新型减水剂改善充填料浆性能试验研究

史采星，郭利杰，许文远

（北京矿冶研究总院，北京 100160）

新型减水剂改善充填料浆性能试验研究

史采星，郭利杰，许文远

（北京矿冶研究总院，北京 100160）

为了解决目前凡口铅锌矿因溢流尾砂充填料浆浓度偏低而导致的水泥单耗高、充填体强度偏低等问题，本文采用新型减水剂改善料浆流变性能，提高溢流尾砂料浆的输送浓度及管道输送性能。开展了基于新型减水剂的料浆扩散度、流变试验及充填材料配比试验。试验表明采用新型减水剂可明显改善充填料浆的流动性，对充填体强度产生有益影响。最终确定最优配比料浆的浓度为66%、灰砂比为1∶6，节灰率达15.4%，充填体7d单轴抗压强度提高率为42.4%，充填体28d单轴抗压强度提高率为15.2%，实现充填成本降低了为4%，具有明显的经济效益及推广应用的意义。

新型减水剂；流变性能；溢流尾砂；节灰率

尾砂是矿山选矿后必然产生的剩余物，由于其粒径小，具有较大的比表面积，因而存在脱水困难、工程性质差的特点［1］。目前凡口铅锌矿尾砂粒级越来越细，尤其是溢流尾砂，－74μm的尾砂含量达97.95%。利用溢流尾砂充填，充填料浆浓度限制在60%浓度左右，浓度较大的充填料浆因为稠度变大，会导致充填料浆的流动性变差而无法实现自流输送。充填浓度低导致了充填体强度偏低、充填成本高等问题，严重制约了企业发展，成为凡口铅锌矿亟待解决的重大问题。

为提高溢流尾砂胶结充填体强度，在不增大灰砂比的前提下，提高充填料浆的浓度，并且能够保证充填料浆的流动性是解决上述问题的关键。为了改善混凝土的工作性能，提高混凝土强度，国内外广泛研究应用各类添加剂，如早强剂、外加剂、增强剂、泵送剂等。近些年来，在矿山充填技术领域，无论是高浓度料浆充填还是膏体充填，都开始研究和使用混凝土外加剂。为了解决目前凡口铅锌矿细粒级尾砂充填料浆浓度偏低导致水泥单耗高，充填体强度偏低等问题，本项目探索采用新型减水剂提高充填料浆浓度的可行性。因此笔者在实验室对凡口溢流细粒级尾砂进行了基于新型减水剂的料浆扩散度试验、料浆流变试验及充填材料配比试验，综合评价新型减水剂对于促进或提高料浆流动性能的效果［2－3］。

1 减水剂作用原理

新型减水剂属于阴离子表面活性剂，分子结构包括亲水基和憎水基。憎水基团吸附于水泥颗粒的表面，亲水基团和水分子相结合，从而构成了单分子或多分子吸附膜。减水剂分子的定向吸附使水泥分子表面带有相同的电荷，在同性电荷的排斥力作用下，使得在水泥水化初期形成的絮凝结构解体，将絮状结构内包裹的水释放出来，从而达到了减水的目的。同时由于减水剂中的亲水基团和水分子以氢键的形式结构，该作用力远远大于减水剂分子与水泥之间的结合力，这就使水泥颗粒表面形成一层稳定的水膜，从而阻碍了水泥颗粒间的接触，并起到了润滑作用。减水剂的这种吸附、分散、润滑作用，改善了充填料浆的流动性能［4］。

2 充填物料物化性质研究

充填材料基础参数测试主要包括尾砂物理参数（容重、密度、孔隙率）、尾砂化学元素分析、尾砂粒级组成、充填工业用水化学组成等。

2.1 尾砂基本物理参数

尾砂基本物理参数包括密度、容重、孔隙率，密度及容重分别采用比重瓶法及堆积法测定，试验根据土工试验规程依据标准T0112－1993测得。尾砂基础物理参数见表1。

表1 尾砂基础物理参数表

2.2 尾砂化学成分

对凡口的溢流细砂进行了化学成分分析，其元素定量分析结果见表2。

表2 凡口溢流细砂元素定量分析结果表

从化学元素定量分析结果可以看出，凡口溢流尾砂中主要非金属氧化物为SiO2，含量为25.37%；主要金属元素及其氧化物为CaO、Fe、FeO、Al2O3、K2O，其他金属元素含量较低。由试验结果可以得出，凡口尾砂中SiO2、Al2O3的含量较高，是一种比较好的惰性材料，且含有大量的CaO、FeO和一定量的MgO成分，有利于充填体的胶结性能发展，但尾砂中S含量较高，不利于充填体强度发展及充填体整体质量。

