全尾砂膏体料浆流动性影响因素的试验研究*

郑娟荣 吕杉杉 赵振波

(郑州大学土木工程学院)

全尾砂膏体充填的优点是可以最大限度地利用矿业工业废物，充填料在采场内不用脱水，充填体强度高，水泥消耗量少，充填成本低，能够确保采矿生产安全和实现矿业生产废物零排放。

膏体料浆指的是还没凝固之前的混合物。关于“膏体”、“膏体充填”具有下面2种代表性的定义:膏体充填至井下工作面后不会出现脱水，材料的胶质粒子可使所有的水分子都保留在膏体中，这种胶质特性使膏体通过钻孔或管道输送时不存在临界流速，同时允许膏体在管道中滞留一段时间［1］;将1种或多种充填材料与水进行优化组合，配制成具有良好稳定性、流动性和可塑性的牙膏状流体，在重力或外加力(泵压)作用下以柱塞流的形态输送到采空区完成充填作业的充填过程称为膏体充填［2］。因此，膏体充填料的组成材料及其配比应满足膏体充填料管道输送性能(稳定性、流动性、可塑性)和膏体充填体强度性能的要求。

要制备符合上述定义特征的膏体胶结充填材料，将涉及5大理论基础:粉体科学、流变学、胶体化学、胶凝材料学和土力学，其中流变学和膏体充填材料的管道输送性能密切相关。膏体料浆的管道输送性能是全尾砂膏体胶结充填材料研究的重点，管道输送性能应该包括料浆稳定性(分层性和泌水性)、流动性、泵送性、可塑性等。但仅有管道输送性能的研究是不够的，管道输送性能和基础理论的关系将是制备符合定义特征膏体的关键。

研究表明，影响全尾砂膏体料浆流动性的主要因素是料浆浓度、细尾砂含量［3-4］。本研究以全尾砂、胶结剂、超塑化剂、粉煤灰及水制成的全尾砂膏体料浆为研究对象，系统研究膏体料浆流动性的影响因素及规律，为进一步深入研究影响全尾砂膏体料浆流变性能的机理奠定基础。

1 原材料及试验方法

1.1 试验原材料

(1)胶结剂。基准水泥(建筑材料部门用于检验外加剂性质的水泥，为42.5#的硅酸盐水泥，但规定了水泥的粒度、矿物组成和化学成分)。

(2)全尾砂。取自安徽李楼铁矿的全尾砂，其主要矿物是石英(SiO2)，白云石(CaMg(CO3)2)和赤铁矿(Fe2O3)。尾砂的化学成分如表1所示。用图像处理法和筛分分析确定颗粒尺寸分布，有15%的颗粒小于20μm(见表2)，尾砂的密度为3.04 g/cm3。

表1 全尾砂的化学成分 %

表2 全尾砂的粒度分布

(3)化学外加剂。一种超塑化剂，减水率30%。

(4)粉煤灰。Ⅰ级粉煤灰(记为粉煤灰A)、Ⅲ级粉煤灰(记为粉煤灰B)各1种。

(5)水。城市自来水。

1.2 试验方法

膏体料浆的制备:每次制备的浆体总量3 kg，按规定配比称取各原材料并放入搅拌锅，按《GB/T 17671—1999 水泥胶砂强度检验方法(ISO)》进行料浆的搅拌。

膏体料浆流动性测定方法:膏体料浆是非牛顿流体，通常可用宾汉姆模型来描述。宾汉姆材料的流变特性可由屈服应力τ0和塑性黏度η2个参数来确定，可以用双筒旋转黏度仪直接测定，但这种仪器很昂贵，在一般室验室找不到这种仪器。在实验室研究膏体料浆流动性的影响因素，可以通过测量料浆的坍落度来衡量膏体料浆的流动性;泵压输送的膏体料浆坍落度可设定为15～23 cm［5］，电动跳桌仪(振动5次)适合测定坍落度为1～25 cm的浆体的流动性。本研究通过试验证明通过电动跳桌仪(见文献［6］)测定全尾砂膏体料浆的流动性是有效的，并且精确度比坍落度高(另文证明)。

