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建筑和建筑材料
超细胶结物流变特性的实验研究
摘要
超细胶结充填(UCB)材料具有独特的流变特性。本文研究了掺加80%累积粒径(d（80）=9.72mu;m)的水泥和尾矿组成的UCB的流变行为。研究结果表明，UCB样品具有剪切变薄特性、具有时间依赖性非牛顿行为，并在长时间稳态剪切(300s-1剪切速率)下观察到了触变性和流变性。结果表明，与低剪切速率下剪切的试样相比，高剪切速率下的试样表观粘度较低。在低剪切速率(le;0.5s-1)下，表观粘度增加，直到达到局部峰值(或两个峰值)，然后才与高剪切速率测试的样品相似。研究还发现，随着固形物含量的增加，UCB的表观粘度逐渐增大。此外，随着水泥含量的增加，表观粘度上升，在水泥含量为6%时达到峰值。结果还证实了固体浓度分布随时间的变化以及水泥水化对UCB流变行为的影响。
关键词：超细水泥回填；超细尾矿；流变行为；按时间的固体浓度分布剖面图；热重量分析法
一、绪论
世界各地的采矿作业对安全和可持续性领域的行动和责任的需求有所增加[1][2]。为了满足这些要求，地下矿山正在使用的方法之一是水泥回填技术[3][4][5][6]。CB由尾矿、粉煤灰和渣、粘结剂和水等矿用废料混合而成[7][8]。一般情况下，CB是在位于矿山地表的回填厂中制备的，通过管道泵将其输送到地下回填区[9]。CB的可运输性是其应用中的关键性能指标，而CB的时变性是影响CB可运输性的重要因素之一。流变特性不仅影响输送，而且对管道磨损也有很大的影响[10][11]。
随着矿床的日益稀缺，低品位矿石被作为开采目标的现象越来越普遍。这些低品位矿石是一种资源和能源消耗较大的矿石，采用超细粉碎和分级是实现矿物充分释放和回收的必要条件[12][13]。超细粉碎过程直接导致大量的超细尾矿堆积，这些尾矿的累积粒径d(80)在10mu;m以下达到80%的累积通过，而且这种材料需要安全的安全壳[14]。这些超细尾矿可作为超细胶结充填材料之一，不仅可用于地下充填采矿，还可用于超细尾矿处置。
已经研究了细颗粒对新鲜CB、水泥浆体和矿物悬浮液流变行为的影响。CB中粒径小于20mu;m的细颗粒对CB的流变行为影响最大。细颗粒提供了所需的保水性能，以防止水的流出，更大的颗粒在回填中离析，并在CB运输过程中作为润滑剂[15]。本文报道了在不同固体浓度(高达45wt%)下，颗粒大小对磨削浆或致密聚集悬浮液流变性能的影响[16][17][18]。将粉煤灰、硅粉、生物炭等细粒材料作为掺合料，对水泥浆体的流变性能进行了改性[19][20][21][22]。研究发现，在高性能混凝土中，较细的颗粒具有较低的流动阻力和转矩粘度，且细颗粒对减水剂分子具有较强的多层吸附倾向[23]。研究了细粒配比对CB流变性能和力学性能的影响[24]，他们用滑塌试验来测量流变行为。然而，这些研究主要集中在粒径在20mu;m左右的d(80)细粉上，并没有对d(80)在10mu;m以下的UCB的流变性能进行专门的研究。超细材料具有比表面积大、体积比大等独特特性，了解这些特性对UCB流变性能的影响有助于优化UCB的应用。
本文对UCB的基本流变行为和随时间变化的流变行为进行了重点实验研究。试验采用不同的固形物含量、水泥含量、剪切速率和养护时间。给出并分析了UCB的典型流动曲线，以及屈服应力和表观粘度随剪切时间的变化规律。除了流变试验外，还分析了固体浓度分布随时间的变化以及UCB的微观结构，研究了沉降和水泥水化对UCB流变性能的影响。本文的结果是研究矿粉分配系统中流变学对磨损的影响的一个较大研究的一部分。
二、材料和方法
2.1材料
2.1.1粘结剂
用于制备UCB混合物的粘结剂是从加拿大温哥华的Basalite获得的硅酸盐水泥(GU型)。其化学成分和物理性质见表1。
|
化学成分(%) |
物理性质 |
||
|---|---|---|---|
|
C3S |
62 |
比重力 |
3.15 |
|
C2S |
12 |
||
|
C3A |
7 |
可溶性百分比 |
lt;1% |
|
C4AF |
10 |
||
|
石膏 |
3 |
比表面积 |
