膏体尾矿流变行为的宏细观分析及其测定方法

刘晓辉

（华北科技学院安全工程学院，河北廊坊，065201）

近年来，尾矿膏体处置技术在矿山得到了广泛应用，选厂尾砂经过全粒级深度浓缩后，形成稳定性较好的膏状流体，再通过加压泵管道输送至地表堆存或充填至井下空区，可以有效减少尾矿库的沉降面积，提高尾矿库安全性，改善空区充填的接顶效果。与传统低浓度尾矿浆相比，膏体具有固体质量分数高、细颗粒（-20 μm）含量大等特点，在管道内呈结构状均质流动，即所谓的“结构流”浆体（structured fluids）[1]。结构流体流动过程中表现出明显的非牛顿流体特性，流变学理论是研究其管内流动特性更为有效的手段，相关学者基于Bingham或H-B流变模型，对膏体在管道内的流动形态、运动规律及阻力特性等内容进行了分析，并取得了一些有益的研究成果。但同时，由于流变测试仪器多种多样，以及操作标准不统一等原因，试验重复性较差，同一样品的测试结果往往存在较大差异，从而影响了流变学理论在工程设计中的应用。

Nguyen等[2，3]运用6种不同的测量方法对高浓度悬浮液的屈服应力进行了测量，发现6种方法所测出的屈服应力差异较大。Liddell[4]研究表明，同轴圆柱检测法得到的屈服应力明显小于桨式转子检测法的结果。Aaron对水泥浆的研究[5]表明，即使是利用同一台流变仪，不同的转速下检测出来的屈服应力结果也是不同的，转子转速越快，检测屈服应力越大。吴爱祥等[6]分别利用RS-SST桨式流变仪对膏体的屈服应力进行了测试，结果表明：桨式流变仪的操作方法不同，其屈服应力检测结果相差较大。Alderman[7]及Nguyen[3]研究发现：浆式流变仪能够有效降低壁面滑移效应的影响，同时转子插入过程中不会对浆体结构造成破坏。等[8]指出浓密尾矿具有触变性，且对其流变特性的测试具有重要的影响作用。Pornillos[9]对不同搅拌时间尾矿膏体的屈服应力进行了测试，结果表明：屈服应力值随搅拌时间逐渐减小，最终趋于平衡状态。Nguyen[2]在对高浓度赤泥流变性质的研究中发现，浆体表观黏度随剪切时间逐渐减小，最终趋于稳定值。

上述研究结果表明：相比之下，旋转浆式流变仪对于结构流体的流变测试具有较好的适用性，但其仍然存在2个方面的问题：一是缺乏统一、规范的测试标准；二是样品在流动过程中伴随有触变、应力松弛等粘弹性行为，其对流变性质的测定具有重要影响。因此，本研究采用旋转浆式流变仪，开展了稳态剪切载荷下膏体的流变行为测试，研究了膏体细观结构变化与其宏观力学行为的响应关系，分析了触变性对流变测定的影响，最终提出了一种基于浆体结构动力学理论的流变测定方法。

1　膏体细观结构及其剪切变化

膏体尾矿内部絮网结构（flocculated framework）的形成机制主要包括以下2方面：一是在尾砂浓密脱水过程中，通过添加絮凝剂来加快尾砂颗粒的沉降速度，絮凝剂分子中的活性基团会吸附在颗粒表面，进而产生架桥作用将多个颗粒聚集在一起，形成絮网结构[10]；另一方面，细颗粒尾矿在表面理化作用下将产生“自絮凝”作用，即细颗粒在水中可以吸附异性离子，形成双电层的带电颗粒，在表面电场的作用下尾矿颗粒互相吸引搭接，形成具有一定强度的絮团结构[11]。全粒级尾矿中包含有大量超细颗粒（-20μm），单位重量下颗粒的总表面积较大，表面电场作用较强；同时由于具有较高的固体含量，浆体中颗粒平均距离较小，碰撞、搭接概率较大，絮凝作用强烈。上述条件为膏体尾矿内部结构的形成提供了有利条件。

