劉曉輝

（華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，河北廊坊，065201）

近年來(lái)，尾礦膏體處置技術(shù)在礦山得到了廣泛應(yīng)用，選廠尾砂經(jīng)過(guò)全粒級(jí)深度濃縮后，形成穩(wěn)定性較好的膏狀流體，再通過(guò)加壓泵管道輸送至地表堆存或充填至井下空區(qū)，可以有效減少尾礦庫(kù)的沉降面積，提高尾礦庫(kù)安全性，改善空區(qū)充填的接頂效果。與傳統(tǒng)低濃度尾礦漿相比，膏體具有固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)高、細(xì)顆粒（-20 μm）含量大等特點(diǎn)，在管道內(nèi)呈結(jié)構(gòu)狀均質(zhì)流動(dòng)，即所謂的“結(jié)構(gòu)流”漿體（structured fluids）[1]。結(jié)構(gòu)流體流動(dòng)過(guò)程中表現(xiàn)出明顯的非牛頓流體特性，流變學(xué)理論是研究其管內(nèi)流動(dòng)特性更為有效的手段，相關(guān)學(xué)者基于Bingham或H-B流變模型，對(duì)膏體在管道內(nèi)的流動(dòng)形態(tài)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律及阻力特性等內(nèi)容進(jìn)行了分析，并取得了一些有益的研究成果。但同時(shí)，由于流變測(cè)試儀器多種多樣，以及操作標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等原因，試驗(yàn)重復(fù)性較差，同一樣品的測(cè)試結(jié)果往往存在較大差異，從而影響了流變學(xué)理論在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

Nguyen等[2，3]運(yùn)用6種不同的測(cè)量方法對(duì)高濃度懸浮液的屈服應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)6種方法所測(cè)出的屈服應(yīng)力差異較大。Liddell[4]研究表明，同軸圓柱檢測(cè)法得到的屈服應(yīng)力明顯小于槳式轉(zhuǎn)子檢測(cè)法的結(jié)果。Aaron對(duì)水泥漿的研究[5]表明，即使是利用同一臺(tái)流變儀，不同的轉(zhuǎn)速下檢測(cè)出來(lái)的屈服應(yīng)力結(jié)果也是不同的，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越快，檢測(cè)屈服應(yīng)力越大。吳愛(ài)祥等[6]分別利用RS-SST槳式流變儀對(duì)膏體的屈服應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明：槳式流變儀的操作方法不同，其屈服應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果相差較大。Alderman[7]及Nguyen[3]研究發(fā)現(xiàn)：漿式流變儀能夠有效降低壁面滑移效應(yīng)的影響，同時(shí)轉(zhuǎn)子插入過(guò)程中不會(huì)對(duì)漿體結(jié)構(gòu)造成破壞。等[8]指出濃密尾礦具有觸變性，且對(duì)其流變特性的測(cè)試具有重要的影響作用。Pornillos[9]對(duì)不同攪拌時(shí)間尾礦膏體的屈服應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明：屈服應(yīng)力值隨攪拌時(shí)間逐漸減小，最終趨于平衡狀態(tài)。Nguyen[2]在對(duì)高濃度赤泥流變性質(zhì)的研究中發(fā)現(xiàn)，漿體表觀黏度隨剪切時(shí)間逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定值。

上述研究結(jié)果表明：相比之下，旋轉(zhuǎn)漿式流變儀對(duì)于結(jié)構(gòu)流體的流變測(cè)試具有較好的適用性，但其仍然存在2個(gè)方面的問(wèn)題：一是缺乏統(tǒng)一、規(guī)范的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)；二是樣品在流動(dòng)過(guò)程中伴隨有觸變、應(yīng)力松弛等粘彈性行為，其對(duì)流變性質(zhì)的測(cè)定具有重要影響。因此，本研究采用旋轉(zhuǎn)漿式流變儀，開(kāi)展了穩(wěn)態(tài)剪切載荷下膏體的流變行為測(cè)試，研究了膏體細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化與其宏觀力學(xué)行為的響應(yīng)關(guān)系，分析了觸變性對(duì)流變測(cè)定的影響，最終提出了一種基于漿體結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論的流變測(cè)定方法。

