成的絮网结构到达极限，细颗粒对触变性的影响逐渐减小。

因此，针对本实验所用材料，为使料浆具有较强的触变性，灰砂比最佳配比为1∶8。触变量与灰砂比呈一定函数关系，对其进行回归拟合分析，回归方程如式（4）所示。

式中，Δτ为应力变化量，Pa；n为灰砂比；

回归方程中决定系数R2=0.99，F值的显著水平P=0.021＜0.05，回归方程较为合适，拟合度较高。

2.4 剪切速率对全尾砂浆触变特性的影响

在质量浓度为66%，灰砂比为1∶4，温度为20℃的条件下，进行了不同剪切速率的恒定剪切试验。图7为剪切速率对全尾砂浆触变性的影响。

由图7可知：在恒定剪切作用下，不同剪切速率表现出相似的触变行为，随着剪切时间的延长，料浆絮网结构逐渐被破坏，剪切应力逐渐降低，最终趋于稳定，且剪切速率越大全尾砂浆初始和稳定剪切应力越大；同时，剪切速率越大，其剪切应力变化量Δτ越大。这表明对于相同质量浓度的全尾砂浆，剪切速率越大，剪切作用对料浆絮网结构的破坏越彻底，从而可以有效降低料浆黏度［23］。

因此，在充填料浆管道输送之前增加强力搅拌装置，对充填料浆进行搅拌，可以有效降低料浆黏度，增加料浆流动性，从而降低管输阻力。通过观察可以发现，触变量与剪切速率呈一定函数关系，对其进行回归拟合分析，回归方程如式（5）所示。