工程科学学报，第38卷，第5期：595601,2016年5月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,No.5:595-601,May 2016 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2016.05.001:http://journals.ustb.edu.cn 泵送剂对膏体抗压强度的影响试验研究及机理分析 李公成2》，王洪江12》，吴爱祥2》，杨鹏》 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 2)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教有部重点实验室，北京100083 3)中色非洲矿业有限公司，基特韦22592，赞比亚 ☒通信作者，E-mail:wanghj1988@126.com 摘要泵送剂能有效改善膏体料浆流动性能，然而其对膏体料浆凝结性能的影响机理尚未明确。针对这一问题，本文进行 泵送剂的抗压强度试验和环境扫描电镜观察.强度试验结果表明：泵送剂可有效改善膏体料浆凝结性能，泵送剂掺量越高不 同龄期的膏体凝结性越好.环境扫描电镜观察结果表明：泵送剂添加后，大尺寸絮团减少，料浆内孔隙减少，改变了膏体微观 结构.基于应用计算机图像处理技术和分形理论，计算膏体微观结构计盒维数，量化分析膏体微观结构.最终对泵送剂改善 膏体凝结性能的机理进行分析，认为泵送剂通过改变絮团大小和数量、孔隙率、水化反应等方面影响膏体凝结性能. 关键词膏体：药剂：凝结性；微观结构：分形维数 分类号TD853 Experimental study and mechanism analysis on the effect of pumping agents on the compressive strength of paste slurries LI Gong-cheng,WANG Hongjiang,WU Ai-xiang,YANG Peng 1)School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Key Laboratory of the Ministryof Education for High Efficient Mining and Safety of Metal Mines,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)Africa Mining Public Limited Company,China Nonferrous Metals Co.,Lid.,Kitwe 22592,Zambia Corresponding author,E-mail:wanghj1988@126.com ABSTRACT Pumping agents can improve the fluidity of paste slurries.However,the effecting mechanism of pumping agents on the coagulability of paste slurries is not made clear.To solve this problem,a pumping agent was added for compression strength tests and environmental scanning electron microscopy (ESEM)observations.Compression strength test results indicate that the pumping agent can improve the coagulability of paste slurries,and the more the pumping agent amount,the better the coagulability of paste slurries. ESEM observation results show that large size floccules and pores decrease after adding the pumping agent,and the paste's micro- structure is changed.The fractal dimensions of the paste's microstructure images were calculated based on the image processing tech- nology and fractal theory,and the structure was quantitatively analyzed.The mechanism of improving the coagulability of paste slurries was discussed.It is found that the coagulability of paste slurries is affected by changing the size and number of flocculants,the porosi- ty and the hydration reaction. KEY WORDS pastes;agents:coagulability:microstructure;fractal dimension 收稿日期：2015-10-26 基金项目：国家自然科学基金项目资助项目(51374034)：国家“十二五”科技支撑计划资助项目(2012BAB08B02):国家自然科学基金资助项 目(51304011)
工程科学学报，第 38 卷，第 5 期: 595--601，2016 年 5 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，No． 5: 595--601，May 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． 05． 001; http: / /journals． ustb． edu． cn 泵送剂对膏体抗压强度的影响试验研究及机理分析 李公成1，2) ，王洪江1，2) ，吴爱祥1，2) ，杨 鹏3) 1) 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083 2) 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083 3) 中色非洲矿业有限公司，基特韦 22592，赞比亚 通信作者，E-mail: wanghj1988@ 126． com 摘 要 泵送剂能有效改善膏体料浆流动性能，然而其对膏体料浆凝结性能的影响机理尚未明确． 