电动跳桌仪测定膏体料浆流动度的原理:通过测量一定配比的膏体料浆在规定振动状态下的扩展范围(单位:cm)来衡量其流动性;跳桌流动度越大，说明浆体流动性越好。

2 试验结果及其分析

2.1 膏体料浆浓度对其流动性的影响

图1为不同膏体料浆浓度与其料浆流动度的关系(胶结剂为10%的基准水泥，不掺其他材料)。由图1可见，随着料浆浓度的增大，料浆流动度降低。根据理论分析可知，料浆浓度增大，即浆体中固体之间的距离降低，相互作用力增大，颗粒相互之间的移动所受到的阻力增大，从而使浆体的屈服剪应力和塑性黏度均增大，流动性降低。这一试验结果与以往的研究结果(文献［3］和文献［4］)一致。每个矿山的尾砂性质(矿物组成、化学成分及粒度分布)不同，达到相同流动度的固体浓度会有很大差异。

图1 料浆浓度与其流动度的关系

2.2 水泥掺量对膏体料浆流动性的影响

图2 是水泥掺量与料浆流动度的关系(水泥为基准水泥，料浆浓度81%，不掺其他材料)。结果表明，随水泥掺量增加，料浆流动性变化分3个阶段:水泥掺量从0～10%(水泥掺量为0时，物料呈散粒状)，料浆流动性急剧增加;水泥掺量10%～20%，料浆流动性逐渐增加;水泥掺量大于20%，对料浆流动性没有增加作用。理论分析表明:尾砂颗粒(包括超细颗粒)外形极不规则，呈菱角状、片状;尾砂颗粒在运动中颗粒之间的滑动阻力很大，随着水泥量的增加，由于水泥在水中很快发生胶质化作用，并吸附在尾砂颗粒表面，使尾砂颗粒之间的滑动阻力大大降低，所以，料浆流动性急剧增加;随着水泥量的继续增加，由于水泥在形成水化产物的过程中需要适量的水，同时产生较多胶粒，胶粒容易相互吸引导致胶粒凝聚，凝聚速度越快，料浆的流动性就降低。所以，完全用水泥掺量来提高料浆的流动性是有局限的，也不经济。

图2 水泥掺量与料浆流动度的关系(料浆浓度81%)

2.3 超塑化剂掺量对膏体料浆流动性的影响

图3是超塑化剂掺量(胶结剂为10%的基准水泥，不加粉煤灰)与料浆流动性的关系。当膏体料浆浓度固定为83%时，浆体的跳桌流动度随超塑化剂掺量(0～0.05%，以总固体质量计)的增加，浆体的流动度缓慢增加;当膏体料浆浓度固定为82%时，浆体的跳桌流动度随超塑化剂掺量的增加，开始(超塑化剂掺量0～0.02%)增加缓慢，然后(超塑化剂掺量超过0.02%)显著增大。这一结果说明，在不同浆体浓度内，超塑化剂对浆体流动性的影响程度有差异;对于浓度相同的浆体，超塑化剂掺量存在着一个合适的范围。比较图1和图3可知:当料浆跳桌流动度设定为25 cm时，不掺超塑化剂的料浆浓度78%，而掺超塑化剂(0.04～0.05%)的料浆浓度82%，所以，掺超塑化剂可以提高料浆浓度4个百分点。

图3 超塑化剂掺量与浆体流动度的关系

2.4 细尾砂含量对膏体料浆流动性的影响

图4是细尾砂(是否掺加超塑化剂)含量与料浆流动性的关系，膏体料浆中细(－20μm)尾砂含量变化是在全尾砂基础上外加－20μm尾砂颗粒调配的，料浆浓度81%，胶结剂(基准水泥)10%，不加粉煤灰。

图4 细尾砂含量与料浆流动度的关系

从图4可以看出:在膏体料浆中未掺超塑化剂时，料浆中细尾砂含量15%～20%时，料浆的跳桌流动度不变;料浆中细尾砂含量大于20%时，料浆的跳桌流动度下降，即流动性下浆。理论分析表明:全尾砂是矿石在磨矿及选矿过程中产生的，本研究矿石中的矿物主要是石英，白云石和赤铁矿，当矿石受到外力(破碎、碾磨等)作用时，其键的破裂是随意的，有的地方暴露出金属离子(Ca2+，Mg2+等)而呈正电性，有的地方暴露出O2－而呈负电性;随着尾砂颗粒的粒度变细后，颗粒的表面积大大增加(需要更多的水润湿表面)，表面电荷也将大大增加;全尾砂中细颗粒加水后，由于这些矿物所带电荷不同，产生异性电荷相吸作用，还有可能是这些细颗粒间的范德华力作用，均导致这些细颗粒产生絮凝状结构，从而将水包裹。试验结果与理论分析结果一致。一般生产实践也认为，膏体料浆中细尾砂含量在15%～20%为宜［3］，这与本试验结果也一致。

