Brookfield+Ｒ/ S流变仪系统研究粘土水泥系列 浆材的流变性能介绍
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美国Brookfield流变仪对全尾膏体触变特性实验研究介绍
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Brookfield+Ｒ/ S流变仪系统研究粘土水泥系列 浆材的流变性能介绍
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美国Brookfield流变仪对全尾膏体触变特性实验研究介绍
摘要：针对尾矿膏体流动过程中的触变行为，将其划分为剪切破坏及静置恢复两个过程，提出以触 变量 Δτ、触变时间ｔｅ，结构破坏系数λ，以及结构恢复系数ξ等指标对其进行定量描述．通过不同条 件下的恒定剪切速率流变试验，研究了剪切速率、膏体质量分数、絮凝剂添加量、静置时间等因 素 对膏体触变的影响规律．结果表明，尾矿质量分数、剪切速率，以及絮凝剂添加量对膏体触变均 有不同程度的促进作用；在静置条件下，膏体质量分数越高，其絮网结构恢复速率越快．对试验现 象 进行了解释，并探讨了其工业应用的意义．
关键词：尾矿膏体；流变特性；触变性；絮网结构；剪切速率
近年来，随着矿山对安全生产及环境 保 护 力 度的加大，高质量分数膏体排放逐渐成为尾矿处 置技术的发展趋势．与传统的低质量分数排放相 比，膏体技术可实现全粒级尾矿利用，含水率低，
具有延长尾矿坝使用年限，提高尾矿坝安全等级 等优点［１］
．但同时，由于膏体中固 含 较 高，且 包 含 大量超细颗粒（＜２０μｍ），流动特性极为复杂，其 流变性质的研究一直是学者们关注的重点．
触变现象是高质量分数细颗粒浆体中广泛存 在的一种 流 变 特 性，大 量 针 对 水 煤 浆［２］、陶 瓷 泥 浆［３］的研究中均发现了明显的触变效应，其 对 于 浆体制备及管道输送等工艺具有较为重要的影 响．尾矿膏体作为一种典型的复杂悬浮体系，有必要开展其触变性质方面的研究，但目前此方面的 资料还较为少见．韩文亮等［４］通过试验研 究 指 出 高质量分数全尾砂浆存在一定的触变现象．王庆 伟等［５］研究了铝土矿赤泥浆体的触变性 质，并 探 讨了其对于干式排放过程的影响．何哲 祥［６］等 指 出细粒尾矿浆是一种具有触变性质的标准分散体 系，其对于浆体活化搅拌具有重要影响．但上述研 究均停留在现象发现的层面，对于膏体触变的影 响因素及规律没有进行更深入的研究．本文探讨 了触变性质的定量表征方法，在此基础上，通过对 某铅锌矿全尾膏体的流变测试，研究了其触变性 质的影响因素及规律．
１ 膏体触变特性及其数学描述
１．１ 膏体絮网结构及触变性质
全尾膏体中包含有大量的细粒尾矿，单 位 体 积内固体颗粒的表面积较大，由此导致颗粒间的 相互作用较强．细颗粒在水中吸附异性离子，形成 双电层的带电颗粒，在表面电场的作用下互相吸 引，进而逐渐搭接形成絮团，这种由单个颗粒结合 成集合体的过程称为絮凝作用［７］
．当絮团 个 数 达 到一定数量之后，絮团之间开始发生连接，形成一 种松散的网状结构，称之为絮网结构．絮网结构的 存在，使颗粒本身的特性消失，取而代之的是絮网 整体特性的呈现［８－９］
．由此导致膏体在流动过程中 出现触变行为，即在持续剪切作用下，絮网结构被 拉断、破坏，初 始 剪 应 力τｓ 不 断 减 小．同 时，由 于
颗粒间的相互作用，结构又不断搭接，修复．当破 坏速率与修复速率相等时，结构达到动态平 衡，此时有平衡剪应力τｅ．此后，如果停止剪切，则 膏体的结构将逐渐恢复，其剪应力相应增大．静置 时间越长，其能 恢 复 到 的 初 始 剪 应 力τｓ 越 大，但 其恢复速率远远低于破坏速率，并很难恢复到其 初始水平，见图１．