针对这一问题，本文进行 泵送剂的抗压强度试验和环境扫描电镜观察． 强度试验结果表明: 泵送剂可有效改善膏体料浆凝结性能，泵送剂掺量越高不 同龄期的膏体凝结性越好． 环境扫描电镜观察结果表明: 泵送剂添加后，大尺寸絮团减少，料浆内孔隙减少，改变了膏体微观 结构． 基于应用计算机图像处理技术和分形理论，计算膏体微观结构计盒维数，量化分析膏体微观结构． 最终对泵送剂改善 膏体凝结性能的机理进行分析，认为泵送剂通过改变絮团大小和数量、孔隙率、水化反应等方面影响膏体凝结性能． 关键词 膏体; 药剂; 凝结性; 微观结构; 分形维数 分类号 TD853 收稿日期: 2015--10--26 基金项目: 国家自然科学基金项目资助项目( 51374034) ; 国家“十二五”科技支撑计划资助项目( 2012BAB08B02) ; 国家自然科学基金资助项 目( 51304011) Experimental study and mechanism analysis on the effect of pumping agents on the compressive strength of paste slurries LI Gong-cheng1，2) ，WANG Hong-jiang1，2) ，WU Ai-xiang1，2) ，YANG Peng3) 1) School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Key Laboratory of the Ministryof Education for High Efficient Mining and Safety of Metal Mines，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 3) Africa Mining Public Limited Company，China Nonferrous Metals Co． ，Ltd． ，Kitwe 22592，Zambia Corresponding author，E-mail: wanghj1988@ 126． com ABSTＲACT Pumping agents can improve the fluidity of paste slurries． However，the effecting mechanism of pumping agents on the coagulability of paste slurries is not made clear． To solve this problem，a pumping agent was added for compression strength tests and environmental scanning electron microscopy ( ESEM) observations． Compression strength test results indicate that the pumping agent can improve the coagulability of paste slurries，and the more the pumping agent amount，the better the coagulability of paste slurries． ESEM observation results show that large size floccules and pores decrease after adding the pumping agent，and the paste’s microstructure is changed． The fractal dimensions of the paste’s microstructure images were calculated based on the image processing technology and fractal theory，and the structure was quantitatively analyzed． The mechanism of improving the coagulability of paste slurries was discussed． It is found that the coagulability of paste slurries is affected by changing the size and number of flocculants，the porosity and the hydration reaction． KEY WOＲDS pastes; agents; coagulability; microstructure; fractal dimension
·596· 工程科学学报，第38卷，第5期 膏体充填是一种全新的矿山开采模式，因其料浆 使用全尾砂、采场不脱水、凝结时间短、充填强度高等 100 优势，受到国内外众多矿山青睐-网.然而部分矿山全 80H 尾砂粒级组成细，含泥量高，膏体屈服应力和黏度均较 大，造成管道输送困难等问题.针对此，一些科研人员 60 提出泵送剂可改善膏体流变性能，并分析其影响机理 Ereikdi等研究多种泵送剂对膏体流变性能的影响， 提出泵送剂的添加既可保证膏体的良好流动性也可大 21 幅度提高浆体浓度；刘斯忠等通过流变实验得到泵 送剂可有效改善膏体流变特性，并将泵送剂推广到某 0- 10 膏体充填矿山.杨鹏等可通过电镜扫描观察，揭示了 粒径mm 膏体料浆流变特性随泵送剂掺量的变化规律，得到泵 图1戈壁集料粒级组成曲线 送剂有效改善膏体料浆的流变性能的本质在于泵送剂 Fig.1 Grain size curve of Gobi aggregates 优化了浆体微观结构. 综上可知，泵送剂对膏体充填料浆的性能有着重 100 要影响.强度是评价膏体充填料浆的最关键指标，泵 80 送剂对膏体料浆的强度也必然有着重要影响，时至今 日泵送剂对膏体料浆强度的研究主要集中在定性分析 60 方面四，并没有深入探讨其影响机理.鉴于此，本文以 新疆某高含泥膏体充填矿山为例，基于室内试验和分 40 形理论，分析泵送剂对膏体抗压强度的影响规律，并探 20 讨其影响机理. 10 101 1试验 10 10 粒径m 1.1试验材料及设备 图2全尾砂粒级组成曲线 (1)胶凝材料：普通硅酸盐水泥，强度等级 Fig.2 Grain size curves of the paste materials 32.5R. (2)粉状泵送剂：采用萘系泵送剂，由减水剂、缓 2 分析与讨论 凝组分、保塑组分、引气组分等复合而成. 2.1泵送剂在不同固相质量分数比的膏体充填料浆 (3)戈壁集料：取自新疆戈壁沙滩，体积质量 中的表现 2.690tm3,松散密度1.75tm3,密实密度1.97t· 泵送剂因包含减水剂，能有效改善膏体充填料浆 m3,孔隙率34.90%. 