2.3 尾砂粒级组成

粒级组成分析用于测定尾砂颗粒组成尺寸及含量，利用激光粒度分析仪，根据激光与颗粒之间相互作用的光散射原理（Fraunhofer衍射理论和Mie光散射理论等），得到激光探测到的颗粒粒径及其分布。粒级组成见表3，粒级组成曲线见图1。

凡口溢流细砂d10＝1.487μm，d50＝9.384μm，d90＝38.387μm，粒级组成不均匀系数为8.76。分级尾砂与溢流细砂的级配效果均一般。

表3 凡口溢流细砂粒级组成

2.4 充填用水化学元素组成

充填用水化学性质分析采用ICP半定量分析，试验结果见表4。

从表3可以看出，在检测精度范围内，充填用水中含有较多的金属元素Ca，少量的Mg、Zn，含量分别为0.14g/L、0.025g/L、0.006g/L，其他金属元素含量很低。

3 充填料浆流变特性试验

充填料浆流变特性试验主要包括充填料浆扩散度试验和流变试验，从两个方面探索新型减水剂对凡口溢流尾砂胶结充填料浆的流动特性。

3.1 充填料浆扩散度试验

图1 粒级组成曲线

表4 充填用水化学元素分析结果

扩散度试验是适应高流动性拌合物的开发和应用而出现的，是一种能够反映拌合物的变形能力和变形速度的试验方法，主要是为了掌握充填料浆流动性、并辅以直观经验评定粘聚性和保水性。本试验主要是探索不同掺加量下的新型减水剂对充填料浆流动性能的影响规律。由于凡口溢流尾砂比一般矿山所用充填尾砂细，当充填料浆浓度越高，达到某一所需的新型减水剂的量就越多。试验结果见表5。

从表5中可知，充填料浆在浓度与灰砂比相同的条件下，砂浆的扩散度值与外加剂的掺量成正比关系，即砂浆的扩散度随外加剂掺量的增加而增大。具体变化趋势见图2。

3.2 充填料浆流变试验

流体在受到外部剪切力作用时发生流动变形，内部相应产生对变形的抵抗，并以内摩擦的形式表现出来。这是流体的一种固有物理属性，称之为粘滞性或粘性。根据不同的流变性能，可将流体分为牛顿流体和非牛顿流体。

牛顿流体的剪切应力与速度梯度呈线性关系，用式（1）表示。

式（1）又称为牛顿剪切应力公式，式中的比例系数μ代表流体粘滞性的物理量，反映了流体内摩擦力的大小，称为流体的动力粘性系数。如果式（1）的函数关系是非线性的，所描述的流体就被称为非牛顿流体。对于非牛顿型流体，人们提出了几个描述内摩擦特性的流变方程模型，譬如Ostwald—dewaele幂律模型、Ellis模型、Carreau模型、Bingham 模型等［5－6］。

表5 凡口溢流细尾砂充填料浆扩散度试验结果

本试验采用美国Brookfield公司的新型流变仪，使用桨式转子测定不同条件下料浆的流变性能。在浓度相同、灰砂比1∶4的条件下，充填料浆流变曲线见图3。灰砂比为1∶5、1∶6时有类似规律。

从图3中可以看出，与未添加新型减水剂的料浆相比，添加减水剂后的料浆剪切应力、表观黏度显著降低，且随着减水剂添加量的增加，屈服应力逐渐降低。

将以上曲线进行拟合，得到的拟合数学模型见表6。从中可以发现，大多数配比的充填料浆符合宾汉姆流体模型，随着剪切速率的增大，充填料浆黏度下降，属于剪切变稀流体。添加减水剂后，料浆的流体性质并未发生改变，仍属于剪切变稀流体，料浆的剪切应力、表观黏度与砂灰比、浓度之间的变化规律与不添加外加剂时保持一致。但存在个别现象，60%浓度的充填料浆在加入2%的添加剂后呈赫切尔－巴尔克（HB）模型，且由于流体特性指数小于1，属于假塑性或剪切变稀流体。

