工程科学学报，第40卷，第8期：918-924,2018年8月 Chinese Journal of Engineering,Vol.40,No.8:918-924,August 2018 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2018.08.004;http://journals.ustb.edu.cn 泵送剂对高含泥膏体流变特性影响及机理 张连富2)，吴爱祥12)，王洪江12) 1)北京科技大学土木与资源工程学院，北京1000832)金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:wuaixiang(@126.com 摘要高含泥尾矿由于其屈服应力大的特点，流动性能差，不利于管道输送.为改善流动性能，设计流变特性试验，对泵送 剂影响高含泥膏体流变特性的机理进行分析·研究结果表明，膏体在不同泵送剂添加量情况下，浆体质量分数与屈服应力之 间存在显著的线性关系.对该线性函数作进一步分析，发现泵送剂添加量与该函数的截距和斜率之间存在显著的指数关系. 最终得出不同泵送剂添加量和浆体质量分数情况下的屈服应力预测函数，能够有效表征泵送剂对高含泥膏体流变特性的影 响，有利于泵送剂添加量的预测与膏体流动性能的控制.基于上述预测模型，提出泵送剂对高含泥膏体流变特性的影响机理. 通过环境扫描电镜(SEM)发现泵送剂破坏了絮团结构，添加量在1%左右时破坏最明显.泵送剂使得絮团尺寸变小，进而造 成屈服应力的降低：后期由于絮团间距增加，絮团间的作用力削弱，絮团结构破坏速度放缓，与理论分析一致. 关键词高含泥：膏体输送：泵送剂：流变特性：絮团 分类号TD853 Effects and mechanism of pumping agent on rheological properties of highly muddy paste ZHANG Lian-fu),WU Ai-xiang),WANG Hong-jiang) 1)School of Civil and Resource Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)Key Laboratory of Ministry of Education of China for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:wuaixiang@126.com ABSTRACT Paste backfilling technology,by which tailings paste is transported into underground stopes,does not only relieve the environmental pressure caused by increasing volumes of tailings ponds,but also averts the potential dangers of underground goaf.How- ever,because of the complex characteristics of some mine tailings,it is challenging to adopt the paste backfilling technology for tailings disposal,as the pipeline transportation of highly muddy pastes is difficult because of the poor flowability caused by high yield stress.To improve the flowability of tailings pastes,a rheological experimental setup have been designed to investigate the mechanism of how pum- ping agents affect the rheological properties of a highly muddy paste.The results show that a significant linear relationship exists be- tween the tailings paste concentration and corresponding yield stress,with different pumping agent dosages.Further analysis reveals a significant exponential relationship between pumping agent dosage and slope (or intercept)of the linear function.Finally,the predic- tion function for the yield stress is proposed,considering the pumping agent dosage