中水分子的分布，影响水泥的水化反应，因此不同固相 (4)全尾砂：体积质量2.6621·m3,松散密度 质量分数的膏体料浆中水含量不同，泵送剂的减水效 1.19tm3,密实密度1.60tm3,孔隙率39.74%. 果也有所差别.在相同泵送剂掺量和龄期的条件下， (5)数显式(YES-300B)压力机：最大试验力300 绘制不同固相质量分数的充填料浆强度增长率，如图 kN. 3所示.此处强度增长率指除泵送剂掺量不同、其他条 戈壁集料和全尾砂粒级组成分别采用人工筛分和 件相同的情况下，掺泵送剂的试样强度较之不掺泵送 激光粒度仪(LMS-30)获得，粒级组成曲线见图1和 剂的试样强度增加的比率。 图2. 以7d、14d和28d分别代表充填料浆早期、中期 1.2试验方法与结果 和后期强度.由图3知，随泵送剂掺量的增加，不同固 立方体抗压强度试验参照《普通混凝土力学性能 相质量分数下试样强度增长率均呈增加趋势.养护前 试验方法标准》(GB/T50081一2002)进行.试验中主 期时，固相质量分数越高的试样强度增长率越大：养护 要考虑膏体充填料浆中固相质量分数、尾砂集料质量 中期时，77%固相质量分数的试样强度增长率最大， 比、砂灰质量比和泵送剂掺量四个因素，以7d、14d和 76%和78%固相质量分数的试样强度增长率随泵送 28d不同龄期的充填体试块抗压强度作为衡量膏体凝 剂掺量的增加交替上升；养护后期时，77%固相质量分 结性能指标.试验方案即结果如表1. 数的试样强度增长率受泵送剂掺量影响最大，78%固
工程科学学报，第 38 卷，第 5 期 膏体充填是一种全新的矿山开采模式，因其料浆 使用全尾砂、采场不脱水、凝结时间短、充填强度高等 优势，受到国内外众多矿山青睐［1--2］． 然而部分矿山全 尾砂粒级组成细，含泥量高，膏体屈服应力和黏度均较 大，造成管道输送困难等问题． 针对此，一些科研人员 提出泵送剂可改善膏体流变性能，并分析其影响机理． Ercikdi 等［3］研究多种泵送剂对膏体流变性能的影响， 提出泵送剂的添加既可保证膏体的良好流动性也可大 幅度提高浆体浓度; 刘斯忠等［4］通过流变实验得到泵 送剂可有效改善膏体流变特性，并将泵送剂推广到某 膏体充填矿山． 杨鹏等［5］通过电镜扫描观察，揭示了 膏体料浆流变特性随泵送剂掺量的变化规律，得到泵 送剂有效改善膏体料浆的流变性能的本质在于泵送剂 优化了浆体微观结构． 综上可知，泵送剂对膏体充填料浆的性能有着重 要影响． 强度是评价膏体充填料浆的最关键指标，泵 送剂对膏体料浆的强度也必然有着重要影响，时至今 日泵送剂对膏体料浆强度的研究主要集中在定性分析 方面［3］，并没有深入探讨其影响机理． 鉴于此，本文以 新疆某高含泥膏体充填矿山为例，基于室内试验和分 形理论，分析泵送剂对膏体抗压强度的影响规律，并探 讨其影响机理． 1 试验 1. 1 试验材料及设备 ( 1 ) 胶 凝 材 料: 普 通 硅 酸 盐 水 泥，强 度 等 级 32. 5Ｒ． ( 2) 粉状泵送剂: 采用萘系泵送剂，由减水剂、缓 凝组分、保塑组分、引气组分等复合而成． ( 3) 戈 壁 集 料: 取 自 新 疆 戈 壁 沙 滩，体 积 质 量 2. 690 t·m － 3，松散密度 1. 75 t·m － 3，密实密度 1. 97 t· m － 3，孔隙率 34. 90% ． ( 4) 全 尾 砂: 体 积 质 量 2. 662 t·m － 3，松散 密 度 1. 19 t·m － 3，密实密度 1. 60 t·m － 3，孔隙率 39. 74% ． ( 5) 数显式( YES--300B) 压力机: 最大试验力 300 kN． 戈壁集料和全尾砂粒级组成分别采用人工筛分和 激光粒度仪( LMS--30) 获得，粒级组成曲线见图 1 和 图 2． 1. 2 试验方法与结果 立方体抗压强度试验参照《普通混凝土力学性能 试验方法标准》( GB / T50081—2002) 进行． 试验中主 要考虑膏体充填料浆中固相质量分数、尾砂集料质量 比、砂灰质量比和泵送剂掺量四个因素，以 7 d、14 d 和 28 d 不同龄期的充填体试块抗压强度作为衡量膏体凝 结性能指标． 试验方案即结果如表 1． 图 1 戈壁集料粒级组成曲线 Fig． 1 Grain size curve of Gobi aggregates 图 2 全尾砂粒级组成曲线 Fig． 2 Grain size curves of the paste materials 2 分析与讨论 2. 1 泵送剂在不同固相质量分数比的膏体充填料浆 中的表现 泵送剂因包含减水剂，能有效改善膏体充填料浆 中水分子的分布，影响水泥的水化反应，因此不同固相 质量分数的膏体料浆中水含量不同，泵送剂的减水效 果也有所差别． 在相同泵送剂掺量和龄期的条件下， 绘制不同固相质量分数的充填料浆强度增长率，如图 3 所示． 此处强度增长率指除泵送剂掺量不同、其他条 件相同的情况下，掺泵送剂的试样强度较之不掺泵送 剂的试样强度增加的比率． 以 7 d、14 d 和 28 d 分别代表充填料浆早期、中期 和后期强度． 由图 3 知，随泵送剂掺量的增加，不同固 相质量分数下试样强度增长率均呈增加趋势． 养护前 期时，固相质量分数越高的试样强度增长率越大; 养护 中期时，77% 固相质量分数的试样强度增长率最大， 76% 和 78% 固相质量分数的试样强度增长率随泵送 剂掺量的增加交替上升; 养护后期时，77% 固相质量分 数的试样强度增长率受泵送剂掺量影响最大，78% 固 · 695 ·
李公成等：泵送剂对膏体抗压强度的影响试验研究及机理分析 ·597· 表1泵送剂影响膏体强度的方案及结果 Table 1 Scheme and results of the pumping agent influencing on the paste strength 膏体中固相 尾砂集料 砂灰质 泵送剂 7d强 14d强 28d强 试验编号 质量分数/% 质量比 量比 掺量1% 度/MPa 度IMPa 度/MPa 0 0.671 0.922 1.192 1.00 0.718 0.962 1.350 76 4 1.75 0.830 1.113 1.476 2.50 0.862 1.162 1.604 0 0.730 1.029 1.177 6 1.00 0.830 1.102 1.474 77 > 9 1.75 0.910 1.329 1.631 8 2.50 1.070 1.599 1.862 9 0 0.911 1.489 1.697 10 1.00 1.145 1.573 1.920 年 1.75 1.254 1.720 2.280 12 2.50 1.370 2.292 2.536 注：表中泵送剂掺量为泵送剂与胶凝材料的质量比 60r b 50 充填料浆中固相质量分数 充填料浆中固相质量分数 量一76% 量-76% 。77% 50 。一77% 。78% +-78% 鹭40- 30 30 20 ±20 10L 10 ■ 0.81.01.2141.61.82.02.22.42.6 881012141.61820222426 泵送剂添加量/% 泵送剂添加量% 60 充填料浆中固相质量分数 。一76% 。一77% 504 ▲78% 40 30L 20 19.81012141.61.82022242.6 泵送剂添加量/% 图3强度增长率随泵送剂掺量的变化.(a)7d:(b)14d:(c)28d Fig.3 Change of strength growth rate with pumping agent amount:(a)7d:(b)14d:(c)28d 相质量分数的次之，76%固相质量分数的最小. 量分数78%、不同龄期的数据进行分析，如图4. 2.2泵送剂对膏体强度的影响分析 从图4中可以知：早期强度随着泵送剂掺量的增 由表1不难看出，泵送剂对不同固相质量分数、不 加呈直线增长，泵送剂掺量2.5%时较未添加泵送剂 同龄期的膏体强度都有一定的促进作用.现将固相质 时增长50.38%；中期强度随着泵送剂掺量的增加呈
