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温度对膏体充填料浆流变特性影响试验研究 ① 刘金枝１， 高子明１， 程起超２， 尹升华３ （１．上海海洋大学 信息学院，上海 ２０１３０６； ２．上海海洋大学 农业部淡水水产种质资源重点实验室，上海 ２０１３０６； ３．北京科技大学 土木与资源工程学 院，北京 １０００８３） 摘 要 为了探究膏体的流变特性，取某尾砂制备不同质量浓度、灰砂比的尾砂料浆，采用 Ｂｒｏｏｋｆｉｅｌｄ Ｒ／ Ｓ＋型流变仪和 ＴＣ-５５０ 型制 冷／ 加热式循环浴温度控制设备进行了膏体流变特性测试。 结果表明，膏体料浆屈服应力和黏度随温度的变化与灰砂比和浓度有 关。 当灰砂比一定时，低浓度料浆屈服应力随温度增加不断减小，高浓度料浆屈服应力随温度升高先增加后减小；当料浆浓度一定 时，随着水泥比例增加，屈服应力随温度升高从不断减小到先增加后减小，且水泥比例越大，使屈服应力开始减小的温度越高。 黏 度变化情况与屈服应力类似。 关键词 膏体充填； 流变特性； 屈服应力； 黏度； 温度； 灰砂比 中图分类号 ＴＤ８５３．３４文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０２０．０３．００６ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０２０）０３－００２４－０３ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｔｅmｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ Ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｐａｓｔｅ Ｂａｃｋｆｉｌｌ ＬＩＵ Ｊｉｎ-ｚｈｉ１， ＧＡＯ Ｚｉ-ｍｉｎｇ１， ＣＨＥＮＧ Ｑｉ-ｃｈａｏ２， ＹＩＮ Ｓｈｅｎｇ-ｈｕａ３ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｏｃｅａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１３０６， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｆｒｅｓｈｗａｔｅｒ Ａｑｕａｔｉｃ Ｇｅｒｍｐｌａｓｍ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ， Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ， Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｏｃｅａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１３０６， Ｃｈｉｎａ； ３．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ ａｎｄ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂｅｉｊｉｎｇ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ， ｔａｉｌｉｎｇｓ ｓｌｕｒｒｙ ｗａｓ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｔａｉｌｉｎｇｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍａｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｅｍｅｎｔ-ｓａｎｄ ｒａｔｉｏ， ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｓｔｅ ｗａｓ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ Ｂｒｏｏｋｆｉｅｌｄ Ｒ／ Ｓ＋ ｒｈｅｏｍｅｔｅｒ ａｎｄ ＴＣ-５５０ （ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｎｇ／ ｈｅａｔｉｎｇ ｃｉｒｃｕｌａｔｏｒ） ｗａｔｅｒ ｂａｔｈ ｗｉｔｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｆ ｙｉｅｌｄ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ ｏｆ ｐａｓｔｅ ｓｌｕｒｒｙ ｗｉｔｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｒｅ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｃｅｍｅｎｔ-ｓａｎｄ ｒａｔｉｏ ａｎｄ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ． Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｃｅｍｅｎｔ-ｓａｎｄ ｒａｔｉｏ ｉｓ ｃｏｎｓｔａｎｔ， ｗｉｔｈ ａｎ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ， ｔｈｅ ｙｉｅｌｄ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｌｏｗ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ ｓｌｕｒｒｙ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ， ｂｕｔ ｔｈｅ ｙｉｅｌｄ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｓｌｕｒｒｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｆｉｒｓｔ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ． Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｓｌｕｒｒｙ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｓ ｃｏｎｓｔａｎｔ， ｗｉｔｈ ａｎ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔ， ｔｈｅ ｙｉｅｌｄ ｓｔｒｅｓｓ ｔｕｒｎｓ ｆｒｏｍ ａｎ ｉｎｉｔｉａｌ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｔｏ ａｎ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｆｏｌｌｏｗｅｄ ｂｙ ａ ｄｅｃｒｅａｓｅ ａｓ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｉｓｅｓ． Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ， ｔｈｅ ｌａｒｇｅｒ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔ ｗｉｌｌ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎ ａ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｙｉｅｌｄ ｓｔｒｅｓｓ ａｔ ｈｉｇｈｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ． Ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ ｉｓ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｔｏ ｂｅ ｓｉｍｉｌａｒ ｔｏ ｔｈａｔ ｏｆ ｙｉｅｌｄ ｓｔｒｅｓｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｐａｓｔｅ ｂａｃｋｆｉｌｌ； ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ； ｙｉｅｌｄ ｓｔｒｅｓｓ； ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ； ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ； ｃｅｍｅｎｔ-ｓａｎｄ ｒａｔｉｏ 传统的尾矿堆积处理占用大面积地表资源，不利 于矿业的持续发展［１］。 