不同因素对超细尾砂胶结充填料流动性、强度和微观结构的影响

滑怀田， 王清亚

（1.山西工程技术学院矿业工程系， 山西 阳泉 045000； 2.东华理工大学地球科学学院， 南昌 330013）

尾矿是选矿厂排放出的固体矿物废料，是中国产量最大、综合利用率最低的固体废弃物之一[1-5]。尾矿多被堆存在地表，对生态环境造成了严重的破坏，这与目前的绿色矿山建设以及可持续发展战略相违背。为了降低尾矿堆存量，科学家研发了尾砂胶结充填技术[6-9]。据统计，目前尾砂的利用率仍不到40%。而且随着选矿技术的发展，浮选出的尾矿粒度极细，这给尾砂胶结充填技术带来了一系列难题[10-12]。

对于超细尾砂，由于其粒径太细，导致充填强度低、水泥消耗量大、充填料浆输送困难、充填成本进一步升高，严重影响了矿山的可持续发展[13-14]。为了改善超细尾砂胶结充填质量并降低充填成本，相关学者开展了大量研究。杨晴等[15]以澄清液浊度为判断依据，研究了絮凝剂对超细尾砂浓密沉降的影响，进而确定了较优絮凝剂参数；祝鑫等[16]开展了超细尾砂充填工艺研究，构建了高效的全尾砂胶结充填系统；赵康等[17]研究了纤维对超细尾砂充填体微观结构的影响，表明纤维可以组织裂纹的发展，进而提升其强度；荆晓东等[18]研究了絮凝剂对超细尾砂充填体性能的影响，结果表明：絮凝剂会弱化充填体的孔隙结构，使微观孔隙显著增加；付自国等[19]通过开展流变实验，构建了超细尾砂充填料浆的流变模型；刘树龙等[20]为解决超细尾砂颗粒细、强度低等问题，开发了一种新型胶凝材料。上述研究表明，超细尾砂充填的缺陷已经引起了研究者的重视，急需通过科学的研究来提升超细尾砂的充填效果。

基于此，本研究开展了一系列实验探究配合比、养护龄期以及养护温度等因素对超细尾砂充填体强度和微观结构的影响，同时分析了料浆浓度和胶结材料对超细尾砂流动性的影响。本研究结果对提高超细尾砂回收率和充填效果具有指导意义。

1 配合比实验

1.1 超细尾砂

1.1.1 超细尾砂的物理化学性质

尾砂取自中国东北部某金矿，其密度为2.69 g/cm3。尾砂的粒级组成见图1（a），化学组成见图1（b）和表1。尾砂的中值粒径（d50）为25.13 μm，小于20 μm和75 μm的粒径占比分别为43.92%和91.17%，表明该尾砂为超细尾砂。尾砂的不均匀系数为 10.81＞10.00，表明其级配较好。由图1（b）XRD测试结果可知，尾砂中的矿物主要是石英、斜硅石和长石。尾砂的化学组分主要是SiO2和Al2O3，二者的占比达到了79.54%。

表1 原材料的化学元素含量Table 1 Chemical element content of raw materials 单位：%（质量分数）

图1 尾砂的物化特性：（a） 粒级分布；（b） XRD测试结果Fig.1 Physical and chemical properties of tailings：（a） Particle size distribution； （b） XRD test results

1.1.2 超细尾砂的分级特征

浮选全尾砂浆的浓度太低，导致由其配制出的充填料浆浓度偏低，因此需要对全尾砂进行分级，以得到充填效果更好的分级尾砂[21-24]。采用水力旋流器对全尾砂进行了分级，通过设置不同的沉沙口直径（12、15、18 cm）和给料压力（0.20、0.25、0.30 MPa）考察分级尾砂的浓度和产率，结果见图2。在相同给料压力条件下，随着沉砂口直径的增大，底流产率逐渐提高，底流浓度逐渐降低。当给料压力为0.25 MPa时，沉砂口从12 mm增至18 mm，底流浓度由73.21%降至71.04%，底流产率由57.95%提高至66.84%。当沉砂口直径相同时，随着给料压力的提高，底流产率逐渐提高，底流浓度也随之提高。当沉砂口为15 mm时，给料压力从0.20 MPa提高至0.30 MPa，底流浓度由71.46%提高至74.95%，底流产率由61.89 %提高至64.97%。当沉砂口直径为15 mm、给料压力为0.25 MPa时，可以得到底流质量浓度为73.18%、底流产率为64.25%的分级尾砂浆体，该浆体指标较符合工程应用要求。