李公成等: 泵送剂对膏体抗压强度的影响试验研究及机理分析 表 1 泵送剂影响膏体强度的方案及结果 Table 1 Scheme and results of the pumping agent influencing on the paste strength 试验编号 膏体中固相 质量分数/% 尾砂集料 质量比 砂灰质 量比 泵送剂 掺量/% 7 d 强 度/MPa 14 d 强 度/MPa 28 d 强 度/MPa 1 0 0. 671 0. 922 1. 192 2 76 4 9 1. 00 0. 718 0. 962 1. 350 3 1. 75 0. 830 1. 113 1. 476 4 2. 50 0. 862 1. 162 1. 604 5 0 0. 730 1. 029 1. 177 6 77 4 9 1. 00 0. 830 1. 102 1. 474 7 1. 75 0. 910 1. 329 1. 631 8 2. 50 1. 070 1. 599 1. 862 9 0 0. 911 1. 489 1. 697 10 78 4 9 1. 00 1. 145 1. 573 1. 920 11 1. 75 1. 254 1. 720 2. 280 12 2. 50 1. 370 2. 292 2. 536 注: 表中泵送剂掺量为泵送剂与胶凝材料的质量比． 图 3 强度增长率随泵送剂掺量的变化． ( a) 7 d; ( b) 14 d; ( c) 28 d Fig． 3 Change of strength growth rate with pumping agent amount: ( a) 7 d; ( b) 14 d; ( c) 28 d 相质量分数的次之，76% 固相质量分数的最小． 2. 2 泵送剂对膏体强度的影响分析 由表 1 不难看出，泵送剂对不同固相质量分数、不 同龄期的膏体强度都有一定的促进作用． 现将固相质 量分数 78% 、不同龄期的数据进行分析，如图 4． 从图 4 中可以知: 早期强度随着泵送剂掺量的增 加呈直线增长，泵送剂掺量 2. 5% 时较未添加泵送剂 时增长 50. 38% ; 中期强度随着泵送剂掺量的增加呈 · 795 ·
·598 工程科学学报，第38卷，第5期 2.4 方程 y=a+bx (a) (b) 1.4 方程 数值标准差 城差平方和 D 2.2 收正侠定数 L985 1.3 00.9310.015 7d强度 数值 b0.1810.025 1461 1.2 2.0 14d强度 0,76 11 1.8 0.73663 1.0 1.6 0.9 1.4 0.5 1.01.5 2.0 25 0.5 1.015 2.0 2.5 泵送剂添加量/% 泵送剂添加量/% 2.6 方程 +rlo 残差平方和 0 2.4 校正决定系数0.9293 数值 197 156 2.2 28d强度 149 3 2.0 1.8 1.6 0 0.5 1.0152.025 泉送剂添加量/% 图4泵送剂掺量对不同龄期强度的影响曲线（膏体中固相质量分数为78%），(a)7d:(b)14d:(c)28d Fig.4 Curves of the effect of pumping agent amount on the paste strength at different ages (the mass fraction of solid phases in pastes is78%)(a) 7d:(b)14d:(c)28d 指数增长，泵送剂掺量小于1.75%时增长缓慢，大于 大，对早期、后期的影响相当.根据该矿山实际生产要 1.75%时增长迅速，泵送剂掺量2.5%时较未添加泵 求，控制砂灰质量比为9，尾砂与戈壁集料质量比为4， 送剂时增长71.90%：后期强度增长率随着泵送剂掺 强度要求为2MPa.如需中期强度，参数应如下：膏体 量增加的呈先增后降，泵送剂掺量2.5%时较未添加 中固相质量分数78%，泵送剂掺量2.5%.如需后期 泵送剂时增长49.44%.将泵送剂掺量2.5%较于未 强度，参数应如下：膏体中固相质量分数78%，泵送剂 添加泵送剂时的不同膏体强度增长率随养护时间变化 掺量2%. 绘制成图5 3基于电镜扫描观察的机理分析 由此可见，泵送剂对充填料浆养护中期的影响最 3.1膏体微观结构定性分析 75 由以上试验可知，泵送剂能有效改善膏体充填料 10 浆不同龄期的强度，为探讨泵送剂对膏体料浆微观结 构的影响，本文利用Quanta200型环境扫描电子显微 65 镜(ESEM),观察膏体料浆中尾砂和水泥颗粒形成絮 团的微观形貌，对比不同泵送剂掺量的膏体料浆结构 60 差异.图6为不同泵送剂掺量下的环境扫描电镜照 55 片.絮网结构由许多大小不等的絮团和部分颗粒相互 搭接而成.未添加泵送剂之前，膏体浆体中絮团尺寸 50 较大，如蜂窝结构，表明水泥颗粒与尾砂颗粒分布较为 10 1520 25 集中，水泥未完全发生水化反应：泵送剂掺量1%时， 养护时间A 膏体浆体中絮团的尺寸有所降低，蜂窝结构减少，尾 图5不同龄期的强度增长率（膏体中固相质量分数78%） 砂颗粒和水泥颗粒粒径的分布趋于有序，一部分水 Fig.5 Strength growth rate curve at different ages the mass fraction 泥释放出来进行水化反应，其孔隙率大大降低：泵送 of solid phases in pastes is 78%)
