新型減水劑改善充填料漿性能試驗研究

史采星，郭利杰，許文遠

（北京礦冶研究總院，北京 100160）

新型減水劑改善充填料漿性能試驗研究

史采星，郭利杰，許文遠

（北京礦冶研究總院，北京 100160）

為了解決目前凡口鉛鋅礦因溢流尾砂充填料漿濃度偏低而導致的水泥單耗高、充填體強度偏低等問題，本文采用新型減水劑改善料漿流變性能，提高溢流尾砂料漿的輸送濃度及管道輸送性能。開展了基于新型減水劑的料漿擴散度、流變試驗及充填材料配比試驗。試驗表明采用新型減水劑可明顯改善充填料漿的流動性，對充填體強度產生有益影響。最終確定最優配比料漿的濃度為66%、灰砂比為1∶6，節灰率達15.4%，充填體7d單軸抗壓強度提高率為42.4%，充填體28d單軸抗壓強度提高率為15.2%，實現充填成本降低了為4%，具有明顯的經濟效益及推廣應用的意義。

新型減水劑；流變性能；溢流尾砂；節灰率

尾砂是礦山選礦后必然產生的剩余物，由于其粒徑小，具有較大的比表面積，因而存在脫水困難、工程性質差的特點［1］。目前凡口鉛鋅礦尾砂粒級越來越細，尤其是溢流尾砂，－74μm的尾砂含量達97.95%。利用溢流尾砂充填，充填料漿濃度限制在60%濃度左右，濃度較大的充填料漿因為稠度變大，會導致充填料漿的流動性變差而無法實現自流輸送。充填濃度低導致了充填體強度偏低、充填成本高等問題，嚴重制約了企業發展，成為凡口鉛鋅礦亟待解決的重大問題。

為提高溢流尾砂膠結充填體強度，在不增大灰砂比的前提下，提高充填料漿的濃度，并且能夠保證充填料漿的流動性是解決上述問題的關鍵。為了改善混凝土的工作性能，提高混凝土強度，國內外廣泛研究應用各類添加劑，如早強劑、外加劑、增強劑、泵送劑等。近些年來，在礦山充填技術領域，無論是高濃度料漿充填還是膏體充填，都開始研究和使用混凝土外加劑。為了解決目前凡口鉛鋅礦細粒級尾砂充填料漿濃度偏低導致水泥單耗高，充填體強度偏低等問題，本項目探索采用新型減水劑提高充填料漿濃度的可行性。因此筆者在實驗室對凡口溢流細粒級尾砂進行了基于新型減水劑的料漿擴散度試驗、料漿流變試驗及充填材料配比試驗，綜合評價新型減水劑對于促進或提高料漿流動性能的效果［2－3］。

1 減水劑作用原理

新型減水劑屬于陰離子表面活性劑，分子結構包括親水基和憎水基。憎水基團吸附于水泥顆粒的表面，親水基團和水分子相結合，從而構成了單分子或多分子吸附膜。減水劑分子的定向吸附使水泥分子表面帶有相同的電荷，在同性電荷的排斥力作用下，使得在水泥水化初期形成的絮凝結構解體，將絮狀結構內包裹的水釋放出來，從而達到了減水的目的。同時由于減水劑中的親水基團和水分子以氫鍵的形式結構，該作用力遠遠大于減水劑分子與水泥之間的結合力，這就使水泥顆粒表面形成一層穩定的水膜，從而阻礙了水泥顆粒間的接觸，并起到了潤滑作用。減水劑的這種吸附、分散、潤滑作用，改善了充填料漿的流動性能［4］。

2 充填物料物化性質研究

充填材料基礎參數測試主要包括尾砂物理參數（容重、密度、孔隙率）、尾砂化學元素分析、尾砂粒級組成、充填工業用水化學組成等。

2.1 尾砂基本物理參數

尾砂基本物理參數包括密度、容重、孔隙率，密度及容重分別采用比重瓶法及堆積法測定，試驗根據土工試驗規程依據標準T0112－1993測得。尾砂基礎物理參數見表1。

表1 尾砂基礎物理參數表

2.2 尾砂化學成分

對凡口的溢流細砂進行了化學成分分析，其元素定量分析結果見表2。

表2 凡口溢流細砂元素定量分析結果表

從化學元素定量分析結果可以看出，凡口溢流尾砂中主要非金屬氧化物為SiO2，含量為25.37%；主要金屬元素及其氧化物為CaO、Fe、FeO、Al2O3、K2O，其他金屬元素含量較低。由試驗結果可以得出，凡口尾砂中SiO2、Al2O3的含量較高，是一種比較好的惰性材料，且含有大量的CaO、FeO和一定量的MgO成分，有利于充填體的膠結性能發展，但尾砂中S含量較高，不利于充填體強度發展及充填體整體質量。

