尾矿膏体流变学参数试验方法

尾矿膏体流变学参数试验方法

郭亚兵1，徐鼎2

(太原科技大学环境与安全学院，太原 030024)

摘要：在圆柱体塌落度试验数学模型的基础上，利用不同的尾矿样品，对不同直径、不同高度的圆柱体进行了塌落度试验研究，同时利用HAAKEVT550粘度计对相应的屈服应力进行了精确测定。通过两种结果的比较，揭示了塌落度圆柱体尺寸的变化对屈服应力的影响。同时显示了直径为Φ50 mm、Φ70 mm的塌落度试验圆柱体的高度为100 mm时，其屈服应力值与粘度计非剪切屈服应力值吻合良好。在此基础上，利用直径为Φ50 mm、高度为100 mm的圆柱体对四种不同的尾矿样品进行了塌落度与HAAKEVT550粘度计试验分析，并对其结果进行了对比；结果表明了塌落度试验所得到的屈服应力值与粘度计测定的精确屈服应力值吻合度良好。因此，可作为屈服应力测定的可靠手段。

关键词：膏体；塌落度；粘度计测定；屈服应力

收稿日期：2015-03-13

基金项目：山西省攻关项目(20130313006-1)；山西省特色、重点学科建设项目(201214505)

作者简介：郭亚兵(1958-)，男，副教授，主要研究方向为环境系统模拟仿真及沉降理论；徐鼎，硕士研究生，E-mail：yumu_123@163.com

中图分类号：TD926文献标志码：A

随着人类对地球环境生态的高度关注，对矿山尾矿的处置与堆放[1-4]越来越受到全世界各国的重视。由于目前矿山尾矿采用尾矿坝储存，而尾矿坝存在着潜在的安全风险，尾矿坝的溃坝将会给人类生命安全及地球生态造成极大的破坏，因此，尾矿的地表堆放[5-6]成为一个可靠的方法。但尾矿地表堆放需要将尾矿浆液浓缩到膏体状态[7-9]，而膏体的流变学特性[10-12]决定了膏体浓缩机的工艺设计及膏体的管道输送设计。为了科学的设计膏体堆放系统，必须对膏体的流变学特性进行研究分析，确定膏体的流变学参数，为膏体浓缩系统及输送系统设计提供理论依据。由于尾矿膏体作为一种非牛顿流体[13]，其流变学参数的测定需要流变仪或叶片式粘度仪等复杂的仪器设备，试验成本高、携带较困难，不适宜进行现场测试。因此，塌落度试验[14]就成为一种简单易行的现场流变学参数测定的方法。

膏体的塌落度试验提供了一种简单而有效的测定膏体的流变学特性的方法，即通过测量膏体塌落度，从而决定膏体的屈服应力。这种方法不需要复杂的实验装置，要求的仅仅是一个圆柱筒和其它辅助装置。塌落度试验最初是用来对混凝土的使用性和浓度进行评估。Pashias等(1996)[14]将这种方法作为一种简单的屈服应力测定的手段。他们根据Murata(1984)最初的理论和由Christensen(1991)修正后的理论，展示了屈服应力直接与塌落度相关，Pashias等的理论方法将在第二节进行详细阐述。圆柱筒塌落度试验采用的圆柱体的长径比为2：1，试验过程如下：(1)用尾矿膏体材料充满圆柱筒，确保在膏体材料中不存在空气泡；(2)小心提升圆柱筒，使膏体材料自由塌落直到平衡状态；(3)测量由于塌落产生的高度变化，确定其塌落度[15]。尽管圆柱筒塌落度试验已经用于矿山尾矿膏体的流变学参数的测定，并且实践证明了方法的有效性，但是对圆柱筒塌落度试验的实践应用，仍然存在很多问题，例如圆柱筒尺寸的影响、高度与筒径之比等的影响；塌落度试验数据与粘度计试验数据的对应关系等，这些问题严重影响塌落度试验数据的可靠性。本研究利用几种尾矿悬浮液为实验材料，采用不同尺寸的圆柱筒及HAAKEVT550粘度计对不同浓度的膏体进行流变学试验及特性分析。通过将VT550粘度计所收集的数据与不同尺寸的圆柱筒得到的塌落度试验数据进行对比分析，揭示了塌落度圆柱体尺寸的变化对屈服应力的影响。同时显示了直径为Φ50 mm、Φ70 mm的塌落度试验圆柱体的高度为100 mm时，其屈服应力值与粘度计非剪切屈服应力值吻合良好；在上述试验分析基础上，利用直径为Φ50 mm、高度为100 mm的圆柱体对四种不同的尾矿样品进行了塌落度与HAAKEVT550粘度计试验分析，并对其结果进行了对比；结果表明了塌落度试验所得到的屈服应力值与粘度计测定的精确屈服应力吻合度良好。因此，可作为屈服应力测定的可靠手段。

