摻固硫灰水泥膠結磷尾礦充填料漿流變性能研究

摻固硫灰水泥膠結磷尾礦充填料漿流變性能研究

磷尾礦是磷礦開采和過濾過程中產生的一種工業(yè)固體殘渣。將磷尾礦用于礦井充填，不僅可以避免因礦井開采造成的地表塌陷等安全隱患，還能夠充分利用磷尾礦，減輕礦山開采對環(huán)境的不利影響。目前，關于磷尾礦膠結充填材料的研究多集中在工作性和強度方面因此，本文研究了摻固硫灰水泥膠結磷尾礦充填料漿的流變特性，重點考察了固硫灰摻量、質量濃度和膠砂比三個因素的影響。1原材料和試驗方法1.1原材料水泥為三峽牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥，平均粒徑24.2μm，密度3.2g/m1.2流動度指標的確定前期以磷尾礦為細骨料，普通水泥為膠凝材料制備的充填膠結料漿實驗中，當料漿膠砂比為1∶5，質量濃度為70%時，料漿的泌水率高達32%；質量濃度降為74%～76%時，泌水率約為10%；繼續(xù)增大質量濃度，泌水率會進一步降低，但料漿流動度也會隨之降低，從而影響料漿的管道輸送?？紤]到固硫灰摻入料漿后，會對泌水率和流動度產生一定的影響，從料漿泌水率、流動度及材料成本指標出發(fā)，初選質量濃度為74%和76%，固硫灰質量為膠結材料質量的0、20%、40%、60%，膠結材∶磷尾礦（膠砂比）為1∶5、1∶6、1∶8。按照試驗方案中的配比制備充填料漿，采用流動度指標表征料漿的流動性，依據(jù)《水泥膠砂流動度測定方法》（GB/T2419—2005），測量料漿在相互垂直的兩個方向的直徑，計算平均值，將結果作為料漿流動性指標。使用NXS-11B型旋轉黏度計測定料漿的流變性能（剪切速率-剪切應力），使用的轉子直徑為3.177cm，外筒直徑為4cm，剪切速率測定范圍在0～100s2分析與討論的結果2.1固硫灰對流動度的影響料漿充填時一般采用自流動或泵送的方式運輸至采礦回填區(qū)，為了便于料漿的管道輸送，料漿的坍落度?？刂圃?00～270mm圖2為在不同質量濃度、膠砂比的充填料漿中摻入固硫灰后的流動度。由圖2可知，料漿的流動度隨固硫灰摻量的增加而降低，隨膠砂比的減小而增大，隨質量濃度的增大而降低。固硫灰對流動度的影響與質量濃度和膠砂比有關。質量濃度增大為76%或膠砂比減小至1∶8時，流動度隨固硫灰摻量增加而降低的幅度均明顯減緩。料漿質量濃度為76%，膠砂比為1∶5～1∶6時，固硫灰摻量大于40%時，流動度低于180mm，為保證料漿的順利輸送須控制固硫灰摻量在40%以內。料漿流動度主要取決于用水量、固相物料的用量及總表面積、固相顆粒的形狀、粒徑及堆積狀態(tài)等因素。料漿中的水包裹固相顆粒表面，填充固相顆粒間隙2.2料漿流變性分析圖3為部分配比料漿的流變曲線和不同剪切速率下的塑性黏度。由圖3可知，隨著剪切速率的增大，料漿的剪切應力增大，但其增大速率受料漿配比的影響較大。當固硫灰摻量為零時，料漿剪切應力的增大速率隨剪切速率的增大而逐漸減小，表現(xiàn)出帶屈服值的假塑性流體特征。固硫灰摻量在20%～60%時，料漿剪切應力隨剪切速率的增大呈現(xiàn)近似線性遞增的規(guī)律，固硫灰摻量越大，這一規(guī)律越明顯，料漿流變特性符合賓漢塑性流體。