全尾砂膏體料漿流動性影響因素的試驗研究*

鄭娟榮 呂杉杉 趙振波

(鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院)

全尾砂膏體充填的優(yōu)點是可以最大限度地利用礦業(yè)工業(yè)廢物，充填料在采場內(nèi)不用脫水，充填體強度高，水泥消耗量少，充填成本低，能夠確保采礦生產(chǎn)安全和實現(xiàn)礦業(yè)生產(chǎn)廢物零排放。

膏體料漿指的是還沒凝固之前的混合物。關(guān)于“膏體”、“膏體充填”具有下面2種代表性的定義:膏體充填至井下工作面后不會出現(xiàn)脫水，材料的膠質(zhì)粒子可使所有的水分子都保留在膏體中，這種膠質(zhì)特性使膏體通過鉆孔或管道輸送時不存在臨界流速，同時允許膏體在管道中滯留一段時間［1］;將1種或多種充填材料與水進行優(yōu)化組合，配制成具有良好穩(wěn)定性、流動性和可塑性的牙膏狀流體，在重力或外加力(泵壓)作用下以柱塞流的形態(tài)輸送到采空區(qū)完成充填作業(yè)的充填過程稱為膏體充填［2］。因此，膏體充填料的組成材料及其配比應(yīng)滿足膏體充填料管道輸送性能(穩(wěn)定性、流動性、可塑性)和膏體充填體強度性能的要求。

要制備符合上述定義特征的膏體膠結(jié)充填材料，將涉及5大理論基礎(chǔ):粉體科學(xué)、流變學(xué)、膠體化學(xué)、膠凝材料學(xué)和土力學(xué)，其中流變學(xué)和膏體充填材料的管道輸送性能密切相關(guān)。膏體料漿的管道輸送性能是全尾砂膏體膠結(jié)充填材料研究的重點，管道輸送性能應(yīng)該包括料漿穩(wěn)定性(分層性和泌水性)、流動性、泵送性、可塑性等。但僅有管道輸送性能的研究是不夠的，管道輸送性能和基礎(chǔ)理論的關(guān)系將是制備符合定義特征膏體的關(guān)鍵。

研究表明，影響全尾砂膏體料漿流動性的主要因素是料漿濃度、細尾砂含量［3-4］。本研究以全尾砂、膠結(jié)劑、超塑化劑、粉煤灰及水制成的全尾砂膏體料漿為研究對象，系統(tǒng)研究膏體料漿流動性的影響因素及規(guī)律，為進一步深入研究影響全尾砂膏體料漿流變性能的機理奠定基礎(chǔ)。

1 原材料及試驗方法

1.1 試驗原材料

(1)膠結(jié)劑?；鶞?zhǔn)水泥(建筑材料部門用于檢驗外加劑性質(zhì)的水泥，為42.5#的硅酸鹽水泥，但規(guī)定了水泥的粒度、礦物組成和化學(xué)成分)。

(2)全尾砂。取自安徽李樓鐵礦的全尾砂，其主要礦物是石英(SiO2)，白云石(CaMg(CO3)2)和赤鐵礦(Fe2O3)。尾砂的化學(xué)成分如表1所示。用圖像處理法和篩分分析確定顆粒尺寸分布，有15%的顆粒小于20μm(見表2)，尾砂的密度為3.04 g/cm3。

表1 全尾砂的化學(xué)成分 %

表2 全尾砂的粒度分布

(3)化學(xué)外加劑。一種超塑化劑，減水率30%。

(4)粉煤灰。Ⅰ級粉煤灰(記為粉煤灰A)、Ⅲ級粉煤灰(記為粉煤灰B)各1種。

(5)水。城市自來水。

1.2 試驗方法

膏體料漿的制備:每次制備的漿體總量3 kg，按規(guī)定配比稱取各原材料并放入攪拌鍋，按《GB/T 17671—1999 水泥膠砂強度檢驗方法(ISO)》進行料漿的攪拌。

膏體料漿流動性測定方法:膏體料漿是非牛頓流體，通?？捎觅e漢姆模型來描述。賓漢姆材料的流變特性可由屈服應(yīng)力τ0和塑性黏度η2個參數(shù)來確定，可以用雙筒旋轉(zhuǎn)黏度儀直接測定，但這種儀器很昂貴，在一般室驗室找不到這種儀器。在實驗室研究膏體料漿流動性的影響因素，可以通過測量料漿的坍落度來衡量膏體料漿的流動性;泵壓輸送的膏體料漿坍落度可設(shè)定為15～23 cm［5］，電動跳桌儀(振動5次)適合測定坍落度為1～25 cm的漿體的流動性。本研究通過試驗證明通過電動跳桌儀(見文獻［6］)測定全尾砂膏體料漿的流動性是有效的，并且精確度比坍落度高(另文證明)。

