Mg(OH)2改性防灭火膏体流变特性研究

张辛亥，胡 震, 薛韩玲，张国伟，李经文，尚治州

(西安科技大学 a.安全科学与工程学院； b.能源学院，陕西 西安 710054)

粉煤灰由于成本低且与水泥等材料拌和会表现出一定的活性，可通过微集料效应改变其形成浆体的流变性，因而在国内外矿山充填中被广泛应用[1-9]。

粉煤灰膏体流变性的改变可通过对减水剂、泵送剂等的调节实现[10-13]。Mg(OH)2是一种较为常见的阻燃剂，用于煤矿防灭火充填堵漏的具有阻燃性能的Mg(OH)2被用以改变粉煤灰膏体流变性的研究并不多见。Mg(OH)2自身难溶于水，不会对环境产生负面影响，并且其自身化学特性明显，所需添加量少，取材方便[14-16]。鉴于Mg(OH)2的上述优势，笔者以成本低、来源广、浆液黏度较好、不易发生沉淀且易于流动的粉煤灰为膏体骨料，研究Mg(OH)2对膏体防灭火剂的流变性能的影响。

1 实验材料及基本特征

本次防灭火膏体流动性测试实验所用材料主要包括骨料粉煤灰、复合添加剂、Mg(OH)2等。

复合添加剂由水玻璃、聚丙烯酰胺、复合膏体剂以等比例混合组成。复合添加剂占膏体总质量的0.06%。

1.1 工业分析

应用5E-MAG6700型全自动工业分析仪对巩义电厂粉煤灰进行工业分析，结果如表1所示(表中数据为质量分数)。

表1 巩义电厂粉煤灰工业分析结果 单位：%

1.2 粒径分布

采用LS13320型激光粒度仪，在室温条件下测试粉煤灰粒径分布，结果如图1所示。

图1 粉煤灰粒径分布图

由图1可见，样品经超声分散后进行测试，粒子直径主要集中分布在一个范围，即2.0 μm附近。样品平均粒径为2.6 μm，样品粒径在1.6～2.8 μm内时所占的体积比最大,约占到总数的79%。

1.3 形貌分析

应用JSM-IT300扫描电子显微镜(SEM)对 Mg(OH)2颗粒的表观形貌进行测试，结果如图2所示。图2(a)为粒径500 nm的单颗粒Mg(OH)2放大100 000倍的颗粒形貌图，图2(b)为粒径10 μm的单颗粒Mg(OH)2放大5 000倍的颗粒形貌图。

(a)100 000倍

由图2可知，在5 000倍放大率下，Mg(OH)2颗粒形貌均以豆状等不规则颗粒形状呈现；在100 000倍放大率下，Mg(OH)2颗粒以不规则的团聚体状态呈现，且其表面粗糙、形状不规则。

2 性能测试

2.1 黏度实验

采用SNB-2型黏度测试仪对防灭火膏体的黏度进行检测，其测量范围为1～106 MPa·s，标配 1～4 号转子，转子转速分别为1.5、3.0、6.0、12.0、30.0、60.0 r/min，测量精度为±2%(牛顿流体)。SNB-2型黏度测试仪如图3所示。

图3 SNB-2型黏度测试仪

其测试过程为：配制黏度测试仪所规定的一定高度和体积的待测溶液，将匹配型号的转子安装在黏度测试仪上，并置于待测浆液或膏体剂中;启动黏度测试仪并使其旋转，每隔一定时间记录一次黏度值，直至黏度不再变化[17]。

2.2 塌落度及扩展度实验

圆柱塌落实验采用自制的测试仪器，如图4 所示。

图4 圆柱塌落实验仪器示意图

圆柱形塌落桶直径为75 mm，高为100 mm。实验时将粉煤灰膏体倒入塌落桶中，然后立即提起塌落桶离开测试面，使膏体完全脱离塌落桶即可，粉煤灰膏体自由落下，测量其塌落度及扩展度[18]。

3 实验结果与分析

3.1 流变特性

3.1.1 表观黏度

在研究Mg(OH)2对粉煤灰膏体黏度的影响时，设定粉煤灰的质量分数为60%、65%、70% 3个规格；复合添加剂的质量分数为0.06%；Mg(OH)2的质量分数为1%、2%、3%、4%、5%等5个水平，并设立质量分数为0作为空白对照实验。黏度随Mg(OH)2质量分数的变化情况如图5所示。

图5 黏度随Mg(OH)2质量分数的变化曲线

由图5可知，黏度随着Mg(OH)2质量分数的增大而呈现出不同的增长趋势。

由爱因斯坦公式可知含颗粒流体的黏度与颗粒体积分数之间的关系，见式(1)：

η=η0(1+2.5φ)

(1)

式中:η为颗粒流体的黏度，Pa·s；η0为不含颗粒流体的黏度，Pa·s；φ为颗粒的体积分数，%。

当粉煤灰质量分数为60%、65%时，与不添加Mg(OH)2相比，添加Mg(OH)2后其黏度会有小幅度增加，这归因于Mg(OH)2颗粒的增加使得膏体剂中颗粒的体积分数增大，从而导致粉煤灰膏体的黏度有所增加。当Mg(OH)2质量分数持续增大时，粉煤灰膏体的黏度呈现缓慢增大趋势，黏度的变化与Mg(OH)2质量分数变化的趋势相一致。

但当颗粒的体积分数较大时，爱因斯坦公式则变为牛顿推导公式, 见式(2)：

η=η0(1-Aφ)-2.5

(2)