浆体絮网结构较为脆弱，在外力作用下结构较易破坏，在卸掉外力时又很易搭接，因此其变化可由破坏和修复两个可逆过程组成[12]。如图1所示，结构充分发育时，只要对浆体施加一定的外力，使之产生剪切变形，结构就会被拉断，破坏成若干絮团；同时在此过程中破坏絮团又相互搭接、修复，但破坏速率大于修复速率，因此浆体宏观上表现为流动性改善，表观黏度降低。继续增大剪切力，絮团持续破坏，甚至成为完全分散的单个颗粒，此时颗粒在剧烈剪切作用下相互碰撞、搭接的概率较大，结构修复与破坏达到动态平衡，宏观表现为表观黏度趋近于一恒定值。因此，膏体尾矿的宏观流动行为与其细观结构的剪切变化密切相关。

2　稳态剪切载荷下膏体流变行为试验

采用旋转浆式流变仪，开展稳态剪切载荷下膏体尾矿流动行为的试验研究，从膏体细观结构的角度对其宏观流动机制进行了分析。

2.1　实验材料及设备

实验材料来源于某铜矿选厂全粒级尾砂，密度2.66 t/m3，最大粒径500 μm，平均粒径52 μm，-20 μm含量达46.69%，根据实验需要将尾矿与水混合，制备成不同体积分数的试验样品。流变测试设备采用RS-SST桨式流变仪，配备规格V 40-20桨式转子，SST包括2种测量模式，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），能够开展稳态剪切载荷下样品的流变学测试。

2.2　膏体剪切屈服行为

配制4种不同体积分数Cv的测试样品，采用应力扫描测试模式，即剪切应力由0线性增加至某一特定值（根据Cv由低到高分别为60、80、200、350 Pa），测试时间为400 s。结果如图2所示（图中k为剪切速率，s-1），随着剪切应力τ的增大，样品剪切应变表现出3个不同阶段的变化特征。当τ小于某临界值τc时，浆体结构体系相对完整且稳定，颗粒间还存在接触力，形变量非常微弱，表现出类固态；当τ大于颗粒结构所能承受的最大应力τc时，结构体系开始破坏形成小的絮团，但其并没有完全破坏而出现了类固态和类液态的共存，即固态—流态转变的过渡段，为区域Ⅱ；当τ继续增大，絮团继续破坏至更小的结构，此时浆体发生整体流动，此时流动进入区域Ⅲ；

结果表明：剪切载荷下，膏体存在明显的屈服行为，但其固态向流态的转化过程不是直接完成的，存在一个过渡变形区域。不同剪切速率范围内，浆体流变曲线的形态不同，对于管道输送而言，剪切速率范围一般＞10 s-1，膏体呈线性流动，可采用Bingham模型描述其流动特性。

2.3　膏体触变行为

配制3种不同体积分数Cv的测试样品，采用剪切速率扫描测试模式，即剪切速率由0线性增加至120 s-1，然后再以相同斜率降低至0，测试时间为800 s，结果如图3所示。观察可知：剪切速率上升过程的剪应力大于下降过程，这是由于剪切作用导致浆体结构的破坏速率大于修复速率，则结构强度降低，剪切应力相应减小；下降过程中，随着剪切速率减小，结构的修复速率大于破坏，絮网结构得到恢复，但由于恢复需要一定的时间，即存在滞后性，因此在剪切速率上升及下降过程中形成了应力滞后环，且体积分数越高，滞后环的面积越大，其触变性越强[13]；除此之外，低剪切速率下出现了明显的应力峰值，其称之为应力过冲（stress overshoot），这是由于剪切流动需克服屈服应力，但其过程又存在滞后性，因此出现了应力峰值，其表明浆体结构具有较大的强度[14]。

触变及应力过冲现象的存在，表明膏体内部存在较强的网状结构，结构的形貌特征与其流变性质密切相关。因此，样品的剪切历史对其流变测定具有重要的影响作用，不同的预处理状态、试验操作方法等因素都可能导致流变测试结果的差异。

2.4　膏体应力松弛行为

针对体积分数一定的测试样品（47.2%），施加一个恒定的剪切速率，设计剪切速率范围为1～50 s-1，测试时间为900s。结果如图4所示。在恒定剪切速率下，剪切应力随时间的持续逐渐减小，并最终趋于一个平衡值，上述过程称之为应力松弛[14]。应力松弛是浆体内部结构变化的外部显现，能够表征膏体内部结构在不同剪切载荷下的破坏与重建过程，即剪切作用诱导膏体结构破坏，强度减弱，从而导致剪切应力减小，某一时刻结构破坏与修复速率达到动态平衡，则剪切应力趋于稳定。

