程海勇等：基于膏体稳定系数的级配表征及屈服应力预测 ·1169· 膏体充填料浆是由全尾砂、胶结剂以及粗骨料 型.同时基于膏体料浆细观尺度特征，实现对屈服 外加剂等和水组成的复杂悬浮体系，与传统低浓度 应力演化机理的精准描述 分级尾矿浆相比，具有粒级分布广、固体含量高、颗 1实验 粒表面化学作用强等特点.在这些因素的交互影响 作用下，膏体呈现出一定的可塑性、稳定性等宏观特 1.1实验材料 性.流变参数[)是膏体料浆在管道输送性能评价中 使用的惰性材料主要有西部某镍矿全尾砂和某 的重要指标，是膏体物料物理特征、级配特征和料浆 铁矿全尾砂.水泥为P.042.5水泥.实验室测定镍 浓度特征、化学特征的力学表现 矿全尾砂密度为2.852tm-3,密实容重为1.545t· 膏体料浆内部存在一定强度的絮网结构，流动 m3,堆积密实度为0.5417.铁矿全尾砂密度为 特性以整体运移的结构流形态呈现。膏体的流变性 2.966tm3,密实容重为1.617tm-3,堆积密实度 质极为复杂，与物料组成、粒径级配、颗粒浓 为0.5417.P.042.5水泥密度为3.03tm-3,密实 度[)、化学特性等因素存在较强的相关性.刘晓辉 容重为1.424tm-3,堆积密实度为0.4699.镍矿全 等[4)构建了固体填充率，描述物料的综合特征，同 尾砂中-200目颗粒质量分数占60.12%，-20μm 时分析了平均粒径、细颗粒含量等对屈服应力的影 颗粒质量分数占21.67%.铁矿全尾砂中-200目 响，得出屈服应力随细颗粒含量呈先减小再增大的 质量分数占91.53%，-20um质量分数占 变化趋势.张修香与乔登攀[]分析了废石-尾砂高 57.91%,属超细全尾砂.水泥中-20m颗粒质量 浓度料浆中水泥添加量和质量分数对屈服应力的影 分数占70.13%，颗粒由小到大累积的体积分数为 响，认为水泥添加量对屈服应力的影响更显著，屈服 负累积体积分数，如图1所示. 应力与水灰比及骨料体积分数存在定量的关系.吴 一一某镍和全尾砂 爱祥等6]、李亮等)和郭亚兵等]分别分析了坍落 100 。一某铁矿全尾砂 度和屈服应力的关系，认为坍落度法所得结果为浆 ▲-P.042.5水泥 80 体的动态屈服应力，增大坍落筒的尺寸可以提高模 型计算结果的准确性.吴爱祥等[]通过倾斜管试验 60 得到了流变特性与沿程阻力的关系.马昆林等] 认为石灰石粉掺量增大或颗粒粒径减小，浆体屈服 10 应力增大，加入石灰石粉提高了浆体由剪切稀化向 20 塑性黏度逐渐稳定时需要的剪切速率.王勇等】 认为，膏体屈服应力随料浆中固相质量分数呈指数 10 100 增长.刘泉声等]研究了温度和水化时间效应下 粒径μm 水泥浆的流变特性，认为水灰比对屈服应力的变化 图1充填物料粒级组成与分布 特征有较大影响.蔡嗣经等[]得到了不同压力增 Fig.1 Grain size distribution (GSD)curves of paste materials 长指数下切应力-切变速率曲线，得出尾砂充填料 采用X射线衍射和化学元素标定法对全尾砂 浆的屈服应力随料浆中固相质量分数的增加而增 和水泥的化学成分进行了分析，从测定结果可以计 大，同一质量分数下胶结尾砂的屈服应力比全尾砂大. 算出，镍矿全尾砂的碱性系数为0.699，属于弱碱性 以往研究针对矿山具体情况做了大量工作，但 物质：镍矿全尾砂的活性系数为0.213，具有一定的 由于研究手段的差异以及材料特性的差异，屈服应 胶结活性，但仍属于惰性材料.铁矿全尾砂碱性系 力的产生及演化机理中众多共性问题仍未得到有效 数为0.277，活性系数为0.054，属于惰性材料.全 解决.本文拟通过对级配特征有效表征和多因素耦 尾砂在膏体制备中作为惰性材料满足充填材料的选 合分析，建立基于材料特性的流变参数预测基础模 择条件.充填材料的化学组成如表1所示. 表1充填材料元素定量分析结果（质量分数） Table 1 Chemical compositions of filling materials % 填充材料 Si02 Al203 Fe203 Ca0 Mgo i Cu 其他 某镍矿全尾 36.41 7.77 9.90 3.09 27.79 1.63 0.28 0.2 12.93 某铁矿全尾 50.63 2.72 25.54 9.39 5.39 1.92 4.40 P.042.5水泥 21.50 4.50 2.00 63.50 4.00 2.50 2.00程海勇等: 基于膏体稳定系数的级配表征及屈服应力预测 膏体充填料浆是由全尾砂、胶结剂以及粗骨料、 外加剂等和水组成的复杂悬浮体系,与传统低浓度 分级尾矿浆相比,具有粒级分布广、固体含量高、颗 粒表面化学作用强等特点. 