泵送剂对膏体料浆管道输送的影响

杨柳华 王洪江 吴爱祥 潘贵豪 刘斯忠 李 红

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.新兴铸管集团资源投资发展有限公司，北京 100070)

泵送剂对膏体料浆管道输送的影响

杨柳华1王洪江1吴爱祥1潘贵豪2刘斯忠1李 红1

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.新兴铸管集团资源投资发展有限公司，北京 100070)

膏体泵送系统沿程阻力大，常造成管路爆裂、接头泄漏等事故，严重制约着膏体充填技术的进步与发展。以流变性能极差的某铜矿膏体料浆为例，在满足充填强度和泵送要求的前提下，通过添加泵送剂改善膏体的流变特性，与不添加泵送剂作对比实验，分析了时间对添加泵送剂后料浆流变特性的影响。实验表明，该铜矿全尾砂膏体符合宾汉体特征，添加泵送剂减小了浓度对流动性能的影响，在满足输送条件下，可使流变性能极差的膏体料浆浓度提高到78%。结合理论分析，探讨了充填料浆在添加泵送剂条件下的减阻作用及长时间作用下膏体坍落度损失机理，认为泵送剂可以有效应用于膏体料浆管道输送减阻、降低管道磨损，且负面影响很小。

膏体泵送 流变特性 减阻 泵送剂 坍落度损失

膏体充填可以使用全尾砂，具有料浆不脱水离析、充填体强度高、水泥耗量小等优点，是充填技术的发展方向[1]。采用尾砂充填采矿留下的空区，既解决了用棒磨砂或河砂作为骨料带来的充填材料成本过高的问题，又解决了尾砂地表排放对周围环境污染的问题[2]。因此膏体在尾矿利用、节约成本、改善作业环境、环境保护等方面具有较为突出的优点[3-4]。德国的Grund铅锌矿花了6 a的时间，于1980年首先试验成功全尾砂膏体充填工艺并应用于生产[5]。管道输送技术是膏体充填工艺的核心技术之一，直接关系到充填工艺应用的成败。早在1992年，Spearing等人对膏体泵送技术能否广泛地应用进行过探讨，分歧主要集中于膏体输送管道磨损和能耗较大等问题，因此他们认为膏体在管道中不能顺利地输送，将来充填工艺的发展方向不是膏体而是浆体[6]。但是近些年，随着膏体泵送技术的突破，膏体充填技术在国内外得到了广泛的应用，这主要得益于柱塞泵的出现，以及非牛顿体减阻机理的研究。

通过添加化学药剂改善膏体料浆性能，可以减小料浆的屈服应力[7]。因此，在相同平均速度下，需要更小的泵送压力，随之阻力系数减小，即发生减阻现象。近年来，泵送剂在膏体泵送中得到广泛应用，泵送剂有效改善了膏体的流变特性，最终起到减阻目的。以往的研究主要集中在泵送剂对改善流变特征的表象研究，很少深入研究泵送剂对膏体输送减阻的机理，特别是对添加泵送剂对膏体输送减阻的各种力学效应探索研究方面，还少有涉足。本研究结合膏体充填添加泵送剂试验，利用流变仪测定膏体流变参数，分析膏体的管道输送沿程阻力损失以及添加泵送剂对长距离管道输送影响的实验分析，探讨添加泵送剂对膏体料浆管道输送性能的影响。

1 膏体管道输送的特点

膏体在泵管内呈柱塞状向前流动，靠近管壁处有一层薄浆层，薄浆层的最外面是水膜层，里面是膏体拌和物芯柱。水膜层和薄浆层形成阻力很小的润滑层，膏体拌和物芯柱悬浮在润滑层内向前运动[8]。所以，要使膏体能顺利泵送，必须能形成润滑层及泵送过程中膏体芯柱始终保持黏聚状(即不离析)。膏体的可泵性可以用坍落度、保水性和黏聚性来表示。泵送剂提高了膏体的黏聚力和物料间润滑作用，使膏体泵送时不离析、不泌水，因而可泵性更好。

针对某铜矿尾砂所配料浆流变参数大的现象，为改善其流变性能，选择添加泵送剂。泵送剂的作用主要表现在2个方面，一是在充填体浓度不变的情况下，改善其流变性能，满足输送要求；二是改善流变性能后，提高输送浓度，增加充填体强度。通过下面2个实验，一方面验证泵送剂的减阻作用，探索减阻机理；另一方面就时间对流变特性的影响进行研究，为泵送剂对膏体管道输送的影响机理分析提供依据。