0.846 m2/g |
|
等效碱 |
0.53 |
||
表1.（GU）硅酸盐水泥的化学成分和物理性能
2.1.2超细模拟尾矿
矿石样品是从波利山煤矿获得的，它可能位于加拿大不列颠哥伦比亚省附近。波利山煤矿附近有一家铜金矿公司，每天开采大约20000吨黄金，平均饲料品位为0.417克/吨金和0.3%铜，每年生产约3500万磅铜和45000盎司黄金[25]。用旋转和圆锥破碎机将20公斤的亚样品(饲料尺寸为minus;50.8mm)分割粉碎，然后用棒磨将d(80)降至150mu;m。样品的化学成分和矿物学如表2表3所示。如表2所示，铜品位很低，可以用来模拟尾矿。
|
元素 |
铜 |
铁 |
硫 |
钙 |
磷 |
镁 |
钛 |
铝 |
钠 |
钾 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
百分比(wt%) |
0.18 |
5.31 |
0.12 |
1.68 |
0.12 |
1.03 |
0.13 |
1.82 |
0.27 |
0.27 |
表2：波利山矿石样品的化学成分
|
矿物 |
理想公式 |
百分比(wt%) |
|---|---|---|
|
阿纳西姆 |
Na[AlSi2O6]·H2O |
2.5 |
|
方解石 |
CaCO3 |
2.3 |
|
辉石 |
(Ca,K,Na)4[Al4Si8O24]·12H2O |
0.6 |
|
克林诺克洛尔 |
(Mg,Fe2 )5Al(Si3Al)O10(OH)8 |
7.1 |
|
透辉石 |
CaMgSi2O6 |
8.5 |
|
赤铁矿 |
alpha;-Fe2O3 |
0.1 |
|
钾长石 |
KAlSi3O8 |
18.2 |
|
磁铁矿 |
Fe3O4 |
8.1 |
|
白云母 |
KAl2AlSi3O10(OH)2 |
7.5 |
|
斜长石 |
NaAlSi3O8-CaAlSi2O8 |
38.1 |
|
普雷纳 |
Ca2Al2Si3O10(OH)2 |
6.7 |
|
石英 |
SiO2 |
0.1 |
|
钠铁矿 |
Na8Al6Si6O24C12 |
0.1 |
|
钠长石 |
(Ca0.5Na,K)9[Al9Si27O72]·28H2O |
0.2 |
表3.对波利山矿石样品进行了QXRD分析
采用Netzsch LME 4水平搅拌磨机制备了超细模拟尾矿(UST)样品.艾萨克磨坊是澳大利亚伊萨山矿业公司开发的一种高速搅拌磨机，用于矿物的经济研磨，使其细磨和超细粉磨[26]。采用搅拌磨在1500转/分，装药量为80%的条件下，对minus;150mu;m波利山矿样进行了处理。陶瓷球，KeramaxMT1(2mm)为研磨介质。研磨后，所有UST样品都被收集、分离、完全混合和分离，以确保它们在开始测试之前是均匀的。利用MalvinMastersizer 2000激光衍射粒度分析仪对每个UST样品的粒度分布进行了测量，并给出了测量结果。d(50)和d(80)分别为4.36mu;m和9.72mu;m。尾矿的比重为2.67，比表面积为2.47m2/g。
2.1.3水
用蒸馏水将粘合剂与UST混合。计算和测量了水的数量，以获得所需浓度的UCB混合物。
2.2样品制备
制备了不同固形物含量和粘结剂含量的UCB样品。样品的固体含量由方程定义。(1)w为固体含量，Md为干物质质量，MW为水质量。在这项研究中，干材料包括水泥和UST，从而允许当量。(1)将其扩展到Eq中所示的表达式。(2)Mc是水泥的质量，MT是UST的质量。水泥(粘结剂)含量由等式定义。(3)c为水泥含量。
将UST、水泥和水混合均匀，搅拌大约5分钟，在流变测试前产生所需的UCB混合物。表4概述了所制备混合物的详细成分比例。由于UST的最大填料密度略高于60 wt%，因此设计的固体含量较低。如果需要增加UCB的固体含量，可以考虑使用减水剂和其
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资料编号：[2667]
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