综上所述，膏体尾矿是一种典型的触变屈服流体，其流变性质不仅与自身理化性质有关，还受到剪切历史的影响。剪切载荷下，浆体的细观结构处于破坏和修复的动态变化中，从而导致其流变性质的持续变化，直至结构达到破坏与修复的动态平衡时，流变性质趋于稳定。

3　膏体流变参数测定方法

3.1　触变性对流变测定的影响

为分析膏体触变性对其流变测定的影响，取恒定剪切试验（见图4）中不同时刻t的剪切速率及相应剪切应力，统计结果如图5所示。观察可知，剪切作用下，膏体任意时刻的流变曲线均可采用Bingham模型进行描述，通过回归拟合得到屈服应力τy及塑性黏度μp。结果表明：τy，μp具有明显的时变性，随时间持续减小，并最终趋于一恒定值，此时浆体内结构的破坏和修复达到动态平衡，平衡时间约500 s。因此，对于长距离管道输送而言，膏体受到持续剪切作用，可认为膏体在初始输送段处于τy，μp持续变化的不稳定流动状态，而后较长时间内均为τy，μp恒定的稳定流动[15]。相较之下，结构达到动态平衡时的流变性质更具有工程价值。

3.2　基于浆体结构动力学的流变测定方法

根据前述研究结果，提出了一种针对膏体结构动态平衡（structure dynamic equilibrium）时流变性质的测定方法，称之为SDE法，如图6所示。对试验样品施加一恒定剪切速率，持续时间不小于其应力平衡时间，此时浆体结构的破坏与修复达到动态平衡。使剪切速率线性减小至0，则该过程中的剪切速率～剪应力关系即为样品的流变曲线，采用Bingham模型对曲线进行拟合，可获得样品的屈服应力τy及塑性黏度μp。测试过程中，恒定剪切速率的选取根据样品在管道输送、地表堆存等不同工艺中的具体工况设定。

SDE流变测试方法的优点在于：①确保样品测试前的浆体结构的初始状态相同，即均达到该剪切载荷下的动态平衡，从而使测试具有较好的可比性和可重复性；②该方法排除了触变性的影响，测试结果更具针对性，适合于对具体工艺作业中膏体流动特性的分析。

3.3　应用实例

某铜矿采用全尾砂膏体充填采矿法，尾砂物理性质见2.1节，输送管道内径D为150 mm，系统流量Q为60 m3/h，根据水力学计算公式（1），计算得相应剪切速率约为100 s-1。

采用常规的控制剪切应力（CSS）模式对样品进行流变测试[14]，设定剪切应力线性增大至300 Pa，测试时间t为300 s。体积分数45.5%、47.8%样品的屈服应力分别为129.5 Pa、184.5 Pa，塑性黏度分别为0.76 Pa·s、0.89 Pa·s；

上述2种方法测试结果的对比如图7所示，结果显示：SDE法对于屈服应力τy及塑性黏度μp的测试结果小于CSS法，其原因是采用CSS法测试时，膏体内部结构未被破坏，发育较为完整，对应的τy，μp值较大，但这与管道输送持续剪切的特点并不相符，因此，相对而言，SDE流变测试法较CSS法更符合膏体在实际工况中的流动特点，测试结果更具工程意义。

4　结论

（1）膏体尾矿是一种典型的触变屈服流体，稳态剪切载荷下存在明显的剪切屈服、触变及应力松弛等粘弹性行为，且体积分数越高，其触变性越强。上述宏观流动行为是膏体细观结构剪切变化的外在表现。

（2）剪切历史对膏体尾矿的流变性质具有重要影响，剪切载荷下，浆体的细观结构处于破坏和修复的动态变化中，从而导致其流变性质的持续变化，直至结构达到破坏与修复的动态平衡时，流变性质趋于稳定。

（3）剪切流动过程中，膏体在任意状态下的流变关系均可采用Bingham模型来进行描述，其屈服应力及塑性黏度随剪切作用的增强逐渐减小，最终趋于稳定值。

（4）提出了一种称之为SDE法的膏体流变测试方法，其特点在于确保测试样品的初始结构状态相同，排除了触变对流变测定的影响。采用SDE及常规的CSS法对某铜矿全尾充填膏体的流变性质进行了测试，对比表明：SDE法测定的屈服应力τy及塑性黏度μp小于CSS法的测试结果，但其更符合管道输送的实际工况特点。