工程科学学报，第 38 卷，第 5 期 图 4 泵送剂掺量对不同龄期强度的影响曲线( 膏体中固相质量分数为 78% ) . ( a) 7 d; ( b) 14 d; ( c) 28 d Fig． 4 Curves of the effect of pumping agent amount on the paste strength at different ages ( the mass fraction of solid phases in pastes is 78% ) : ( a) 7 d; ( b) 14 d; ( c) 28 d 指数增长，泵送剂掺量小于 1. 75% 时增长缓慢，大于 1. 75% 时增长迅速，泵送剂掺量 2. 5% 时较未添加泵 送剂时增长 71. 90% ; 后期强度增长率随着泵送剂掺 量增加的呈先增后降，泵送剂掺量 2. 5% 时较未添加 泵送剂时增长 49. 44% ． 将泵送剂掺量 2. 5% 较于未 添加泵送剂时的不同膏体强度增长率随养护时间变化 绘制成图 5． 图 5 不同龄期的强度增长率( 膏体中固相质量分数 78% ) Fig． 5 Strength growth rate curve at different ages ( the mass fraction of solid phases in pastes is 78% ) 由此可见，泵送剂对充填料浆养护中期的影响最 大，对早期、后期的影响相当． 根据该矿山实际生产要 求，控制砂灰质量比为 9，尾砂与戈壁集料质量比为 4， 强度要求为 2 MPa． 如需中期强度，参数应如下: 膏体 中固相质量分数 78% ，泵送剂掺量 2. 5% ． 如需后期 强度，参数应如下: 膏体中固相质量分数 78% ，泵送剂 掺量 2% ． 3 基于电镜扫描观察的机理分析 3. 1 膏体微观结构定性分析 由以上试验可知，泵送剂能有效改善膏体充填料 浆不同龄期的强度，为探讨泵送剂对膏体料浆微观结 构的影响，本文利用 Quanta 200 型环境扫描电子显微 镜( ESEM) ，观察膏体料浆中尾砂和水泥颗粒形成絮 团的微观形貌，对比不同泵送剂掺量的膏体料浆结构 差异． 图 6 为不同泵送剂掺量下的环境扫描电镜照 片． 絮网结构由许多大小不等的絮团和部分颗粒相互 搭接而成． 未添加泵送剂之前，膏体浆体中絮团尺寸 较大，如蜂窝结构，表明水泥颗粒与尾砂颗粒分布较为 集中，水泥未完全发生水化反应; 泵送剂掺量 1% 时， 膏体浆体中絮团的尺寸有所降低，蜂窝结构减少，尾 砂颗粒和水泥颗粒粒径的分布趋于有序，一部分水 泥释放出来进行水化反应，其孔隙率大大降低; 泵送 · 895 ·
李公成等：泵送剂对膏体抗压强度的影响试验研究及机理分析 ·599* 剂量增加到1.75%，膏体中颗粒絮团的尺寸进一步 经没有大的絮团结构，单独的尾砂颗粒、水泥颗粒及 减少，但絮团数量增多，形成的结构孔隙率也随之减 水泥水化产物颗粒较多，各颗粒分布更为均匀，孔隙 小：随着泵送剂掺量的增加至2.5%，浆体中基本已 率进一步减小 图6不同泵送剂掺量下膏体料浆的电镜扫描图像.(a)0:(b)1%:(c)1.75%：(d)2.5% Fig.6 SEM images of paste slurries at different pumping agent amounts:(a)0:(b)1%:(c)1.75%(d)2.5% 3.2膏体微观结构的量化分析 析显得尤为重要.采用Image J软件对扫描照片进行 以上对不同泵送剂的膏体微观结构进行了定性分 二值化处理，得到二值图像，结果如图7.白色像素点 析.为进一步认识泵送剂对强度的影响机理，量化分 代表孔隙，黑色像素点代表絮团. b). 图7不同泵送剂掺量下膏体的电镜扫描二值化图像.(a)0:(b)1%:(c)1.75%:(d)2.5% Fig.7 Binary SEM images of pastes at different pumping agent amounts:(a)0:(b)1%:(c)1.75%(d)2.5% 分形几何学理论能够深刻量化和分析杂乱无章、 不规则和随机的自然现象因，近年来众多学者将分形 理论用来研究不同材料的结构-.絮团和网状结构 D=1.8946 8 在形态上存在一定的相似性，具有明显的分形特征，说 明利用分形理论来对膏体料浆结构进行定量分析是相 对可行的.计算分形维数的定义有多种四，考虑到 6 程序化计算，本文采用较为简易的计盒维数法.计盒 维数反映的是分形体对空间的占据程度团，设F∈R 为任意非空有界子集，N(F)表示覆盖F集的最小数 目，该集的最大直径为6，则F的上、下分形盒维数分 1.0 152.0253035 4.0 别定义为 计盒尺寸的对数 图8泵送剂掺量2.5%的分形维数计算结果 Dimg(F)=limsup Ig N (F) -1g' (1) Fig.8 Calculated results of fractal box dimension at a pumping agent Dim (F)=liminf N(P) amount of 2.5% (2) -lg8 依据此方法，得到不同泵送剂掺量的絮团计盒维 当式(1)与式(2)相等时，即将这个值作为F的分 数D如下：掺量0时，D=1.8493:掺量1%时，D= 形盒维数.在本文中，絮凝结构越多，孔隙越少，计盒 1.8626:掺量1.75%时，D=1.8714:掺量2%时，D= 维数越大：反之，计盒维数越小.对二值化预处理后的 1.8946.计盒维数随泵送剂掺量的演化规律可由线性 图像进行分析，以泵送剂掺量2.5%的试验为例，得到 拟合得到，如图9 计盒维数，如图8 计盒维数D随泵送剂掺量A的拟合结果为
李公成等: 泵送剂对膏体抗压强度的影响试验研究及机理分析 剂量增加到 1. 75% ，膏体中颗粒絮团的尺寸进一步 减少，但絮团数量增多，形成的结构孔隙率也随之减 小; 随着泵送剂掺量的增加至 2. 5% ，浆体中基本已 经没有大的絮团结构，单独的尾砂颗粒、水泥颗粒及 水泥水化产物颗粒较多，各颗粒分布更为均匀，孔隙 率进一步减小． 图 6 不同泵送剂掺量下膏体料浆的电镜扫描图像 . ( a) 0; ( b) 1% ; ( c) 1. 75% ; ( d) 2. 5% Fig． 6 SEM images of paste slurries at different pumping agent amounts: ( a) 0; ( b) 1% ; ( c) 1. 75% ; ( d) 2. 5% 3. 2 膏体微观结构的量化分析 以上对不同泵送剂的膏体微观结构进行了定性分 析． 为进一步认识泵送剂对强度的影响机理，量化分 析显得尤为重要． 采用 Image J 软件对扫描照片进行 二值化处理，得到二值图像，结果如图 7． 白色像素点 代表孔隙，黑色像素点代表絮团． 图 7 不同泵送剂掺量下膏体的电镜扫描二值化图像 . ( a) 0; ( b) 1% ; ( c) 1. 75% ; ( d) 2. 5% Fig． 7 Binary SEM images of pastes at different pumping agent amounts: ( a) 0; ( b) 1% ; ( c) 1. 75% ; ( d) 2. 5% 分形几何学理论能够深刻量化和分析杂乱无章、 不规则和随机的自然现象［6］，近年来众多学者将分形 理论用来研究不同材料的结构［7--10］． 絮团和网状结构 在形态上存在一定的相似性，具有明显的分形特征，说 明利用分形理论来对膏体料浆结构进行定量分析是相 对可行的［11］． 