吴爱祥等：全尾砂膏体流变学研究现状与展望（上）：概念、特性与模型 809 400 (a) b 350 300 Solid-Liquid 250 1000 200 100 150 100 0 -Volume fraction 49. ◆-olume fraction46.t 50 bc品om松株 0.001 0.01 0.1 1 10 100 100 150 200250300350400 Shear rate/s- Shear stress/Pa 图7膏体固态-流态转变过程.(a)剪切应力曲线：(b)表观黏度曲线 Fig.7 Solid to liquid transitions of paste:(a)shear stress curves,(b)apparent viscosity curves 率突变跨越3个数量级.当剪切应力趋向于屈服 (8),图8所示为5种不同密度的尾砂制备成的料 应力时，剪切速率发生突变，固流转换的剪切速率 浆（胶凝材料相同）o 并不为零.材料固流转换前的表观黏度与模型中 100 的趋于无穷大相矛盾 Cv%=Cwg 3 Gs-p 此外，一些膏体料浆在剪切速率初始增长阶 Cw& S 段，应力过冲现象不显著，表现出典型的剪切稀化 70 现象，而在较高剪切速率下，流体内部结构从一种 65 p4.1294.672 有序状态变为无序状态，流动阻力增加，表现出剪 60 G。=3.752 切增稠.大量研究表明，在一定的剪切速率范围内 G=3.282 G.=2.805 (通常为10~1000s),上述模型可用于描述屈服 50 G=2.8 性非牛顿流体，而在更大的剪切速率范围内，单个 45 --G=3.3 模型通常不足以描述流变行为.因此，Nguyen与 40 G=3.8 35 --·G=4.2 Bogerts1建议，应当充分考虑应用场景，经验公式 --G=4.8 3 应与实验数据范围一致 7071727374757677787980818283848586 Mass fraction/% 4膏体流变特性影响因素 图8料浆体积分数与质量分数关系图 Fig.8 Relationship between volume fraction and mass fraction of the 膏体的流变特性受到多种因素的影响，主 slurry 要包括其内部组成成分及物化性质，如固体含量、 尾砂密度、固体颗粒配比和水化作用等，以及外部 (3)固体颗粒级配 作用，如温度和剪切历史等 颗粒级配是反映固体颗粒特性的一项综合指 (1)固体含量（体积与质量分数） 标，单一参数难以进行有效表征56s刃.细颗粒含量 固体含量是膏体流变特性最为重要的影响因 对膏体料浆的流变特性影响显著8-5)，通常认为 素之一，通常与膏体屈服应力及黏度呈正相关关系 20m以下细颗粒质量分数应在15%以上，以保 膏体屈服应力与其质量分数之间普遍存在（幂）指 证膏体的流动性-4,60-6相同条件下，较细尾砂 数增长关系，如回归方程式(6)2-及式(7)，参 制备的料浆具有更高的屈服应力和黏度6，因为 数取决于具体材料特性 细颗粒的比表面积较大，颗粒间相互作用的面积 增加，而粗颗粒主要通过相互碰撞和摩擦影响料 Ty=aoexp(boCw) (1) 浆黏度6]改变粗细颗粒的配比，可使料浆表现出 Ty =a(Cws) (2) 不同的流型64短时间内（通常2h内），在动态剪 (2)尾砂密度 切条件下，胶凝材料对膏体流变特性的影响主要 由于矿物成分不同，尾砂密度存在一定的差 表现为其粒径分布.如图9所示，水泥中20um以 异，对膏体流变特性将产生显著影响.膏体料浆质 下细颗粒含量基本达60%以上，75um以下颗粒 量分数一定时，密度大的尾砂，制成的料浆固体体 含量基本达100%.因此，增加水泥配比可使料浆 积分数较低，表现为较“稀”，如含硫尾砂5料浆 屈服应力增大，其具体影响程度取决于全尾砂及 体积分数与质量分数之间的换算关系见方程式 水泥粒径分布情况6啊率突变跨越 3 个数量级. 当剪切应力趋向于屈服 应力时，剪切速率发生突变，固流转换的剪切速率 并不为零. 材料固流转换前的表观黏度与模型中 的趋于无穷大相矛盾. 此外，一些膏体料浆在剪切速率初始增长阶 段，应力过冲现象不显著，表现出典型的剪切稀化 现象，而在较高剪切速率下，流体内部结构从一种 有序状态变为无序状态，流动阻力增加，表现出剪 切增稠. 