and tailings paste concentration.This can charac- terize how the pumping agent influences the rheological properties of a highly muddy paste and enable precise forecasting of the pumping agent dosage and management of slurry flowability.Based on the prediction model,the effect mechanism of pumping agent on a highly muddy tailings paste rheology is proposed.Based on the analysis of the images observed from an environmental scanning electron micro- scope (ESEM),it is found that the presence of pumping agent causes the destruction of flocs in tailings pastes.Meanwhile,the opti- mal dosage of pumping agent suggested by experiments is about 1%.Furthermore,the pumping agent accounts for floc size shrinkage and consequently yield stress reduction.Moreover,increasing the distance between broken flocs weakens their interactions and slows down the flocs destruction rate.The observations agree with the theoretical analysis results. KEY WORDS high-mud;paste transport;pumping agent;rheological property;flocs 收稿日期：2017-08-16 基金项目：国家重点研发计划资助项目(2017YFC0602903):国家自然科学基金资助项目(51574013)
工程科学学报,第 40 卷,第 8 期:918鄄鄄924,2018 年 8 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 40, No. 8: 918鄄鄄924, August 2018 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2018. 08. 004; http: / / journals. ustb. edu. cn 泵送剂对高含泥膏体流变特性影响及机理 张连富1,2) , 吴爱祥1,2) 苣 , 王洪江1,2) 1) 北京科技大学土木与资源工程学院, 北京 100083 2) 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室, 北京 100083 苣 通信作者, E鄄mail: wuaixiang@ 126. com 摘 要 高含泥尾矿由于其屈服应力大的特点,流动性能差,不利于管道输送. 为改善流动性能,设计流变特性试验,对泵送 剂影响高含泥膏体流变特性的机理进行分析. 研究结果表明,膏体在不同泵送剂添加量情况下,浆体质量分数与屈服应力之 间存在显著的线性关系. 对该线性函数作进一步分析,发现泵送剂添加量与该函数的截距和斜率之间存在显著的指数关系. 最终得出不同泵送剂添加量和浆体质量分数情况下的屈服应力预测函数,能够有效表征泵送剂对高含泥膏体流变特性的影 响,有利于泵送剂添加量的预测与膏体流动性能的控制. 基于上述预测模型,提出泵送剂对高含泥膏体流变特性的影响机理. 通过环境扫描电镜(ESEM)发现泵送剂破坏了絮团结构,添加量在 1% 左右时破坏最明显. 泵送剂使得絮团尺寸变小,进而造 成屈服应力的降低;后期由于絮团间距增加,絮团间的作用力削弱,絮团结构破坏速度放缓,与理论分析一致. 关键词 高含泥; 膏体输送; 泵送剂; 流变特性; 絮团 分类号 TD853 收稿日期: 2017鄄鄄08鄄鄄16 基金项目: 国家重点研发计划资助项目(2017YFC0602903);国家自然科学基金资助项目(51574013) Effects and mechanism of pumping agent on rheological properties of highly muddy paste ZHANG Lian鄄fu 1,2) , WU Ai鄄xiang 1,2) 苣 , WANG Hong鄄jiang 1,2) 1) School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Key Laboratory of Ministry of