图2 超细尾砂的分级特征：（a） 浆体浓度；（b） 浆体产率Fig.2 Grading characteristics of superfine tailings： （a） concentration of the slurry； （b） productivity of the slurry

1.1.3 尾砂浆体溢流的沉降特性

在沉砂口直径为15 mm、给料压力为0.25 MPa的旋流器工况下，采用山东诺尔絮凝剂开展了尾砂浆体的沉降特性研究。絮凝剂的掺量分别为0、 25、50 g/t，相应的实验结果见图3。随着沉降时间延长，尾砂的沉降高度逐渐增加。随着絮凝剂掺量的增加，尾砂的沉降速率逐渐增大。前40 min为尾砂的快速沉降期，超过40 min后尾砂的沉降速率逐渐放缓。尾砂在自然沉降状态（未加絮凝剂）下，需要50 min才能达到沉降拐点；添加絮凝剂后，沉降20 min即可达到拐点。总体上看，絮凝剂掺量对尾砂沉降速率的影响较大，对最终浓度的影响不明显。

图3 超细尾砂的沉降特性Fig.3 Settling characteristics of superfine tailings

1.2 实验方案

1.2.1 单轴抗压强度测试

研究表明，灰砂比、质量浓度、养护温度和养护时间对尾砂胶结充填体单轴抗压强度（Uniaxial Compressive Stvengh, UCS,σc）有显著影响。为探明不同因素对尾砂胶结充填体强度的影响规律，设计了不同因素的考察实验，共计168组，具体方案见表2。为了与工程实际相结合，分别考察了配合比和养护温度对UCS的影响。在考察配合比对UCS的影响时，将养护温度固定为20 ℃，灰砂比设置为1:4、1:6、1:8和 1:10，料浆质量浓度设置为60 %、64 %、68 %、72 %、76 %和80 %，养护时间设置为3、7、14、28 d。在考察养护温度对UCS的影响时，将灰砂比固定为1:8，养护温度设置为10, 15,20 ℃，料浆质量浓度设置为60 %、64 %、68 %、72 %、76 %和80 %，养护时间设置为3、7、14、28 d。

表2 单轴抗压强度（σc）测试实验方案Table 2 Testing program of uniaxial compressive strenth（UCS，σc）

1.2.2 流动性测试

流动性测试主要包括坍落度测试、扩散度测试和流变性能测试。相关研究表明，料浆的坍落度超过20 cm后即可泵送，超过25 cm后可满足自流输送要求。流变性能测试的主要研究指标为浆体的屈服应力和黏度，这2个指标反映了浆体自身的流动特性，是对坍落度和扩散度的本质化表征。对不同浓度的尾砂浆体和充填料浆（灰砂比为1∶8）的流动性进行研究，研究方案见表3。

表3 流动性测试实验方案Table 3 Testing program of fluidity

1.2.3 微观结构测试

扫描电镜测试是最常用的测试水泥基材料微观结构的技术手段，通过该测试可以直观分析CPB的微观结构以及水化产物类型和分布情况[25-26]。将待检测样品泡入无水乙醇48 h以上，终止其水化，然后烘干、研磨，借助扫描电子显微镜，对待测样品的微观形貌进行扫描，分析试样的微观结构和水化产物。

2 结果与讨论

2.1 流动性

2.1.1 扩展度和坍落度

扩展度和坍落度是最直观反映浆体流动性能的指标，也是矿山判断浆体可输送性的重要指标。由图4可知，料浆质量浓度对料浆的坍落度和扩散度有显著影响，随着质量浓度增大，料浆的坍落度和扩散度逐渐降低。这是由于随着料浆质量浓度增大，料浆中的自由水含量逐渐降低，导致固体颗粒间的流动阻力增大。此外，水泥对浆体的流动性也有影响，在尾砂浆体中加入水泥后，其坍落度和扩散度均有所降低。水泥会增加浆体的黏度，使其流动时所受的阻力增大，导致其坍落度和扩散度降低。