图2 不同浓度的充填料浆在相同砂灰比下扩散度值随外加剂不同掺量变化规律

图3 灰砂比1∶4时不同浓度充填料浆随添加剂掺量变化规律

表6 灰砂比1∶4时流变曲线拟合结果

4 充填料浆配比试验

本试验主要是探索不同掺量下的新型减水剂对充填料浆不同配比的强度影响规律，达到为不同浓度的充填料浆选择合适的减水剂添加量的目的。试验结果见表7（略去灰砂比1∶4与1∶5的试验结果）。

从表7可以发现，充填体的单轴抗压强度随着龄期的增长，均有不同程度的增长。无论添加外加剂与否，在外加剂掺量、养护龄期与浓度相同的条件下充填体单轴抗压强度从整体上表现为随砂灰比的增大而减小。另外充填料浆中加入新型减水剂后对其强度略有影响，总体上表现为对充填体的强度产生有益影响，但不会有质的改变。影响规律见图4。

5 经济比较分析

根据2014年上半年的充填数据分析可知，凡口溢流尾砂充填的平均浓度为60%左右，灰砂比为1∶4。以该配比的充填料浆的流变特性、强度为基准，对比分析不同配比料浆在新型减水剂掺量不同的情况，统计出水泥单耗降低、7d与28d充填体抗压强度增加的料浆配比见表8。

由表8的数据可对充填成本进行比较（只考虑水泥与添加剂的成本）。成本对比见表9。

从表9可知，在现场室内试验的配比范围内，充填料浆中加入新型减水剂后，部分配比充填料浆的节灰率、抗压强度提高，但最终的成本会上升。

最终筛选出料浆浓度为66%、灰砂比为1∶6时，节灰率达15.4%，7d单轴抗压强度提高率为42.4%，28d单轴抗压强度提高率为15.2%，成本降低率为4%。

表7 新型添加剂对充填体强度影响试验结果（灰砂比1∶4）

表8 新型减水剂对充填料浆有益影响统计结果

表9 添加外加剂成本对比

图4 各浓度料浆在灰砂比相同时强度随添加剂掺量变化规律

6 结论

通过现场试验研究发现凡口溢流尾砂充填料浆在添加新型减水剂时可显著提高充填料浆流动性，砂浆的扩散度值随减水剂掺量的增加而增大。不同浓度的充填砂浆，若要达到一定的流动性，对减水剂的掺量要求不同。充填料浆中加入新型减水剂后对其强度略有影响，总体上表现为对充填体的强度产生有益影响，但不会有质的改变。通过试验数据分析，当料浆浓度为66%、灰砂比为1∶6时，可达到目前凡口铅锌矿利用溢流细砂充填的要求，此时可使浓度提高6%，节灰率达15.4%，7d单轴抗压强度提高率为42.4%，28d单轴抗压强度提高率为15.2%，成本降低率为4%，可为矿山带来一定的经济效益，具有一定的推广应用的意义。

［1］解伟，隋利军，何哲祥.基于采矿充填的尾矿处置技术应用前景［J］.工业安全与环保，2008，34（8）：37－39.

［2］姚维信，姚中亮，等.高浓度大流量管输充填技术与工艺［M］.第一版.北京：科学出版社，2014：51－60.

［3］范作鹏，任少峰，张忠辉，等.高效减水剂对全尾砂充填料性能的影响［J］.金属矿山，2014，43（5）：40－44.

［4］王新民，史良贵，肖智政，等.减水剂在充填料浆中的作用机理及应用研究［J］.金属矿山，2004（4）：11－13.

［5］何环莎，高待谦，魏微.全尾砂新型充填胶结材料性能试验和改进［J］.矿业研究与开发，2012，32（4）：11－14.

［6］霍雷.减水剂对混凝土工作性和强度的影响［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，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，硕士，助理工程师，主要从事矿山充填技术研究工作。

TD853

A

1004－4051（2014）S2－0209－06

2014－10－09

国家科技支撑计划项目资助（编号：2013BAB02B02）；国家国际科技合作专项项目资助（编号：2014DFR70340）