Education of China for High鄄Efficient Mining and Safety of Metal Mines, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E鄄mail: wuaixiang@ 126. com ABSTRACT Paste backfilling technology, by which tailings paste is transported into underground stopes, does not only relieve the environmental pressure caused by increasing volumes of tailings ponds, but also averts the potential dangers of underground goaf. How鄄 ever, because of the complex characteristics of some mine tailings, it is challenging to adopt the paste backfilling technology for tailings disposal, as the pipeline transportation of highly muddy pastes is difficult because of the poor flowability caused by high yield stress. To improve the flowability of tailings pastes, a rheological experimental setup have been designed to investigate the mechanism of how pum鄄 ping agents affect the rheological properties of a highly muddy paste. The results show that a significant linear relationship exists be鄄 tween the tailings paste concentration and corresponding yield stress, with different pumping agent dosages. Further analysis reveals a significant exponential relationship between pumping agent dosage and slope (or intercept) of the linear function. Finally, the predic鄄 tion function for the yield stress is proposed, considering the pumping agent dosage and tailings paste concentration. This can charac鄄 terize how the pumping agent influences the rheological properties of a highly muddy paste and enable precise forecasting of the pumping agent dosage and management of slurry flowability. Based on the prediction model, the effect mechanism of pumping agent on a highly muddy tailings paste rheology is proposed. Based on the analysis of the images observed from an environmental scanning electron micro鄄 scope (ESEM), it is found that the presence of pumping agent causes the destruction of flocs in tailings pastes. Meanwhile, the opti鄄 mal dosage of pumping agent suggested by experiments is about 1% . Furthermore, the pumping agent accounts for floc size shrinkage and consequently yield stress reduction. Moreover, increasing the distance between broken flocs weakens their interactions and slows down the flocs destruction rate. The observations agree with the theoretical analysis results. KEY WORDS high鄄mud; paste transport; pumping agent; rheological property; flocs
