基于量綱分析的充填料漿剪切觸變行為研究

基于量綱分析的充填料漿剪切觸變行為研究

填朔是一種由沙子、水泥等固體和水組成的分散系統(tǒng)。根據(jù)材料、測試條件的不同，觸變環(huán)的形態(tài)可能會有差異，比如樣品的物理化學(xué)性質(zhì)、剪切歷史、實驗中的最大剪切速率等由流動引起的微觀結(jié)構(gòu)與流變特性的變化相當(dāng)復(fù)雜，至今仍然沒有被完全理解，因此，學(xué)者對觸變性所做的解釋與研究也是從各個角度出發(fā)的。QIAN等1實驗1.1尾砂粒級組成尾砂選用某礦分級尾砂，經(jīng)實驗室測試，尾砂密度為2.62t/m3，經(jīng)過NKTG100-D型激光粒度儀測試，尾砂粒級組成結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，粒徑<74μm的尾砂占到90%以上，中值粒徑約為15μm。水泥采用的是P.O32.5普通硅酸鹽水泥，中值粒徑約為9μm。實驗用水為城市自來水。觸變性測試采用美國賽默飛HAAKEViscotesteriQ流變儀，轉(zhuǎn)子型號為FL22，測試設(shè)備見圖3。1.2灰砂比對料漿實驗效果的影響經(jīng)過前期探索實驗，在保證料漿流動性的前提下，針對質(zhì)量濃度為60%、62%、64%，灰砂比為1:4、1:6、1:8的料漿設(shè)計兩因素三水平全面實驗，共計9組，實驗方案見表1。剪切實驗中，采用控制剪切速率(CR)的方法，剪切速率先從0經(jīng)過200s的時間均勻上升至100s2結(jié)果與討論2.1觸發(fā)形態(tài)分析實驗結(jié)束后，運用Origin繪制剪切應(yīng)力-剪切速率關(guān)系曲線圖，并計算觸變環(huán)封閉區(qū)域面積，用A2.2濃度和灰砂比對接觸的影響不同質(zhì)量濃度與不同灰砂比對A2.3剪切破壞階段觸變的本質(zhì)是表觀黏度跟隨剪切不斷做適應(yīng)性變化如圖7所示。由圖7可看出，9組料漿表觀黏度在時間上的變化具有相似性，基本可以概括為以下3個階段：第一，下降階段，在較短時間內(nèi)，從較高的初始值迅速降低至較低值，這是因為在料漿制備的攪拌過程中，會有一定的絮凝成團行為發(fā)生，但這種絮團的結(jié)構(gòu)是不穩(wěn)定的，在剪切發(fā)生后迅速發(fā)生破壞，引發(fā)表觀黏度急劇下降，即所謂的剪切變??；第二，穩(wěn)定階段，較長時間穩(wěn)定在該較低的值上，這段時間占據(jù)總剪切時間的75%左右，由于該階段內(nèi)絮團結(jié)構(gòu)的破壞與再生達(dá)到平衡，所以表觀黏度的值較為穩(wěn)定；第三，上升階段，表觀黏度迅速升高，升高后的值比穩(wěn)定階段高，但回不到初始值水平。這是因為隨著剪切速率的降低，絮團結(jié)構(gòu)的再生速率大于破壞速率，所以引起表觀黏度的上升；但由于再生時間內(nèi)始終伴隨著或大或小的結(jié)構(gòu)破壞行為，因此，在剪切結(jié)束瞬間，黏度不能立即恢復(fù)到初始值水平。圖8所示為黏度初始值與最終值之間的差值，其中，表觀黏度降低最多的是灰砂比1:6、質(zhì)量濃度64%的料漿，降幅達(dá)到71%；最少的是灰砂比1:6、質(zhì)量濃度60%的料漿，降幅為40.1%。這與A2.4靜態(tài)屈服應(yīng)力每組實驗過程為400s，在200s處為剪切速率由上升變?yōu)橄陆档霓D(zhuǎn)折點。圖9所示為9組料漿剪切過程中剪切應(yīng)力隨時間的變化曲線。由圖9可見，質(zhì)量濃度為60%和62%時，應(yīng)力與時間的曲線基本以剪切速率轉(zhuǎn)折點為中心，呈左右對稱，且左右兩部分分別呈單調(diào)增和單調(diào)減的趨勢；其原因如前所述，剪切對象均質(zhì)性較好，導(dǎo)致應(yīng)力波動較小。而質(zhì)量濃度為64%的三組，應(yīng)力均明顯表現(xiàn)出先上升后下降的現(xiàn)象，并在接下來一段較長時間表現(xiàn)平穩(wěn)，在剪切速率轉(zhuǎn)折點前又迎來上升，呈現(xiàn)不規(guī)則“U”字型；但在轉(zhuǎn)折點后，會平穩(wěn)下降，跟其他兩個濃度一樣，在實驗結(jié)束后，收斂于一個較低值。