１．２ 触变特性的数学描述
触变行为是指膏体内部絮网结构随时间的破 坏和恢复过程．对于剪切破坏过程，可通过应力平 衡时间ｔｅ及触变量 Δτ来 进 行 表 征．其 中ｔｅ
表示膏体达到平衡剪应力τｅ 时对应的时间，
τｅ 可由式（１）进行确定，即表示 在６０ｓ时 间 内，剪应力的波动值不超过０．２．
Δτ可由式（２）确定，即初始剪切应力τｓ 与平衡 剪应力τｅ 的差值，其反应了浆体内部结构的破坏程 度［９］
．Δτ及ｔｅ 值越大，说明膏体触变效应越明显．
Δτ＝τｓ －τｅ （２）
可定义λ为膏体絮网结构破坏系数，其表示 剪切过程中达到任意剪切应力时所获得的触变量与大触变量之比，如式（３）．λ介于０和１之间，
λ＝０表示絮网结构尚未发生破坏；λ＝１表示膏体 絮网结构达到了破坏与恢复的平衡状态；０＜λ＜１
时则表示剪切过程中任意时刻膏体所发生的结构 破坏程度．
λ＝ τｓ －τ /τｓ －τｅ
（３）
对于膏体触变的静置恢复过程，可由参数τｓｔ
进行表征，其表 示 膏 体 在 停 止 剪 切 并 经ｔ时 间 的 静置后再对其施加原来剪切速率时的初始剪切应 力．定义ξ为结构恢复系数，其表示开始静置后絮 网结构恢复的程度，见式（４）．同时由于τｅ≤τｓｔ≤
τｓ，故０≤ξ≤１．ξ为０表示恢复过程尚未开 始，ξ
等于１则表示恢复过程进行完毕．
ξ＝τｓｔ －τｅ/
τｓ －τｅ
２ 试验材料及方案
２．１ 试验材料及设备
试验材料为国内某铅锌矿全粒级尾 矿，其 粒 级组成见 图２，颗 粒 平 均 粒 径 为７５．５９μｍ，中 值 粒径为３４．９５μｍ，其中２０μｍ 的颗粒累计含量占
３７．２０％．实验测试设备 采用美国博勒飞
（Ｂｒｏｏｋｆｉｅｌｄ）的 Ｒ／Ｓ 型 浆 式 流 变 仪，其 优 点 在 于 能够有效降低壁面滑移效应，同时不破坏膏体内 部絮网结构［１０－１１］，配备 Ｖ４０－２０型浆式转子，监测 数据导入电脑中由软件分析，见图３．
２．２ 试验方案
研究表明，剪切速率γ及质量分数是细颗粒浆 体触变行为的主要影响因素［１２］，而对于尾矿膏体 而言，在其质量分数过程中会加入一定量的絮凝剂 以确保尾矿快速沉降，絮凝剂对浆体内部絮网结构 具有重要作用，是影响其触变性质的又一重要因 素［１３］
．因此本试验研究主要围绕上述３个因素进行． １）膏体触变剪切破坏过程的试验方案 采 用 ＣＳＲ（控制剪切速率）模式进行测试，考察在某 恒定剪切速率作用下，膏体剪应力随时间的变化 过程，测试时间设定为９００ｓ，各因素考虑的试验 水平见表１．
２）膏体触变静 置 恢 复 过 程 的 试 验 方 案 将 剪切作用后的尾矿膏体静置一段时间ｔ后再进行 前述恒剪试 验，记 录 其 相 应 的 初 始 剪 切 应 力τｓｔ，
考察不同静置 时 间 下 的τｓｔ值，并 由 式（４）分 析 结 构恢复系数ξ的变化规律．
３ 试验结果及分析
３．１ 膏体触变剪切破坏过程
３．１．１ 剪切速率影响 图４ａ）为 ｗ＝８０％的膏体在剪切速率为１０～
４０ｓ－１时剪切应力随时间的变化过程．由图可知，该质量分数条件下，膏体在持续剪切作用下均呈 现明显的触变现象，剪应力随时间逐渐减小，最终 趋于一恒定值，且剪切速率越大，其初始及平衡剪 应力（τｓ，τｅ）越 大．图４ｂ）对不同剪切速率条件下 膏体的触变量 Δτ及 触 变 时 间ｔｅ 进 行 了 统 计，结 果表明：随着剪切速率增大，Δτ及ｔｅ 相应增加，且 触变 时 间ｔｅ 的增加速率由急剧逐渐平缓．这 表 示：对于相同质量分数膏体，较强的剪切作用可使 膏体絮网结构得到更破坏，从而可望降低 浆体粘度．因此，在膏体进行管道输送前，应加设强/力搅拌装置，以期改善膏体的流动性，从而降低 其管道流动的阻力损失．