张连富等：泵送剂对高含泥膏体流变特性影响及机理 .919· 膏体充填技术由于其不分层、不离析、不沉淀的 径颗粒对料浆的流变性能影响最为显著)，本实验 特点[山，受到矿山企业的青睐.膏体充填不仅能够 中所用尾砂中泵送剂的掺量应比普通尾砂有所提 降低水泥的消耗，还能够有效接顶，减少排水，并使 高，试验设计时泵送剂掺量的变化范围要足够大，所 得矿山产生的尾砂得到充分利用2-)].这不仅显著 以最大泵送剂掺量设定为8%，其中泵送剂掺量按 控制了充填采空区的成本，还能够改善环境污染问 照胶结剂的质量分数计算.胶结材料采用早强型复 题，促进了矿山的可持续发展).新疆某铜矿尾矿 合硅酸盐水泥(P.C32.5R),粗骨料采用废石，最大 含泥量高，制成的膏体管道输送困难，为了改善膏体 粒径为10mm.泵送剂型号为JK-5,聚羧酸系，粉 的流动性，拟借鉴混凝土输送技术，在制备过程中加 末状 入泵送剂.国内外学者对泵送剂改善膏体性能作了 100 -些深人研究.Zhao等[)认为膏体中的水存在塑 性临界点和液态临界点，水含量超过塑性临界点时 80 水泥颗粒开始分散，超过液态临界点时膏体实现自 流，而添加泵送剂通过影响颗粒团状态和水吸收能 60 力达到改善流动性的目的.吴爱祥等]从膏体絮团 40 结构入手，认为絮团结构是导致膏体流动性差的主 要原因，泵送剂可以破坏絮团.Ercikdi等)研究多 20 种泵送剂对膏体流变性能的影响，提出泵送剂的添 加既可保证膏体的良好流动性，又可大幅度提高浆 10 100 1000 体浓度.刘斯忠等)通过流变实验得到泵送剂可有 粒径m 效改善膏体流变特性，并将泵送剂推广到某膏体充 图1全尾砂粒级组成分析 填矿山.杨鹏等)和饶运章等o]通过电镜扫描观 Fig.1 Particle size analysis of unclassified tailings 察，定性探讨了泵送剂掺量对膏体流动性能的影响， 由X射线衍射分析可知，全尾砂主要成分为 认为泵送剂显著改善料浆流变特性本质在于泵送剂 SiO2,其次为少量含铝、镁的含水硅酸盐矿物，见图 优化了浆体微观结构 2.以铝、镁等为主的硅酸盐是构成黏粒的主要成 综上所述，泵送剂改善膏体料浆的现象引起了 分，也是控制黏性土物理特性的主要矿物.由于黏 学者们的关注与研究，但泵送剂作用的机理仍未得 土矿物颗粒细小，具有胶体特性，与水发生活跃的物 到完全阐明，泵送剂用量的确定及对膏体流变特性 理化学作用致使黏土矿物具有较高的屈服应力及黏 的影响尚未得到量化研究，目前可见的研究多为定 度[2-].X射线衍射实验结果表明，高含泥尾矿中 性分析，并未深入探讨其影响机理.这不仅不利于 含有大量的镁铝硅酸盐矿物，它们是影响高含泥尾 膏体流动性的精确控制，更会造成泵送剂的浪费，增 矿特殊物理性质的关键成分. 加矿山的充填成本.开展泵送剂在膏体充填中的应 30000 用研究，阐明改善膏体流动性的机理，有助于改善膏 25000 体的流变性能，能够促进膏体技术的推广应用.本 1-Si02 文将研究泵送剂对不同浓度的膏体料浆流变特性的 20000 2一含铝硅酸盐矿物 3一含镁硅酸盐矿物 影响，探讨其对膏体流动性的影响机理. 15000 7-CaCO; 1试验设计 10000 1.1试验材料及仪器 5000 1.1.1试验材料 A 选取来自某铜矿的全尾砂作为本次试验的样 60 80 20i) 品.筛分试验表明，该全尾砂粒级组成曲线如图1 图2全尾砂X射线衍射分析结果 所示，其中，尾砂不均匀系数C.为18.36，曲率系数 Fig.2 XRD analysis results of unclassified tailings C.为1.62.全尾砂中-20μm的细颗粒质量分数 29.8%,74um以下尾矿占64.32%，在同类矿山中 1.1.2试验仪器 细颗粒含量相对较高.有关研究表明，0~30m粒 由于能够降低壁面滑移效应的影响，桨式流变
张连富等: 泵送剂对高含泥膏体流变特性影响及机理 膏体充填技术由于其不分层、不离析、不沉淀的 特点[1] ,受到矿山企业的青睐. 膏体充填不仅能够 降低水泥的消耗,还能够有效接顶,减少排水,并使 得矿山产生的尾砂得到充分利用[2鄄鄄3] . 这不仅显著 控制了充填采空区的成本,还能够改善环境污染问 题,促进了矿山的可持续发展[4] . 新疆某铜矿尾矿 含泥量高,制成的膏体管道输送困难,为了改善膏体 的流动性,拟借鉴混凝土输送技术,在制备过程中加 入泵送剂. 国内外学者对泵送剂改善膏体性能作了 一些深入研究. Zhao 等[5] 认为膏体中的水存在塑 性临界点和液态临界点,水含量超过塑性临界点时 水泥颗粒开始分散,超过液态临界点时膏体实现自 流,而添加泵送剂通过影响颗粒团状态和水吸收能 力达到改善流动性的目的. 吴爱祥等[6]从膏体絮团 结构入手,认为絮团结构是导致膏体流动性差的主 要原因,泵送剂可以破坏絮团. Ercikdi 等[7] 研究多 种泵送剂对膏体流变性能的影响,提出泵送剂的添 加既可保证膏体的良好流动性,又可大幅度提高浆 体浓度. 