杜向紅, 史采新, 吳 璟

(深圳市中金嶺南有色金屬股份有限公司凡口鉛鋅, 廣東韶關 512325)

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萘系減水劑對凡口礦尾砂充填料漿性能影響研究

杜向紅, 史采新, 吳 璟

(深圳市中金嶺南有色金屬股份有限公司凡口鉛鋅, 廣東韶關 512325)

針對凡口鉛鋅礦03尾砂充填料漿濃度偏低而導致水泥單耗高，充填體強度偏低等問題，開展了03尾砂的基本物理化學性質分析、添加萘系減水劑的充填料漿的流動性能試驗及充填材料配比室內試驗。試驗表明萘系減水劑的分散、潤滑作用可明顯改善03尾砂充填料漿的流動性，并且能夠使水泥水化反應更完全，產(chǎn)生更多的水化產(chǎn)物。同時，在確保03尾砂充填料漿流動性能的條件下，可將03尾砂充填料漿的濃度由60%提高至66%，進而可提高充填體強度，對凡口鉛鋅礦具有重要意義。

萘系減水劑；流動性能；擴散度；屈服應力；抗壓強度

有色金屬固廢排放與資源化消納是礦山亟待解決的重大問題，已成為制約我國礦產(chǎn)資源可持續(xù)開發(fā)利用與礦業(yè)健康發(fā)展的瓶頸。有色固廢膠結充填技術不僅能夠有效控制固廢排放物對大氣、土地、水源的污染，減少占地面積，提高土地的利用率，而且將固廢材料充填采空區(qū)還可防止地表的塌陷，提高礦石的回收率[1]。目前，有色金屬礦山的固廢排放主要是尾砂的堆存，隨著開采技術的發(fā)展，礦山生產(chǎn)能力近年來有了較大的提升，尾砂堆存量也逐漸增多，堆積在礦山附近的尾砂，對礦山企業(yè)安全生產(chǎn)有一定的安全威脅。在新形勢下，環(huán)保部門提出將無廢料開采、無尾礦排放、無廢水外排的新型“三無”礦山作為冶金礦山發(fā)展的方向，無尾礦排放就要求對尾砂進行高效的回收利用[2-3]。

提高充填料漿的濃度是提高尾砂利用率的有效途徑之一，其決定了充填料漿的管道輸送性能與充填體的強度，因此是影響充填效率的重要因素。實踐證明：提高充填料漿的輸送濃度是提高充填體質量、降低充填成本的有效途徑。但是料漿的輸送性能與輸送濃度成反比，即當料漿的濃度提高時，必然會降低料漿的流動性，這樣將影響到料漿的順利輸送。因此在提高料漿濃度的同時，如何獲得充填工藝要求高濃度料漿的良好流動特性成為高濃度充填或膏體充填的重要課題[4]。

為了改善砂漿的工作性能，提高充填體的強度，國內外廣泛研究應用各類添加劑，如早強劑、減水劑、增強劑、泵送劑、緩凝劑、塑化劑、起泡劑等[5]。

凡口鉛鋅礦沿礦體走向建有4座充填站，6套充填系統(tǒng)，其中攪拌樓03細尾砂充填系統(tǒng)充填材料采用尾砂分級后的溢流細砂，-74 μm的尾砂含量達95%以上，屬于極細粒級尾砂，限制了充填料漿濃度的提高。根據(jù)凡口鉛鋅礦充填質監(jiān)站2014年充填統(tǒng)計情況，該系統(tǒng)充填料漿的平均充填質量濃度僅60%左右，稍高的充填料漿濃度由于稠度大，不易輸送，會導致攪拌桶滿桶事故。較低的充填料漿濃度也限制了充填體的強度，嚴重影響了企業(yè)安全高效生產(chǎn)。面對凡口03充填系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在問題，凡口鉛鋅礦技術中心探索研究了萘系減水劑對03尾砂充填料漿性能的影響，通過開展添加萘系減水劑的充填料漿的流動性能試驗及充填材料配比試驗，發(fā)現(xiàn)萘系減水劑可明顯改善充填料漿的性能，能夠實現(xiàn)提高充填料漿濃度、降低水泥單耗、提高充填體強度的目的。

1 充填材料基礎參數(shù)測試與分析

試驗采用03尾砂取經(jīng)自經(jīng)圓盤過濾機過濾后產(chǎn)生的尾砂，根據(jù)土工試驗規(guī)程T0112-1993測得的尾砂主要物理參數(shù)見表1，利用電感耦合等離子光譜發(fā)生儀測得的03尾砂化學成分及含量見表2，利用激光粒度分析儀測得的尾砂粒級組成見圖1.

