膏體充填料漿超細(xì)顆粒與流變特性關(guān)系研究

蔡 君 崔繼強(qiáng) 謝錦程 李廣濤

（1.涼山礦業(yè)股份有限公司；2.金川集團(tuán)股份有限公司龍首礦；3.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院）

膏體充填料漿往往采用粗骨料、尾砂、水泥和水混合制成。在許多膏體充填料漿流變特性的研究中都提到，超細(xì)骨料對(duì)料漿的流變特性具有很大影響。但是對(duì)于超細(xì)顆粒的界定卻沒(méi)有統(tǒng)一和科學(xué)客觀的依據(jù)。在泥沙研究中，把粒徑小于0.01 mm的顆粒稱為細(xì)顆粒［1］，此范圍在學(xué)術(shù)研究中較為準(zhǔn)確。礦業(yè)界對(duì)細(xì)粒尾砂并沒(méi)有嚴(yán)格的定義，尹光志等［2］認(rèn)為平均粒徑小于0.03 mm，其中粒徑小于0.019 mm的含量大于10%的尾砂稱為細(xì)顆粒尾砂。在膏體充填研究中，國(guó)外學(xué)者認(rèn)為-20μm顆粒含量不小于15%的料漿才能構(gòu)成膏體。國(guó)外大量研究表明［3］，-20μm顆粒含量對(duì)料漿流動(dòng)性具有顯著影響，且-20μm含量為15%~20%時(shí)漿體具有較好的流動(dòng)性。王洪江等［4］采用均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)研究不同粒徑范圍對(duì)料漿泌水率的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：粒度為20~37μm的尾砂顆粒對(duì)漿體泌水率的影響最大。吳愛祥等［5］認(rèn)為超細(xì)全尾砂其粒級(jí)組成為平均粒徑小于30μm，19μm以下的顆粒含量大于50%，74μm以上的顆粒含量小于10%，37μm以上的顆粒含量小于30%。康瑞海等［6］采用了L管模型對(duì)杜達(dá)鉛鋅礦充填料漿流動(dòng)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定和計(jì)算，結(jié)果表明：在一定范圍內(nèi)，提高-20 μm極細(xì)顆粒有利于提高漿體的流動(dòng)性。徐文彬等［7］開展了不同級(jí)配骨料的矸石充填料漿流變特性試驗(yàn)，結(jié)果表明：0~30μm粒徑顆粒對(duì)料漿流變性能影響最大。在顆粒絮凝機(jī)理的研究中，Mehta和Li［8］認(rèn)為黏性顆粒與非黏性顆粒的分界粒徑可取20μm。而黏性顆粒對(duì)料漿的絮凝結(jié)構(gòu)的形成具有重要影響。楊磊等［9］分析了具有活性的超細(xì)尾砂的強(qiáng)度特征。薛娜等［10］分析了超細(xì)鐵尾砂充填料漿的流變特性，解析了其微觀的流變機(jī)理。梁棟等［11］分析了級(jí)配對(duì)充填體強(qiáng)度的影響。付自國(guó)等［12］建立了超細(xì)尾砂充填體的強(qiáng)度計(jì)算模型，超細(xì)尾砂的粒徑范圍為-20μm。

綜上所述，對(duì)于超細(xì)顆粒的粒徑范圍的常取20 μm作為分界線，但是為什么定義為20μm，并沒(méi)有文獻(xiàn)給出明確的標(biāo)準(zhǔn)。不同礦山的尾砂在表觀密度、顆粒形態(tài)、粒徑分布等方面都具有很大差異，若僅以粒徑尺寸大小作為顆粒分級(jí)的依據(jù)，那么分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)考慮因素過(guò)于單一，不夠科學(xué)客觀。充填采礦法發(fā)展至今，由于磨礦和選礦技術(shù)的不斷提高，尾砂的粒徑逐漸減小，大部分礦山的尾砂的粒徑已經(jīng)達(dá)到了土力學(xué)中“泥”的范疇。在工程實(shí)際中，往往把幾到幾十微米以下的顆粒也稱為超細(xì)顆粒。如此模糊的定義必將使得研究缺乏普適性，因此，有必要對(duì)超細(xì)顆粒進(jìn)行重新定義，以期更加方便地研究問(wèn)題。