刘斯忠等[8]通过流变实验得到泵送剂可有 效改善膏体流变特性,并将泵送剂推广到某膏体充 填矿山. 杨鹏等[9] 和饶运章等[10] 通过电镜扫描观 察,定性探讨了泵送剂掺量对膏体流动性能的影响, 认为泵送剂显著改善料浆流变特性本质在于泵送剂 优化了浆体微观结构. 综上所述,泵送剂改善膏体料浆的现象引起了 学者们的关注与研究,但泵送剂作用的机理仍未得 到完全阐明,泵送剂用量的确定及对膏体流变特性 的影响尚未得到量化研究,目前可见的研究多为定 性分析,并未深入探讨其影响机理. 这不仅不利于 膏体流动性的精确控制,更会造成泵送剂的浪费,增 加矿山的充填成本. 开展泵送剂在膏体充填中的应 用研究,阐明改善膏体流动性的机理,有助于改善膏 体的流变性能,能够促进膏体技术的推广应用. 本 文将研究泵送剂对不同浓度的膏体料浆流变特性的 影响,探讨其对膏体流动性的影响机理. 1 试验设计 1郾 1 试验材料及仪器 1郾 1郾 1 试验材料 选取来自某铜矿的全尾砂作为本次试验的样 品. 筛分试验表明,该全尾砂粒级组成曲线如图 1 所示,其中,尾砂不均匀系数 Cu为 18郾 36,曲率系数 Cc为 1郾 62. 全尾砂中 - 20 滋m 的细颗粒质量分数 29郾 8% ,74 滋m 以下尾矿占 64郾 32% ,在同类矿山中 细颗粒含量相对较高. 有关研究表明,0 ~ 30 滋m 粒 径颗粒对料浆的流变性能影响最为显著[11] ,本实验 中所用尾砂中泵送剂的掺量应比普通尾砂有所提 高,试验设计时泵送剂掺量的变化范围要足够大,所 以最大泵送剂掺量设定为 8% ,其中泵送剂掺量按 照胶结剂的质量分数计算. 胶结材料采用早强型复 合硅酸盐水泥(P. C32郾 5R),粗骨料采用废石,最大 粒径为 10 mm. 泵送剂型号为 JK鄄鄄 5,聚羧酸系,粉 末状. 图 1 全尾砂粒级组成分析 Fig. 1 Particle size analysis of unclassified tailings 由 X 射线衍射分析可知,全尾砂主要成分为 SiO2 ,其次为少量含铝、镁的含水硅酸盐矿物,见图 2. 以铝、镁等为主的硅酸盐是构成黏粒的主要成 分,也是控制黏性土物理特性的主要矿物. 由于黏 土矿物颗粒细小,具有胶体特性,与水发生活跃的物 理化学作用致使黏土矿物具有较高的屈服应力及黏 度[12鄄鄄13] . X 射线衍射实验结果表明,高含泥尾矿中 含有大量的镁铝硅酸盐矿物,它们是影响高含泥尾 矿特殊物理性质的关键成分. 图 2 全尾砂 X 射线衍射分析结果 Fig. 2 XRD analysis results of unclassified tailings 1郾 1郾 2 试验仪器 由于能够降低壁面滑移效应的影响,桨式流变 ·919·
.920. 工程科学学报，第40卷，第8期 仪的应用越来越广泛，因此本次试验采用的设备为 77%、78%、79%、80%、81%,且每种质量分数下配 R/S型四叶桨式旋转流变仪.将与扭矩测量头相连 制5份相同的样品； 的四叶转子浸入膏体料浆中，设置可变化剪切速率 (2)相等质量分数的5份样品分别添加0%、 旋转，并通过软件进行实时检测和数据处理.转子 1%、2%、4%、8%的泵送剂，如表1所示； 直径20mm,转子高度40mm. (3)将配制好的全尾砂浆体与称量好的泵送剂 1.2试验过程 按照设计混合均匀，搅拌3~4min:取出装入500mL (1)配制全尾砂浆体共45份，灰砂比（质量比） 烧杯，继续搅拌2min,然后用流变仪测定不同情况 均为0.11，质量分数分别为73%、74%、75%、76%、 下的屈服应力 表1流变试验样品设计表 Table 1 Design table of samples in rheological experiments 不同质量分数砂浆下的泵送剂剂量/% 序号 73% 74% 75% 76% 77% 78% 79% 80% 81% 0 0 0 0 0 0 0 0 2 1 1 1 1 2 2 2 2 2 4 4 4 体屈服应力与浆体质量分数关系曲线，见图4 2实验结果及讨论 400 泉送剂添加量 2.1泵送剂对高含泥膏体屈服应力的影响 ■0%。1%▲2% 74%◆8% 不同质量分数的膏体料浆的屈服应力随着泵送 350 剂参量的增加发生的变化如图3所示 300 ■ 420 4005 浆体质量分数 250 380 360 ■-73%一◆-74%▲-75% 置 ● 340 一76%4一77%一78% 200 ■ 320 ◆一79%◆一80%◆一81% 300 150 280 2601 240 100 220卓 200 72 74 76. 78 80 82 180 浆体质量分数% 160 140 图4不同泵送剂添加量下浆体质量分数与屈服应力的关系曲线 120 Fig.4 Curves of relationship between concentration of slurry and g00 456 yield stress at different pumping agent dosages 泵送剂添加量/% 图3不同泵送剂添加量下的屈服应力曲线 从图4中可以发现，同一泵送剂添加量情况下， Fig.3 Yield stress curves at different pumping agent dosages 膏体屈服应力和浆体质量分数之间存在显著的线性 无论是否添加泵送剂，随着浆体质量分数的提 关系，应用0 OriginPro2015对该系列线性关系进行拟 高，屈服应力都呈现增长的趋势，由图3可知，即使 合，得到膏体屈服应力和浆体质量分数之间的拟合 改变泵送剂的添加量，屈服应力的增长趋势不会有 函数，见表2.