全尾砂-水淬渣膏体性能参数测试方法研究

查看文章中的例图请在【资料书籍】频道中选择对应的书籍下载

0  引言

    云南某矿是探、采、选、冶大型联合企业，是我国重要的铅、锌、锗基地。在50多年的生产过程中，矿山积存了60多万吨的选矿尾砂和100多万吨炼铅水淬渣，而且尾砂和水淬渣每年仍大量排放并积存[1]。由于大量的工业废物在地表堆存，既占用了土地又对环境造成污染；加上深部矿体有矿岩破碎、原岩应力大和存在岩爆的可能。

    该矿采用全尾砂和水淬渣为骨料、水泥为主要胶结材料，加水所配置不同要求的浆体。不是所有的浆体都能成为膏体，只有当物料级配满足一定条件时，才能通过浓度改变转变成膏体。膏体具有稳定、流动和可塑性；将符合要求的膏体在外力(重力、泵压等)的作用下沿着管道输入采空区完成充填称为膏体充填[2]。其具有水泥的消耗量少、充填体强度和质量可靠、膏体可输和无需脱水、解决环境问题等诸多优点。正因为膏体充填的广泛应用前景，结合该矿实际情况对深部矿体开采采用上(下)向进路胶结充填采矿法，目前正在建设全尾砂-水淬渣膏体泵送充填系统[3]。该技术在我国经过十几年的发展，现已有几座矿山建成了膏体泵送充填系统，但各矿山的具体情况并不相同，膏体充填材料性能特征的检测方法和判别指标有多种：有采用浓度、塌落度和饱和度作为指标的；有采用工作度(黏度、屈服应力)、稠度和结构指数作为指标的；还有的用雷诺数作为指标等[2]。这些都是在混凝土学基础上特定的经验总结，在某种条件和范围下的应用。该矿根据膏体充填的基本特征并结合实际，实验中对浆体(包括膏体)进行的测试选取了4个性能指标：塌落度、稠度、分层度、泌水率，分别采用塌落度桶、砂浆稠度仪、砂浆分层度仪及量杯对上述浆体四个性能指标进行了测试并收集了所得实验数据，分别检验了各个仪器在实验中的适用性和准确性，为矿山实现全尾砂-水淬渣膏体泵送充填提供了参考依据。1膏体性能参数的测试

1．1塌落度测试

    所有实验取样的骨料均来自该矿尾矿库储留的尾砂，其加权平均粒径为11．66μm，化学成分主要包括：CaO、MgO、Si02、A1203、S、Pb、Zn、 TFe，其中CaO含量约30％、MgO约10％；炼铅厂的水淬渣其加权平均粒径为1 600．05μm，实验测得化学成分包括：Fe2O3、SiO2、CaO、Al203、 MgO、S，其中Fe203、SiO2分别占1/3，CaO在15％左右。两种骨料经过脱水、晒干再用烘箱检验以控制含水率在1‰供实验采用，胶结材料选用425#普通硅酸盐水泥。

    对全尾砂-水淬渣浆体塌落度的测试选择混凝土实验中常用的塌落度桶为主要测量仪器，为无顶、无底铁皮筒(如图1)。实验按照质量浓度76％～84％、不同的骨料比、灰砂比分别配制浆体，将配制后的浆体拌和物按规定方法装入桶内，捣实刮平，垂直向上将筒提起，浆体拌和物因自重将产生塌落现象，量出筒上截面与塌落浆体最高点之间的高度。为了减少各种误差，实验过程遵循了下述要求：在装满浆体的塌落度桶内，排除桶内的空气，避免气泡夹杂在浆体中；在必要的情况下敲击垫在桶下的钢板，在振动下让浆体自然捣实，高出上截面的浆体用滑铲轻轻地刮平；拔桶的时候速度、力度、方向都要很好地控制；同种情况下的浆体一般测试至少3次；实验中对浆体选取了更宽范围的质量浓度范围(76％～84％)、骨料比、灰砂比覆盖并超过了膏体的范畴，以便获得更多的参考数据供分析。

经过大量实验验证了塌落度桶的效果，在测得所有质量浓度下不同配比浆体的塌落度后，塌落度直观上看会表现出3种常见的情况，如图2。从所获得的数据来看，不论横向还是纵向都具有规律性，只是某些情况下明显或规律性不强，塌落度桶对数值范围在100～250mm的测量准确、误差很小，这些浆体也基本符合所要求的膏体特征，而在这个范围以外(低于100mm和高于250mm)，塌落度桶一般误差较大、几乎没有参考意义。

1．2稠度测试

    稠度又叫流动度，表示浆体以胶质体的形态流动。浆体稠度测试采用砂浆稠度仪，其基本构造如图3所示。将充分搅拌后的全尾砂-水淬渣浆体按规定的方法装入盛料容器，矫正好试锥和齿条测杆，然后打开制动螺丝让试锥落于浆体，此时刻度盘上的值与实验前在刻度盘上值的差就是测得的稠度。为了更好地配合砂浆稠度仪的测量，实验时注意以下环节：在盛料容器内让砂浆表面低于该容器表面1cm，并在10秒内完成测定试锥的下沉深度；由于稠度仪在多次测量后有可能移位或吻合不好，所以每次实验前必须校正实验台，让砂浆面与盛料容器面平行、试锥的尖部指在盛料容器内砂浆表面的中心；试锥的清洗、制动螺丝的打开、滑杆的矫正和读数等都应由有经验的人员完成，测定结果应经过3次或更多次后取平均值。