1 膏體充填料漿流變?cè)囼?yàn)

本項(xiàng)目主要研究超細(xì)顆粒與膏體充填料漿流變特性的關(guān)系，根據(jù)水力粗度定義的超細(xì)顆粒粒徑的公式為

式中，ρp為尾砂的表觀密度，kg/m3；ρW為水的表觀密度，kg/m3；ρS為水泥的表觀密度，kg/m3；β為水泥的基本需水率。在定義了超細(xì)顆粒后，通過(guò)流變?cè)囼?yàn)測(cè)試不同充填料配比下膏體充填料漿的流變特性。

試驗(yàn)使用法國(guó)生產(chǎn)的RheoCAD500型混凝土流變儀，如圖1所示。試驗(yàn)選用雙螺旋（1#）轉(zhuǎn)子，計(jì)算機(jī)內(nèi)部程序設(shè)置為轉(zhuǎn)子速度從0 rpm增加到250 rpm，再由250 rpm降低到0 rpm，共100個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)，每個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)等待5 s，1 s采集1個(gè)數(shù)值，每個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)下的5個(gè)數(shù)據(jù)取平均值。

采用專家模式進(jìn)行試驗(yàn)，可以檢測(cè)膏體由固態(tài)向流態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)程。RheoCAD500型流變儀的加載與觸變控制如圖2所示。

擬選用金川公司二礦的破碎廢石集料和風(fēng)砂作為充填骨料進(jìn)行研究，充填料漿的流變?cè)囼?yàn)方案如表1（試驗(yàn)所用的充填料漿均滿足料漿極限濃度條件，料漿均質(zhì)且無(wú)離析）。

根據(jù)超細(xì)顆粒的定義，對(duì)廢石和風(fēng)砂的超細(xì)顆粒粒徑以及含量進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見表1。

?

如表2所示，風(fēng)砂的超細(xì)顆粒含量較多達(dá)到了31%，廢石的超細(xì)顆粒含量相對(duì)較少為9%。

?

2 骨料級(jí)配對(duì)流變參數(shù)的影響分析

通過(guò)流變?cè)囼?yàn)得到廢石-風(fēng)砂料漿在不同濃度，不同水泥含量以及不同配比下的流變特性（H-B模型），流變參數(shù)主要受到濃度、水泥含量等料漿特性的影響。事實(shí)上，大多數(shù)研究表明，充填骨料的粗細(xì)部分的比例，很大程度上也影響著充填料漿的流變參數(shù)。

2.1 細(xì)粒級(jí)含量對(duì)料漿塑性黏度的影響

多數(shù)研究表明充填料漿中超粒級(jí)的含量對(duì)充填料漿的流動(dòng)性能影響很大。充填料漿中超細(xì)尾砂（不包含水泥絮凝體）的含量與充填料漿的塑性黏度關(guān)系見圖3。

如圖3所示，質(zhì)量比無(wú)論是5∶5還是7∶3的充填料漿中，超細(xì)粒徑骨料的含量對(duì)充填料漿塑性黏度影響的趨勢(shì)完全相同，隨著超細(xì)粒級(jí)骨料含量的增多，膏體料漿的塑性黏度增加，在相同的級(jí)配下，不同水泥含量的增加趨勢(shì)幾乎相同，由此可見超細(xì)粒級(jí)的含量無(wú)疑是影響充填料漿塑性黏度的主要原因，且塑性黏度與超細(xì)粒級(jí)含量呈正相關(guān)。

如圖4所示，超細(xì)顆粒含量與塑性黏度正相關(guān)，超細(xì)粒級(jí)含量的增加塑性黏度隨之增大。相同濃度下，超細(xì)顆粒含量的多少?zèng)Q定了塑性黏度的大小。在相同的超細(xì)顆粒含量下，料漿質(zhì)量濃度越高塑性黏度越高。級(jí)配的不同也會(huì)引起塑性黏度的改變，廢石含量越多的料漿，在相同濃度下塑性黏度越低。廢石含量越多，料漿中的超細(xì)顆粒越少，導(dǎo)致了塑性黏度的降低。

