刘晓辉等：膏体流变参数影响机制及计算模型 ·191· 影响因素仅限于浓度、配合比等一些简单直观的工艺 物料中的质量分数ω表示. 指标，所得结论的普适性较差.在国外，文献[6]研究 1.2流变影响因素的综合表征 表明：流变特性不仅与浆体质量浓度、物料组分等因素 由于上述因素的复合作用，膏体在外力作用下呈 有关，还受到颗粒级配分布的影响.文献[7]分析了矿 塑性流动，具有屈服应力、剪切变稀等非牛顿流体特 浆浓度、添加剂、水泥含量、H值、颗粒粒径分布、矿物 征，产生这种性状变化的关键在于尾矿颗粒间的絮凝 成分等多种因素对流变参数的影响.研究表明：膏体 作用.研究表明：粒径小于0.01~0.03mm的细颗粒 流变特性是多因素交互作用的宏观表现，但由于影响 在水中容易发生絮凝现象[⑧]，对于膏体而言，物料中 因素繁多、物料组分多变，很难建立起物料特性与流变 包含有大量-20um颗粒(w>25%),颗粒群的比表 参数间的准确函数关系 面积6∑(p,/d,)较大，颗粒表面物理化学作用强烈， 因此，本文首先开展了膏体物料特性的量化表征 且碰撞、接触的几率较大，极易相互搭接产生絮团，并 研究，提出能够全面描述物料特性作用的综合指标，为 在较高的体积分数φ下，形成具有一定强度的网状结 流变特性的定量分析提供了基础。通过开展膏体流变 构[.因此，膏体在流动过程中呈整体状均质移动， 实验，研究了体积分数、颗粒级配、细颗粒及水泥质量 即所谓的结构流体.对于结构流体，单个颗粒对流变 分数等因素对膏体流变参数的影响规律，并从膏体细 性能的影响作用大大削弱，结构的整体属性才是改变 观结构的物质组成入手对其影响机制进行了解释，最 其性能的关键.因此，本研究从结构流概念出发，通过 终构建了屈服应力、塑性黏度的计算模型 分析膏体内部结构的物质组成，提出了一种能够对物 1膏体流变影响因素及其综合表征 料特征进行精确、全面描述的指标，为流变特性的定量 研究提供了基础。 1.1膏体流变特性影响因素分析 膏体细观结构方面的研究表明-]：膏体由尾矿 物料组分及其理化性质是影响膏体流变特性的根 颗粒、吸附在颗粒表面的薄膜水、结构孔隙中的封闭水 本原因，现有研究多围绕充填浓度、灰砂比、物料配比 以及一定量的自由水组成，如图1所示.自由水份额 等指标的影响作用开展了相关实验工作.但上述指标 越大则膏体流动性越好，而薄膜水、封闭水由于受到颗 实质上反映的是固体含量、颗粒级配以及水泥含量等 粒表面作用的束缚，失去了自由流动的能力，可将其视 物料特性之间的差异.膏体固体含量一般用质量分数 作为类固体物质.当膏体内部只包含固体颗粒和类固 ω及体积分数p两种指标进行描述，相比之下φ可同 体物质时，称此时的体积分数为极限体积分数 时表征颗粒密度的影响，使研究结果更具普适性：在颗 g.(maximum packing fraction)).P.的物理模型如图 粒级配方面，由于膏体物料组成复杂，细颗粒含量大， 1所示，不同粒径的尾矿颗粒相互均匀填充达到紧密 级配分布广，仅采用中值粒径d不足以全面反映颗粒 排列，颗粒表面有厚度为δ的薄膜水，以及填充在结构 群的级配特性，本文采用质量加权平均粒径d。、不均 孔隙之间的封闭水，假设其厚度为B,则极限体积分数 匀系数C.、颗粒比表面积6∑(p,/d,)(其中d,和p:分 P。即是指颗粒所占面积与周围颗粒圆心连线围成面 别表示某级粒群粒径大小和该粒群在总质量中的所占 积之比[4 百分比)，以及细颗粒(-20um)质量分数ω，等多个指 若已知单位体积浆体中物料颗粒的表面积为 标来对颗粒的级配分布进行描述；C,越大则说明物料 6∑(p,/d,),则此时有下式成立： 粒径分布越不均匀，∑(p,/d)越大表示物料中的细 颗粒含量越大，颗粒间的表面理化作用越强烈：水泥等 .+p.6∑+p.6∑=l. (1) 胶凝材料也是影响膏体流变特性的重要因素，以其在 式(1)左边的三项分别为浆体中尾砂颗粒、薄膜水以 尾砂颗粒 自由水 尾砂颗粒 薄膜水 厚度8 封闭水 、封闭水 假想厚度β 图1膏体絮网结构及其物质组成 Fig.1 Flocculation structure and material composition in CPB刘晓辉等: 膏体流变参数影响机制及计算模型 影响因素仅限于浓度、配合比等一些简单直观的工艺 指标,所得结论的普适性较差. 