2 实验材料及装置

2.1 实验材料

实验选用材料为某铜矿全尾砂、破碎废石(粒径10 mm)、水泥(32.5R硅酸盐水泥)，按灰砂比1∶6、尾废比5∶1制备成浓度78%的膏体。测定其全尾砂基本物理性质，主要包括全尾砂力学性能参数测试和全尾砂粒级组成分析。测定结果见表1和2。

表1 全尾砂力学性能参数

表2 全尾砂粒级组成(质量分数)

注：d10、d30、d60分别是累计含量为10%、30%、60%颗粒能够通过的筛孔直径。

泵送剂是一种能改善拌合物泵送性能的外加剂。所谓泵送性能，就是拌合物具有能顺利通过输送管道、不阻塞、不离析、黏塑性良好的性能。泵送剂采用由减水剂、缓凝剂、引气剂、减阻剂等复合而成。具有高流化、润滑、缓凝的作用，适合于高浓度拌合物的输送[9]。泵送剂分为液体泵送剂和固体泵送剂2种，本次实验所用泵送剂为优选的JK-5液体泵送剂，主要成分为萘磺酸盐甲醛缩合物及增强剂、缓凝剂等组成，添加量为水泥添加量的2%。

2.2 实验仪器

本次实验采用的设备为R/S型四叶桨式旋转流变仪，此设备的测试原理是和扭矩测量头相连的四叶桨式转子浸入所要测试的料浆中，以可变化的剪切速率旋转，通过在附件RHEO3000软件界面设置流变参数，对实验过程进行实时监测，输出剪切应力-剪切速率曲线，并可做进一步的数据处理。转子直径20 mm，转子高度40 mm。

3 实验过程及结果

3.1 泵送剂对膏体流变参数影响

用于浆体的动态流变模型有2参数的Bingham模型、Casson模型、Power Law模型和3参数的Herschel-Bulkley模型等。根据前期探索性试验发现，该尾砂-废石膏体近似于Bingham体，因此试验过程中采用此模型对流变参数进行拟合分析[10]。

Bingham模型公式：

τ=τ0+ηγ,

(1)

式中,τ为剪切应力，Pa；τ0为动态屈服应力，Pa；η为黏度系数，Pa·s；γ为剪切速率，s-1。

实验测试了添加泵送剂和不添加泵送剂膏体料将的流变参数，作为对比实验。按照实验方案，依据物料配比制备2种实验料浆，对比不同分组的料浆外观如图1所示。由图1可知，在同等浓度和物料配比下，泵送剂对膏体流变特性有极大的影响。

根据实验数据，求出各组数据屈服应力和塑形黏度的平均值，实验结果汇总如表3所示。

图1 添加泵送剂和不添加泵送剂的膏体料浆

分 组编号屈服应力/Pa塑性黏度/(Pa.s)拟合精度平均屈服应力/Pa平均塑性黏度/(Pa·s)不添加泵送剂添 加泵送剂1724.530.5520.9652715.000.3970.9423731.000.3360.9264718.000.3930.9531198.800.2990.9682187.300.4210.9733197.100.3570.9734193.200.2950.943720.1770.419194.1120.342

根据以往的经验，不同矿山尾砂制备的料浆具有不同的流变性能，且流变参数值差别巨大。该铜矿尾砂制备的膏体恰属于典型的屈服应力值大、输送难的料浆，可能是由于其粒度细、黏度大所致。膏体料浆近似于宾汉塑性体，基于管道输送理论，对于不同管径、不同流速下的水平直管的沿程阻力计算公式为[11]

(2)