表1 尾砂主要物理參數(shù)

圖1 03尾砂粒級組成曲線

膠凝材料：海螺P.O.42.5R級水泥。

試驗用水：采用充填用水。

表2 03尾砂化學成分及含量

2 充填料漿擴散度試驗研究

表征充填料漿輸送性能的方法及參數(shù)有多種，如利用擴散筒測試擴散度值、利用坍落度筒測試坍落度值、擴展度值，利用流變儀測試的流變參數(shù)等。由于03尾砂充填料漿達不到膏體性態(tài)，因此利用坍落度筒測試的意義不大，本試驗采用簡單、易用的“擴散筒法”，其試驗結果比較直觀，可通過簡單對比反映充填料漿的流動性能。測定擴散度主要是為了掌握充填料漿流動性能、并輔以直觀經(jīng)驗評定粘聚性和保水性，是一種能夠反映拌合物的變形能力和變形速度的試驗方法[6]。在本次試驗中，主要是研究不同濃度與灰砂比的03尾砂充填料漿在摻加不同數(shù)量萘系減水劑的情況下的流動規(guī)律。依據(jù)試驗前的探索試驗，發(fā)現(xiàn)不同濃度與灰砂比的03尾砂充填料漿達到某一流動性時所需的萘系減水劑的數(shù)量有明顯差異，具體試驗參數(shù)見表3.

擴散度試驗方法是采用小型擴散筒在一塊標有刻度的玻璃上進行，其圓柱擴散筒上下口徑分別為8.0cm，筒高8.0cm。

試驗步驟：首先用抹布把擴散筒內壁及邊緣擦拭干凈，并將其放在水平、整潔、帶有刻度尺的玻璃板上，將配比好的充填料漿從圓柱擴散筒上口倒入，用鋼尺將上口刮平后，迅速將擴散筒垂直提起，充填料漿將在玻璃板上擴散形成一個圓，通過測定二個垂直方向的圓直徑，其平均值即為該料漿的擴散度。如圖2所示。

圖2 充填料漿擴散度試驗過程

凡口03尾砂充填料漿擴散度試驗數(shù)據(jù)見表3.

表3 03尾砂充填料漿擴散度試驗參數(shù)及結果 單位cm

由試驗結果可知，當不添加新型減阻劑時，在灰砂比比一定的條件下，充填料漿擴散度隨著濃度的增加而減小。在濃度與砂灰比相同的條件下，充填料漿的擴散度隨減水劑摻量的增加而增大。相同濃度與灰砂比的03尾砂充填料漿隨減水劑摻量的變化規(guī)律如圖3所示。

萘系減水劑能夠提高03尾砂充填料漿的流動性主要是因為萘系減水劑是一種表面陰離子表面活性劑，屬于高分子化合物，分子結構的一端為親水基團，另一端為憎水基團，這決定了萘系減水劑具備分散作用與潤滑作用。分散作用體現(xiàn)在憎水基團使得減水劑分子吸附于水泥顆粒的表面，形成單分子或多分子的吸附膜，從而使水泥顆粒表面帶上負電荷，形成了靜電排斥現(xiàn)象，從而使水泥顆粒分散，破壞了水泥顆粒間的絮凝結構，將水泥顆粒間包裹的水分子析出，參與漿體的流動性，達到有效增加充填料漿流動性的目的[5]。而萘系減水劑的親水基團的極性很強，與水分子以氫鍵的結構存在，使在水泥顆粒的表面形成的吸附膜與水分子結合成能溶劑化水膜，這層水膜不僅穩(wěn)定而且具有潤滑作用，能有效降低水泥顆粒間的滑動阻力，從而使充填料漿的流動性進一步的提高[7-8]。萘系減水劑具備的梳型結構，以及氨基等側鏈，具有一定的鏈長，具有較好的枝化程度，當親水性的支鏈伸展于水溶液時，會在水泥顆粒表面形成一定厚度的親水性立體吸附層。當

