张连富等：泵送剂对高含泥膏体流变特性影响及机理 ·923· 由图8(a)知，在加入泵送剂之前，膏体浆体中 送剂影响膏体流动性能的力学机理，如图9所示. 絮团粒径较大，絮团之间絮凝形成较大孔隙和凹陷， 单纯从泵送剂添加量角度改善膏体流动性的效果是 即蜂窝结构：由于絮团颗粒粒径分布离散，既有比较 有限的，存在最佳泵送剂添加量，应在最大程度提高 小的直径在10μum左右的颗粒，也有比较大直径在 流动性能的同时，减少泵送剂的添加量 50um左右的絮凝体颗粒，这些颗粒形成的间隙内 泵送剂 絮团破坏 填充着直径小于10m的颗粒，膏体表面较为粗 糙，小粒径的絮团依附在大絮团上，由于50m左右 静电斥力 的絮凝体为主体，因此可以认为，未加入减水剂时， 絮团颗粒的粒径在50μm左右.由图8(b)知，泵送 剂添加量为1%时，絮团表面变得平缓，孔隙和凹陷 减少，说明大粒径絮团已经破碎，而破碎产生的小粒 空间位阻力 径絮团填补了大絮团的孔隙和凹陷，孔隙率比有所 图9泵送剂对絮团的力学作用 降低.由图8(c)知，当泵送剂添加量增加到 Fig.9 Mechanical effects of the pumping agent in flocs 1.75%,膏体中颗粒絮团的数量进一步降低，内部孔 隙大量被破碎的絮团充满，由于絮团粒径较小，其排 3 结论 列分布也更加均匀有序.由图8(d)知，泵送剂添加 (1)高含泥膏体料浆的屈服应力随着泵送剂的 量为2.5%时，浆体中的大絮团基本消失，更多泵送 增加而降低，而且泵送剂添加量在1%左右时，屈服 剂产生的破碎的絮团碎片等均匀散布，膏体表面更 应力下降明显，而泵送剂添加过量后，屈服应力下降 加平缓，并有大量的絮团碎片沉积在膏体表面.这 的速度趋近于零 说明泵送剂破坏了膏体料浆中的絮团结构，随着泵 (2)同一泵送剂添加量情况下，膏体屈服应力 送剂的增加絮团破碎加剧：而且可以发现，当泵送剂 和浆体质量分数之间存在显著的线性关系，分析发 添加量为1%左右时，絮团结构变化最为明显，而后 现，该一次函数的斜率和截距分别与泵送剂添加量 继续添加泵送剂则表面粗糙度降低趋缓，这意味着 呈显著的指数关系，由此得出不同泵送剂添加量和 添加少量泵送剂时大部分絮团已经产生了破碎，继 浆体质量分数情况下的屈服应力预测函数：y= 续添加不仅造成泵送剂过量使用，也可能引起絮团 (-1627.99+150.72(1og20+1)+(24.978-2.4375 碎片大量沉积在膏体表面，使得泵送剂与絮团的进 (log20+1)x,与试验数据较吻合，利用该函数可为 一步反应停滞.从这个角度来看，过量的泵送剂对 泵送剂的添加和膏体流动性的改善提供指导. 于膏体流动性的改善意义不大. (3)环境扫描电镜结果显示，泵送剂能够破坏 泵送剂具有破坏膏体絮团的作用，而且膏体表 絮团结构，添加量在1%左右时对膏体絮团的破坏 面变化主要发生在前期，这与公式预测结果相同. 最明显，而继续添加泵送剂对膏体絮团的影响逐渐 高含泥音体中掺加泵送剂之后，泵送剂分子能够吸 减弱，这是因为膏体絮团充分破碎而造成大量絮团 附到尾砂、水泥颗粒表面，通过改变絮凝颗粒表面的 碎片沉积在膏体表面抑制了进一步反应. 电性以及空间位阻作用而使得原本絮凝的尾砂、水 (4)分析了泵送剂对膏体流动性能的力学机 泥颗粒分散开来，打破絮团结构并释放出絮团中包 理：泵送剂在静电斥力和空间位阻力联合作用下对 裹的水，使得自由水增加，同时絮团的体积减小，从 絮团结构造成破坏，但絮团破坏后颗粒间距增大，使 而改善膏体浆体流动性能.空间位阻作用是许多高 得静电斥力和空间位阻力削弱，后期添加泵送剂时 分子聚合物具有的特点，茶系、聚羧酸系泵送剂等也 屈服应力降低缓慢 具有空间位阻作用4-].在静电排斥作用和空间 位阻作用的共同影响下，颗粒絮团被破坏，絮团内部 参考文献 的水被释放，一定程度上起到了润滑作用.静电斥 [1]Henriquez J,Simms P.Dynamic imaging and modelling of multi- 力和空间位阻力作用范围是有限的，且与颗粒间的 layer deposition of gold paste tailings.Miner Eng,2009,22(2), 距离呈反比，继续添加泵送剂时，颗粒间距离增大， 128 静电斥力和空间位阻力变小，导致屈服应力下降的 [2]Sivakugan N,Rankine R M,Rankine K J,et al.Geotechnical considerations in mine backfilling in Australia.I Cleaner Prod, 速度趋于减慢.所以泵送剂添加过量后，屈服应力 2006,14(12-13):1168 降低的速度明显放缓，并且趋近于零.