式中，im为摩阻损失，Pa/m；τ0为动态屈服应力，Pa；D为管道内径，m；v为料浆流速，m/s；η为黏度系数，Pa·s。

从表3可见，添加泵送剂后，对应屈服应力值降低明显，减小为原来的0.27，添加效果良好，添加泵送剂对改善该膏体流变性能是合理可行的。在显微镜下放大150倍观察水泥浆添加泵送剂前后效果，如图2所示，可以见图2(a)中水泥颗粒凝聚，而在添加泵送剂后，如图2(b)所示，出现分散。物料分散均匀的膏体，表现出更好的流动性，通过结合式(2)可知，泵送剂可以使膏体料浆输送摩阻损失极大减小，实现了管道输送减阻作用，有利于料浆输送。这是因为当黏性膏体料浆沿壁面流过时，由于在壁面上流速为零,壁面法向流速梯度很大,相应的壁面剪切力做功消耗流体中部分能量，并最终以热量形式向周围膏体发散[12]。壁面的粗糙程度决定了微观的分离和壁面上无数小旋涡几何尺寸的差异,从而决定了膏体输送能量耗散和阻力系数的差异[13]。膏体输送减阻2种方式：减小输送物料的屈服应力，从而减小壁面的剪切力,这样就可以减小直接发散的能量,实现减阻；增大层流附面层的厚度,即增大了层流附面层边界面上的流速,实现减阻。

图2 添加泵送剂后微观变化

泵送剂具有分散、湿润、润滑作用，从而实现减阻。水泥在与水接触后，浆体内部的各种颗粒之间由于异性电荷相吸引、热运动、相互碰撞吸附、范德华引力等原因引起的絮凝，形成连续的结构，降低了浆体的流动性。泵送剂中表面活性剂分子具有定向吸附作用，使浆体中的各种颗粒质点表面上带有相同符号的电荷，于是在电性斥力的作用下，不但使体系处于相对稳定的悬浮状态，并且使在加水初期所形成的悬凝状结构分散解体。絮凝结构解体后，包裹水被释放，浆体流动性得到改善。表面活性剂分子作用机理如图3所示。

图3 泵送剂的分散作用

同时，泵送剂可使水泥颗粒有效地分散，增加润湿面积，从而使固体颗粒达到湿润。此外，亲水基团吸附于水泥颗粒表面形成溶剂化水膜，起润滑作用，也达到了增大流动和减水作用。泵送剂还能引入一定量的极性微气泡，气泡被分子膜所包围，与水泥颗粒吸附膜的电性相同。在电性斥力的作用下，气泡与气泡、气泡与水泥颗粒间的相互分散，增加了颗粒间的滑动能力。因此，膏体料浆中适量的添加能有效改善膏体的流变特性、降低泵的工作压力，实现减阻作用。

通过以上实验及其探讨，充分说明了泵送剂对改善膏体输送性能效果显著，实现膏体管道输送减阻。在微观层面上的观察，进一步证明了泵送剂对料浆具有分散、湿润作用，可以充分释放自由水。在保证坍落度的前提下，能减少水的添加，提高充填浓度。同时泵送剂中的表面活性剂使料浆中固体颗粒充分悬浮，膏体不泌水、不离析。

3.2 时间对流变特性的影响

掺加泵送剂虽然可以提高料浆流动性和降低用水量，但是由于膏体初始水灰比低，而且水泥的分散度又比其他固体物料大得多，所以随着水泥水化的进行，结合水会增多，游离水会减少，浆体的流动性可能很快降低；同时由于水化产物的形成，并吸附在固体颗粒表面，导致颗粒间排斥作用的减弱，分散体系稳定性变差；同时这些水化产物也吸附减水剂，使整个液相中减水剂的浓度显著下降，颗粒之间很快出现凝聚现象，膏体黏度增大，减水剂的分散、湿润、润滑作用减弱。这些因素的综合作用，使膏体坍落度损失、流动性变差。其作用机理如图4所示。

图4 膏体坍落度损失机理

为研究长时间管道输送对添加泵送剂膏体流动性的负面影响，即长时间剪切作用下膏体坍落度的损失过程。为此，设计了1组长时间搅拌实验，并每隔固定时间取样进行流变测试，测试时间为1 h。在第10 min取样进行流变实验，控制剪切速率(CSR法)最大为150 s-1，将实验数据用Origin软件回归分析，回归结果如图5所示。之后隔10 min重复1次实验，得到6组实验结果见表4。

图5 剪切速率与剪切应力关系曲线

编号取样时间/min屈服应力/Pa塑性黏度/(Pa·s)拟合精度110182.950.29950.993220179.140.28810.973330180.80.2780.978440185.30.3010.992550190.10.3570.975660196.20.3650.997