表2中x为浆体质量分数. 显著改变.浆体质量分数超过74%时，屈服应力超 由表2可知，该系列函数拟合度较好.分析该 过200Pa,对管道运输而言并不合适，添加泵送剂能 系列函数的斜率k和截距b可知，泵送剂添加量能 够显著改善这一问题.泵送剂添加量较低时，膏体 够显著影响上述两个变量.通过OriginPro2015软 料浆的屈服应力急剧下降，而过量添加后屈服应力 件将斜率k、截距b和泵送剂添加量关系曲线绘制 的下降速度趋于减缓并接近于零.为研究泵送剂对 出来可以发现，斜率和截距分别与泵送剂添加量之 膏体流动性能的影响，绘制不同泵送剂添加量下膏 间可能存在对数关系，如图5所示
工程科学学报,第 40 卷,第 8 期 仪的应用越来越广泛,因此本次试验采用的设备为 R/ S 型四叶桨式旋转流变仪. 将与扭矩测量头相连 的四叶转子浸入膏体料浆中,设置可变化剪切速率 旋转,并通过软件进行实时检测和数据处理. 转子 直径 20 mm,转子高度 40 mm. 1郾 2 试验过程 (1)配制全尾砂浆体共 45 份,灰砂比(质量比) 均为 0郾 11,质量分数分别为 73% 、74% 、75% 、76% 、 77% 、78% 、79% 、80% 、81% ,且每种质量分数下配 制 5 份相同的样品; (2)相等质量分数的 5 份样品分别添加 0% 、 1% 、2% 、4% 、8% 的泵送剂,如表 1 所示; (3)将配制好的全尾砂浆体与称量好的泵送剂 按照设计混合均匀,搅拌 3 ~ 4 min;取出装入 500 mL 烧杯,继续搅拌 2 min,然后用流变仪测定不同情况 下的屈服应力. 表 1 流变试验样品设计表 Table 1 Design table of samples in rheological experiments 序号 不同质量分数砂浆下的泵送剂剂量/ % 73% 74% 75% 76% 77% 78% 79% 80% 81% 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 5 8 8 8 8 8 8 8 8 8 2 实验结果及讨论 2郾 1 泵送剂对高含泥膏体屈服应力的影响 不同质量分数的膏体料浆的屈服应力随着泵送 剂掺量的增加发生的变化如图 3 所示. 图 3 不同泵送剂添加量下的屈服应力曲线 Fig. 3 Yield stress curves at different pumping agent dosages 无论是否添加泵送剂,随着浆体质量分数的提 高,屈服应力都呈现增长的趋势,由图 3 可知,即使 改变泵送剂的添加量,屈服应力的增长趋势不会有 显著改变. 浆体质量分数超过 74% 时,屈服应力超 过 200 Pa,对管道运输而言并不合适,添加泵送剂能 够显著改善这一问题. 泵送剂添加量较低时,膏体 料浆的屈服应力急剧下降,而过量添加后屈服应力 的下降速度趋于减缓并接近于零. 为研究泵送剂对 膏体流动性能的影响,绘制不同泵送剂添加量下膏 体屈服应力与浆体质量分数关系曲线,见图 4. 图 4 不同泵送剂添加量下浆体质量分数与屈服应力的关系曲线 Fig. 4 Curves of relationship between concentration of slurry and yield stress at different pumping agent dosages 从图 4 中可以发现,同一泵送剂添加量情况下, 膏体屈服应力和浆体质量分数之间存在显著的线性 关系,应用 OriginPro 2015 对该系列线性关系进行拟 合,得到膏体屈服应力和浆体质量分数之间的拟合 函数,见表 2. 表 2 中 x 为浆体质量分数. 由表 2 可知,该系列函数拟合度较好. 分析该 系列函数的斜率 k 和截距 b 可知,泵送剂添加量能 够显著影响上述两个变量. 通过 OriginPro 2015 软 件将斜率 k、截距 b 和泵送剂添加量关系曲线绘制 出来可以发现,斜率和截距分别与泵送剂添加量之 间可能存在对数关系,如图 5 所示. ·920·
张连富等：泵送剂对高含泥膏体流变特性影响及机理 .921· 表2不同泵送剂添加量下屈服应力拟合函数 Table 2 Fitting functions of yield stress at different pumping agent dosages 泵送剂添加量/% 拟合函数 拟合度 截距/Pa 斜率 0 y=-1611.406+24.89x 0.98049 -1611.406 24.89 1 y=-1466.231+22.33x 0.93860 -1466.231 22.33 2 y=-1397.255+20.88x 0.94842 -1397.255 20.88 4 y=-1133.869+17.11x 0.95430 -1133.869 17.11 8 y=-1023.978+15.31x 0.96718 -1023.978 15.31 -1ooo[(a) 26b) -1100 24 -1200 -1300 20 -1400 18 -1500 1600 16 -1700l 14 4 4 6 泵送剂添加量% 泵送剂添加量/% 图5函数截距值（或斜率值）与泵送剂添加量的关系曲线.