泵送剂对高含泥膏体流变特性影响及机理

发布时间:2018/9/11 10:34:16     作者:     来源:本站

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摘要 高含泥尾矿由于其屈服应力大的特点,流动性能差,不利于管道输送。为改善流动性能,设计流变特性试验,对泵送剂影响高含泥膏体流变特性的机理进行分析。研究结果表明,膏体在不同泵送剂添加量情况下,浆体质量分数与屈服应力之间存在显著的线性关系。对该线性函数作进一步…

摘要 高含泥尾矿由于其屈服应力大的特点,流动性能差,不利于管道输送。为改善流动性能,设计流变特性试验, 对泵送剂影响高含泥膏体流变特性的机理进行分析。研究结果表明,膏体在不同泵送剂添加量情况下,浆体质量分数 与屈服应力之间存在显著的线性关系。对该线性函数作进一步分析,发现泵送剂添加量与该函数的截距和斜率之间存 在显著的指数关系。最终得出不同泵送剂添加量和浆体质量分数情况下的屈服应力预测函数,能够有效表征泵送剂对 高含泥膏体流变特性的影响,有利于泵送剂添加量的预测与膏体流动性能的控制。基于上述预测模型,提出泵送剂对 高含泥膏体流变特性的影响机理。通过环境扫描电镜(ESEM)发现泵送剂破坏了絮团结构,添加量在1%左右时破坏 最明显。泵送剂使得絮团尺寸变小,进而造成屈服应力的降低;后期由于絮团间距增加,絮团间的作用力削弱,絮团 结构破坏速度放缓,与理论分析一致。

膏体充填技术由于其不分层、不离析、不沉淀的特点[1],受到矿山企业的青睐。膏体充填不仅能 够降低水泥的消耗,还能够有效接顶,减少排水,并使得矿山产生的尾砂得到充分利用[2-3]。这不仅 显著控制了充填采空区的成本,还能够改善环境污染问题,促进了矿山的可持续发展[4]。新疆某铜矿 尾矿含泥量高,制成的膏体管道输送困难,为了改善膏体的流动性,拟借鉴混凝土输送技术,在制备 过程中加入泵送剂。国内外学者对泵送剂改善膏体性能作了一些深入研究。Zhao 等[5]认为膏体中的水 存在塑性临界点和液态临界点,水含量超过塑性临界点时水泥颗粒开始分散,超过液态临界点时膏体 实现自流,而添加泵送剂通过影响颗粒团状态和水吸收能力达到改善流动性的目的。吴爱祥等[6]从膏 体絮团结构入手,认为絮团结构是导致膏体流动性差的主要原因,泵送剂可以破坏絮团。Ercikdi 等[7] 研究多种泵送剂对膏体流变性能的影响,提出泵送剂的添加既可保证膏体的良好流动性,又可大幅度 提高浆体浓度。刘斯忠等[8]通过流变实验得到泵送剂可有效改善膏体流变特性,并将泵送剂推广到某 膏体充填矿山。杨鹏等[9]和饶运章等[10]通过电镜扫描观察,定性探讨了泵送剂掺量对膏体流动性能的 影响,认为泵送剂显著改善料浆流变特性本质在于泵送剂优化了浆体微观结构。

综上所述,泵送剂改善膏体料浆的现象引起了学者们的关注与研究,但泵送剂作用的机理仍未得 到完全阐明,泵送剂用量的确定及对膏体流变特性的影响尚未得到量化研究,目前可见的研究多为定 性分析,并未深入探讨其影响机理。这不仅不利于膏体流动性的精确控制,更会造成泵送剂的浪费, 增加矿山的充填成本。开展泵送剂在膏体充填中的应用研究,阐明改善膏体流动性的机理,有助于改 善膏体的流变性能,能够促进膏体技术的推广应用。本文将研究泵送剂对不同浓度的膏体料浆流变特 性的影响,探讨其对膏体流动性的影响机理。

1 试验设计

1.1 试验材料及仪器

1.1.1 试验材料

选取来自某铜矿的全尾砂作为本次试验的样品。筛分试验表明,该全尾砂粒级组成曲线如图1 所 示,其中,尾砂不均匀系数Cu 为18.36,曲率系数Cc 为1.62。全尾砂中-20 μm 的细颗粒质量分数 29.8%,74 μm 以下尾矿占64.32%,在同类矿山中细颗粒含量相对较高。有关研究表明,0~30 μm 粒 径颗粒对料浆的流变性能影响最为显著[11],本实验中所用尾砂中泵送剂的掺量应比普通尾砂有所提 高,试验设计时泵送剂掺量的变化范围要足够大,所以最大泵送剂掺量设定为8%,其中泵送剂掺量 按照胶结剂的质量分数计算。胶结材料采用早强型复合硅酸盐水泥(P.C32.5R),粗骨料采用废石, 最大粒径为10 mm。泵送剂型号为JK-5,聚羧酸系,粉末状。