這種“U”字型的前半段，是由于靜態(tài)屈服應(yīng)力和動態(tài)屈服應(yīng)力不一致導(dǎo)致的；在CR的前提下，當(dāng)剪切發(fā)生時，意味著原有的結(jié)構(gòu)遭到破壞，料漿開始流動，此時的應(yīng)力值便是靜態(tài)屈服應(yīng)力，隨著剪切速率的增加，結(jié)構(gòu)的破壞與再生達(dá)到平衡；該時的應(yīng)力值是動態(tài)屈服應(yīng)力，由此也可得出，靜態(tài)屈服應(yīng)力大于動態(tài)屈服應(yīng)力?！癠”字型的后半段是由于在轉(zhuǎn)折點之前平衡早已達(dá)成，但剪切速率一再增加，轉(zhuǎn)子的扭矩必然增加，根據(jù)牛頓第三定律可得，應(yīng)力必然增加，從而呈現(xiàn)了完整的不規(guī)則“U”字型。3預(yù)測模型和評價3.1量綱的和諧性一個物理過程能用正確反映其客觀規(guī)律的數(shù)學(xué)方程表述時，方程中每一項的量綱應(yīng)該是和諧的、一致的；如果將方程中各項的量綱均用基本量綱的冪的形式來表示，那么，各項的基本量綱必須齊次3.2量綱齊次性原理結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者的研究結(jié)果式中：上述公式中涉及到6個物理量的量綱分別為選用m(質(zhì)量)、L(長度)、T(時間)為基本量綱，從上述6個物理量中選取分別包含m、L、T這3個基本量綱的密度、中值粒徑、最大剪切速率作為基本物理量，經(jīng)驗證，該3個基本物理量的三階行列式不為0，即相互獨立，那么根據(jù)π定理，A將式(2)、(5)、(6)、(7)代入式(8)，得根據(jù)量綱齊次性原理，π是無量綱量，即聯(lián)立式(11)、(12)可得達(dá)式分別為則式(1)可改成將式(17)變形為定義λ為觸變系數(shù)，由該料漿的3.3預(yù)測模型驗證將剪切實驗中各相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式(19)，求解各組相對應(yīng)的λ。實驗中各組相關(guān)數(shù)據(jù)及λ計算結(jié)果見表2。對λ進(jìn)行5個影響因素的回歸分析，回歸方程見式(20)，復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.9904,P值為0.004，在檢驗標(biāo)準(zhǔn)0.05以下，說明相關(guān)性極好。從式中各因素的系數(shù)可以看出，對觸變系數(shù)λ影響最大的因素為中值粒徑d針對某一固定料漿而言，其動態(tài)屈服應(yīng)力、塑性黏度、密度、中值粒徑均為其固有屬性，僅有最大剪切速率為隨工況而改變的變量，只要確定一個最大剪切速率，即可通過預(yù)測模型計算料漿的觸變性。為驗證預(yù)測模型的適用性，選取質(zhì)量濃度與灰砂比兩兩各不相同的3組實驗，分別為：灰砂比1:4、濃度60%，灰砂比1:6、濃度62%，灰砂比1:8、濃度64%。設(shè)計最大剪切應(yīng)力為110s由圖10可知，3組驗證性實驗的誤差分別為4.6%、7.9%、6.1%，平均誤差率為6.2%，說明該模型的適用性良好，可以在已知料漿固有屬性的前提下，針對不同工況預(yù)測料漿的觸變能力，在工程應(yīng)用當(dāng)中是十分有益的，具有一定的推廣意義。4充填料漿觸變特性1)剪切觸變實驗中，60%、62%質(zhì)量濃度料漿觸變環(huán)形態(tài)，與現(xiàn)有常見均質(zhì)性漿體觸變環(huán)形態(tài)比較接近，而質(zhì)量濃度為64%料漿剪切應(yīng)力的波動范圍，比60%、62%濃度料漿的波動范圍大，上行曲線與下行曲線會出現(xiàn)多于兩個交點，造成其觸變環(huán)形態(tài)與其他實驗組不同，單獨呈一類。2)充填料漿的觸變性與質(zhì)量濃度和灰砂比均呈正相關(guān)，且具有梯度增長型非線性特點，相同固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的條件下，水泥比尾砂對觸變性的影響水平更高。3)表觀黏度會在剪切過程中表現(xiàn)出3個階段：下降階段，穩(wěn)定階段和上升階段。其中，下降階段與上升階段發(fā)生較為迅速，而穩(wěn)定階段維持時間較長，占據(jù)總剪切時間的75%左右，剪切結(jié)束瞬間的表觀黏度低于初始表觀黏度，且組與組之間黏度降低幅度的規(guī)律與觸變環(huán)面積的大小規(guī)律并不一致。4