３．１．２ 膏体质量分数影响 图５）为 在 １０ｓ－１剪 切 作 用 下，ｗ＝７４％ ～
８０％膏体剪应力随时间的变化过程．由图可知，在 低质量分数条件下（ｗ＝７４％，７６％），剪切应力变化 不大，浆体触变效应并不显/著．随着质量分数提高，
其相应的τｓ，τｅ 值增大．由此可推断，相同剪切作用 下，膏 Δτ体质量分数越大，则其触变效应越显/著．
这是因为，对于较高质量分数的膏体，其颗粒间的 相互作用越强，絮网结构更为发育，膏体流动性质 对剪切时间的依赖性也越强．由图５ｂ）可知，对于 本试验而言，当膏体质量分数小于７８％时，Δτ及ｔｅ
增加速 率 较 为 平 缓，大 于７８％后，其 值 呈 急 增 趋 势．如质量分数为８０％时，剪切过程中膏体由初始 剪应力τｓ＝２６２．４Ｐａ逐渐减小至６０．２Ｐａ，触变量
Δτ达２０２．２Ｐａ．这表明，膏体质量分数对其触变效 应较为敏感，存在一拐点质量分数，当超过该质量 分数值时，触变值急剧增加．
３．１．３ 絮凝剂添加量影响 图６ａ）为在（ｗ＝７６％，γ＝１０ｓ－１）条件下，不 同絮凝剂添加量膏体剪应力的变化情况．由图可 知，当不添加絮凝剂时，膏体触变不明显，触变量 仅为９．５Ｐａ，加大絮凝剂添加量，触变量 Δτ及触 变时间τｅ 相 应 增 加，但增加速率逐渐平缓，如 添加量由２０ｇ／ｔ增加到３０ｇ／ｔ时，触变量仅增加了
１１．８Ｐａ．这表明：絮凝 剂 对 膏 体 触 变 具 有 促 进 作 用，但存在极限添加量，当超过此掺量后，其触变 性质变化不大．
３．２ 膏体触变静置恢复过程
以下对质量分数为７８％，８０％膏体触变静置 恢复过程进行考察．膏体中不添加絮凝剂，施加剪 切速率为１０ｓ－１．由前述试验得到其对应的τｓ 及τｅ 值，测试其在不同静置时间后初始剪切应力τｓｔ的变化情况．同时，根据式（４）计算其相应的结构 恢复系数ξ，结果如表２及图７所示．由图７可知，
随着静置时间的增加，初始剪应力τｓｔ及结构恢复 系数ξ相应增大，且趋 于 平 缓．相 比 而 言，高 质量分数浆体的结构恢复速率较快，但与剪切破 坏过程相比，结构恢复速率远慢于破坏速率．以试 验中８０％的膏 体 为 例，由前述研究可知，其 剪 切 破坏至平衡状态需时８４３ｓ，而结构恢复过程需时１５０ｍｉｎ左右，约为前者的１０倍．同时，膏体质量 分数越高，其内部结构在静置条件下的恢复程度 越好，如８０％的结构恢复系数可达０．８１，而７８％膏体仅为０．７４．因 此，对于膏体管道输送而 言，结构恢复速率越快，则膏体在遇到停泵事故 时，其在管内发生沉降的可能性越小，即膏体稳定 性越好．
４ 结论及建议
１）强剪切作用可使膏体絮网结构得到更有效破坏，从而可望降低浆体粘度．因此，在膏体 进行管道输送前，应加设强/力搅拌装置，以期改善 膏体的流动性，从而降低其管道流动的阻力损失． ２）膏体质量分数对其触变性质的影响较为 敏感，存在一拐点质量分数，当超过该值时，膏体 触变性剧增，对于本试验材料而言，该质量分数值 为７８％． ３）絮凝剂对膏体触变有促进作用，触变值随 絮凝剂添加量增加而增大，存在一极限添加量，当 超过该值时，触变性的变化不大，对于本试验材料 而言，该添加量为２０ｇ／ｔ． ４）静置条件下膏体结构的恢复速率远比其 破坏速率缓慢，且质量分数越高，结构恢复速率越 快，浆体稳定性越好．
美国Brookfield流变仪对全尾膏体触变特性实验研究介绍
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