溫度對磷石膏充填料漿流變特性的影響

溫度對磷石膏充填料漿流變特性的影響

磷酸石膏是工業(yè)濕磷酸生產(chǎn)的副產(chǎn)品，其主要成分是鈣。只是,如何將充填料漿通過管道等方式順利輸送到井下采空區(qū)是礦山充填工藝中非常重要的環(huán)節(jié),這就要求充填料漿具有一定的流動性,而料漿屈服應(yīng)力、黏度等參數(shù)與漿體的流動性又有十分緊密的聯(lián)系,例如對于采用料漿泵送的礦山,料漿從靜止到運(yùn)動所需要提供的泵壓本文通過恒溫水浴箱控制磷石膏充填料漿的溫度,以研究不同溫度下磷石膏充填料漿流變參數(shù)的變化規(guī)律,進(jìn)而分析溫度對充填料漿管道輸送阻力損失的影響。1實(shí)驗(yàn)1.1復(fù)合黃磷渣膠凝粉治療水泥膠凝材料實(shí)驗(yàn)所用的材料主要是磷石膏與復(fù)合黃磷渣膠凝粉,二者均取自于貴州省開磷集團(tuán),其中復(fù)合黃磷渣膠凝粉是一種含有普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、黃磷渣、石灰等成分的膠凝材料。磷石膏與復(fù)合黃磷渣膠凝粉的粒級組成如圖1所示,磷石膏顆粒與復(fù)合黃磷渣膠凝粉中值粒徑(d1.2轉(zhuǎn)子和麻黃的直徑流變參數(shù)測試儀器采用AntonPaarRheolabQC旋轉(zhuǎn)流變儀,儀器配備有槳狀轉(zhuǎn)子,其中轉(zhuǎn)子的直徑為21mm,轉(zhuǎn)子全高為126mm(十字板部分高41mm),盛放漿體的圓筒直徑51mm,圓筒全高132mm(包含底座)。待槳狀轉(zhuǎn)子插入待測充填料漿后,可以不同的速率旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生不同的剪切速率,通過實(shí)時(shí)監(jiān)測可在電腦上輸出漿體內(nèi)剪切應(yīng)力、漿體黏度與剪切速率之間的關(guān)系曲線。1.3充填料漿參數(shù)測試試驗(yàn)過程參照ASTMC1752-11料漿流變實(shí)驗(yàn)測試標(biāo)準(zhǔn),具體過程如下:1)流變參數(shù)測試每次所需要充填料漿大約200mL,按照復(fù)合黃磷渣膠凝粉與磷石膏質(zhì)量比1∶5,漿體固體質(zhì)量濃度55%、58%、60%、63%以及65%,定量稱量磷石膏、復(fù)合黃磷渣膠凝粉以及水,其中磷石膏的稱量還要考慮其含水率,此次實(shí)驗(yàn)所用磷石膏含水率為25%。2)流變儀配備有恒溫水浴箱,一定溫度的水流過流變儀測試圓筒外壁后,又可流回水浴箱,形成水循環(huán)系統(tǒng)。不同溫度的水可以模擬充填料漿不同溫度的外部環(huán)境,并使料漿達(dá)到實(shí)驗(yàn)溫度?？紤]礦山充填的實(shí)際情況,實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)置為10℃、30℃、50℃。3)待水浴箱內(nèi)水的溫度達(dá)到指定溫度后,開始配制磷石膏充填料漿。將稱量好的實(shí)驗(yàn)材料放入標(biāo)準(zhǔn)砂漿攪拌機(jī),先以150r/min慢速攪拌5min,再以300r/min快速攪拌1min。攪拌過程中要防止固體顆粒沉淀在底部,盡量讓漿體攪拌均勻。攪拌完成后,立即盛入流變測試的圓筒內(nèi)。