计算分形维数的定义有多种［12］，考虑到 程序化计算，本文采用较为简易的计盒维数法． 计盒 维数反映的是分形体对空间的占据程度［13］，设 F∈Ｒn 为任意非空有界子集，Nδ ( F) 表示覆盖 F 集的最小数 目，该集的最大直径为 δ，则 F 的上、下分形盒维数分 别定义为 DimB ( F) = limδ→∞ sup lg Nδ ( F) － lg δ ， ( 1) DimB ( F) = limδ→∞ inf lg Nδ ( F) － lg δ ． ( 2) 当式( 1) 与式( 2) 相等时，即将这个值作为 F 的分 形盒维数． 在本文中，絮凝结构越多，孔隙越少，计盒 维数越大; 反之，计盒维数越小． 对二值化预处理后的 图像进行分析，以泵送剂掺量 2. 5% 的试验为例，得到 计盒维数，如图 8． 图 8 泵送剂掺量 2. 5% 的分形维数计算结果 Fig． 8 Calculated results of fractal box dimension at a pumping agent amount of 2. 5% 依据此方法，得到不同泵送剂掺量的絮团计盒维 数 D 如 下: 掺 量 0 时，D = 1. 8493; 掺 量 1% 时，D = 1. 8626; 掺量 1. 75% 时，D = 1. 8714; 掺量 2% 时，D = 1. 8946． 计盒维数随泵送剂掺量的演化规律可由线性 拟合得到，如图 9． 计盒维数 D 随泵送剂掺量 A 的拟合结果为 · 995 ·
·600* 工程科学学报，第38卷，第5期 1.90 生较大变化，随着泵送剂掺量的增加，分形盒维数逐渐 ·计算值 增加，表明尺寸较大絮团逐渐转化众多尺寸小而多的 一拟合曲线 189 絮团，絮团数量的增加，逐渐封堵孔隙，促使孔隙逐渐 减少. 1,88 3.3泵送剂改善膏体凝结性的机理分析 ◆ 泵送剂中含有的减水剂为阴离子型表面活性剂， 其含有的疏水基团定向吸附在水泥及尾砂颗粒表面， 1.86 使细颗粒表面带有相同的电荷，产生排斥，促使尺寸较 1.85 大的絮团结构解体为尺寸较小的絮团，孔隙逐渐减少， ■ 0.5 1.015 2.0 25 膏体结构逐渐致密.此过程增加了水泥颗粒群的比表 泵送剂添加量% 面积，部分被絮团包裹的水分释放，水泥进一步发生水 图9计盒维数随泵送剂掺量的演化规律 化反应增加膏体强度.随着泵送剂掺量的增加，尺寸 Fig.9 Fractal box dimension change law with pumping agent amount 较小的絮团逐渐发生解体，水泥、尾砂单个细颗粒和水被 D=1.84673+0.01733A. (3) 释放出来，水化反应更加完全，孔隙进一步减少，膏体结构 结果表明，泵送剂添加后，膏体料浆的微观形貌发 越来越致密，强度愈来愈大.其作用过程如图10. 水泥等细颗粒 大量絮凝水 少量絮凝水 少量泵送剂 大量泵送剂 分解大絮团 分解小絮团、 释放絮凝水 继续释放絮凝水 大尺寸絮团 众多小尺寸絮团、部分细颗粒 小尺寸絮团 众多细颗粒 (a (6b) 图10泵送剂的作用机理示意图.(a)大尺寸絮团分解过程：(b)小尺寸絮团分解过程 Fig.10 Schematic illustration for the mechanism of action of pumping agents:(a)decomposition of bigsize flocs:(b)decomposition of small-size flocs 参考文献 4 结论 Li H,Wang H J,Wu A X,et al.Pressure rake analysis of deep (1)泵送剂能有效改善膏体料浆不同龄期的强 cone thickeners based on tailings'settlement and rheological char- 度，泵送剂掺量越大，膏体料浆凝结性能越好，以膏体 acteristics.J Univ Sci Technol Beijing,2013,35(12):1553 (李辉，王洪江，吴爱祥，等.基于尾砂沉降与流变特性的深 中固相质量分数78%的试样为例，泵送剂掺量2.5% 锥浓密机压耙分析.北京科技大学学报，2013,35(12) 较之泵送剂掺量0时的前期、中期和后期的强度增长 1553) 率分别为50.38%、71.90%和49.44%. [2] Li GC,Wang HJ,Wu A X,et al.Gravity transport law of paste (2)根据该矿山实际生产要求，控制砂灰质量比 based on inclined pipe experiment.Chin Nonferrous Met,2014, 为9，尾砂与戈壁集料质量比为4，强度要求为2MPa. 24(12):3162 如需中期强度，参数应如下：膏体中固相质量分数 (李公成，王洪江，吴爱样，等。基于倾斜管实验的膏体自流 输送规律.中国有色金属学报，2014,24(12)：3162) 78%,泵送剂掺量2.5%.如需后期强度，参数应如下： B] Ercikdi B,Cihangir F,Kesimal A,et al.Utilization of water-re- 膏体中固相质量分数78%，泵送剂2%. ducing admixtures in cemented paste backfill of sulphide-tich mill (3)通过微观结构量化分析得到，泵送剂掺量越 tailings.J Hazardous Mater,2010,179(13):940 高，计盒维数越大，泵送剂掺量0~2.5%时，计盒维数 [4] Liu S Z,Wang H J,Wu A X,et al.Study on the rheological 介于1.8493~1.8946之间. properties of the unclassified-tailings paste mixed with pumping a- (4)泵送剂改善膏体料浆凝结性能的机理在于： gent.JWuhan Unir Technol Transp Sci Eng,2014,38(4):919 (刘斯忠，王洪江，吴爱祥，等.掺入泵送剂全尾砂膏体流变 泵送剂的分散作用，使料浆尺寸较大的絮团逐渐分解， 特性研究.武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2014， 形成众多尺寸较小的絮团，减少了料浆孔隙，是料浆结 38(4):919) 构逐渐致密：同时絮团中释放出的水与水泥颗粒进一 [5]Yang P,Wu A X,Wang H J,et al.Microstructure model of paste 步发生水化反应. slurry theological properties with pumping admixture.Nonferrous