電動跳桌儀測定膏體料漿流動度的原理:通過測量一定配比的膏體料漿在規(guī)定振動狀態(tài)下的擴展范圍(單位:cm)來衡量其流動性;跳桌流動度越大，說明漿體流動性越好。

2 試驗結(jié)果及其分析

2.1 膏體料漿濃度對其流動性的影響

圖1為不同膏體料漿濃度與其料漿流動度的關(guān)系(膠結(jié)劑為10%的基準(zhǔn)水泥，不摻其他材料)。由圖1可見，隨著料漿濃度的增大，料漿流動度降低。根據(jù)理論分析可知，料漿濃度增大，即漿體中固體之間的距離降低，相互作用力增大，顆粒相互之間的移動所受到的阻力增大，從而使?jié){體的屈服剪應(yīng)力和塑性黏度均增大，流動性降低。這一試驗結(jié)果與以往的研究結(jié)果(文獻［3］和文獻［4］)一致。每個礦山的尾砂性質(zhì)(礦物組成、化學(xué)成分及粒度分布)不同，達到相同流動度的固體濃度會有很大差異。

圖1 料漿濃度與其流動度的關(guān)系

2.2 水泥摻量對膏體料漿流動性的影響

圖2 是水泥摻量與料漿流動度的關(guān)系(水泥為基準(zhǔn)水泥，料漿濃度81%，不摻其他材料)。結(jié)果表明，隨水泥摻量增加，料漿流動性變化分3個階段:水泥摻量從0～10%(水泥摻量為0時，物料呈散粒狀)，料漿流動性急劇增加;水泥摻量10%～20%，料漿流動性逐漸增加;水泥摻量大于20%，對料漿流動性沒有增加作用。理論分析表明:尾砂顆粒(包括超細顆粒)外形極不規(guī)則，呈菱角狀、片狀;尾砂顆粒在運動中顆粒之間的滑動阻力很大，隨著水泥量的增加，由于水泥在水中很快發(fā)生膠質(zhì)化作用，并吸附在尾砂顆粒表面，使尾砂顆粒之間的滑動阻力大大降低，所以，料漿流動性急劇增加;隨著水泥量的繼續(xù)增加，由于水泥在形成水化產(chǎn)物的過程中需要適量的水，同時產(chǎn)生較多膠粒，膠粒容易相互吸引導(dǎo)致膠粒凝聚，凝聚速度越快，料漿的流動性就降低。所以，完全用水泥摻量來提高料漿的流動性是有局限的，也不經(jīng)濟。

圖2 水泥摻量與料漿流動度的關(guān)系(料漿濃度81%)

2.3 超塑化劑摻量對膏體料漿流動性的影響

圖3是超塑化劑摻量(膠結(jié)劑為10%的基準(zhǔn)水泥，不加粉煤灰)與料漿流動性的關(guān)系。當(dāng)膏體料漿濃度固定為83%時，漿體的跳桌流動度隨超塑化劑摻量(0～0.05%，以總固體質(zhì)量計)的增加，漿體的流動度緩慢增加;當(dāng)膏體料漿濃度固定為82%時，漿體的跳桌流動度隨超塑化劑摻量的增加，開始(超塑化劑摻量0～0.02%)增加緩慢，然后(超塑化劑摻量超過0.02%)顯著增大。這一結(jié)果說明，在不同漿體濃度內(nèi)，超塑化劑對漿體流動性的影響程度有差異;對于濃度相同的漿體，超塑化劑摻量存在著一個合適的范圍。比較圖1和圖3可知:當(dāng)料漿跳桌流動度設(shè)定為25 cm時，不摻超塑化劑的料漿濃度78%，而摻超塑化劑(0.04～0.05%)的料漿濃度82%，所以，摻超塑化劑可以提高料漿濃度4個百分點。

圖3 超塑化劑摻量與漿體流動度的關(guān)系

2.4 細尾砂含量對膏體料漿流動性的影響

圖4是細尾砂(是否摻加超塑化劑)含量與料漿流動性的關(guān)系，膏體料漿中細(－20μm)尾砂含量變化是在全尾砂基礎(chǔ)上外加－20μm尾砂顆粒調(diào)配的，料漿濃度81%，膠結(jié)劑(基準(zhǔn)水泥)10%，不加粉煤灰。

