温度对磷石膏充填料浆流变特性的影响

温度对磷石膏充填料浆流变特性的影响

磷酸石膏是工业湿磷酸生产的副产品，其主要成分是钙。只是,如何将充填料浆通过管道等方式顺利输送到井下采空区是矿山充填工艺中非常重要的环节,这就要求充填料浆具有一定的流动性,而料浆屈服应力、黏度等参数与浆体的流动性又有十分紧密的联系,例如对于采用料浆泵送的矿山,料浆从静止到运动所需要提供的泵压本文通过恒温水浴箱控制磷石膏充填料浆的温度,以研究不同温度下磷石膏充填料浆流变参数的变化规律,进而分析温度对充填料浆管道输送阻力损失的影响。1实验1.1复合黄磷渣胶凝粉治疗水泥胶凝材料实验所用的材料主要是磷石膏与复合黄磷渣胶凝粉,二者均取自于贵州省开磷集团,其中复合黄磷渣胶凝粉是一种含有普通硅酸盐水泥、粉煤灰、黄磷渣、石灰等成分的胶凝材料。磷石膏与复合黄磷渣胶凝粉的粒级组成如图1所示,磷石膏颗粒与复合黄磷渣胶凝粉中值粒径(d1.2转子和麻黄的直径流变参数测试仪器采用AntonPaarRheolabQC旋转流变仪,仪器配备有桨状转子,其中转子的直径为21mm,转子全高为126mm(十字板部分高41mm),盛放浆体的圆筒直径51mm,圆筒全高132mm(包含底座)。待桨状转子插入待测充填料浆后,可以不同的速率旋转,产生不同的剪切速率,通过实时监测可在电脑上输出浆体内剪切应力、浆体黏度与剪切速率之间的关系曲线。1.3充填料浆参数测试试验过程参照ASTMC1752-11料浆流变实验测试标准,具体过程如下:1)流变参数测试每次所需要充填料浆大约200mL,按照复合黄磷渣胶凝粉与磷石膏质量比1∶5,浆体固体质量浓度55%、58%、60%、63%以及65%,定量称量磷石膏、复合黄磷渣胶凝粉以及水,其中磷石膏的称量还要考虑其含水率,此次实验所用磷石膏含水率为25%。2)流变仪配备有恒温水浴箱,一定温度的水流过流变仪测试圆筒外壁后,又可流回水浴箱,形成水循环系统。不同温度的水可以模拟充填料浆不同温度的外部环境,并使料浆达到实验温度。考虑矿山充填的实际情况,实验温度设置为10℃、30℃、50℃。3)待水浴箱内水的温度达到指定温度后,开始配制磷石膏充填料浆。将称量好的实验材料放入标准砂浆搅拌机,先以150r/min慢速搅拌5min,再以300r/min快速搅拌1min。搅拌过程中要防止固体颗粒沉淀在底部,尽量让浆体搅拌均匀。搅拌完成后,立即盛入流变测试的圆筒内。4)参数测试之前,将盛有充填料浆的圆筒置于水循环中大约15min,使得充填料浆达到目标温度。为了克服浆体泌水与前期水化反应对试验的影响,测试前以150s2结果与分析2.1浓度对充填料浆剪切应力的影响对于一些流体而言,只有施加的剪切力超过一个临界值,流体才会发生流动,这个临界值即被定义为屈服应力其中,τ如图3所示,在温度恒定的条件下,高浓度充填料浆的剪切应力曲线均位于低浓度的上方。说明随着料浆固体浓度的提高,固体颗粒与水之间的作用力得到提高,进而流变仪转子在转动过程中浆体内部剪切力得到提高同时,随着温度的升高,充填料浆的屈服应力也随之增长。JIANGHQ2.2充填料浆黏度测试黏度通常用来表征流体抵抗流动变形的能力由图2与图4可见,磷石膏充填料浆在0～200s由图5可知,充填料浆的黏度稳定值随着浆体固体质量浓度的增加而增加。因为随着浆体固体颗粒质量浓度的增加,而每次试验采用的浆体体积是一样的,颗粒之间的接触作用也因此增强2.3不同温度下磷石膏充填料浆管道输送阻力分析如上所述,温度对充填料浆的屈服应力以及黏度均具有较大的影响。而且,质量分数为65%的浆体流变曲线最接近于宾汉塑性体,那么假设该浓度料浆在层流状态下流动时,浆体在管壁处的剪切应力为:其中τ层流状态下,料浆在单位长度水平直管道上的流动阻力损失为:雷诺数Re为其中ρ考虑充填料浆的流动速度要满足矿山充填能力需求,在满管输送的条件下,有:其中,Q为充填料浆流量,m以管道内径200mm,某矿山充填料浆输送流量为90～226m由于质量浓度65%的磷石膏充填料浆接近于宾汉塑性体,将表1不同温度下充填料浆的屈服应力以及塑性黏度系数代入式(3),可计算得到由温度变化引起的料浆管道流动阻力损失情况,结果如表2所示。如表2所示,在设定流速范围内磷石膏充填料浆的雷诺数符合层流的条件。由前所述,温度的升高增长了充填料浆屈服应力以及实测黏度稳定值,而表2也进一步反映了升温也会增长料浆流动阻力损失值。另外,由表3可知,料浆从10℃增长到30℃,以及从30℃增长到50℃两个升温过程中阻力损失的增长情况并不相同,后者的阻力损失值绝对增长(f3充填料浆黏度测试结果分析1)质量浓度55%～65%范围内的磷石膏充填料浆的流变曲线符合Hershel-Bulkley模型,浆体屈服应力随着浆体温度的升高而升高,并且随着温度的升高,低浓度充填料浆(质量浓度介于55%～58%)屈服应力对质量浓度的敏感性也有所提高。2)磷石膏充填料浆的黏度在测试过程中是个不断变化的值,呈现出随着剪切速率升高而不断降低最终趋于逐渐稳定的过程。磷石膏充填料浆黏度对温度敏感,在质量浓度恒定的情况下,浆体黏度稳定值随着温度的升高而升高,并在高浓度浆体(质量浓度大于60%)增长趋势较为明显。3)质量浓度65%