由X 射线衍射分析可知,全尾砂主要成分为SiO2,其次为少量含铝、镁的含水硅酸盐矿物,见 图2。以铝、镁等为主的硅酸盐是构成黏粒的主要成分,也是控制黏性土物理特性的主要矿物。由于 黏土矿物颗粒细小,具有胶体特性,与水发生活跃的物理化学作用致使黏土矿物具有较高的屈服应力 及黏度[12-13]。X 射线衍射实验结果表明,高含泥尾矿中含有大量的镁铝硅酸盐矿物,它们是影响高含 泥尾矿特殊物理性质的关键成分。

从图4 中可以发现,同一泵送剂添加量情况下,膏体屈服应力和浆体质量分数之间存在显著的线 性关系,应用OriginPro 2015 对该系列线性关系进行拟合,得到膏体屈服应力和浆体质量分数之间的 拟合函数,见表2。表2 中x 为浆体质量分数。

由表2 可知,该系列函数拟合度较好。分析该系列函数的斜率k 和截距b 可知,泵送剂添加量能 够显著影响上述两个变量。通过OriginPro 2015 软件将斜率k、截距b 和泵送剂添加量关系曲线绘制 出来可以发现,斜率和截距分别与泵送剂添加量之间可能存在对数关系,如图5 所示。

由图5 可知,试验中泵送剂添加量分别取0%、1%、2%、4%和8%,以2 为底数呈指数增长,而 函数的截距值和斜率值变化较稳定,所以不妨假设0%、1%、2%、4%、8%分别对应着0、1、2、3、 4。后者为转换值,经过转换截距和斜率与该系列值呈正比例关系。假设泵送剂添加量为变量w,转 换值为v,计算可知,v 与w 之间存在以下函数关系:

当泵送剂添加量为0%时,屈服应力能够测量得到,而式(1)在w=0 时没有意义,没有相应的 转换值。所以该式适用范围是w>0,而w=0 时直接使用试验值,即v=w=0。 分别绘制截距b、斜率k 和v 之间的关系曲线,见图6。由图6 可知,随着v 值不断增加,函数 截距值和斜率值分别增大和减小,并且满足线性关系。

对应的拟合函数见表3,表中Z1 为截距函数的值,Z2 为斜率函数的值。由表3 可知,函数拟合度

较好,斜率和截距受到泵送剂添加量的线性影响。


在此基础上,可以得出不同泵送剂添加量w 和浆体质量分数x 情况下的屈服应力y 的预测函数, 即:

根据式(2)在OriginPro 2015 中绘制出屈服应力曲面图,见图7。可以看出,在泵送剂添加量较 低时,屈服应力随添加量增加而降低的幅度较大,但随着添加量的继续增加,屈服应力变化的幅度明 显减小并趋近于零。图7 表明基于该预测函数可以对不同泵送剂添加量和浆体质量分数的情况下的屈 服应力进行预测,从而指导泵送剂的准确使用及膏体流变特性的精确控制。

2.2 泵送剂对高含泥膏体料浆的作用机理 利用FEI(捷克)Quanta 200 型环境扫描电子显微镜,观察膏体料浆中絮团的细观结构[13]。结合 流变试验分析结果,环境扫描电镜能够帮助我们更加准确地理解泵送剂对膏体流变性能的微观影响机 理。由图7 可以发现,当膏体中泵送剂添加量在0~2.5%之间时,屈服应力值随着泵送剂添加量的增 长而急剧下降,这说明此时泵送剂对屈服应力的影响最为显著。配制浆体质量分数为78%,灰砂比为 0.11,泵送剂添加量分别为0、1%、1.75%和2.5%时的膏体浆体,并通过环境扫描对形貌差异进行分 析,其结果如图8 所示。