圖3 03尾砂充填料漿擴散度值隨減水劑不同摻量變化規(guī)律

水泥顆?？拷鼤r，吸附層會發(fā)生重疊，即在水泥顆粒間產(chǎn)生空間位阻作用，重疊越多，空間位阻斥力就會越大，對水泥顆粒間凝聚作用的阻礙也越大，從而保證了充填料漿的和易性[9]。

3 充填料漿流變試驗研究

依據(jù)流體力學相關研究，將某一剪切力作用在流體的外部時，流體會發(fā)生流動變形。相應的在作用力與反作用力的影響下，流體的內部會產(chǎn)生抵抗行為，表現(xiàn)形式為內摩擦，專家將這一行為成為流體的粘滯性或粘性，是流體所固有的物理屬性。依據(jù)流變性能的不同，流體分為牛頓流體和非牛頓流體[5]。反應流變性能的參數(shù)有粘性系數(shù)與屈服應力，當剪切應力大于屈服應力時，漿體即可發(fā)生流動。

本試驗利用美國Brookfield公司生產(chǎn)的流變儀測定不同濃度、不同灰砂比、不同萘系減水劑摻量下03尾砂充填料漿的流變參數(shù)，試驗配比參數(shù)與擴散度試驗相同。通過屈服應力的大小探索萘系減水劑對充填料漿流動性能的影響。

流體的剪切應力與剪切速率之間的變異關系用圖形表示則稱為流變曲線。流變特性測試的剪切速率范圍為0～120s-1，流變儀由低速檔開始，逐漸增大，運行120秒，每秒記錄一個讀數(shù)，然后由統(tǒng)計軟件顯示出各剪切速率下對應的剪切應力，作出流變曲線。文章僅以灰砂比為1:4時的試驗結果進行說明，流變曲線見圖4.

圖4 灰砂比1:4時，03尾砂充填料漿隨減水劑摻量的流變曲線

由試驗結果可知，03尾砂充填料漿添加萘系減水劑后，屈服應力τ0即流變曲線縱坐標截距，明顯要小于未加減水劑的屈服應力，且隨著萘系減水劑摻量的越多，03尾砂充填料漿的屈服應力越小，由此說明萘系減水劑的加入有利于改善料漿的流動性，且流動性能的優(yōu)良與萘系減水劑的摻量成正比，與擴散度試驗結論互相印證。

4 充填材料配比試驗研究

本試驗主要是探索不同摻加量下的萘系減水劑對03尾砂充填料漿不同配比的影響規(guī)律。試驗配比參數(shù)與上述試驗相同，按照設定的參數(shù)稱量尾砂、水泥、萘系減水劑、水等充填材料，并倒入混合容器中攪拌均勻，使用UJZ—15型行星式水泥膠砂攪拌機進行攪拌，形成均勻的充填料漿后倒入長×寬×高：7.07×7.07×7.07cm的標準三聯(lián)充填試模制作試塊。在48h內進行脫模并放入養(yǎng)護箱中養(yǎng)護28d后用NYL-300D型壓力試驗機測其單軸抗壓強度，試驗結果見表4.

表4 充填材料配比試驗結果 單位：Mpa

在充填料漿濃度與砂灰比相同時，單軸抗壓強度隨萘系減水劑不同摻量的變化規(guī)律見圖5.

由圖5中可知，03尾砂充填料漿中加入萘系減水劑后對其充填體強度整體上是隨減水劑摻量的增加略有增大，主要原因是由于萘系減水劑屬于高分子化合物，具有鏈長，枝化程度好，對充填材料之間的分散具有顯著的作用，能夠使尾砂團中包裹的自由水析出，從而加大了水泥的水化程度，產(chǎn)生了更多的水化產(chǎn)物，因此摻量的增加有利于充填體強度的增加。但影響程度很小，不會使03尾砂充填體單軸抗壓強度發(fā)生本質上的改變。

由研究結果可知，凡口03細尾砂在不同摻量萘系減水劑的條件下，在保證輸送性能的前提下，可提高03尾砂充填料漿的濃度，進而可提高充填體強度，對目前凡口鉛鋅礦具有重要意義。