图4 浆体的坍落度和扩展度：（a） 坍落度；（b） 扩展度Fig. 4 Slump and expansion of the slurry：（a） slump； （b） expansion

从坍落度的变化来看，当尾矿浆体和充填料浆的质量浓度由60%增至68%时，坍落度呈缓慢降低的趋势；当尾矿浆体和充填料浆的质量浓度超过68%后，随着浓度增加，坍落度呈快速降低的趋势。料浆的扩展度随质量浓度增大表现出了与坍落度相反的发展趋势，即当尾矿浆体和充填料浆的质量浓度由60%增至68%时，扩展度呈快速降低的趋势；当尾矿浆体和充填料浆的质量浓度超过68%后，随着浓度的增加，扩展度呈缓慢降低的趋势。总体上看，68%的质量浓度是影响尾矿浆体和充填料浆流动性的临界浓度。

2.1.2 流变特性

图5展示了尾砂料浆和充填料浆的屈服应力和黏度随质量浓度的变化规律。料浆的流变特性表现为当剪切应力超过料浆的屈服应力后，剪切速率和剪切应力呈近似线性关系，这表明料浆为宾汉姆塑性流体，满足宾汉姆流变模型。采用宾汉姆流变模型对流变测试数据进行拟合，得到尾砂料浆和充填料浆的屈服应力和黏度。所有拟合曲线的R2均大于0.9，表明宾汉姆流变模型可以准确表述料浆的流变特性。宾汉姆流变模型定义如下：

图5 浆体的流变特性：（a） 充填料浆流变曲线；（b） 尾砂浆体流变曲线；（c） 屈服应力；（d） 表观黏度Fig.5 Rheological properties of the slurry：（a） rheological curve of filling slurry； （b） rheological curve of tailings slurry ；（c） yield stress； （d） apparent viscosity

式（1）中：τ为剪切应力；τ0为屈服应力；η为黏度；γ为剪切速率。

屈服应力可视为作浆体开始流动所需要的最小剪切应力，屈服应力越大，浆体流动越困难。由图5可知，料浆质量浓度对其屈服应力和黏度有显著影响。随着料浆质量浓度增大，尾砂料浆和充填料浆的屈服应力和黏度呈逐渐增大的趋势。同时，充填料浆的屈服应力和黏度大于尾砂料浆，这表明水泥对料浆的流变特性有负面影响。上述结果与坍落度测试结果一致。当料浆质量浓度低于68%时，尾砂料浆和充填料浆的屈服应力和黏度随质量浓度增大而缓慢增大。当料浆质量浓度超过68%后，料浆的屈服应力和黏度随质量浓度的增长而快速增大。浆体受到剪切作用力后，其内部由固体颗粒黏结成的网络结构受到破坏，并沿剪切力方向重新排列，浓度越高的浆体其黏度越大，网络结构越难被破坏，因而需要的剪切应力也越大，即屈服应力越大。

2.1.3 扩展度与流变参数之间的关系

浆体的扩展度与流变参数（屈服应力和表观黏度）之间的关系见图6。由图6可知，尾砂浆体和充填料浆的表观黏度和屈服应力均随浆体扩展度的增大而呈逐渐减小的趋势，且表观黏度和屈服应力随扩展度的变化趋势基本一致。表观黏度和屈服应力是影响浆体流动性的内因参数，而扩展度是浆体流动性的外在表征，上述变化趋势的一致性体现了表观黏度和屈服应力对浆体扩展度的内在影响。通过对各关系曲线进行拟合，得到了屈服应力和表观黏度与扩展度的函数关系。结果表明：屈服应力和表观黏度与扩展度均为幂指数关系，具体见式（2）所示，拟合曲线的R2均大于0.98，表明曲线的拟合度较好。

图6 浆体的扩展度与流变特性间的关系：（a）扩展度-屈服应力； （b）扩展度-表观黏度Fig. 6 Relationship between slurry expansion and rheological properties：(a)expansion-yield stress;(b)expansion-apparent viscosity