在利用砂浆稠度仪完成各浓度不同配比实验后，从获得的大量数据分析发现：用砂浆稠度仪测得的数值以浓度(同种骨料一灰砂比)为自变量，有很好的规律性；在面对极端或临界情况时，会存在明显的测量误差。如质量浓度在84％、全尾砂-水淬渣比为75：25、灰砂比为1：4时，砂浆表面就难以抚平，若强行抚平势必影响测量的准确性。多次测试结果存在明显的偏差；又如质量浓度在76％、全尾砂-水淬渣比为50：50、灰砂比为1：12时，由于水淬渣所占的比例大，且粒径分布不均匀、保水性差，实验过程中甚至会出现浆体溅出，实验结果偏差明显偏大。从一系列实验后所得数据经分析发现，用砂浆稠度仪测量稠度值在7．5～12cm之间的浆体非常理想，3次测量结果之间的偏差很小。

1．3分层度测试

分层度是指构成膏体充填料的固体颗粒之间产生了相对运动，导致了固体颗粒在垂直断面上分布不均匀性。分层度用砂浆稠度仪和砂浆分层度仪联合进行测定，其基本结构如图4所示。分层度的检测方法：1)用砂浆稠度仪检测搅拌均匀的浆体的稠度C1；2)将搅拌均匀的浆体装满分层度桶中并静置30分钟，让砂浆离析分层；3)将分层度桶上部的砂浆去除，取其下部砂浆，测其再次搅拌均匀后的稠度C2。C1与C2之差就是分层度F。实验按照规定的方法配合分层度检测仪器完成了各种不同配比浆体的测试，但实验结果的规律性并没有想象中的合理，由于是两种仪器联合测试，给实验的操作增添了难度，对实验也需要更高的要求。实验表明，C1与C2的差值不大，实验结果中没有出现分层度太大(10mm)的情况；同时实验发现30分钟的静置标准对质量浓度相对较高的全尾砂-水淬渣浆体效果不佳；C1和C2在用砂浆稠度仪测试稠度时都有存在误差的可能，误差的叠加影响了分层度测试的准确性，如某些结果显示没有出现分层，或测值为负，这种情况显然是由于操作误差引起的，证明砂浆稠度仪和分层度仪联合进行测定分层度的实验操作易产生误差，数据结果不精确，曲线图也明显显示出波动和离散。

1．4泌水率测试

泌水率是指让浆体静置60分钟后，泌出的清水与浆体含水总量之比即为泌水率。泌水率用量杯测定，实验中先将搅拌均匀的全尾砂-水淬渣浆体盛人量杯，用天平测其砂浆重量M，并换算出其中水的含量M(1-r)，r为料浆的质量浓度；静置60分钟后，用合理的泌水工具将砂浆表面清水缓缓吸出，测出清水质量w，泌出清水与浆体含水总量之比即为泌水率R=W/M(1-r)，一般同时用3个量杯测试后取平均值。经实验表明泌水率明显与浆体浓度、骨料比、水灰比等因素密切相关。实验取得的数据除个别点离散外，但总体趋势有规律，说明测试结果具有较好的参考价值。

2实验案例分析

    根据在云南某矿所进行的实验，选取了全尾砂与水淬渣之比为75：25，灰砂比为1：4、1：8、1：12，质量浓度76％～82％的一组实验数据，如表1和图5所示。

    ——从表1和图5中看出，浆体塌落度值和稠度值都随浓度的增加有规律性的变小，表明选取的实验方法对两个参数的测试合理；在同等浓度条件下，浆体塌落度值、稠度值随灰砂比的变大而减小；浆体浓度在76％～79％时，塌落度值都>25cm、稠度值也都>11cm，并不符合膏体特征；浆体浓度从80％提高到82％时，塌落度和稠度迅速降低且数据显示膏体特征由逐渐符合到重新不符合，可初步认定膏体充填料浆浓度范围在79％～81％之间，并且在此范围内塌落度桶、砂浆稠度仪测量准确。

    ——当浓度低于79％，浆体塌落度值和稠度值与灰砂比是弱相关性，曲线几乎重叠在一起；浓度高于79％时，浆体塌落度值和稠度值随灰砂比的改变使曲线有较明显的分支。看来低于79％浓度的浆体塌落度和稠度用塌落度桶和砂浆稠度仪检测的灵敏度不高，用相对稍高浓度的浆体测试更准确。

    ——从数据曲线图上看，分层度是4个参数里表现规律性最差的，其值有先增后减趋势并伴有峰值出现，在浓度76％～79％之间且有一定的规律；在79％以上数据较为离散，不论横向还是纵向都没表现出规律．看来高浓度下用砂浆稠度仪和砂浆分层度仪联合进行测定的实验难度很大，还需要改进实验的各个环节操作以减少误差。

——浆体泌水率虽然在某些浓度点出现反常现象，但总趋势是随浓度的提高不断下降，尽管实验中并未考虑泌水率与浆体粒径分布和浆体保水性等其它因素，用量杯所测数据仍然比较合理。

3  结语

通过在实验中选择了更大范围质量浓度(76％～84％)，充分检验了实验仪器的测试能力，检验结果表明实验采用的塌落度筒、砂浆稠度仪、砂浆分层度仪与量杯等主要测量仪器对浆体的主要性能参数进行了测试后，证明这些仪器适用于接近膏体或膏体范围内浆体参数测定，所得数据合理且具有规律性，是该矿山膏体实验室可采纳的简单实用的测试仪器；砂浆稠度仪和砂浆分层度仪联合测定分层度的实验还存在一定难度需进一步改进；同时也表明实验中使用这些仪器进行测试的过程中对人为和环境误差要求较严。