膏体充填技术就是将尾砂等 固体废弃物混合制成膏状流体充填到井下开采区，大 量实践证明膏体充填技术具有安全、高效、环保以及经 济等优势［２］。 膏体充填主要由尾砂浓密、膏体制备和 管道输送等步骤组成，而膏体料浆的流变特性决定了 膏体能否成功通过管道输送至开采区。 膏体流变特性 受尾砂浓度、物料组成、颗粒级配、骨料配比和 ｐＨ 值 等众多因素影响［３－７］。 本文先通过配置不同浓度尾砂 以及不同比例灰砂比进行试验，探究膏体流变特性，利 用直接法直接测量得到屈服应力和黏度大小，分析其 产生变化的原因，然后通过改变温度来探究温度对流 变特性的影响，分析其原因。 １ 试 验 １．１ 试验材料 试验材料采用某镍矿全尾砂和普通硅酸盐水泥， 各自化学成分组成如表 １ 所示。 ①收稿日期 ２０２０－０１－０９ 作者简介 刘金枝（１９７１－），女，湖南益阳人，副教授，博士，主要从事采矿工程与应用数学方向的研究。 第 ４０ 卷第 ３ 期 ２０２０ 年 ０６ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．４０ №３ Ｊｕｎｅ ２０２０ 表 １ 充填材料化学成分组成（质量分数） ／ ％ 材料ＳｉＯ２ＣａＯＭｇＯＡｌ２Ｏ３Ｆｅ２Ｏ３ＳＯ３ Ｋ２ＯＴｉＯ２ＭｎＯ 其他 尾砂 ４４．２０３．７３３２．７１４．０４１２．１４３．３７０．３９０．３３００．８５ 水泥 ２８．３６ ４８．２８２．５０１１．８７２．８８４．１５１．０７０．６００．１２ ０．１６ 膏体流变特性不仅受物料组成影响，同样受颗粒 级配影响，实验采用的全尾砂粒径分布见图 １。 42μm 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0.110.01101001000 /4,0 100 80 60 40 20 0 /430 /4,0 /430                                                          图 １ 全尾砂粒径分布 １．２ 试验仪器 采用 Ｂｒｏｏｋｆｉｅｌｄ Ｒ／ Ｓ＋型流变仪测量膏体流变特 性，该型流变仪具有四叶桨式转子设计，可以减少对试 验料浆的破坏程度，精确性较高，适合复杂的流变过程 分析［８］。 使用 Ｒｈｅｏ３０００ ｖ ２．０ 软件可以收集流变过程 的相关数据，直接得出流变参数；也可对数据进行分析 拟合，间接得出流变参数［９］。 采用 ＴＣ-５５０ 型制冷／ 加 热式循环浴温度控制设备控制试验温度，该设备温控 范围－２０～２００ ℃，可以精确到 ０．０１ ℃。 １．３ 试验方案 １．３．１ 试验原理 屈服应力和黏度是反应膏体流变性的两个基本参 数［１０］，流体的屈服应力是指对于一些非牛顿流体，施 加的剪切应力增大到某个特定值后，流体才产生流动， 这个特定值称为该流体的屈服应力。 故流体的屈服应 力越小，越容易流动。 屈服应力的数值可通过直接法 或间接法得出［９］，直接法是通过 ＣＳＲ 法得到剪切应力 和剪切速率图像后直接从图像中得到动态和静态屈服 应力，间接法是通过 ＣＳＳ 法得到的剪切应力和剪切速 率的图像后拟合得到屈服应力。 膏体属于非牛顿流 体，其流变过程通常使用 ＨＢ 模型或 Ｂｉｎｇｈａｍ 模型进 行拟合，除此之外，还有 Ｃａｓｓｏｎ 模型、Ｅｌｌｉｓ 模型和幂律 模型等模型［１１］。 黏度是流体粘滞性的一种量度，是流 体流动力对其内部摩擦现象的一种表示，其值越大，充 填料浆流动越困难。 １．３．２ 试验步骤 为了探究温度对流变特性的影响，配置膏体料浆浓 度配比 ７２％、灰砂比 １∶４和 １∶１６ 以及料浆浓度 ６２％、灰 砂比１∶１６ 的样品，将配置好的料浆样品搅拌５ ｍｉｎ 后依 次放在流变仪的载物台上，控制 ＴＣ-５５０ 型制冷／ 加热 式循环浴温度控制设备温度分别为５ ℃、１５ ℃、２５ ℃、 ３５ ℃和４５ ℃。 