由此得出泵 [3]Guo Z H,Zhou H Q,Wu L F,et al.Numerical simulation for张连富等: 泵送剂对高含泥膏体流变特性影响及机理 由图 8(a)知,在加入泵送剂之前,膏体浆体中 絮团粒径较大,絮团之间絮凝形成较大孔隙和凹陷, 即蜂窝结构;由于絮团颗粒粒径分布离散,既有比较 小的直径在 10 滋m 左右的颗粒,也有比较大直径在 50 滋m 左右的絮凝体颗粒,这些颗粒形成的间隙内 填充着直径小于 10 滋m 的颗粒, 膏体表面较为粗 糙,小粒径的絮团依附在大絮团上,由于 50 滋m 左右 的絮凝体为主体,因此可以认为,未加入减水剂时, 絮团颗粒的粒径在 50 滋m 左右. 由图 8(b)知,泵送 剂添加量为 1% 时,絮团表面变得平缓,孔隙和凹陷 减少,说明大粒径絮团已经破碎,而破碎产生的小粒 径絮团填补了大絮团的孔隙和凹陷,孔隙率比有所 降低. 由 图 8 ( c ) 知, 当 泵 送 剂 添 加 量 增 加 到 1郾 75% ,膏体中颗粒絮团的数量进一步降低,内部孔 隙大量被破碎的絮团充满,由于絮团粒径较小,其排 列分布也更加均匀有序. 由图 8(d)知,泵送剂添加 量为 2郾 5% 时,浆体中的大絮团基本消失,更多泵送 剂产生的破碎的絮团碎片等均匀散布,膏体表面更 加平缓,并有大量的絮团碎片沉积在膏体表面. 这 说明泵送剂破坏了膏体料浆中的絮团结构,随着泵 送剂的增加絮团破碎加剧;而且可以发现,当泵送剂 添加量为 1% 左右时,絮团结构变化最为明显,而后 继续添加泵送剂则表面粗糙度降低趋缓,这意味着 添加少量泵送剂时大部分絮团已经产生了破碎,继 续添加不仅造成泵送剂过量使用,也可能引起絮团 碎片大量沉积在膏体表面,使得泵送剂与絮团的进 一步反应停滞. 从这个角度来看,过量的泵送剂对 于膏体流动性的改善意义不大. 泵送剂具有破坏膏体絮团的作用,而且膏体表 面变化主要发生在前期,这与公式预测结果相同. 高含泥膏体中掺加泵送剂之后,泵送剂分子能够吸 附到尾砂、水泥颗粒表面,通过改变絮凝颗粒表面的 电性以及空间位阻作用而使得原本絮凝的尾砂、水 泥颗粒分散开来,打破絮团结构并释放出絮团中包 裹的水,使得自由水增加,同时絮团的体积减小,从 而改善膏体浆体流动性能. 空间位阻作用是许多高 分子聚合物具有的特点,萘系、聚羧酸系泵送剂等也 具有空间位阻作用[14鄄鄄15] . 在静电排斥作用和空间 位阻作用的共同影响下,颗粒絮团被破坏,絮团内部 的水被释放,一定程度上起到了润滑作用. 静电斥 力和空间位阻力作用范围是有限的,且与颗粒间的 距离呈反比,继续添加泵送剂时,颗粒间距离增大, 静电斥力和空间位阻力变小,导致屈服应力下降的 速度趋于减慢. 所以泵送剂添加过量后,屈服应力 降低的速度明显放缓,并且趋近于零. 由此得出泵 送剂影响膏体流动性能的力学机理,如图 9 所示. 单纯从泵送剂添加量角度改善膏体流动性的效果是 有限的,存在最佳泵送剂添加量,应在最大程度提高 流动性能的同时,减少泵送剂的添加量. 图 9 泵送剂对絮团的力学作用 Fig. 9 Mechanical effects of the pumping agent in flocs 3 结论 (1)高含泥膏体料浆的屈服应力随着泵送剂的 增加而降低,而且泵送剂添加量在 1% 左右时,屈服 应力下降明显,而泵送剂添加过量后,屈服应力下降 的速度趋近于零. (2)同一泵送剂添加量情况下,膏体屈服应力 和浆体质量分数之间存在显著的线性关系,分析发 现,该一次函数的斜率和截距分别与泵送剂添加量 呈显著的指数关系,由此得出不同泵送剂添加量和 浆体质量分数情况下的屈服应力预测函数: y = ( -1627郾 99 +150郾 72 (log2w + 1)) + (24郾 978 - 2郾 4375 (log2w + 1))x,与试验数据较吻合,利用该函数可为 泵送剂的添加和膏体流动性的改善提供指导. (3)环境扫描电镜结果显示,泵送剂能够破坏 絮团结构,添加量在 1% 左右时对膏体絮团的破坏 最明显,而继续添加泵送剂对膏体絮团的影响逐渐 减弱,这是因为膏体絮团充分破碎而造成大量絮团 碎片沉积在膏体表面抑制了进一步反应. (4)分析了泵送剂对膏体流动性能的力学机 理:泵送剂在静电斥力和空间位阻力联合作用下对 絮团结构造成破坏,但絮团破坏后颗粒间距增大,使 得静电斥力和空间位阻力削弱,后期添加泵送剂时 屈服应力降低缓慢. 参 考 文 献 [1] Henriquez J, Simms P. Dynamic imaging and modelling of multi鄄 layer deposition of gold paste tailings. Miner Eng, 2009, 22(2), 128 [2] Sivakugan N, Rankine R M, Rankine K J, et al. Geotechnical considerations in mine backfilling in Australia. J Cleaner Prod, 2006, 14(12鄄13): 1168 [3] Guo Z H, Zhou H Q, Wu L F, et al. Numerical simulation for ·923·