對(duì)比不同級(jí)配的充填料漿可以看出，僅用超細(xì)顆粒的含量作為衡量料漿塑性黏度變化的因素是不夠科學(xué)的。在膏體充填料漿中，形成料漿最重要的條件是水的加入，水使顆粒間的孔隙得到填滿，多余的水量使顆粒間能保持運(yùn)動(dòng)的傳遞，水的加入引起了料漿的流動(dòng)和漿體的形成，因此超細(xì)顆粒含量與水的相互關(guān)系共同決定了料漿的塑性黏度，因此將超細(xì)顆粒含量與水的質(zhì)量之比作為因變量，作圖討論它與料漿塑性黏度間的關(guān)系。

如圖5所示，將不同級(jí)配下，超細(xì)顆粒與水的質(zhì)量之比作為變量料漿的塑性黏度作為因變量。料漿的塑性黏度會(huì)隨著比值的增加而增加，且增長(zhǎng)的幅度呈指數(shù)增長(zhǎng)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，可以看出，數(shù)據(jù)符合指數(shù)方程。回歸結(jié)果R2=94.13%，因素相關(guān)性非常高，方程的回歸結(jié)果非常顯著。因此，可以使用超細(xì)顆粒與水質(zhì)量之比作為計(jì)算和衡量料漿塑性黏度的標(biāo)準(zhǔn)，使得對(duì)于充填料漿塑性黏度的計(jì)算和回歸統(tǒng)計(jì)更為方便。

2.2 粗骨料含量對(duì)料漿屈服應(yīng)力的影響

為了分析料漿中粗骨料對(duì)料漿塑性黏度的影響。將相同級(jí)配、不同水泥含量、不同濃度下粗骨料（大于超細(xì)顆粒粒徑的骨料）與水質(zhì)量之比作為自變量，膏體充填料漿的屈服應(yīng)力作為因變量，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖。

如圖6所示，廢石-風(fēng)砂料漿中粗骨料（大于超細(xì)顆粒粒徑的骨料）含量對(duì)充填料漿屈服應(yīng)力的影響巨大。如圖6所示，粗骨料含量的改變會(huì)引起料漿中屈服應(yīng)力的改變，粗骨料與水質(zhì)量之比和屈服應(yīng)力呈正相關(guān)，也就是說(shuō)粗骨料含量的增多會(huì)導(dǎo)致料漿中屈服應(yīng)力的增多。粗骨料含量的增多無(wú)疑降低了料漿中的孔隙率，增大了料漿中骨料間摩擦作用的可能性，宏觀上導(dǎo)致了料漿屈服應(yīng)力的增加。在不同級(jí)配的廢石-風(fēng)砂料漿中，以上關(guān)系均是存在且很明顯的。

料漿的屈服應(yīng)力與料漿中骨料和水質(zhì)量之比呈指數(shù)增長(zhǎng)的關(guān)系，使用回歸分析方法對(duì)料漿中各因素關(guān)系進(jìn)行分析得到廢石∶風(fēng)砂=5∶5（質(zhì)量比）的回歸方程：y=5.26x1.71，R2=0.86；廢石∶風(fēng)砂=6∶4（質(zhì)量比）的回歸方程：y=4.64x1.71，R2=0.87；廢石∶風(fēng)砂=7∶3（質(zhì)量比）的回歸方程：y=4.71x1.41，R2=0.88。從以上回歸方程可以看出，粗骨料和水的質(zhì)量之比可以明顯地表征不同配比下膏體充填料漿的屈服應(yīng)力。

3 結(jié)論

膏體充填料漿中超細(xì)顆粒含量與料漿的流變特性具有強(qiáng)相關(guān)性。超細(xì)顆粒的含量越多，料漿的塑性黏度越大，其增長(zhǎng)幅度呈指數(shù)型增長(zhǎng)。粗骨料含量越多膏體充填料漿的屈服應(yīng)力越大。這個(gè)結(jié)論與大多數(shù)文獻(xiàn)能相互佐證。超細(xì)顆粒含量與料漿中水的含量之比體現(xiàn)了超細(xì)顆粒含量的多寡，通過(guò)回歸分析建立了廢石-風(fēng)砂系列料漿流變特性的回歸分析模型，模型簡(jiǎn)單且因素較少，模型的相關(guān)系數(shù)很高，能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)膏體充填料漿的流變特性，對(duì)指導(dǎo)工程實(shí)踐十分有利。