1　膏體細(xì)觀結(jié)構(gòu)及其剪切變化

膏體尾礦內(nèi)部絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)（flocculated framework）的形成機(jī)制主要包括以下2方面：一是在尾砂濃密脫水過(guò)程中，通過(guò)添加絮凝劑來(lái)加快尾砂顆粒的沉降速度，絮凝劑分子中的活性基團(tuán)會(huì)吸附在顆粒表面，進(jìn)而產(chǎn)生架橋作用將多個(gè)顆粒聚集在一起，形成絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)[10]；另一方面，細(xì)顆粒尾礦在表面理化作用下將產(chǎn)生“自絮凝”作用，即細(xì)顆粒在水中可以吸附異性離子，形成雙電層的帶電顆粒，在表面電場(chǎng)的作用下尾礦顆?；ハ辔罱?，形成具有一定強(qiáng)度的絮團(tuán)結(jié)構(gòu)[11]。全粒級(jí)尾礦中包含有大量超細(xì)顆粒（-20μm），單位重量下顆粒的總表面積較大，表面電場(chǎng)作用較強(qiáng)；同時(shí)由于具有較高的固體含量，漿體中顆粒平均距離較小，碰撞、搭接概率較大，絮凝作用強(qiáng)烈。上述條件為膏體尾礦內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形成提供了有利條件。

漿體絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為脆弱，在外力作用下結(jié)構(gòu)較易破壞，在卸掉外力時(shí)又很易搭接，因此其變化可由破壞和修復(fù)兩個(gè)可逆過(guò)程組成[12]。如圖1所示，結(jié)構(gòu)充分發(fā)育時(shí)，只要對(duì)漿體施加一定的外力，使之產(chǎn)生剪切變形，結(jié)構(gòu)就會(huì)被拉斷，破壞成若干絮團(tuán)；同時(shí)在此過(guò)程中破壞絮團(tuán)又相互搭接、修復(fù)，但破壞速率大于修復(fù)速率，因此漿體宏觀上表現(xiàn)為流動(dòng)性改善，表觀黏度降低。繼續(xù)增大剪切力，絮團(tuán)持續(xù)破壞，甚至成為完全分散的單個(gè)顆粒，此時(shí)顆粒在劇烈剪切作用下相互碰撞、搭接的概率較大，結(jié)構(gòu)修復(fù)與破壞達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，宏觀表現(xiàn)為表觀黏度趨近于一恒定值。因此，膏體尾礦的宏觀流動(dòng)行為與其細(xì)觀結(jié)構(gòu)的剪切變化密切相關(guān)。

2　穩(wěn)態(tài)剪切載荷下膏體流變行為試驗(yàn)

采用旋轉(zhuǎn)漿式流變儀，開(kāi)展穩(wěn)態(tài)剪切載荷下膏體尾礦流動(dòng)行為的試驗(yàn)研究，從膏體細(xì)觀結(jié)構(gòu)的角度對(duì)其宏觀流動(dòng)機(jī)制進(jìn)行了分析。

2.1　實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)材料來(lái)源于某銅礦選廠全粒級(jí)尾砂，密度2.66 t/m3，最大粒徑500 μm，平均粒徑52 μm，-20 μm含量達(dá)46.69%，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要將尾礦與水混合，制備成不同體積分?jǐn)?shù)的試驗(yàn)樣品。流變測(cè)試設(shè)備采用RS-SST槳式流變儀，配備規(guī)格V 40-20槳式轉(zhuǎn)子，SST包括2種測(cè)量模式，即控制剪切力模式（Controlled Shear Stress，CSS）和控制剪切速率模式（Controlled Shear Rate，CSR），能夠開(kāi)展穩(wěn)態(tài)剪切載荷下樣品的流變學(xué)測(cè)試。