4)參數(shù)測試之前,將盛有充填料漿的圓筒置于水循環(huán)中大約15min,使得充填料漿達(dá)到目標(biāo)溫度。為了克服漿體泌水與前期水化反應(yīng)對試驗(yàn)的影響,測試前以150s2結(jié)果與分析2.1濃度對充填料漿剪切應(yīng)力的影響對于一些流體而言,只有施加的剪切力超過一個(gè)臨界值,流體才會發(fā)生流動,這個(gè)臨界值即被定義為屈服應(yīng)力其中,τ如圖3所示,在溫度恒定的條件下,高濃度充填料漿的剪切應(yīng)力曲線均位于低濃度的上方。說明隨著料漿固體濃度的提高,固體顆粒與水之間的作用力得到提高,進(jìn)而流變儀轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動過程中漿體內(nèi)部剪切力得到提高同時(shí),隨著溫度的升高,充填料漿的屈服應(yīng)力也隨之增長。JIANGHQ2.2充填料漿黏度測試黏度通常用來表征流體抵抗流動變形的能力由圖2與圖4可見,磷石膏充填料漿在0～200s由圖5可知,充填料漿的黏度穩(wěn)定值隨著漿體固體質(zhì)量濃度的增加而增加。因?yàn)殡S著漿體固體顆粒質(zhì)量濃度的增加,而每次試驗(yàn)采用的漿體體積是一樣的,顆粒之間的接觸作用也因此增強(qiáng)2.3不同溫度下磷石膏充填料漿管道輸送阻力分析如上所述,溫度對充填料漿的屈服應(yīng)力以及黏度均具有較大的影響。而且,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%的漿體流變曲線最接近于賓漢塑性體,那么假設(shè)該濃度料漿在層流狀態(tài)下流動時(shí),漿體在管壁處的剪切應(yīng)力為:其中τ層流狀態(tài)下,料漿在單位長度水平直管道上的流動阻力損失為:雷諾數(shù)Re為其中ρ考慮充填料漿的流動速度要滿足礦山充填能力需求,在滿管輸送的條件下,有:其中,Q為充填料漿流量,m以管道內(nèi)徑200mm,某礦山充填料漿輸送流量為90～226m由于質(zhì)量濃度65%的磷石膏充填料漿接近于賓漢塑性體,將表1不同溫度下充填料漿的屈服應(yīng)力以及塑性黏度系數(shù)代入式(3),可計(jì)算得到由溫度變化引起的料漿管道流動阻力損失情況,結(jié)果如表2所示。如表2所示,在設(shè)定流速范圍內(nèi)磷石膏充填料漿的雷諾數(shù)符合層流的條件。由前所述,溫度的升高增長了充填料漿屈服應(yīng)力以及實(shí)測黏度穩(wěn)定值,而表2也進(jìn)一步反映了升溫也會增長料漿流動阻力損失值。另外,由表3可知,料漿從10℃增長到30℃,以及從30℃增長到50℃兩個(gè)升溫過程中阻力損失的增長情況并不相同,后者的阻力損失值絕對增長(f3充填料漿黏度測試結(jié)果分析1)質(zhì)量濃度55%～65%范圍內(nèi)的磷石膏充填料漿的流變曲線符合Hershel-Bulkley模型,漿體屈服應(yīng)力隨著漿體溫度的升高而升高,并且隨著溫度的升高,低濃度充填料漿(質(zhì)量濃度介于55%～58%)屈服應(yīng)力對質(zhì)量濃度的敏感性也有所提高。2)磷石膏充填料漿的黏度在測試過程中是個(gè)不斷變化的值,呈現(xiàn)出隨著剪切速率升高而不斷降低最終趨于逐漸穩(wěn)定的過程。磷石膏充填料漿黏度對溫度敏感,在質(zhì)量濃度恒定的情況下,漿體黏度穩(wěn)定值隨著溫度的升高而升高,并在高濃度漿體(質(zhì)量濃度大于60%)增長趨勢較為明顯。3)質(zhì)量濃度65%