工程科学学报，第 38 卷，第 5 期 图 9 计盒维数随泵送剂掺量的演化规律 Fig． 9 Fractal box dimension change law with pumping agent amount D = 1. 84673 + 0. 01733A． ( 3) 结果表明，泵送剂添加后，膏体料浆的微观形貌发 生较大变化，随着泵送剂掺量的增加，分形盒维数逐渐 增加，表明尺寸较大絮团逐渐转化众多尺寸小而多的 絮团，絮团数量的增加，逐渐封堵孔隙，促使孔隙逐渐 减少． 3. 3 泵送剂改善膏体凝结性的机理分析 泵送剂中含有的减水剂为阴离子型表面活性剂， 其含有的疏水基团定向吸附在水泥及尾砂颗粒表面， 使细颗粒表面带有相同的电荷，产生排斥，促使尺寸较 大的絮团结构解体为尺寸较小的絮团，孔隙逐渐减少， 膏体结构逐渐致密． 此过程增加了水泥颗粒群的比表 面积，部分被絮团包裹的水分释放，水泥进一步发生水 化反应增加膏体强度． 随着泵送剂掺量的增加，尺寸 较小的絮团逐渐发生解体，水泥、尾砂单个细颗粒和水被 释放出来，水化反应更加完全，孔隙进一步减少，膏体结构 越来越致密，强度愈来愈大． 其作用过程如图10． 图 10 泵送剂的作用机理示意图． ( a) 大尺寸絮团分解过程; ( b) 小尺寸絮团分解过程 Fig． 10 Schematic illustration for the mechanism of action of pumping agents: ( a) decomposition of big-size flocs; ( b) decomposition of small-size flocs 4 结论 ( 1) 泵送剂能有效改善膏体料浆不同龄期的强 度，泵送剂掺量越大，膏体料浆凝结性能越好，以膏体 中固相质量分数 78% 的试样为例，泵送剂掺量 2. 5% 较之泵送剂掺量 0 时的前期、中期和后期的强度增长 率分别为 50. 38% 、71. 90% 和 49. 44% ． ( 2) 根据该矿山实际生产要求，控制砂灰质量比 为 9，尾砂与戈壁集料质量比为 4，强度要求为 2 MPa． 如需中 期 强 度，参 数 应 如 下: 膏体中固相质量分数 78% ，泵送剂掺量 2. 5% ． 如需后期强度，参数应如下: 膏体中固相质量分数 78% ，泵送剂 2% ． ( 3) 通过微观结构量化分析得到，泵送剂掺量越 高，计盒维数越大，泵送剂掺量 0 ～ 2. 5% 时，计盒维数 介于 1. 8493 ～ 1. 8946 之间． ( 4) 泵送剂改善膏体料浆凝结性能的机理在于: 泵送剂的分散作用，使料浆尺寸较大的絮团逐渐分解， 形成众多尺寸较小的絮团，减少了料浆孔隙，是料浆结 构逐渐致密; 同时絮团中释放出的水与水泥颗粒进一 步发生水化反应． 参 考 文 献 ［1］ Li H，Wang H J，Wu A X，et al． Pressure rake analysis of deep cone thickeners based on tailings’settlement and rheological characteristics． J Univ Sci Technol Beijing，2013，35( 12) : 1553 ( 李辉，王洪江，吴爱祥，等． 基于尾砂沉降与流变特性的深 锥浓密机 压 耙 分 析． 北京科技大学学报，2013，35 ( 12 ) : 1553) ［2］ Li G C，Wang H J，Wu A X，et al． Gravity transport law of paste based on inclined pipe experiment． Chin J Nonferrous Met，2014， 24( 12) : 3162 ( 李公成，王洪江，吴爱祥，等． 基于倾斜管实验的膏体自流 输送规律． 中国有色金属学报，2014，24( 12) : 3162) ［3］ Ercikdi B，Cihangir F，Kesimal A，et al． Utilization of water-reducing admixtures in cemented paste backfill of sulphide-rich mill tailings． J Hazardous Mater，2010，179( 1-3) : 940 ［4］ Liu S Z，Wang H J，Wu A X，et al． Study on the rheological properties of the unclassified-tailings paste mixed with pumping agent． J Wuhan Univ Technol Transp Sci Eng，2014，38( 4) : 919 ( 刘斯忠，王洪江，吴爱祥，等． 掺入泵送剂全尾砂膏体流变 特性研究． 武汉理工大学学报( 交通科学与工程版) ，2014， 38( 4) : 919) ［5］ Yang P，Wu A X，Wang H J，et al． Microstructure model of paste slurry rheological properties with pumping admixture． Nonferrous · 006 ·
李公成等：泵送剂对膏体抗压强度的影响试验研究及机理分析 ·601 Met Min Sect,2015,67(1):59 学，2012,33(3)：695) (杨鹏，吴爱祥，王洪江，等.泵送剂对膏体料浆流动性能作 [10]Wu A X,Liu X H,Wang H J,et al.Microstructural evolution 用的微结构模型.有色金属（矿山部分），2015,67(1)：59) characteristics of an unclassified tailing paste in constant shear- [6]Xue Z L,Wu A X,Yin S H,et al.Evolution rules of dual medi- ing.Chin J Eng,2015,37(2):145 um fractal seepage in copper oxide ore heap leaching.Chin J (吴爱祥，刘晓辉，王洪江，等.恒定剪切作用下全尾膏体微 Nonferrous Met,2014,24(9):2373 观结构演化特征.工程科学学报，2015,37(2)：145) (薛振林，吴爱祥，尹升华，等。氧化铜矿堆浸双重介质分形 11]Liu X H.Study on Rheological Beharior and Pipe Flowe Resist- 渗流演化规律.中国有色金属学报，2014,24(9)：2373) ance of Paste Backfill DDissertation].Beijing:University of Sci- Yu L H,Ou H,Duan Q P.Research on pore volume fractal di- ence and Technology Beijing,2015 mension and its relation to pore structure and strength in cement (刘晓辉.