从图4还可以看出:在膏体料浆中掺入超塑化剂0.04%(按总固体量计)时，料浆中细尾砂含量15%～20%时，料浆的跳桌流动度也不变;料浆中细尾砂含量大于20%时，料浆的跳桌流动度也呈下降趋势，但与没掺超塑化剂的料浆相比，其流动性大大增加了。如果未掺超塑化剂的料浆跳桌流动度为18 cm，超塑化剂的料浆达到相同流动度时，料浆中细颗粒含量可以达到35%，细颗粒含量提高了20个百分点。这说明超塑化剂使细尾砂的絮凝结构破坏，释放自由水，使料浆流动性增大;同时还说明使用超塑化剂，可以增大膏体料浆中的细颗粒含量(如果矿山全尾砂中超细部分含量过大，没有超塑化剂，就要分级一部分排放到尾矿库;相反，需要另加一部分粉煤灰，才能配成膏体)，这为尾砂的完全利用(零排放)提供了理论基础。

细尾砂颗粒、超塑化剂和料浆浓度之间存在一个合适范围，其相互作用机理有待进一步研究。

2.5 粉煤灰品质及掺量对膏体料浆流动性的影响

图5是粉煤灰品种及掺量(料浆浓度81%，其中基准水泥10%，不加超塑化剂)对膏体料浆流动性的影响。由图5可知，膏体料浆的流动度随Ⅰ级粉煤灰(粉煤灰A)掺量的增加而明显增加;但随Ⅲ级粉煤灰(粉煤灰B)掺量的增加而明显降低。Ⅰ级粉煤灰中含碳量低并且含有大量表面致密的玻璃微珠，掺入到全尾砂膏体料浆中，改善料料浆的颗粒级配并粉煤灰玻璃微珠在料浆运动过程起滚珠作用，增大流动性;Ⅲ级粉煤灰中含碳量高，吸水性大，将料浆中水吸进碳粒中，降低流动性。本研究结果表明，不同粉煤灰对膏体料浆流动性影响很显著，所以，掺粉煤灰配制全尾砂膏体料浆时，先要检验粉煤灰的品质。

图5 粉煤灰品种及掺量与料浆流动性的关系

3 结论

(1)料浆浓度能显著影响膏体料浆的流动性;水泥掺量低于10%时，对料浆流动性也有显著影响，但工程中用提高水泥掺量来提高料浆流动性是不经济的;粉煤灰的品质和掺量对膏体料浆流动性也有显著影响。

(2)超塑化剂和细尾砂均对膏体料浆流动性有显著影响，并且细颗粒对膏体料浆流动性的影响在未掺和掺超塑化剂条件下有显著差异;超塑化剂、细颗粒和料浆浓度之间存在一个合适范围，其相互作用机理有待进一步研究。

(3)在全尾砂料浆中掺适量超塑化剂，保持料浆流动性相同，可以提高料浆浓度4个百分点，或者提高细尾砂含量20个百分点。

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

［2］ 刘同友.充填采矿技术与应用［M］.北京:冶金工业出版社，2001.

［3］ 胡 华，孙恒虎，黄玉诚.似膏体充填料浆流变特性及其各因素影响分析［J］.有色金属:矿山部分，2003，55(3):4-7.

［4］ 翟永刚，吴爱祥，王满江，等.全尾砂膏体料浆的流变特性研究［J］.金属矿山，2010(12):30-32.

［5］ 王方汉，姚中亮，曹为勤.全尾砂结构流体胶结充填的理论与实践［C］∥第五届中国充填采矿技术与装备大会文集.长沙:《矿业研究与开发》杂志社，2011:67-70.

［6］ 中华人民共和国国家标准.GBT 2419—2005 水泥胶砂流动度测定方法［S］.北京:中国标准出版社，2005.