式中A为高质量分数流体的黏度系数，一般取1.35。

当粉煤灰质量分数为70%时，与不添加Mg(OH)2相比，随着Mg(OH)2质量分数的增大，其黏度大幅度增大。当Mg(OH)2质量分数为3%～4%时膏体黏度急剧增大，由0.035 Pa·s增大到0.070 Pa·s，这归因于Mg(OH)2颗粒的增加使得膏体剂中颗粒的体积分数急剧增大，从而导致粉煤灰膏体的黏度值激增。

3.1.2 屈服应力

屈服应力是描述膏体的一项重要指标[19]，采用黏度测试仪测定不同剪切速率下粉煤灰膏体的流变性能，粉煤灰膏体一般表现为非牛顿型流体[20]。

在不同剪切速率下所对应的剪切应力关系拟合曲线如图6～8所示。粉煤灰膏体流变特性拟合参数见表2。

图6 不同Mg(OH)2质量分数的粉煤灰膏体(60%)的流变特性拟合曲线

图7 不同Mg(OH)2质量分数的粉煤灰膏体(65%)的流变特性拟合曲线

图8 不同Mg(OH)2质量分数的粉煤灰膏体(70%)的流变特性拟合曲线

表2 粉煤灰膏体流变特性拟合参数

由表2中Bingham模型参数值及Bingham模型与实验数据的相关系数R2值可知，相关系数为0.97～0.99，并且平均分布在0.98左右，这种粉煤灰膏体可以被认为是宾汉流体。

由图6～8可知，随着Mg(OH)2的添加，屈服应力相应增大。当Mg(OH)2吸收水分时，可以使颗粒间的作用力变大[14]，这是屈服应力增大的原因。当不含Mg(OH)2时屈服应力约为8～16 Pa，但当Mg(OH)2质量分数为5%时，屈服应力约为8～40 Pa。

3.2 塌落度与扩展度

塌落度与扩展度是描述膏体流动性能的重要性能指标。塌落度、扩展度随Mg(OH)2质量分数的变化曲线如图9～10所示。

图9 塌落度随Mg(OH)2质量分数的变化曲线

图10 扩展度随Mg(OH)2质量分数的变化曲线

由图9可知，Mg(OH)2的添加使得不同质量分数的粉煤灰膏体与不添加Mg(OH)2时相比塌落度有一定减小，不同的是随着粉煤灰膏体质量分数的增加，Mg(OH)2的添加对塌落度的影响增大，尤其在粉煤灰膏体质量分数为70%时，塌落度的变化最大。这是因为粉煤灰膏体质量分数较低(60%～65%)时膏体中含有大量的游离水，添加的Mg(OH)2不能够使膏体中的水分被过度消耗，使其继续保持良好的膏体特性；反之，当粉煤灰膏体的质量分数较高(70%)时，膏体中自身的游离水含量较少，添加的Mg(OH)2会吸附一部分游离水，从而使其失去膏体特性，甚至会出现龟裂、凝结成块等现象。

由图10可知，随着Mg(OH)2的添加，不同质量分数的粉煤灰膏体的扩展度都大幅度降低，这是由于加入Mg(OH)2后膏体的质量分数增大，使得膏体内部聚合力增强，流动性变差。而且在不同的粉煤灰质量分数条件下，其扩展度变化趋势相同。

3.3 泌水率

泌水率是衡量材质能否被定义为膏体的重要技术指标。采用称重法对膏体泌水率进行测量，泌水率随Mg(OH)2质量分数的变化曲线如图11所示。

图11 泌水率随Mg(OH)2质量分数的变化曲线

由图11可知，随着Mg(OH)2质量分数的增大，不同质量分数的粉煤灰膏体的泌水率会大幅下降，尤其是当Mg(OH)2的质量分数达到1%之后，与不添加Mg(OH)2时相比泌水率有大幅度的下降。在 Mg(OH)2的质量分数大于1%后，泌水率的变化相对较为平缓，这是因为添加Mg(OH)2会增加粉煤灰颗粒的比表面积，同时能吸附更多的水分，减少游离水的存在，使膏体体系内的水分增加，从而增强其保水性，减少泌水发生的机会；当Mg(OH)2的质量分数为1%～3%时，对质量分数较低(60%～65%)的粉煤灰膏体的成膏质量影响较大，且泌水率在粉煤灰膏体所规定的范围之内(1.5%～5.0%)，此时成膏质量较好，膏体不易失去水分而发生龟裂，能够更长时间保持膏体的良好特性；但当Mg(OH)2的质量分数大于4%时，泌水率会低于1.5%，不符合膏体对泌水率的定义，失去膏体特性。

4 结论

1)利用SNB-2型黏度仪对防灭火膏体的表观黏度、屈服应力进行检测，发现粉煤灰膏体的表观黏度、屈服应力、塑性黏度增大的原因是由于膏体体系内部颗粒的质量分数的增大。

2)采用塌落桶，对膏体的塌落度和扩展度进行测量，结果表明随着Mg(OH)2的添加，膏体的塌落度和扩展度都相应减小。

3)通过称重的方式对膏体泌水率进行测量，结果表明添加Mg(OH)2会使膏体的保水性能大大增加，使膏体不易发生龟裂、离析、沉淀等，但是当 Mg(OH)2的质量分数大于4%时，膏体的泌水率会小于1.5%的规定值，使其失去膏体特性。