膏体流变行为及其管流阻力特性研究[学位论 paste with perlite admixture.J Mater Sci Eng,2007,25 (2)201 文].北京：北京科技大学，2015) (喻乐华，欧辉，段庆普。摻珍珠岩水泥石孔分形维数及其与孔结 012]Chen J A.Definition and measurement method of fractal dimen- 构、强度的关系.材料科学与工程学报，2007,25(2)：201) sion.Electron Technol,1999,13(4):44 [8]Shu Z L,Liu X R,Li B X,et al.Granule fractal properties of (陈建安.分形维数的定义及测定方法.电子科技，1999,13 earth-ock aggregate and relationship between its gravel content (4):44) and strength.J Cent South Unir Sci Technol,2010,41 (3):1096 [13]Tian YQ,Li X,Jiang M X.Fractal properties of the spatial pat- (舒志乐，刘新荣，刘保县，等.土石混合体粒度分形特性及 tern of rare and endangered plant populations in Houhe Nature 其与含石量和强度的关系.中南大学学报（自然科学版）， Reserve in Hebei:box-counting dimension.Chin J Appl Ecol, 2010,41(3):1096) 2003,14(5):681 Wei Z H,Wang M S,Zhang D L.Research on strength of fractal (田玉强，李新，江明喜.后河自然保护区珍稀濒危植物种 structural soil.Rock Soil Mech,2012,33(3):695 群分布格局的分形特征：计盆维数.应用生态学报，2003， (卫振海，王梦恕，张顶立.分形结构士体强度研究.岩土力 14(5):681)
李公成等: 泵送剂对膏体抗压强度的影响试验研究及机理分析 Met Min Sect，2015，67( 1) : 59 ( 杨鹏，吴爱祥，王洪江，等． 泵送剂对膏体料浆流动性能作 用的微结构模型． 有色金属( 矿山部分) ，2015，67( 1) : 59) ［6］ Xue Z L，Wu A X，Yin S H，et al． Evolution rules of dual medium fractal seepage in copper oxide ore heap leaching． Chin J Nonferrous Met，2014，24( 9) : 2373 ( 薛振林，吴爱祥，尹升华，等． 氧化铜矿堆浸双重介质分形 渗流演化规律． 中国有色金属学报，2014，24( 9) : 2373) ［7］ Yu L H，Ou H，Duan Q P． Ｒesearch on pore volume fractal dimension and its relation to pore structure and strength in cement paste with perlite admixture． J Mater Sci Eng，2007，25( 2) : 201 ( 喻乐华，欧辉，段庆普． 掺珍珠岩水泥石孔分形维数及其与孔结 构、强度的关系． 材料科学与工程学报，2007，25( 2) : 201) ［8］ Shu Z L，Liu X Ｒ，Li B X，et al． Granule fractal properties of earth-rock aggregate and relationship between its gravel content and strength． J Cent South Univ Sci Technol，2010，41( 3) : 1096 ( 舒志乐，刘新荣，刘保县，等． 土石混合体粒度分形特性及 其与含石量和强度的关系． 中南大学学报( 自然科学版) ， 2010，41( 3) : 1096) ［9］ Wei Z H，Wang M S，Zhang D L． Ｒesearch on strength of fractal structural soil． Ｒock Soil Mech，2012，33( 3) : 695 ( 卫振海，王梦恕，张顶立． 分形结构土体强度研究． 岩土力 学，2012，33( 3) : 695) ［10］ Wu A X，Liu X H，Wang H J，et al． Microstructural evolution characteristics of an unclassified tailing paste in constant shearing． Chin J Eng，2015，37( 2) : 145 ( 吴爱祥，刘晓辉，王洪江，等． 恒定剪切作用下全尾膏体微 观结构演化特征． 工程科学学报，2015，37( 2) : 145) ［11］ Liu X H． Study on Ｒheological Behavior and Pipe Flow Ｒesistance of Paste Backfill［Dissertation］． Beijing: University of Science and Technology Beijing，2015 ( 刘晓辉． 膏体流变行为及其管流阻力特性研究［学位论 文］． 北京: 北京科技大学，2015) ［12］ Chen J A． Definition and measurement method of fractal dimension． Electron Technol，1999，13( 4) : 44 ( 陈建安． 分形维数的定义及测定方法． 电子科技，1999，13 ( 4) : 44) ［13］ Tian Y Q，Li X，Jiang M X． Fractal properties of the spatial pattern of rare and endangered plant populations in Houhe Nature Ｒeserve in Hebei: box-counting dimension． Chin J Appl Ecol， 2003，14( 5) : 681 ( 田玉强，李新，江明喜． 后河自然保护区珍稀濒危植物种 群分布格局的分形特征: 计盒维数． 应用生态学报，2003， 14( 5) : 681) ·601·