在这些因素的交互影响 作用下,膏体呈现出一定的可塑性、稳定性等宏观特 性. 流变参数[1]是膏体料浆在管道输送性能评价中 的重要指标,是膏体物料物理特征、级配特征和料浆 浓度特征、化学特征的力学表现. 膏体料浆内部存在一定强度的絮网结构,流动 特性以整体运移的结构流形态呈现. 膏体的流变性 质极 为 复 杂, 与 物 料 组 成、 粒 径 级 配[2] 、 颗 粒 浓 度[3] 、化学特性等因素存在较强的相关性. 刘晓辉 等[4]构建了固体填充率,描述物料的综合特征,同 时分析了平均粒径、细颗粒含量等对屈服应力的影 响,得出屈服应力随细颗粒含量呈先减小再增大的 变化趋势. 张修香与乔登攀[5] 分析了废石鄄鄄 尾砂高 浓度料浆中水泥添加量和质量分数对屈服应力的影 响,认为水泥添加量对屈服应力的影响更显著,屈服 应力与水灰比及骨料体积分数存在定量的关系. 吴 爱祥等[6] 、李亮等[7]和郭亚兵等[8] 分别分析了坍落 度和屈服应力的关系,认为坍落度法所得结果为浆 体的动态屈服应力,增大坍落筒的尺寸可以提高模 型计算结果的准确性. 吴爱祥等[9]通过倾斜管试验 得到了流变特性与沿程阻力的关系. 马昆林等[10] 认为石灰石粉掺量增大或颗粒粒径减小,浆体屈服 应力增大,加入石灰石粉提高了浆体由剪切稀化向 塑性黏度逐渐稳定时需要的剪切速率. 王勇等[11] 认为,膏体屈服应力随料浆中固相质量分数呈指数 增长. 刘泉声等[12] 研究了温度和水化时间效应下 水泥浆的流变特性,认为水灰比对屈服应力的变化 特征有较大影响. 蔡嗣经等[13] 得到了不同压力增 长指数下切应力鄄鄄 切变速率曲线,得出尾砂充填料 浆的屈服应力随料浆中固相质量分数的增加而增 大,同一质量分数下胶结尾砂的屈服应力比全尾砂大. 以往研究针对矿山具体情况做了大量工作,但 由于研究手段的差异以及材料特性的差异,屈服应 力的产生及演化机理中众多共性问题仍未得到有效 解决. 本文拟通过对级配特征有效表征和多因素耦 合分析,建立基于材料特性的流变参数预测基础模 型. 同时基于膏体料浆细观尺度特征,实现对屈服 应力演化机理的精准描述. 1 实验 1郾 1 实验材料 使用的惰性材料主要有西部某镍矿全尾砂和某 铁矿全尾砂. 水泥为 P. O42郾 5 水泥. 实验室测定镍 矿全尾砂密度为 2郾 852 t·m - 3 ,密实容重为 1郾 545 t· m - 3 ,堆积密实度为 0郾 5417. 铁矿全尾砂密度为 2郾 966 t·m - 3 ,密实容重为 1郾 617 t·m - 3 ,堆积密实度 为 0郾 5417. P郾 O42郾 5 水泥密度为 3郾 03 t·m - 3 ,密实 容重为 1郾 424 t·m - 3 ,堆积密实度为 0郾 4699. 镍矿全 尾砂中 - 200 目颗粒质量分数占 60郾 12% , - 20 滋m 颗粒质量分数占 21郾 67% . 铁矿全尾砂中 - 200 目 质 量 分 数 占 91郾 53% , - 20 滋m 质 量 分 数 占 57郾 91% ,属超细全尾砂. 水泥中 - 20 滋m 颗粒质量 分数占 70郾 13% ,颗粒由小到大累积的体积分数为 负累积体积分数,如图 1 所示. 图 1 充填物料粒级组成与分布 Fig. 1 Grain size distribution (GSD) curves of paste materials 采用 X 射线衍射和化学元素标定法对全尾砂 和水泥的化学成分进行了分析,从测定结果可以计 算出,镍矿全尾砂的碱性系数为 0郾 699,属于弱碱性 物质;镍矿全尾砂的活性系数为 0郾 213,具有一定的 胶结活性,但仍属于惰性材料. 铁矿全尾砂碱性系 数为 0郾 277,活性系数为 0郾 054,属于惰性材料. 全 尾砂在膏体制备中作为惰性材料满足充填材料的选 择条件. 充填材料的化学组成如表 1 所示. 表 1 充填材料元素定量分析结果(质量分数) Table 1 Chemical compositions of filling materials % 填充材料 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO S Ni Cu 其他 某镍矿全尾 36郾 41 7郾 77 9郾 90 3郾 09 27郾 79 1郾 63 0郾 28 0郾 2 12郾 93 某铁矿全尾 50郾 63 2郾 72 25郾 54 9郾 39 5郾 39 1郾 92 — — 4郾 40 P郾 O42郾 5 水泥 21郾 50 4郾 50 2郾 00 63郾 50 4郾 00 2郾 50 — — 2郾 00 ·1169·