1圆柱筒塌落度理论模型

在塌落度试验过程中，当圆柱筒被移除后，膏体通过自身的重量，上层的物料对下层物料进行压缩，使下部的物料发生屈服，如图1.作为塌落现象的结果，形成下部发生屈服，上部保持不变。屈服与没有屈服部分的分界面假定是平面，在此平面以下的材料发生流动。原始高度变成最后的总高度(h)，由两部分组成：屈服部分(h1)和没有屈服部分(h0).在变形前的圆柱体上任取一个微元dz，变形后微元的厚度压缩到dz1，如图2所示。在变形阶段假设所有水平面仍然是水平的。这样所有发生屈服变形的微元仅做向外的相对运动。图1扼要解释了变形过程。

通过对压缩后的微元体在h1高度内积分，并通过几何关系建立无量纲塌落度s′与无量纲屈服应力τ′之间的关系如下式(1).详细的塌落度公式的推到过程见文献[14].

(1)

图1　塌落度实验初始和最终状态时的压力分布

图2　圆柱体提起后微元体的压缩变形

2试验方法及材料

2.1试验仪器及材料

试验研究采用了三组不同尺寸的PVC圆柱筒(Φ50 mm×80 mm、Φ50 mm×100 mm 、Φ50 mm×120 mm、Φ70 mm×80 mm、Φ70 mm×100 mm、Φ70 mm×120 mm、Φ90 mm×80 mm、Φ90 mm×100 mm、Φ90 mm×120 mm)作为塌落度试验工具；一台HAAKE VT550粘度计以及其它辅助设备。粘度计探头采用FL100型叶片转子；试验样品采用磁铁矿尾矿，絮凝剂采用Rheomax 9010.

2.2实验步骤

2.2.1样品的准备

取2.3 kg的尾矿放入一个大容器中，加水9.2 L配置成10%重量浓度的浆液，加入30 g·t-1的Rheomax 9010离子型高分子絮凝剂并进行搅拌，使固体颗粒与絮凝剂充分接触，进行絮凝反映；静置12个小时后倒去上清液，得到满足塌落度试验浓度的样品；从样品中取出800 mL的尾矿泥浆放入1 L烧杯内，并测定样品的初始固体浓度；样品的初始重量浓度为74.6%.

2.2.2粘度计测试

利用VT550流变仪可精确测定样品的流变学参数，如粘度及屈服应力。VT550提供了多种粘度测定方法，同时提供了适合不同物料特性的流变曲线模型。本文采用了两种测量方法：直接屈服应力法、流变曲线法。实验过程及数据处理过程如下：第一种方法可直接得到样品的屈服应力值；第二种方法形成一个环路，剪切速率从2 s-1开始到60 s-1结束，在60 s-1速率处持续5秒钟，然后从60 s-1退回到2 s-1完成测量过程，并将数据保存为VT550数据文件。剪切速率上升的过程所得到的屈服应力为非剪切应力，剪切速率下降的过程所得到的屈服应力为剪切屈服应力。将样品稀释到一定浓度，重复上述过程。利用VT550数据处理软件对数据进行处理，流变曲线模型选择Bingham塑性模型。

2.2.3塌落度试验

将配置好的尾矿样品先后加入到规格为Φ50 mm×80 mm、Φ50 mm×100 mm 、Φ50 mm×120 mm、Φ70 mm×80 mm、Φ70 mm×100 mm、Φ70 mm×120 mm、Φ90 mm×80 mm、Φ90 mm×100 mm、Φ90 mm×120 mm圆柱筒中，进行塌落度实验，用直尺测量圆柱筒和塌落后的物料之间的高度差，即塌落高度。将泥浆回收至烧杯中加水若干，搅拌均匀后重复上述测量过程，得到不同浓度的塌落高度。注意每一次加水搅拌均匀后都要测量一次泥浆浓度。重复上述步骤4次，测量不同浓度下的尾矿浆液的塌落高度。

3试验结果与分析

3.1VT550流变仪数据分析

通过上述VT550粘度计获得的试验数据，利用RheoWin软件进行数据处理；流变曲线模型采用Bingham塑性方程如下：

τ=τ0+ηγ

(2)

分别对上升曲线及下降曲线进行模型拟合，得到非剪切屈服应力和剪切后屈服应力及直接屈服应力，如图3.

3.2塌落度试验数据分析

对磁铁矿尾矿样品进行塌落度试验，得到不同的塌落度试验数据。利用公式(1)可以计算出样品的无量纲屈服应力值。分别对不同直径、不同高度的试验数据进行比较；不同高度相同直径的塌落度圆柱体试验结果如图4~图6.不同直径相同高度的圆柱体试验结果如图7~图9.