圖5 萘系減水劑對充填體強度的影響規(guī)律

5 結論

針對凡口鉛鋅礦03尾砂充填料漿濃度偏低導致水泥單耗高，充填體強度偏低等問題，本項目開展了03尾砂的基本物理化學性質分析、添加萘系減水劑的的充填料漿的流動性能及充填材料配比室內試驗。得出以下結論：

1)萘系減水劑可明顯改善03尾砂充填料漿的流動性。在濃度與砂灰比相同的條件下，充填料漿的擴散度隨減水劑摻量的增加而增大。

2)03尾砂充填料漿添加萘系減水劑后，屈服應力τ0明顯要小于未加減水劑的充填料漿的屈服應力，且隨著萘系減水劑摻量的越多，03尾砂充填料漿的屈服應力越小。

3)由于萘系減水劑的分散作用，使水泥的水化反應更加充分，產(chǎn)生了更多的水化產(chǎn)物，使得03尾砂充填料漿中加入萘系減水劑后對其充填體強度整體上是隨減水劑摻量的增加略有增大。但影響程度很小，不會使03尾砂充填體單軸抗壓強度發(fā)生本質上的改變。

4)萘系減水劑能夠確保高濃度03尾砂充填料漿流動性能的同時，顯著提高充填料漿濃度與充填體強度，對目前凡口鉛鋅礦具有重要意義。

[1] 薛杉杉, 郭利杰, 李欣. 水化產(chǎn)物對復合膠凝材料力學性能的影響[J]. 硅酸鹽通報, 2014,33(1):37-42.

[2] 汪順才, 張春雷, 朱偉,等. 尾砂濃度對固化尾砂初始流動性和強度的影響[J]. 金屬礦山, 2008, (02):136-138.

[3] 汪順才, 張春雷, 朱偉,等. 固化添加劑對固化尾砂初始流動性和強度的影響[J]. 金屬礦山, 2009,(02):30-33.

[4] 王新民, 史良貴, 肖智政, 等. 減水劑在充填料漿中的作用機理及應用研究[J]. 金屬礦山, 2004 (4): 11-13.

[5] 史采星, 郭利杰, 許文遠. 新型減水劑改善充填料漿性能試驗研究[J]. 中國礦業(yè), 2014, 23(S2):209-214.

[6] 侯國權, 郭利杰, 楊超,等. 高濃度全尾砂充填料漿流變特性試驗研究 簡[J]. 中國礦業(yè), 2014, 23(S2):238-241.

[7] 呂斌, 周振君, 羅偉華. 砂基膏體充填材料制備工藝及其物理性能[J]. 中國科技論文, 2012,7(02):107-110.

[8] 胥明. 快硬高強土壤固化劑及工程施用技術研究[D]. 成都：成都理工大學, 2012.

[9] 姜玉, 龐浩, 廖兵. 聚羧酸系高效減水劑的研究和應用[J]. 化工進展, 2007, 26(01):37-41.

On Naphthalene Water-reducer Performance Effects to Backfilling Slurry of Fankou Lead-zinc Mine

DU Xianghong, SHI Caixin, WU Jing

(Shenzhen Zhongjin Lingnan Nonfemet Company Limited Fankou Lead-zinc Mine,Shaoguan,Guangdong 512325)

Refer to the problems of Fankou Lead-Zinc Mine, the low volume of cement consumption resulting from the low concentration of 03 backfilling filling slurry and the low intensity of filling body, a series of experiments have been carried out, such as the basic physico-chemical analysis of 03 backfilling, the filling pulp flow performance after adding naphthalene series water reducing agent test and the indoor test of filling materials mixing ratio. Experiments have showed that the dispersive action and lubrication action could improve the liquidity of 03 filling slurry obviously. At the same time, the cement hydration reaction could be more complete thus producing more hydration products. Meanwhile, Under the condition of the favourable liquidity of 03 filling slurry, the concentration of 03 backfilling filling slurry increases from 60% to 66%, further improving the strength of the filling body. It has very important effects on Fankou Lead-Zinc Mine.

Naphthalene water-reducer; flow performance; diffusion degree; yield stress; compressive strength

杜向紅(1971-)，男，工程師，長期從事礦山技術工作。

TD

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