2.2　膏體剪切屈服行為

配制4種不同體積分?jǐn)?shù)Cv的測(cè)試樣品，采用應(yīng)力掃描測(cè)試模式，即剪切應(yīng)力由0線性增加至某一特定值（根據(jù)Cv由低到高分別為60、80、200、350 Pa），測(cè)試時(shí)間為400 s。結(jié)果如圖2所示（圖中k為剪切速率，s-1），隨著剪切應(yīng)力τ的增大，樣品剪切應(yīng)變表現(xiàn)出3個(gè)不同階段的變化特征。當(dāng)τ小于某臨界值τc時(shí)，漿體結(jié)構(gòu)體系相對(duì)完整且穩(wěn)定，顆粒間還存在接觸力，形變量非常微弱，表現(xiàn)出類固態(tài)；當(dāng)τ大于顆粒結(jié)構(gòu)所能承受的最大應(yīng)力τc時(shí)，結(jié)構(gòu)體系開(kāi)始破壞形成小的絮團(tuán)，但其并沒(méi)有完全破壞而出現(xiàn)了類固態(tài)和類液態(tài)的共存，即固態(tài)—流態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)渡段，為區(qū)域Ⅱ；當(dāng)τ繼續(xù)增大，絮團(tuán)繼續(xù)破壞至更小的結(jié)構(gòu)，此時(shí)漿體發(fā)生整體流動(dòng)，此時(shí)流動(dòng)進(jìn)入?yún)^(qū)域Ⅲ；

結(jié)果表明：剪切載荷下，膏體存在明顯的屈服行為，但其固態(tài)向流態(tài)的轉(zhuǎn)化過(guò)程不是直接完成的，存在一個(gè)過(guò)渡變形區(qū)域。不同剪切速率范圍內(nèi)，漿體流變曲線的形態(tài)不同，對(duì)于管道輸送而言，剪切速率范圍一般＞10 s-1，膏體呈線性流動(dòng)，可采用Bingham模型描述其流動(dòng)特性。

2.3　膏體觸變行為

配制3種不同體積分?jǐn)?shù)Cv的測(cè)試樣品，采用剪切速率掃描測(cè)試模式，即剪切速率由0線性增加至120 s-1，然后再以相同斜率降低至0，測(cè)試時(shí)間為800 s，結(jié)果如圖3所示。觀察可知：剪切速率上升過(guò)程的剪應(yīng)力大于下降過(guò)程，這是由于剪切作用導(dǎo)致漿體結(jié)構(gòu)的破壞速率大于修復(fù)速率，則結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，剪切應(yīng)力相應(yīng)減??；下降過(guò)程中，隨著剪切速率減小，結(jié)構(gòu)的修復(fù)速率大于破壞，絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)得到恢復(fù)，但由于恢復(fù)需要一定的時(shí)間，即存在滯后性，因此在剪切速率上升及下降過(guò)程中形成了應(yīng)力滯后環(huán)，且體積分?jǐn)?shù)越高，滯后環(huán)的面積越大，其觸變性越強(qiáng)[13]；除此之外，低剪切速率下出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力峰值，其稱之為應(yīng)力過(guò)沖（stress overshoot），這是由于剪切流動(dòng)需克服屈服應(yīng)力，但其過(guò)程又存在滯后性，因此出現(xiàn)了應(yīng)力峰值，其表明漿體結(jié)構(gòu)具有較大的強(qiáng)度[14]。

觸變及應(yīng)力過(guò)沖現(xiàn)象的存在，表明膏體內(nèi)部存在較強(qiáng)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的形貌特征與其流變性質(zhì)密切相關(guān)。因此，樣品的剪切歷史對(duì)其流變測(cè)定具有重要的影響作用，不同的預(yù)處理狀態(tài)、試驗(yàn)操作方法等因素都可能導(dǎo)致流變測(cè)試結(jié)果的差異。

