廢石-尾砂膠結膏體料漿觸變性試驗研究與分析

2021-12-25 07:46:26楊天雨喬登攀

有色金屬(礦山部分) 2021年6期

楊天雨，喬登攀，王俊，張希

(1.昆明理工大學國土資源工程學院，昆明 650093；2.玉溪礦業有限公司，云南玉溪 653100)

觸變性亦稱搖變，是指物體(如油漆、涂料)受到剪切時稠度變小，停止剪切時稠度又增加或受到剪切時稠度變大，停止剪切時稠度又變小的一“觸”即“變”的性質。觸變性是一種可逆的溶膠現象，代表流體黏度對時間的依賴性[1]。楊美卿[2]通過高倍電子顯微鏡研究了細顆粒漿體，發現細顆粒漿體中確實存在著絮團絮網結構。而且這些結構具有多種層次，聯系脆弱，在外力作用下結構很易破壞，在卸掉外力時又很易搭接。膏體料漿是不同粒級的尾砂、水泥和水的混合物，有時還包含一些添加劑(絮凝劑)等材料。因此，漿體中含有大量細顆粒，顆粒表面的物理化學作用導致漿體內部存在一定強度的絮網結構[3]，具有明顯的觸變性質。膏體觸變性的研究對其制備、輸送以及地表堆存等工藝具有十分重要的意義。王慶偉等[4]研究了赤泥漿體的觸變行為，探討了觸變性對干式排放過程中的影響及應用。何哲祥等[5]通過研究認為細顆粒骨料與水泥等固體材料組成的混合物料是一種觸變流體，提出了充填料漿的活化攪拌技術。應力松弛及剪切稀化效應是觸變性的兩種表現形式，即隨著剪切強度及剪切時間的增加，漿體內部結構破壞加劇，漿體的剪應力及表觀黏度會隨著剪切時間的增長而持續遞減，最后趨近于平衡狀態。NGUYEN等[6]在對高濃度赤泥流變性質的研究中發現，漿體表觀黏度隨剪切時間逐漸減小，最終趨于穩定值。PORNILLOS[7]對不同攪拌時間尾礦膏體的屈服應力進行了測試，結果表明：屈服應力值隨攪拌時間逐漸減小，最終趨于平衡狀態。韓文亮[8]在對細顆粒漿體的研究中，發現了明顯的應力松弛現象。陳琴瑞[9]對羊拉銅礦全尾膏體的研究發現，表觀黏度及屈服應力隨時間逐漸減小，最終趨于一恒定值。

但是目前研究僅是在發現現象的基礎上進行了簡單的定性分析，沒有建立起定量的數學模型對其進行描述。本文通過對膏體料漿進行應力松弛試驗，分析膏體料漿屈服應力的觸變規律，并構建膏體料漿屈服應力的觸變模型來定量描述膏體料漿的觸變性。

1 充填膏體的應力松弛試驗

1.1 試驗材料

本次試驗的試驗材料選用某礦山廢石尾砂，尾砂松散堆積密度1.328 t/m3，表觀密度2.841 t/m3，堆積密實度為0.468，空隙率為0.532，加權平均粒徑dp為57.78 μm，尾砂化學成分見表1。本次試驗所用廢石采用該礦山露天采場礦體下盤剝離廢石，廢石以白云巖為主，平均密度為2.754 t/m3，松散堆積密度1.75 t/m3，堆積密實度為0.635 5，空隙率0.364 5；水泥采用普通硅酸鹽425#水泥。

表1 尾砂化學成分表

1.2 試驗方案

試驗設計膏體料漿濃度為75%、76%、77%、78%、79%，廢石尾砂比為5∶5和4∶6，剪切速率設定為30、60、90、120 s-1，共計40組試驗。

首先，編寫流變儀加載程序，流變儀設定為恒剪切速率的模式，試驗時配置1 000 mL料漿，為消除水泥水化反應對試驗結果的影響，每進行完一次剪切試驗，需重新配制料漿。其次，為使料漿與實際情況更加接近，在剪切開始之前，需進行10 s的預剪切，并靜置10 s，隨后按照程序設定的30、60、90、120 s-1進行剪切試驗，剪切時間為1 200 s，試驗加載程序如圖1所示。