选用型号为 Ｖ-４０-２０ 的浆式转子，打开 Ｒｈｅｏ３０００ ｖ２．０ 软件后选择 ＣＳＲ 模式，设置剪切时间 ２４０ ｓ，剪切速率 ０．０５ ｓ －１ 。 ２ 试验结果与分析 ２．１ 试验结果 利用 ＴＣ-５５０ 型温度控制设备控制温度，根据 Ｂｒｏｏｋｆｉｅｌｄ Ｒ／ Ｓ＋型流变仪得到的试验数据，得到不同 温度下流变参数试验数据如表 ２ 所示。 表 ２ 不同温度流变参数 浓度／ ％温度／ ℃灰砂比屈服应力／ Ｐａ平均黏度／ （Ｐａｓ） ６２５１∶１６９．２４０．７９ ６２１５１∶１６９．０４０．８２ ６２２５１∶１６８．８７０．７６ ６２３５１∶１６８．４２０．７１ ６２４５１∶１６８．４３０．７２ ７２５１∶４２６７．９６２０．２１ ７２１５１∶４２７２．５３２０．０７ ７２２５１∶４２９１．７７２０．２０ ７２３５１∶４３０２．１７２４．４３ ７２４５１∶４２９０．１８１８．２４ ７２５１∶１６１６２．３５１５．６０ ７２１５１∶１６１９３．７３１７．２５ ７２２５１∶１６２１７．５１１９．０１ ７２３５１∶１６１９７．４２１７．００ ７２４５１∶１６１８８．３２１５．８９ ７２５０∶１１０６．２３ ７２１５０∶１１０３．６７ ７２２５０∶１１０２．１６ ７２３５０∶１９９．４７ ７２４５０∶１８８．３６ ２．２ 温度对流变特性的影响分析 ２．２．１ 温度对屈服应力的影响 屈服应力随温度变化曲线如图 ２ 所示。 由曲线走 势可知，对于纯尾砂料浆，其屈服应力随温度增加不断 减小，且在温度升高到 ３５ ℃时减小明显。 当料浆浓度 和灰砂比较低时，屈服应力随温度增加不断减小且在 温度升至 ３５ ℃后趋于平缓。 当灰砂比相同时，屈服应 力随温度的变化与料浆浓度有关，当料浆浓度较低时， 屈服应力随温度增加不断减小，当料浆浓度较高时，屈 服应力随温度升高先增加后减小。 当料浆浓度相同 时，屈服应力随温度的变化与灰砂比有关，随着水泥掺 量增加，屈服应力随温度增加从不断减小到先增加后 ５２第 ３ 期刘金枝等 温度对膏体充填料浆流变特性影响试验研究 减小，且水泥掺量比例越大，屈服应力开始减小的温度 越高。 , 110 105 100 95 90 85 10020304050 9-A4Pa      0 1 72  1 16 62  , 9.4 9.2 9.0 8.8 8.6 8.4 8.2 10020304050 9-A4Pa      , 240 200 160 120 80 40 0 10020304050 9-A4Pa      , 320 280 240 200 160 120 80 10020304050 9-A4Pa                1 16 1 4 0 1 72 72 72     1 16 1 16 72 62   a b c d 图 ２ 屈服应力随温度变化曲线 （ａ） 纯尾砂； （ｂ） 低浓度低灰砂比； （ｃ） 不同浓度； （ｄ） 不同灰砂比 ２．２．２ 温度对黏度的影响 黏度随温度变化情况如图 ３ 所示。 纯尾砂料浆并 不是膏体，其流变曲线与膏体不同，存在较大波动，无 法得出较为具体数值，但其变化趋势与屈服应力变化 趋势相似。 对于其他料浆来说，由于黏度取的是算术 平均值，其数值可能存在些许误差，但其大体趋势均与 屈服应力的变化趋势相似。 , 25 20 15 10 5 0 10020304050 W,Pa s            1 16 1 4 1 16 72 72 62    图 ３ 黏度随温度变化曲线 对于纯尾砂料浆，当温度升高时，由热力学第一定 律可知物体的内能增大，料浆分子更加活跃，料浆流动 性变强，表现为黏度减小。 加入水泥后，形成 ＣＳＨ 等水化产物，自由水比例降低，流动性变差。 随着温度 升高，水化反应速率加速，导致整体的流动性呈现增加 的趋势，但当灰砂比较低即水泥的比例较低时，水化反 应加快对于流变性的影响低于分子内能增加对于流变 性的影响，其整体流动性表现为减小速度变缓，随着水 泥比例增加，水化反应作用渐渐超过分子内能增加的影 响，整体流动性增加的幅度更大且范围更广，表现为屈 服应力和黏度的增加产生“延迟”，温度对膏体料浆流变 性的影响是分子内能和水化反应相互“中和”的结果。 ３ 结 论 通过 Ｂｒｏｏｋｆｉｅｌｄ Ｒ／ Ｓ＋型流变仪对膏体料浆开展试 验，进行流变性能测试，探究温度对于膏体流变特性的 影响。 