2.4　膏體應(yīng)力松弛行為

針對(duì)體積分?jǐn)?shù)一定的測(cè)試樣品（47.2%），施加一個(gè)恒定的剪切速率，設(shè)計(jì)剪切速率范圍為1～50 s-1，測(cè)試時(shí)間為900s。結(jié)果如圖4所示。在恒定剪切速率下，剪切應(yīng)力隨時(shí)間的持續(xù)逐漸減小，并最終趨于一個(gè)平衡值，上述過(guò)程稱之為應(yīng)力松弛[14]。應(yīng)力松弛是漿體內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的外部顯現(xiàn)，能夠表征膏體內(nèi)部結(jié)構(gòu)在不同剪切載荷下的破壞與重建過(guò)程，即剪切作用誘導(dǎo)膏體結(jié)構(gòu)破壞，強(qiáng)度減弱，從而導(dǎo)致剪切應(yīng)力減小，某一時(shí)刻結(jié)構(gòu)破壞與修復(fù)速率達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，則剪切應(yīng)力趨于穩(wěn)定。

綜上所述，膏體尾礦是一種典型的觸變屈服流體，其流變性質(zhì)不僅與自身理化性質(zhì)有關(guān)，還受到剪切歷史的影響。剪切載荷下，漿體的細(xì)觀結(jié)構(gòu)處于破壞和修復(fù)的動(dòng)態(tài)變化中，從而導(dǎo)致其流變性質(zhì)的持續(xù)變化，直至結(jié)構(gòu)達(dá)到破壞與修復(fù)的動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，流變性質(zhì)趨于穩(wěn)定。

3　膏體流變參數(shù)測(cè)定方法

3.1　觸變性對(duì)流變測(cè)定的影響

為分析膏體觸變性對(duì)其流變測(cè)定的影響，取恒定剪切試驗(yàn)（見(jiàn)圖4）中不同時(shí)刻t的剪切速率及相應(yīng)剪切應(yīng)力，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。觀察可知，剪切作用下，膏體任意時(shí)刻的流變曲線均可采用Bingham模型進(jìn)行描述，通過(guò)回歸擬合得到屈服應(yīng)力τy及塑性黏度μp。結(jié)果表明：τy，μp具有明顯的時(shí)變性，隨時(shí)間持續(xù)減小，并最終趨于一恒定值，此時(shí)漿體內(nèi)結(jié)構(gòu)的破壞和修復(fù)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，平衡時(shí)間約500 s。因此，對(duì)于長(zhǎng)距離管道輸送而言，膏體受到持續(xù)剪切作用，可認(rèn)為膏體在初始輸送段處于τy，μp持續(xù)變化的不穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)，而后較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)均為τy，μp恒定的穩(wěn)定流動(dòng)[15]。相較之下，結(jié)構(gòu)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的流變性質(zhì)更具有工程價(jià)值。

3.2　基于漿體結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的流變測(cè)定方法

根據(jù)前述研究結(jié)果，提出了一種針對(duì)膏體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)平衡（structure dynamic equilibrium）時(shí)流變性質(zhì)的測(cè)定方法，稱之為SDE法，如圖6所示。對(duì)試驗(yàn)樣品施加一恒定剪切速率，持續(xù)時(shí)間不小于其應(yīng)力平衡時(shí)間，此時(shí)漿體結(jié)構(gòu)的破壞與修復(fù)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。使剪切速率線性減小至0，則該過(guò)程中的剪切速率～剪應(yīng)力關(guān)系即為樣品的流變曲線，采用Bingham模型對(duì)曲線進(jìn)行擬合，可獲得樣品的屈服應(yīng)力τy及塑性黏度μp。測(cè)試過(guò)程中，恒定剪切速率的選取根據(jù)樣品在管道輸送、地表堆存等不同工藝中的具體工況設(shè)定。