大量研究表明，在一定的剪切速率范围内 （通常为 10～1000 s −1），上述模型可用于描述屈服 性非牛顿流体，而在更大的剪切速率范围内，单个 模型通常不足以描述流变行为. 因此，Nguyen 与 Boger[51] 建议，应当充分考虑应用场景，经验公式 应与实验数据范围一致. 4    膏体流变特性影响因素 膏体的流变特性受到多种因素的影响[38] ，主 要包括其内部组成成分及物化性质，如固体含量、 尾砂密度、固体颗粒配比和水化作用等，以及外部 作用，如温度和剪切历史等. （1）固体含量（体积与质量分数）. 固体含量是膏体流变特性最为重要的影响因 素之一，通常与膏体屈服应力及黏度呈正相关关系. 膏体屈服应力与其质量分数之间普遍存在（幂）指 数增长关系，如回归方程式（6） [52−53] 及式（7） [54] ，参 数取决于具体材料特性. τy = a0 exp(b0Cw%) （1） τy = α(Cw%) β （2） （2）尾砂密度. 由于矿物成分不同，尾砂密度存在一定的差 异，对膏体流变特性将产生显著影响. 膏体料浆质 量分数一定时，密度大的尾砂，制成的料浆固体体 积分数较低，表现为较“稀”，如含硫尾砂[55] . 料浆 体积分数与质量分数之间的换算关系见方程式 （8），图 8 所示为 5 种不同密度的尾砂制备成的料 浆（胶凝材料相同）[10] . Cv% = Cw% ( ρbulk−p ρs−p ) = 100 1+ ( 100 Cw% −1 ) × Gs−p S r （3） （3）固体颗粒级配. 颗粒级配是反映固体颗粒特性的一项综合指 标，单一参数难以进行有效表征[56−57] . 细颗粒含量 对膏体料浆的流变特性影响显著[58−59] ，通常认为 20 μm 以下细颗粒质量分数应在 15% 以上，以保 证膏体的流动性[13−14, 60−61] . 相同条件下，较细尾砂 制备的料浆具有更高的屈服应力和黏度[62] ，因为 细颗粒的比表面积较大，颗粒间相互作用的面积 增加，而粗颗粒主要通过相互碰撞和摩擦影响料 浆黏度[63] . 改变粗细颗粒的配比，可使料浆表现出 不同的流型[64] . 短时间内（通常 2 h 内），在动态剪 切条件下，胶凝材料对膏体流变特性的影响主要 表现为其粒径分布. 如图 9 所示，水泥中 20 μm 以 下细颗粒含量基本达 60% 以上，75 μm 以下颗粒 含量基本达 100%. 因此，增加水泥配比可使料浆 屈服应力增大，其具体影响程度取决于全尾砂及 水泥粒径分布情况[65] . 0.001 0.01 0.1 1 10 100 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Shear stress/Pa Shear rate/s−1 Volume fraction 49.1% Volume fraction 46.6% Solid - Liquid (a) 100 150 200 250 300 350 400 1 10 100 1000 10000 Apparent viscosity / (Pa·s) Shear stress/Pa Volume fraction 49.1% Volume fraction 46.6% (b) 图 7    膏体固态‒流态转变过程. （a）剪切应力曲线；（b）表观黏度曲线[25] Fig.7    Solid to liquid transitions of paste: (a) shear stress curves; (b) apparent viscosity curves 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Volume fraction/ % Mass fraction/% Gs-t=2.8 Gs-t=3.3 Gs-t=3.8 Gs-t=4.2 Gs-t=4.8 Gs-p=2.805 Gs-p=3.282 Gs-p=3.752 Gs-p=4.123 Gs-p=4.672 图 8    料浆体积分数与质量分数关系图 Fig.8     Relationship  between  volume  fraction  and  mass  fraction  of  the slurry 吴爱祥等： 全尾砂膏体流变学研究现状与展望（上）：概念、特性与模型 · 809 ·