由图8(a)知,在加入泵送剂之前,膏体浆体中絮团粒径较大,絮团之间絮凝形成较大孔隙和凹 陷,即蜂窝结构;由于絮团颗粒粒径分布离散,既有比较小的直径在10 μm 左右的颗粒,也有比较大 直径在50 μm 左右的絮凝体颗粒,这些颗粒形成的间隙内填充着直径小于10 μm 的颗粒, 膏体表面较 为粗糙,小粒径的絮团依附在大絮团上,由于50 μm 左右的絮凝体为主体,因此可以认为,未加入减 水剂时,絮团颗粒的粒径在50 μm 左右。由图8(b)知,泵送剂添加量为1%时,絮团表面变得平 缓,孔隙和凹陷减少,说明大粒径絮团已经破碎,而破碎产生的小粒径絮团填补了大絮团的孔隙和凹 陷,孔隙率比有所降低。由图8(c)知,当泵送剂添加量增加到1.75%,膏体中颗粒絮团的数量进一 步降低,内部孔隙大量被破碎的絮团充满,由于絮团粒径较小,其排列分布也更加均匀有序。由图8 (d)知,泵送剂添加量为2.5%时,浆体中的大絮团基本消失,更多泵送剂产生的破碎的絮团碎片等 均匀散布,膏体表面更加平缓,并有大量的絮团碎片沉积在膏体表面。这说明泵送剂破坏了膏体料浆 中的絮团结构,随着泵送剂的增加絮团破碎加剧;而且可以发现,当泵送剂添加量为1%左右时,絮 团结构变化最为明显,而后继续添加泵送剂则表面粗糙度降低趋缓,这意味着添加少量泵送剂时大部 分絮团已经产生了破碎,继续添加不仅造成泵送剂过量使用,也可能引起絮团碎片大量沉积在膏体表 面,使得泵送剂与絮团的进一步反应停滞。从这个角度来看,过量的泵送剂对于膏体流动性的改善意 义不大。

泵送剂具有破坏膏体絮团的作用,而且膏体表面变化主要发生在前期,这与公式预测结果相同。 高含泥膏体中掺加泵送剂之后,泵送剂分子能够吸附到尾砂、水泥颗粒表面,通过改变絮凝颗粒表面 的电性以及空间位阻作用而使得原本絮凝的尾砂、水泥颗粒分散开来,打破絮团结构并释放出絮团中 包裹的水,使得自由水增加,同时絮团的体积减小,从而改善膏体浆体流动性能。空间位阻作用是许 多高分子聚合物具有的特点,萘系、聚羧酸系泵送剂等也具有空间位阻作用[14-15]。在静电排斥作用和 空间位阻作用的共同影响下,颗粒絮团被破坏,絮团内部的水被释放,一定程度上起到了润滑作用。 静电斥力和空间位阻力作用范围是有限的,且与颗粒间的距离呈反比,继续添加泵送剂时,颗粒间距 离增大,静电斥力和空间位阻力变小,导致屈服应力下降的速度趋于减慢。所以泵送剂添加过量后, 屈服应力降低的速度明显放缓,并且趋近于零。由此得出泵送剂影响膏体流动性能的力学机理,如图 9 所示。单纯从泵送剂添加量角度改善膏体流动性的效果是有限的,存在最佳泵送剂添加量,应在最 大程度提高流动性能的同时,减少泵送剂的添加量。

3 结论

(1) 高含泥膏体料浆的屈服应力随着泵送剂的增加而降低,而且泵送剂添加量在1%左右时,屈 服应力下降明显,而泵送剂添加过量后,屈服应力下降的速度趋近于零。

(2) 同一泵送剂添加量情况下,膏体屈服应力和浆体质量分数之间存在显著的线性关系,分析发 现,该一次函数的斜率和截距分别与泵送剂添加量呈显著的指数关系,由此得出不同泵送剂添加量和 浆体质量分数情况下的屈服应力预测函数:

y= (-1627.99+150.72(log, w+ 1 ))+ 24.978 -2.4375(log, w+ 1 )x,与试验数据较吻合,利用该函数可为泵送 剂的添加和膏体流动性的改善提供指导。

(3) 环境扫描电镜结果显示,泵送剂能够破坏絮团结构,添加量在1%左右时对膏体絮团的破坏 最明显,而继续添加泵送剂对膏体絮团的影响逐渐减弱,这是因为膏体絮团充分破碎而造成大量絮团 碎片沉积在膏体表面抑制了进一步反应。

(4) 分析了泵送剂对膏体流动性能的力学机理:泵送剂在静电斥力和空间位阻力联合作用下对絮 团结构造成破坏,但絮团破坏后颗粒间距增大,使得静电斥力和空间位阻力削弱,后期添加泵送剂时 屈服应力降低缓慢。


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