SDE流變測(cè)試方法的優(yōu)點(diǎn)在于：①確保樣品測(cè)試前的漿體結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)相同，即均達(dá)到該剪切載荷下的動(dòng)態(tài)平衡，從而使測(cè)試具有較好的可比性和可重復(fù)性；②該方法排除了觸變性的影響，測(cè)試結(jié)果更具針對(duì)性，適合于對(duì)具體工藝作業(yè)中膏體流動(dòng)特性的分析。

3.3　應(yīng)用實(shí)例

某銅礦采用全尾砂膏體充填采礦法，尾砂物理性質(zhì)見(jiàn)2.1節(jié)，輸送管道內(nèi)徑D為150 mm，系統(tǒng)流量Q為60 m3/h，根據(jù)水力學(xué)計(jì)算公式（1），計(jì)算得相應(yīng)剪切速率約為100 s-1。

采用常規(guī)的控制剪切應(yīng)力（CSS）模式對(duì)樣品進(jìn)行流變測(cè)試[14]，設(shè)定剪切應(yīng)力線性增大至300 Pa，測(cè)試時(shí)間t為300 s。體積分?jǐn)?shù)45.5%、47.8%樣品的屈服應(yīng)力分別為129.5 Pa、184.5 Pa，塑性黏度分別為0.76 Pa·s、0.89 Pa·s；

上述2種方法測(cè)試結(jié)果的對(duì)比如圖7所示，結(jié)果顯示：SDE法對(duì)于屈服應(yīng)力τy及塑性黏度μp的測(cè)試結(jié)果小于CSS法，其原因是采用CSS法測(cè)試時(shí)，膏體內(nèi)部結(jié)構(gòu)未被破壞，發(fā)育較為完整，對(duì)應(yīng)的τy，μp值較大，但這與管道輸送持續(xù)剪切的特點(diǎn)并不相符，因此，相對(duì)而言，SDE流變測(cè)試法較CSS法更符合膏體在實(shí)際工況中的流動(dòng)特點(diǎn)，測(cè)試結(jié)果更具工程意義。

4　結(jié)論

（1）膏體尾礦是一種典型的觸變屈服流體，穩(wěn)態(tài)剪切載荷下存在明顯的剪切屈服、觸變及應(yīng)力松弛等粘彈性行為，且體積分?jǐn)?shù)越高，其觸變性越強(qiáng)。上述宏觀流動(dòng)行為是膏體細(xì)觀結(jié)構(gòu)剪切變化的外在表現(xiàn)。

（2）剪切歷史對(duì)膏體尾礦的流變性質(zhì)具有重要影響，剪切載荷下，漿體的細(xì)觀結(jié)構(gòu)處于破壞和修復(fù)的動(dòng)態(tài)變化中，從而導(dǎo)致其流變性質(zhì)的持續(xù)變化，直至結(jié)構(gòu)達(dá)到破壞與修復(fù)的動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，流變性質(zhì)趨于穩(wěn)定。

（3）剪切流動(dòng)過(guò)程中，膏體在任意狀態(tài)下的流變關(guān)系均可采用Bingham模型來(lái)進(jìn)行描述，其屈服應(yīng)力及塑性黏度隨剪切作用的增強(qiáng)逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定值。

（4）提出了一種稱之為SDE法的膏體流變測(cè)試方法，其特點(diǎn)在于確保測(cè)試樣品的初始結(jié)構(gòu)狀態(tài)相同，排除了觸變對(duì)流變測(cè)定的影響。采用SDE及常規(guī)的CSS法對(duì)某銅礦全尾充填膏體的流變性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)比表明：SDE法測(cè)定的屈服應(yīng)力τy及塑性黏度μp小于CSS法的測(cè)試結(jié)果，但其更符合管道輸送的實(shí)際工況特點(diǎn)。