在国外,文献[6]研究 表明:流变特性不仅与浆体质量浓度、物料组分等因素 有关,还受到颗粒级配分布的影响. 文献[7]分析了矿 浆浓度、添加剂、水泥含量、pH 值、颗粒粒径分布、矿物 成分等多种因素对流变参数的影响. 研究表明:膏体 流变特性是多因素交互作用的宏观表现,但由于影响 因素繁多、物料组分多变,很难建立起物料特性与流变 参数间的准确函数关系. 因此,本文首先开展了膏体物料特性的量化表征 研究,提出能够全面描述物料特性作用的综合指标,为 流变特性的定量分析提供了基础. 通过开展膏体流变 实验,研究了体积分数、颗粒级配、细颗粒及水泥质量 分数等因素对膏体流变参数的影响规律,并从膏体细 观结构的物质组成入手对其影响机制进行了解释,最 终构建了屈服应力、塑性黏度的计算模型. 1 膏体流变影响因素及其综合表征 1郾 1 膏体流变特性影响因素分析 物料组分及其理化性质是影响膏体流变特性的根 本原因,现有研究多围绕充填浓度、灰砂比、物料配比 等指标的影响作用开展了相关实验工作. 但上述指标 实质上反映的是固体含量、颗粒级配以及水泥含量等 物料特性之间的差异. 膏体固体含量一般用质量分数 棕 及体积分数 渍 两种指标进行描述,相比之下 渍 可同 时表征颗粒密度的影响,使研究结果更具普适性;在颗 粒级配方面,由于膏体物料组成复杂,细颗粒含量大, 级配分布广,仅采用中值粒径 d50不足以全面反映颗粒 群的级配特性,本文采用质量加权平均粒径 dp 、不均 匀系数 Cu 、颗粒比表面积 6 移 (pi / di)(其中 di和 pi分 图 1 膏体絮网结构及其物质组成 Fig. 1 Flocculation structure and material composition in CPB 别表示某级粒群粒径大小和该粒群在总质量中的所占 百分比),以及细颗粒( - 20 滋m)质量分数 棕f等多个指 标来对颗粒的级配分布进行描述;Cu越大则说明物料 粒径分布越不均匀, 移 ( pi / di )越大表示物料中的细 颗粒含量越大,颗粒间的表面理化作用越强烈;水泥等 胶凝材料也是影响膏体流变特性的重要因素,以其在 物料中的质量分数 棕c表示. 1郾 2 流变影响因素的综合表征 由于上述因素的复合作用,膏体在外力作用下呈 塑性流动,具有屈服应力、剪切变稀等非牛顿流体特 征,产生这种性状变化的关键在于尾矿颗粒间的絮凝 作用. 研究表明:粒径小于 0郾 01 ~ 0郾 03 mm 的细颗粒 在水中容易发生絮凝现象[8鄄鄄9] ,对于膏体而言,物料中 包含有大量 - 20 滋m 颗粒(棕f > 25% ),颗粒群的比表 面积 6 移 (pi / di)较大,颗粒表面物理化学作用强烈, 且碰撞、接触的几率较大,极易相互搭接产生絮团,并 在较高的体积分数 渍 下,形成具有一定强度的网状结 构[10] . 因此,膏体在流动过程中呈整体状均质移动, 即所谓的结构流体. 对于结构流体,单个颗粒对流变 性能的影响作用大大削弱,结构的整体属性才是改变 其性能的关键. 因此,本研究从结构流概念出发,通过 分析膏体内部结构的物质组成,提出了一种能够对物 料特征进行精确、全面描述的指标,为流变特性的定量 研究提供了基础. 膏体细观结构方面的研究表明[11鄄鄄12] :膏体由尾矿 颗粒、吸附在颗粒表面的薄膜水、结构孔隙中的封闭水 以及一定量的自由水组成,如图 1 所示. 自由水份额 越大则膏体流动性越好,而薄膜水、封闭水由于受到颗 粒表面作用的束缚,失去了自由流动的能力,可将其视 作为类固体物质. 当膏体内部只包含固体颗粒和类固 体物 质 时, 称 此 时 的 体 积 分 数 为 极 限 体 积 分 数 渍m (maximum packing fraction) [13] . 渍m 的物理模型如图 1 所示,不同粒径的尾矿颗粒相互均匀填充达到紧密 排列,颗粒表面有厚度为 啄 的薄膜水,以及填充在结构 孔隙之间的封闭水,假设其厚度为 茁,则极限体积分数 渍m 即是指颗粒所占面积与周围颗粒圆心连线围成面 积之比[14] . 若已知单位体积浆体中物料颗粒的表面积为 6 移 (pi / di),则此时有下式成立: 渍m + 渍m6 移 pi di 啄 + 渍m6 移 pi di 茁 = 1. (1) 式(1)左边的三项分别为浆体中尾砂颗粒、薄膜水以 ·191·