(a)截距值；(b)斜率值 Fig.5 Curves of relationship between the intercept (or slope)and dosage of pumping agent:(a)intercept;(b)slope 由图5可知，试验中泵送剂添加量分别取0%、 换值.所以该式适用范围是地>0，而0=0时直接 1%、2%、4%和8%，以2为底数呈指数增长，而函 使用试验值，即v=w=0. 数的截距值和斜率值变化较稳定，所以不妨假设 分别绘制截距b、斜率k和：之间的关系曲线， 0%、1%、2%、4%、8%分别对应着0、1、2、34.后者 见图6.由图6可知，随着v值不断增加，函数截距 为转换值，经过转换截距和斜率与该系列值呈正比 值和斜率值分别增大和减小，并且满足线性关系 例关系.假设泵送剂添加量为变量0，转换值为， 对应的拟合函数见表3，表中Z,为截距函数的 计算可知，)与0之间存在以下函数关系： 值，Z2为斜率函数的值.由表3可知，函数拟合度较 v=log210+1 (1) 好，斜率和截距受到泵送剂添加量的线性影响. 当泵送剂添加量为0%时，屈服应力能够测量 在此基础上，可以得出不同泵送剂添加量0和 得到，而式(1)在0=0时没有意义，没有相应的转 浆体质量分数x情况下的屈服应力y的预测函数，即： 100oa 26 (b) 24 -1100 -1200 22 -1300H -1400 母 18 -1500 16 -1600 1700 14 图6函数截距值和斜率值与，值的关系曲线.(a)截距值：(b)斜率值 Fig.6 Curves of relationship between the intercept (or slope)and y value:(a)intercept;(b)slope
张连富等: 泵送剂对高含泥膏体流变特性影响及机理 表 2 不同泵送剂添加量下屈服应力拟合函数 Table 2 Fitting functions of yield stress at different pumping agent dosages 泵送剂添加量/ % 拟合函数 拟合度 截距/ Pa 斜率 0 y = - 1611郾 406 + 24郾 89x 0郾 98049 - 1611郾 406 24郾 89 1 y = - 1466郾 231 + 22郾 33x 0郾 93860 - 1466郾 231 22郾 33 2 y = - 1397郾 255 + 20郾 88x 0郾 94842 - 1397郾 255 20郾 88 4 y = - 1133郾 869 + 17郾 11x 0郾 95430 - 1133郾 869 17郾 11 8 y = - 1023郾 978 + 15郾 31x 0郾 96718 - 1023郾 978 15郾 31 图 5 函数截距值(或斜率值)与泵送剂添加量的关系曲线 郾 (a) 截距值; (b) 斜率值 Fig. 5 Curves of relationship between the intercept (or slope) and dosage of pumping agent: (a) intercept; (b) slope 图 6 函数截距值和斜率值与 v 值的关系曲线 郾 (a) 截距值; (b) 斜率值 Fig. 6 Curves of relationship between the intercept (or slope) and v value: (a) intercept; (b) slope 由图 5 可知,试验中泵送剂添加量分别取 0% 、 1% 、2% 、4% 和 8% ,以 2 为底数呈指数增长,而函 数的截距值和斜率值变化较稳定,所以不妨假设 0% 、1% 、2% 、4% 、8% 分别对应着 0、1、2、3、4. 后者 为转换值,经过转换截距和斜率与该系列值呈正比 例关系. 假设泵送剂添加量为变量 w,转换值为 v, 计算可知,v 与 w 之间存在以下函数关系: v = log2w + 1 (1) 当泵送剂添加量为 0% 时,屈服应力能够测量 得到,而式(1)在 w = 0 时没有意义,没有相应的转 换值. 所以该式适用范围是 w > 0,而 w = 0 时直接 使用试验值,即 v = w = 0. 分别绘制截距 b、斜率 k 和 v 之间的关系曲线, 见图 6. 由图 6 可知,随着 v 值不断增加,函数截距 值和斜率值分别增大和减小,并且满足线性关系. 对应的拟合函数见表 3,表中 Z1为截距函数的 值,Z2为斜率函数的值. 由表 3 可知,函数拟合度较 好,斜率和截距受到泵送剂添加量的线性影响. 在此基础上,可以得出不同泵送剂添加量 w 和 浆体质量分数 x 情况下的屈服应力 y 的预测函数,即: ·921·