研究结果表明膏体料浆屈服应力和黏度随温 度的变化与灰砂比和浓度有关，且二者的变化情况类 似。 温度对膏体料浆流变性的影响是分子内能和水化 反应相互“中和”的结果。 对于纯尾砂料浆，温度升高 使料浆分子内能增大，料浆分子更加活跃，其流动性随 之变强。 加入水泥之后，生成 ＣＳＨ 等水化产物， 温度升高加快水化产物生成速率，阻碍料浆流动，且阻 碍作用随着灰砂比增大而增强。 在温度升高过程中， 随着水泥比例增加，水化反应抑制作用渐渐超过分子 内能增加促进作用的影响，故同在浓度 ７２％条件下， 温度从 ２５ ℃升至 ３５ ℃，灰砂比 １∶１６ 时屈服应力和黏 度减小，灰砂比 １∶４时屈服应力和黏度反而增大。 （下转第 ３３ 页） ６２矿 冶 工 程第 ４０ 卷 简洁，且对边坡的力学特性进行了分析，综合各单元的 平衡方程得到了有限元模型的整体平衡方程，有效增 加了矿山边坡有限元模型的准确性。 ２） 使用实例验证的方式，选取模型参数敏感性和 安全系数两个指标，分别验证了所研究方法的性能，结 果表明，本研究方法具有一定的可行性和实际应用价 值，为岩土工程研究提供了参考依据。 参考文献 ［１］ 康志强，邵陆航，李 蕾． 基于 ３ＤＥＣ 数值模拟的矿山边坡节理变 形机理研究［Ｊ］． 化工矿物与加工， ２０１８（６）３７－４１． ［２］ 吕夫侠，谢谟文，杜 岩，等． 基于抗滑力变化的边坡稳定状态识 别［Ｊ］． 科学技术与工程， ２０１９，１９（１４）３０９－３１４． ［３］ 刘艳章，蔡原田，张 奎，等． 露天转地下开采充填体变形参数对 边坡稳定性影响研究［Ｊ］． 矿冶工程， ２０１９，３９（１）１－４． ［４］ 胡田飞，刘建坤． 复杂边坡三维地质建模技术及稳定性分析方 法［Ｊ］． 防灾减灾工程学报， ２０１６（４）５８０－５８７． ［５］ 王 强，付厚利，秦 哲，等． 基于正交改进和 Ｇｅｏ-ｓｌｏｐｅ 边坡稳定 性因素敏感性分析［Ｊ］． 金属矿山， ２０１７（１２）１３０－１３５． ［６］ 张志武，欧阳治华，王纪鹏，等． 基于面的矿山井巷三维模型算法 研究与实现［Ｊ］． 化工矿物与加工， ２０１６（１０）５１－５４． ［７］ 陈朝晖，雷 坚，黄景华，等． 考虑参数空间变异性的边坡稳定可 靠性有限元极限分析［Ｊ］． 岩土工程学报， ２０１８，４０（６）９８５－９９３． 引用本文 易红卫，樊陵姣，谌 涛． 基于有限元分析的矿山边坡自动 数值建模与分析研究［Ｊ］． 矿冶工程， ２０２０，４０（３）３０－３３． �������������������������������������������������������������������������������������������������� （上接第 ２６ 页） 参考文献 ［１］ 吴爱祥，杨 莹，程海勇，等． 中国膏体技术发展现状与趋势［Ｊ］． 工程科学学报， ２０１８，４０（５）５１７－５２５． ［２］ 吴爱祥，王 勇，王洪江． 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左右；灌装 Φ７０ ｍｍ 药卷 时，速度为 ５～６０ 支／ ｍｉｎ（以 Φ７０ ｍｍ ２ ０００ ｇ 计算）， 最大产能可达 ７．２ ｔ／ ｈ，与生产线产能相匹配。 ３ 结 论 活塞泵应用在乳化炸药生产线上，安全系数高，与 乳化炸药生产匹配性强，不破坏乳化炸药体系的稳定 性，能够广泛应用于物理敏化、化学敏化多种商品乳化 炸药的生产。 参考文献 ［１］ 汪旭光． 乳化炸药［Ｍ］． 北京冶金工业出版社， ２００８． ［２］ 屈彩容，彭 宁． 硝酸铵水溶液在包装型乳化炸药生产中的应用 分析［Ｊ］． 矿冶工程， ２０１９，３９（１）３６－３８． ［３］ 蓝 卯，许道利，袁 伟，等． ＤＫＪ 型多卡位灌装机发展与打卡机 改进［Ｊ］． 设备管理与维修， ２０１８（２４）９１－９３． ［４］ 甘清海． 乳化炸药 ＨＰ 型灌装机与 ＲＣ－１２ 型装药机配套使用可 行性探讨［Ｊ］． 技术与市场， ２０１６（４）６４－６５． ［５］ 刘忠山． 关于德国保利卡工业炸药全自动灌装系统中定量分装灌 装机使用与保养及常用故障排除［Ｊ］． 现代机械， ２０１３（６）７８－８１． 引用本文 彭 宁，颜柏桦． 活塞泵在包装型乳化炸药生产上的应用分 析［Ｊ］． 矿冶工程， ２０２０，４０（３）２７－２９． ３３第 ３ 期易红卫等 基于有限元分析的矿山边坡自动数值建模与分析研究