式（2）中：y为屈服应力或表观黏度；x为扩展度；a和b为常数。

2.2 单轴抗压强度（σc）

2.2.1 配合比对σc的影响

砂灰比和料浆质量浓度是决定配合比的主要因素，不同养护时间下的充填体的σc见图7。由图7可知，灰砂比和质量浓度对充填体的σc有显著影响。当砂灰比相同时，随着料浆质量浓度增加，不同养护时间的σc呈逐渐增大的趋势。以灰砂比为1:6的充填体为例，当质量浓度由60%提高到80%以后，其3、7、14、28 d的σc分别提高了1 094.7%，1 026.9%，364.8%，和355.1%。由此可见，养护时间越短，料浆质量浓度对σc的影响越明显。

图7 配合比对UCS的影响：（a） 3 d；（b） 7 d；（c） 14 d；（d） 28 dFig.7 Effect of mix proportion on UCS： （a） 3 d； （b） 7 d； （c） 14 d； （d） 28 d

当料浆质量浓度相同时，随着灰砂比的提高，不同养护时间的σc亦呈逐渐增大的趋势。以料浆质量浓度为72%的充填体为例，当灰砂比由1∶10提高到1∶4后，其3、7、14 d和28 d的σc分别提高了244.5%，213.7%，177.5%，和216.2%。总体上看，灰砂比对不同养护龄期的σc的影响程度基本相同；同时，灰砂比对σc的提升效果明显低于质量浓度。

2.2.2 养护温度对σc的影响

不同养护温度对充填体σc的影响见图8。由图8可知，不同养护龄期下，充填体的σc均随着养护温度的提高而增大。当养护龄期低于7 d时，随着养护温度的提高，充填体的σc提升明显；当养护龄期超过7 d后，随着养护温度的提高，充填体的σc提升缓慢，表明养护温度对早期强度的影响大于中后期强度。此外，当料浆质量浓度超过72%以后，养护温度对充填体强度的提升更加明显。对于高寒地区矿山而言，采用充填采矿法时，充填体强度会受到低温影响而有所降低。因此，探究温度对充填体强度的影响机理至关重要。

图8 养护温度对σc的影响：（a）3 d； （b）7 d； （c）14 d； （d）28 dFig. 8 Effect of curing temperature on σc:（a）3 d; （b）7 d; （c）14 d; （d）28 d

2.3 微观结构

当料浆质量浓度为72%、灰砂比为1∶8时，超细尾砂胶结充填体具有良好的流动性和较高的强度，可满足工程应用要求。采用上述配比，以7 d和28 d养护龄期试样为对比，测试了养护温度为10 ℃和20 ℃的充填体微观结构，具体见图9。由图9可知，充填体主要由水化反应产物（C-S-H凝胶、AFt晶体）、孔隙结构和未反应的固体颗粒组成。养护7 d且养护温度为10 ℃时，充填体内生成了较少的C-S-H和AFt，同时伴有大量孔隙；将养护温度提高到20 ℃后，充填体中C-S-H和AFt相对增多，孔隙相对减少。养护28 d且养护温度为10 ℃时，充填体中的孔隙结构被水化产物填充，孔隙大幅度减少；将养护温度提高到20 ℃后，充填体中的水化产物几乎完全将孔隙结构填充，充填体结构比较完整。低温抑制了充填体的水化反应，导致水化产物较少，提高温度后，水化产物大量增加并填充到固体颗粒间，构成了三维网络胶结结构，使充填体的结构比较密实，孔隙大量减少，因而其强度较高。

3 结论

为提高超细尾砂的充填效果，研究了不同因素对超细尾砂充填料的力学性质、流动性以及微观结构的影响。主要得到以下结论：

1）随着沉砂口直径增大，底流产率逐渐提高，底流浓度逐渐降低；随着给料压力增加，底流产率逐渐增大，底流浓度也随之增大。

2）随着料浆质量浓度增大，料浆的坍落度和扩散度逐渐降低；水泥会增加浆体的粘度使其流动时所受的阻力增大，导致其坍落度和扩散度降低。

3）随着料浆质量浓度增大，不同养护时间的σc呈逐渐增大的趋势；随着灰砂比的提高，不同养护时间的σc亦呈逐渐增大的趋势；随着养护温度的提高，不同养护时间的σc提升明显。

4）低温抑制了充填体的水化反应，导致水化产物较少，提高温度后，水化产物大量增加并填充到固体颗粒间，构成了三维网络胶结结构，使充填体的结构比较密实，孔隙大量减少，因而其强度较高。