1.3 試驗結果與分析

應力松弛法流變試驗結果如圖2和圖3所示，并對四個剪切速率條件下觸變前后的剪切應力值進行賓漢回歸，求得觸變前后的屈服應力和塑性黏度。由于篇幅限制，僅列出廢石尾砂5∶5、質量濃度79%和廢石尾砂4∶6、質量濃度79%的膏體料漿的試驗結果曲線。

從圖2和圖3可以看出，膏體料漿的剪切應力隨著剪切時間的增加呈現出減小的趨勢，根據觸變性原理，未受剪切前料漿內部顆粒處于相互嵌鎖的穩定絮團結構狀態，當受到剪切作用時，這種穩定結構被打破，并形成有序流態化，剪切時間越久，穩定結構被破壞得越完全，當達到完全有序流態化時，剪切應力趨于穩定。

圖2 廢石尾砂5∶5膏體料漿應力松弛曲線與觸變前后參數回歸Fig.2 Regression of stress relaxation curves and thixotropic parameters of waste tailings 5∶5 paste slurry

圖3 廢石尾砂4∶6膏體料漿應力松弛曲線與觸變前后參數回歸Fig.3 Regression of stress relaxation curves and thixotropic parameters of 4∶6 paste slurry of waste tailings

2 流變參數觸變模型的構建

2.1 屈服應力觸變規律

在應力松弛曲線平衡時間之前每間隔30 s取一個時間節點，進行回歸分析，得到該時刻的屈服應力值，屈服應力隨時間的變化曲線如圖4所示。

從圖4可以看出屈服應力隨著觸變時間的增加而減小，呈現出負指數函數的增長趨勢，減小速率由快到慢，最終趨于穩定，因此，要構建函數關系來表征屈服應力隨著時間的變化規律，需滿足以下兩個條件：

圖4 屈服應力隨時間變化曲線Fig.4 Yield stress versus time curves

(1)

式中：τ0為觸變前屈服用力，Pa；τc為觸變后屈服應力，Pa。因此可以構建屈服應力隨著時間的變化函數為：

τt=(τ0-τc)·exp(-mt)+τc

(2)

式中：m—時間參數，回歸得出；t—觸變時間，s。

用式(2)對觸變試驗結果進行回歸分析，求得時間參數m，回歸結果如表2所示。

表2 屈服應力-觸變時間回歸分析結果表

回歸曲線如圖5所示。

圖5 屈服應力-觸變時間回歸曲線Fig.5 Yield stress thixotropic time regression curves

回歸方程如表3所示。

質量濃度/%骨料比(廢石∶尾砂)回歸參數a回歸參數b回歸參數m回歸方程755∶517.64311.0590.002 98y=17.643exp(-0.002 98x)+11.059765∶519.81117.5540.004 27y=19.811exp(-0.004 27x)+17.554775∶528.79528.2670.004 43y=28.795exp(-0.004 43x)+28.267785∶532.18541.2000.003 32y=32.185exp(-0.004 32x)+41.200795∶524.68759.5670.005 06y=24.687exp(-0.005 06x)+59.567754∶612.69111.4460.004 70y=12.691exp(-0.004 70x)+11.446764∶618.29216.4630.003 85y=18.292exp(-0.004 85x)+16.463774∶621.20627.9190.005 33y=21.206exp(-0.005 33x)+27.919784∶627.68641.7230.006 83y=27.686exp(-0.006 83x)+41.723794∶641.57557.4980.008 02y=41.575exp(-0.008 02x)+57.498

回歸參數a的意義為觸變前后屈服應力的差值，回歸參數b為觸變后屈服應力，m為時間參數，其值越大，觸變平衡時間越短，屈服應力越容易趨于平衡，m值的大小取決于膏體料漿的配比情況，膏體料漿的配比主要體現在體積濃度與骨料堆積密實度兩個方面，因此，可以用膏體料漿的固體填充率Cv/φ來表征時間參數m值的大小，固體填充率與時間參數m的關系如圖6所示。