2.3 尾砂粒級組成

粒級組成分析用于測定尾砂顆粒組成尺寸及含量，利用激光粒度分析儀，根據激光與顆粒之間相互作用的光散射原理（Fraunhofer衍射理論和Mie光散射理論等），得到激光探測到的顆粒粒徑及其分布。粒級組成見表3，粒級組成曲線見圖1。

凡口溢流細砂d10＝1.487μm，d50＝9.384μm，d90＝38.387μm，粒級組成不均勻系數為8.76。分級尾砂與溢流細砂的級配效果均一般。

表3 凡口溢流細砂粒級組成

2.4 充填用水化學元素組成

充填用水化學性質分析采用ICP半定量分析，試驗結果見表4。

從表3可以看出，在檢測精度范圍內，充填用水中含有較多的金屬元素Ca，少量的Mg、Zn，含量分別為0.14g/L、0.025g/L、0.006g/L，其他金屬元素含量很低。

3 充填料漿流變特性試驗

充填料漿流變特性試驗主要包括充填料漿擴散度試驗和流變試驗，從兩個方面探索新型減水劑對凡口溢流尾砂膠結充填料漿的流動特性。

3.1 充填料漿擴散度試驗

圖1 粒級組成曲線

表4 充填用水化學元素分析結果

擴散度試驗是適應高流動性拌合物的開發和應用而出現的，是一種能夠反映拌合物的變形能力和變形速度的試驗方法，主要是為了掌握充填料漿流動性、并輔以直觀經驗評定粘聚性和保水性。本試驗主要是探索不同摻加量下的新型減水劑對充填料漿流動性能的影響規律。由于凡口溢流尾砂比一般礦山所用充填尾砂細，當充填料漿濃度越高，達到某一所需的新型減水劑的量就越多。試驗結果見表5。

從表5中可知，充填料漿在濃度與灰砂比相同的條件下，砂漿的擴散度值與外加劑的摻量成正比關系，即砂漿的擴散度隨外加劑摻量的增加而增大。具體變化趨勢見圖2。

3.2 充填料漿流變試驗

流體在受到外部剪切力作用時發生流動變形，內部相應產生對變形的抵抗，并以內摩擦的形式表現出來。這是流體的一種固有物理屬性，稱之為粘滯性或粘性。根據不同的流變性能，可將流體分為牛頓流體和非牛頓流體。

牛頓流體的剪切應力與速度梯度呈線性關系，用式（1）表示。

式（1）又稱為牛頓剪切應力公式，式中的比例系數μ代表流體粘滯性的物理量，反映了流體內摩擦力的大小，稱為流體的動力粘性系數。如果式（1）的函數關系是非線性的，所描述的流體就被稱為非牛頓流體。對于非牛頓型流體，人們提出了幾個描述內摩擦特性的流變方程模型，譬如Ostwald—dewaele冪律模型、Ellis模型、Carreau模型、Bingham 模型等［5－6］。

表5 凡口溢流細尾砂充填料漿擴散度試驗結果

本試驗采用美國Brookfield公司的新型流變儀，使用槳式轉子測定不同條件下料漿的流變性能。在濃度相同、灰砂比1∶4的條件下，充填料漿流變曲線見圖3。灰砂比為1∶5、1∶6時有類似規律。

從圖3中可以看出，與未添加新型減水劑的料漿相比，添加減水劑后的料漿剪切應力、表觀黏度顯著降低，且隨著減水劑添加量的增加，屈服應力逐漸降低。

將以上曲線進行擬合，得到的擬合數學模型見表6。從中可以發現，大多數配比的充填料漿符合賓漢姆流體模型，隨著剪切速率的增大，充填料漿黏度下降，屬于剪切變稀流體。添加減水劑后，料漿的流體性質并未發生改變，仍屬于剪切變稀流體，料漿的剪切應力、表觀黏度與砂灰比、濃度之間的變化規律與不添加外加劑時保持一致。但存在個別現象，60%濃度的充填料漿在加入2%的添加劑后呈赫切爾－巴爾克（HB）模型，且由于流體特性指數小于1，屬于假塑性或剪切變稀流體。

圖2 不同濃度的充填料漿在相同砂灰比下擴散度值隨外加劑不同摻量變化規律

圖3 灰砂比1∶4時不同濃度充填料漿隨添加劑摻量變化規律

表6 灰砂比1∶4時流變曲線擬合結果

4 充填料漿配比試驗

本試驗主要是探索不同摻量下的新型減水劑對充填料漿不同配比的強度影響規律，達到為不同濃度的充填料漿選擇合適的減水劑添加量的目的。試驗結果見表7（略去灰砂比1∶4與1∶5的試驗結果）。