.922· 工程科学学报，第40卷，第8期 表3不同泵送剂添加量下屈服应力拟合函数 Table3 Fitting functions of yield stress at different pumping agent dosa- 屈服应力Pa -532.0 500 489.4 446.8 类型 拟合函数 拟合度 450 404.2 截距函数 Z1=-1627.99+150.72m 0.95927 400 361.6 是350 -319.0 斜率函数 Z2=24.978-2.4375m 0.97851 300 276.4 250 233.8 y=(-1627.99+150.72(log20+1))+ 191.2 200 148.6 (24.978-2.4375(1og20+1))x (2) 150 106.0 06 84 根据式(2)在OriginPro2015中绘制出屈服应 2 82 4 80 力曲面图，见图7.可以看出，在泵送剂添加量较低 6 8 78 时，屈服应力随添加量增加而降低的幅度较大，但随 膏体中泵送剂添加量% 10 布察体质鼠分数% 着添加量的继续增加，屈服应力变化的幅度明显减 图7不同浆体质量分数和泵送剂添加量下屈服应力曲面图 小并趋近于零.图7表明基于该预测函数可以对不 Fig.7 Surface plot of the yield stress at different slurry concentra- 同泵送剂添加量和浆体质量分数的情况下的屈服应 tions and pumping agent dosages 力进行预测，从而指导泵送剂的准确使用及膏体流 理.由图7可以发现，当膏体中泵送剂添加量在0~ 变特性的精确控制. 2.5%之间时，屈服应力值随着泵送剂添加量的增长 2.2泵送剂对高含泥膏体料浆的作用机理 而急剧下降，这说明此时泵送剂对屈服应力的影响 利用FEI(捷克)Quanta200型环境扫描电子显 最为显著.配制浆体质量分数为78%，灰砂比为 微镜，观察膏体料浆中絮团的细观结构[].结合流 0.11,泵送剂添加量分别为0、1%、1.75%和2.5% 变试验分析结果，环境扫描电镜能够帮助我们更加 时的膏体浆体，并通过环境扫描对形貌差异进行分 准确地理解泵送剂对膏体流变性能的微观影响机 析，其结果如图8所示. (a) (b) 501 59 图8不同掺量泵送剂作用的膏体浆体的环境扫描电镜照片.(a)未添加泵送剂；(b)泵送剂添加量1%：()泵送剂添加量1.75%：(d) 泵送剂添加量2.5% Fig.8 ESEM images of paste slurry at different pumping agent dosages:(a)0%;(b)1%;(c)1.75%;(d)2.5%
工程科学学报,第 40 卷,第 8 期 表 3 不同泵送剂添加量下屈服应力拟合函数 Table 3 Fitting functions of yield stress at different pumping agent dosa鄄 ges 类型 拟合函数 拟合度 截距函数 Z1 = - 1627郾 99 + 150郾 72v 0郾 95927 斜率函数 Z2 = 24郾 978 - 2郾 4375v 0郾 97851 y = ( - 1627郾 99 + 150郾 72(log2w + 1)) + (24郾 978 - 2郾 4375(log2w + 1))x (2) 根据式(2) 在 OriginPro 2015 中绘制出屈服应 力曲面图,见图 7. 可以看出,在泵送剂添加量较低 时,屈服应力随添加量增加而降低的幅度较大,但随 图8 不同掺量泵送剂作用的膏体浆体的环境扫描电镜照片郾 (a) 未添加泵送剂; (b) 泵送剂添加量1% ; (c) 泵送剂添加量1郾 75% ; (d) 泵送剂添加量 2郾 5% Fig. 8 ESEM images of paste slurry at different pumping agent dosages: (a) 0% ; (b) 1% ; (c) 1郾 75% ; (d) 2郾 5% 着添加量的继续增加,屈服应力变化的幅度明显减 小并趋近于零. 图 7 表明基于该预测函数可以对不 同泵送剂添加量和浆体质量分数的情况下的屈服应 力进行预测,从而指导泵送剂的准确使用及膏体流 变特性的精确控制. 2郾 2 泵送剂对高含泥膏体料浆的作用机理 利用 FEI(捷克)Quanta 200 型环境扫描电子显 微镜,观察膏体料浆中絮团的细观结构[13] . 结合流 变试验分析结果,环境扫描电镜能够帮助我们更加 准确地理解泵送剂对膏体流变性能的微观影响机 图 7 不同浆体质量分数和泵送剂添加量下屈服应力曲面图 Fig. 7 Surface plot of the yield stress at different slurry concentra鄄 tions and pumping agent dosages 理. 由图 7 可以发现,当膏体中泵送剂添加量在 0 ~ 2郾 5% 之间时,屈服应力值随着泵送剂添加量的增长 而急剧下降,这说明此时泵送剂对屈服应力的影响 最为显著. 配制浆体质量分数为 78% ,灰砂比为 0郾 11,泵送剂添加量分别为 0、1% 、1郾 75% 和 2郾 5% 时的膏体浆体,并通过环境扫描对形貌差异进行分 析,其结果如图 8 所示. ·922·