结果显示，当塌落度试验圆柱体的高度相同，而直径发生变化时，对无量纲屈服应力的有一定的影响。随着直径的增加，无量纲屈服应力有所增加，其最大误差为0.025；对应的屈服应力为34.9 Pa，误差为13%.当塌落度试验圆柱体的直径相同，而高度发生变化时，对应的无量纲屈服应力发生变化；无量纲屈服应力的大小为高度为80 mm的圆柱体得到最大的应力，120 mm圆柱体的应力值次之，100 mm高的圆柱体的应力值最小，其最大误差为0.020 4，对应的屈服应力为32.5 Pa，误差为12.3%.

图3　VT550粘度计测试的精确屈服应力

图4　高度为80 mm的圆柱体测试的屈服应力

图5　高度为100 mm的圆柱体测试的屈服应力

图6　高度为120 mm的圆柱体测试的屈服应力

图7 Φ50 mm的圆柱体测试的屈服应力

图8　Φ70 mm的圆柱体测试的屈服应力

3.3粘度计测试数据与塌落度数据的比较

为了确定最佳的塌落度圆柱体尺寸，将三组塌落度试验得到的不同高度的屈服应力与HAAKEVT500粘度计得到的屈服应力进行比较，比较结果见图11~图12.结果显示，直径为Φ50 mm、Φ70 mm的塌落度试验圆柱体的高度为100 mm时，其屈服应力值与粘度计非剪切屈服应力值吻和良好；而直径为Φ90 mm的圆柱体在所有应力值都有较大的误差。

根据上述分析，利用直径为Φ50 mm、高度为100 mm的塌落度试验圆柱体对四种不同的样品进行了塌落度分析及粘度计测定。四种样品分别选择铁矿尾矿、铜尾矿、氧化铝尾矿及锡尾矿。铁矿尾矿的固体密度为3.19 t·m-3，粒度分布为-200网目占71.96%；铜矿尾矿固体密度为2.66 tm-3，粒度分布为200网目占71.21%；氧化铝尾矿固体密度为2.45 t·m-3，粒度分布为200网目占90.0%；锡尾矿的固体密度为2.89 t·m-3，粒度分

图9　Φ90 mm的圆柱体测试的屈服应力

图10　Φ50 mm塌落度数据与粘度计数据的比较

图11　Φ70 mm塌落度数据与粘度计数据的比较

图12　Φ90 mm塌落度数据与粘度计数据的比较

图13　铁尾矿塌落度及粘度计屈服应力

图14　铜尾矿塌落度及粘度计屈服应力

图15　氧化铝尾矿塌落度及粘度计屈服应力

图16　锡尾矿塌落度及粘度计屈服应力

布为200网目占85%.实验结果比较分析如图13~图16.比较结果显示塌落度试验所得到的屈服应力值与粘度计测定的精确屈服应力吻合度良好，因此，可作为现场屈服应力的测定的可靠手段。

4结论

通过塌落度试验及VT550粘度计对非牛顿流体，即尾矿膏体进行试验研究，并将塌落度试验数据与粘度计精确结果进行比较，揭示了不同直径及不同高度的圆柱体对屈服应力的影响。同时得到不同尺寸的圆柱体所对应的粘度计测定的屈服应力。主要结论如下：

(1)圆柱体塌落度试验作为一种简单、易行的屈服应力测试方法，可在现场进行试验。但粘度计测定的精确屈服应力值相比较，其测量结果存在一定的误差，其最大误差在10%左右，但可以满足工业应用的需要，如膏体浓缩机的选型设计、输送泵的选型等。

(2)圆柱体的直径及高度对利用式(1)计算的无量纲屈服应力有一定的影响，无量纲屈服应力值的误差在10%左右。

(3)直径为Φ50 mm、Φ70 mm的塌落度试验圆柱体的高度为100 mm时，其屈服应力值与粘度计非剪切屈服应力值吻合良好，因此可采用直径为Φ50 mm、Φ70 mm，高度为100 mm的圆柱体作为现场塌落度试验的重要手段。

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Testing Method on Rheological Factors of Tailings Paste

GUO Ya-bing，XU Ding

(School of Environment and Safety，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China)

Abstract：This paper studied the slump testing on different cylinder diameters and heights based on mathematics model of cylinder slump by using different tailing samples.A HAAKE VT550 viscometer was used for yield stress measurement，and the results were compared with slump yield stress.The comparison shows that the impact on yield stress is due to the variety of cylinder dimension.It also illustrated that the yield stress from slump test with cylinders of 50 mm，70 mm diameter and 100 mm height chimed well with that measured by HAAKE VT550 viscometer.Based on the above study，a cylinder of 50 mm diameter and 100 mm height and HAAKE VT550 viscometer were used to conduct slump tests and yield stress measurements.The results testified that yield stresses by slump tests were conformed to that from viscometer.The slump test can be a reliable method for yield stress measurement.

Key words：paste，slump tests，viscometer measurement，yield stress