從表7可以發現，充填體的單軸抗壓強度隨著齡期的增長，均有不同程度的增長。無論添加外加劑與否，在外加劑摻量、養護齡期與濃度相同的條件下充填體單軸抗壓強度從整體上表現為隨砂灰比的增大而減小。另外充填料漿中加入新型減水劑后對其強度略有影響，總體上表現為對充填體的強度產生有益影響，但不會有質的改變。影響規律見圖4。

5 經濟比較分析

根據2014年上半年的充填數據分析可知，凡口溢流尾砂充填的平均濃度為60%左右，灰砂比為1∶4。以該配比的充填料漿的流變特性、強度為基準，對比分析不同配比料漿在新型減水劑摻量不同的情況，統計出水泥單耗降低、7d與28d充填體抗壓強度增加的料漿配比見表8。

由表8的數據可對充填成本進行比較（只考慮水泥與添加劑的成本）。成本對比見表9。

從表9可知，在現場室內試驗的配比范圍內，充填料漿中加入新型減水劑后，部分配比充填料漿的節灰率、抗壓強度提高，但最終的成本會上升。

最終篩選出料漿濃度為66%、灰砂比為1∶6時，節灰率達15.4%，7d單軸抗壓強度提高率為42.4%，28d單軸抗壓強度提高率為15.2%，成本降低率為4%。

表7 新型添加劑對充填體強度影響試驗結果（灰砂比1∶4）

表8 新型減水劑對充填料漿有益影響統計結果

表9 添加外加劑成本對比

圖4 各濃度料漿在灰砂比相同時強度隨添加劑摻量變化規律

6 結論

通過現場試驗研究發現凡口溢流尾砂充填料漿在添加新型減水劑時可顯著提高充填料漿流動性，砂漿的擴散度值隨減水劑摻量的增加而增大。不同濃度的充填砂漿，若要達到一定的流動性，對減水劑的摻量要求不同。充填料漿中加入新型減水劑后對其強度略有影響，總體上表現為對充填體的強度產生有益影響，但不會有質的改變。通過試驗數據分析，當料漿濃度為66%、灰砂比為1∶6時，可達到目前凡口鉛鋅礦利用溢流細砂充填的要求，此時可使濃度提高6%，節灰率達15.4%，7d單軸抗壓強度提高率為42.4%，28d單軸抗壓強度提高率為15.2%，成本降低率為4%，可為礦山帶來一定的經濟效益，具有一定的推廣應用的意義。

［1］解偉，隋利軍，何哲祥.基于采礦充填的尾礦處置技術應用前景［J］.工業安全與環保，2008，34（8）：37－39.

［2］姚維信，姚中亮，等.高濃度大流量管輸充填技術與工藝［M］.第一版.北京：科學出版社，2014：51－60.

［3］范作鵬，任少峰，張忠輝，等.高效減水劑對全尾砂充填料性能的影響［J］.金屬礦山，2014，43（5）：40－44.

［4］王新民，史良貴，肖智政，等.減水劑在充填料漿中的作用機理及應用研究［J］.金屬礦山，2004（4）：11－13.

［5］何環莎，高待謙，魏微.全尾砂新型充填膠結材料性能試驗和改進［J］.礦業研究與開發，2012，32（4）：11－14.

［6］霍雷.減水劑對混凝土工作性和強度的影響［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012.

Experimental study on properties of the new－reducer improved the filling slurry

Shi Cai－xing，GUO Li－jie，XU Wen－yuan
（Beijing General Research Institute of Mining ＆ Metallurgy，Beijing 100160，China）

In order to solve the problem of high cement unit consumption and the low strength of the filling body caused by the low density of overflow tailings filling slurry in Fankou Lead－Zine mine.In this paper，we used a new water－reducer to improve the slurry rheological performance，the filling slurry transportation density and the transportation pipeline characteristic.The filling slurry test、rheological test and filling material proportion test based on the new water－reducer were conducted.The results show that the new water－reducer can significantly improve the filling slurry flowing ability and benefit the strength of the filling body.Finally the optimum technological conditions were determined as following：the optimal ratio of slurry density is 66%and the cement－sand ratio is 1∶6，in which the cement reduce rate reaches 15.4%，the uniaxial compressive strength increases 42.4%of 7 days and 15.2%of 28 days，cost reduced by 4%.It can bring a certain economic benefit for mine and has popularization and application value.

the new water－reducer；rheological properties；overflow tailings；cement reduce rate

史采星（1987－），男，碩士，助理工程師，主要從事礦山充填技術研究工作。

TD853

A

1004－4051（2014）S2－0209－06

2014－10－09

國家科技支撐計劃項目資助（編號：2013BAB02B02）；國家國際科技合作專項項目資助（編號：2014DFR70340）