圖4 細尾砂含量與料漿流動度的關(guān)系

從圖4可以看出:在膏體料漿中未摻超塑化劑時，料漿中細尾砂含量15%～20%時，料漿的跳桌流動度不變;料漿中細尾砂含量大于20%時，料漿的跳桌流動度下降，即流動性下漿。理論分析表明:全尾砂是礦石在磨礦及選礦過程中產(chǎn)生的，本研究礦石中的礦物主要是石英，白云石和赤鐵礦，當(dāng)?shù)V石受到外力(破碎、碾磨等)作用時，其鍵的破裂是隨意的，有的地方暴露出金屬離子(Ca2+，Mg2+等)而呈正電性，有的地方暴露出O2－而呈負電性;隨著尾砂顆粒的粒度變細后，顆粒的表面積大大增加(需要更多的水潤濕表面)，表面電荷也將大大增加;全尾砂中細顆粒加水后，由于這些礦物所帶電荷不同，產(chǎn)生異性電荷相吸作用，還有可能是這些細顆粒間的范德華力作用，均導(dǎo)致這些細顆粒產(chǎn)生絮凝狀結(jié)構(gòu)，從而將水包裹。試驗結(jié)果與理論分析結(jié)果一致。一般生產(chǎn)實踐也認為，膏體料漿中細尾砂含量在15%～20%為宜［3］，這與本試驗結(jié)果也一致。

從圖4還可以看出:在膏體料漿中摻入超塑化劑0.04%(按總固體量計)時，料漿中細尾砂含量15%～20%時，料漿的跳桌流動度也不變;料漿中細尾砂含量大于20%時，料漿的跳桌流動度也呈下降趨勢，但與沒摻超塑化劑的料漿相比，其流動性大大增加了。如果未摻超塑化劑的料漿跳桌流動度為18 cm，超塑化劑的料漿達到相同流動度時，料漿中細顆粒含量可以達到35%，細顆粒含量提高了20個百分點。這說明超塑化劑使細尾砂的絮凝結(jié)構(gòu)破壞，釋放自由水，使料漿流動性增大;同時還說明使用超塑化劑，可以增大膏體料漿中的細顆粒含量(如果礦山全尾砂中超細部分含量過大，沒有超塑化劑，就要分級一部分排放到尾礦庫;相反，需要另加一部分粉煤灰，才能配成膏體)，這為尾砂的完全利用(零排放)提供了理論基礎(chǔ)。

細尾砂顆粒、超塑化劑和料漿濃度之間存在一個合適范圍，其相互作用機理有待進一步研究。

2.5 粉煤灰品質(zhì)及摻量對膏體料漿流動性的影響

圖5是粉煤灰品種及摻量(料漿濃度81%，其中基準(zhǔn)水泥10%，不加超塑化劑)對膏體料漿流動性的影響。由圖5可知，膏體料漿的流動度隨Ⅰ級粉煤灰(粉煤灰A)摻量的增加而明顯增加;但隨Ⅲ級粉煤灰(粉煤灰B)摻量的增加而明顯降低。Ⅰ級粉煤灰中含碳量低并且含有大量表面致密的玻璃微珠，摻入到全尾砂膏體料漿中，改善料料漿的顆粒級配并粉煤灰玻璃微珠在料漿運動過程起滾珠作用，增大流動性;Ⅲ級粉煤灰中含碳量高，吸水性大，將料漿中水吸進碳粒中，降低流動性。本研究結(jié)果表明，不同粉煤灰對膏體料漿流動性影響很顯著，所以，摻粉煤灰配制全尾砂膏體料漿時，先要檢驗粉煤灰的品質(zhì)。

圖5 粉煤灰品種及摻量與料漿流動性的關(guān)系

3 結(jié)論

(1)料漿濃度能顯著影響膏體料漿的流動性;水泥摻量低于10%時，對料漿流動性也有顯著影響，但工程中用提高水泥摻量來提高料漿流動性是不經(jīng)濟的;粉煤灰的品質(zhì)和摻量對膏體料漿流動性也有顯著影響。

(2)超塑化劑和細尾砂均對膏體料漿流動性有顯著影響，并且細顆粒對膏體料漿流動性的影響在未摻和摻超塑化劑條件下有顯著差異;超塑化劑、細顆粒和料漿濃度之間存在一個合適范圍，其相互作用機理有待進一步研究。

(3)在全尾砂料漿中摻適量超塑化劑，保持料漿流動性相同，可以提高料漿濃度4個百分點，或者提高細尾砂含量20個百分點。

［1］ Benzaazoua M，Belem T，Yilmaz E.Novel lab tool for paste backfill［J］.Canadian Mining Journal，2006，127(3):31.

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［3］ 胡 華，孫恒虎，黃玉誠.似膏體充填料漿流變特性及其各因素影響分析［J］.有色金屬:礦山部分，2003，55(3):4-7.

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［5］ 王方漢，姚中亮，曹為勤.全尾砂結(jié)構(gòu)流體膠結(jié)充填的理論與實踐［C］∥第五屆中國充填采礦技術(shù)與裝備大會文集.長沙:《礦業(yè)研究與開發(fā)》雜志社，2011:67-70.

［6］ 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).GBT 2419—2005 水泥膠砂流動度測定方法［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.