从表4可知，恒剪切速率情况下，剪切应力随时间呈先减小后增大的趋势。前期的变化规律，可认为是试验前期剪切变稀作用大于水泥水化反应产生的料浆凝结作用。这是由于膏体料浆在流动时各液层间存在一定的速度梯度，而膏体物料形成蜂窝状絮团结构，这种团状结构的膏体物料就可能受到几个流速不等液层的相互剪切作用，这种情况絮团要么剪切破坏，要么回归到同一个流速层。因此，在流动时，每个膏体絮团结构总是试图使自己全部进入同一流速的流层。不同流速液层的平行分布就导致絮团在流动方向上的取向，就像在水流作用下细长的线，它们总是自然地顺着水流方向纵向排列的。流动方向上的絮团结构间相对流动阻力减小，使体系宏观黏度下降，出现“剪切变稀”的假塑性现象。

而后期则刚好相反，剪切变稀作用小于水泥水化反应产生的料浆凝结作用，膏体流变性能开始变差。结合该矿山最长输送距离为2 300 m，按输送速度1 m/s计算，得到料浆在管道中最长停留时间为2 300 s，从表4中看到料浆在搅拌2 300 s后处仍具有最初的流变性能，而在此点之前，由于剪切变稀的作用，料浆一直保持着良好的流变性能，这说明泵送剂对膏体的长距离输送影响不大。同时，由于泵送剂中含有适量的缓凝剂，推迟水化反应时间，减少输送过程水化产物的生成，可以进一步减缓料浆凝结作用。因此，添加泵送剂对现场管道输送负面影响很小。

添加泵送剂的膏体料浆在长距离输送下，由于减少了自由水量以及随着水化反应的进行，时间对流变特性会有影响。但在长时间、恒剪切速率情况下，通过屈服应力随时间变化实验说明了膏体的剪切变稀特性可以有效减缓时间影响趋势，而且泵送剂中的缓凝剂可延缓膏体凝结，使膏体在较长时间里保持良好的流动性，满足长距离输送要求。

总而言之，适量添加泵送剂对膏体料浆输送具有减阻作用，不仅可以提高泵送浓度，而且添加后对长距离管道输送不会产生负面影响。对于一些膏体流动性差、充填倍线高的矿山，可以通过添加泵送剂改善膏体料浆输送性能，扩大膏体充填应用范围。

4 结 论

(1)针对某些输送性能特差的膏体料浆，添加泵送剂能有效改善其流变性能。泵送剂中含有缓凝剂、引气剂和保水剂等，可以使膏体管道输送在高浓度、大坍落度情况下不泌水、不离析、不堵管。

(2)添加泵送剂可以改善膏体料浆的流变性能，减小料浆输送过程的阻力，降低对管道的磨损。

(3)掺加泵送剂之后，较长时间的输送会引起膏体坍落度的损失，输送性能变差。但是通过时间对流变特性的影响实验，膏体的剪切变稀特性和泵送剂中的缓凝剂可以使料浆在3 600 s里保持良好的流动性。说明添加泵送剂对膏体长距离输送负面影响小，泵送剂可以有效应用于膏体长距离输送。

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(责任编辑 徐志宏)

The Effect of Pumping Aid on Paste Pipeline Transportation

Yang Liuhua1Wang Hongjiang1Wu Aixiang1Pan Guihao2Liu Sizhong1Li Hong1

(1.School of Civil and Environment Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2.Xinxing Cathay Resources Development Co.，Ltd，Beijing 100083，China)

The high on-way resistance along the pipeline system usually leads to some problems like pipeline explosions and leakage at joints etc.，which have posed a serious restriction on the development of paste backfill technology.Taking the paste slurry with the poor rheological properties from a copper mine as a case，some pumping aid was added to improve its rheological properties on the basis of achieving the required filling strength and pumping acquirements.Then，contrast was made with the paste without pumping aid，and the effect of time on rheological properties of the paste slurry with pumping aid added was analyzed.The testing results indicated that，the paste made from full tailings conformed to Bingham features.The addition of pumping aid lowered the effect of concentration on rheological properties，which made the concentration of the paste slurry increased to 78% under the condition of meeting the transporting requirements.Combining with the theoretical analysis，the effect of pumping aids on drag reduction and the mechanism of slump loss of paste slurry after a long time were discussed.It is considered that pumping aid has a dramatic effect on reducing on-way resistance along pipelines and decreasing the abrasion of pipeline with less negative effects.

Paste pumping，Rheological properties，Drag reduction，Pumping aid，Slump loss

2014-09-07

国家自然科学基金项目(编号：51374034)，“十二五”国家科技支撑计划项目(编号： 2012BAB08B02)。

杨柳华(1987—)，男，硕士研究生。

TD853

A

1001-1250(2014)-11-022-05