料漿的塑性黏度隨剪切速率的增大而降低，呈現(xiàn)出剪切稀化的特征，且在低剪切速率（0～10s2.3固硫灰摻量對料漿塑性黏度的影響由以上分析可知，摻固硫灰水泥膠結磷尾礦充填料漿的流變特征符合賓漢塑性流體模型。賓漢模型通式：τ=τ塑性黏度是料漿內部結構阻礙漿體相對流動的一種特性，反映料漿體系變形的速度。由圖4可知，磷尾礦膠結充填料漿的塑性黏度值均較小，低于2.5Pa·s。料漿的塑性黏度隨固硫灰摻量的增加而增大，隨膠砂比的減小而降低，隨質量濃度的增加而增大。固硫灰用量對塑性黏度的影響與膠砂比和質量濃度有關。當膠砂比減小或質量濃度增大時，塑性黏度隨固硫灰用量增加而增大的幅度明顯減小。當料漿質量濃度增至76%，膠砂比值減小至1∶8時，固硫灰摻量對料漿塑性黏度的影響顯著減小，摻20%固硫灰料漿的塑性黏度與不摻固硫灰料漿的基本相同。結合圖2可知，當質量濃度為76%，膠砂比為1∶5、1∶6，固硫灰摻量高于40%時，料漿的塑性黏度值大于1.98Pa·s，流動度將低于180mm，從而影響料漿的泵送澆筑。因此，為了保證料漿的流動性滿足施工要求，固硫灰摻量需控制在40%以內。塑性黏度主要由料漿中固相顆粒表面的水膜厚度決定屈服應力由料漿內顆粒間的附著力和摩擦力產生，是阻止料漿產生塑性變形的最大應力。由圖5可知，磷尾礦膠結充填料漿的屈服應力普遍低于3.5Pa。固硫灰的摻入降低了料漿的屈服應力，質量濃度為74%時，屈服應力隨固硫灰摻量的增加而減小。質量濃度高達76%時，固硫灰摻量的影響不顯著。膠砂比從1∶5減小為1∶8時，屈服應力均略有增大。筆者分析認為，料漿屈服應力與體系內固硫灰、水泥、磷尾砂等固體顆粒的形狀、粒徑分布、比表面積、級配等因素有關，這些因素對屈服應力的作用相互交叉，表現(xiàn)出與黏度不同的變化規(guī)律。2.4充填料漿觸變性實驗觸變性是表征漿體在靜止時質點形成的網狀絮凝結構，在剪切力的作用下受到破壞，停止剪切又逐漸恢復的性質。常用觸變環(huán)法測定漿體的觸變性，觸變環(huán)的面積越大則觸變性越大，反之則越小。圖6為部分料漿觸變性的實驗結果。由圖6可知，水泥-固硫灰復合漿體膠結磷尾砂充填料漿的觸變環(huán)面積均很小，可忽略不計，說明該實驗中的充填料漿的觸變性很弱，料漿的瞬時結構恢復能力很強。在進行料漿澆筑過程中，一定要避免澆筑后振動料漿從而影響充填硬化體的強度。料漿中絮凝結構的密實程度和顆粒間連接的牢固程度是影響料漿觸變性的主要因素。為了保證料漿的泌水性滿足充填要求，采用高濃度充填料漿，形成了較為致密和牢固的絮凝結構。摻入固硫灰后，固硫灰能夠為網狀絮凝結構提供更多的接觸點，使絮凝結構更加密實，不易被拆散，觸變性更弱。3充填料漿流變特征1）料漿的流動度隨固硫灰摻量的增加而降低，隨膠砂比的減小而增大，隨質量濃度的增大而降低。固硫灰摻量對料漿流動度的影響與膠砂比和質量有關，質量濃度較大或膠砂比較小時，固硫灰用量對流動度的影響程度顯著降低。2）摻固硫灰水泥膠結磷尾礦充填料漿的流變特征符合賓漢塑性流體模型。料漿的塑性黏度隨固硫灰摻量、膠砂比及質量濃度變化而呈現(xiàn)的趨勢與流動度相反。固硫灰的摻入降低了料漿的屈服應