第33卷 第6期
2011年6月武 汉 理 工 大 学 学 报JOURNALOFWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVol.33 No.6 Jun.2011DOI:10.3963/j.issn.1671 4431.2011.06.020
从饱和率和泌水率角度探讨膏体新定义
王洪江,王 勇,吴爱祥,翟永刚,焦华喆
(北京科技大学土木与环境工程学院,北京100083)
摘 要: 目前膏体定义不够清晰,影响到膏体充填技术的发展,有必要控讨简单实用的膏体新定义。借鉴土力学中饱和度以及流态化混凝土中泌水率这两个概念,提出了以集料饱和率与泌水率为主要指标的膏体定义体系。通过理论分析计算,浆体饱和率在101.5%~105.3%之间,泌水率在1.5%~5%之间,即构成合格的膏体。对会泽膏体物料进行实测分析,当膏体质量分数范围在80.5%~81.4%时,饱和率计算值为101.5%~105.3%,现场泌水率监测值为3.1%~
4.2%。膏体新定义能够完全定量化,简化了膏体检验方法,具有较高的可靠性。
关键词: 膏体新定义; 饱和率; 泌水率; 质量分数
中图分类号: TD853; TD854文献标识码: A文章编号:1671 4431(2011)06 0085 05
ResearchofPasteNewDefinitionfromtheViewpointof
SaturationRatioandBleedingRate
WANGHong jiang,WANGYong,WUAi xiang,ZHAIYong gang,JIAOHua zhe
(SchoolofCivilandEnvironmentEngineering,BeijingUniversityofScienceandTechnology,Beijing100083,China)Abstract: Thedefinitionofpasteisnotclearatpresent,affectingthedevelopmentofpastefillingtechnologies,whichrendersitnecessarytoexploreanewpastedefinitionthatissimpleandpractical.Learningfromthesaturationofsoilme chanicsandthefluidizationofconcretebleedingrate,wehaveproposedthedefinitionofthepastesystemwhichcontainsthetwokeyindicators,thesaturationrateandtheaggregaterateofbleeding.Throughtheoreticalanalysisandcalcula tion,aqualifiedpasteconsistsoftheslurrysaturatedrateof101.5%~105.3%andbleedingrateof1.5%~5%.TomeasureandanalyzeHuiZepastematerials,whenthepasteconcentrationrangeis80.5%~81.4%,thesaturationrateofthecalculatedvalueis101.5%~105.3%,on sitemonitoringofthebleedingrateis3.1%~4.2%.Thenewpastedef initioncanfullyquantitative,andsimplifythepastetestmethodwithhighreliability.
Keywords: thenewdefinitionofpaste; saturationratio; bleedingrate; massconcentration
膏体充填技术经过多年不断地探索与实践,因其环保、节能、减排、安全、高效等优点已被世界上众多国家认可并应用[1 4]。膏体充填代表着充填技术的发展方向[5],但 膏体 的定义却一直不够清晰[6]。膏体的定性概念是 三不 特性,即不离析、不沉淀、不脱水。但不脱水的描述是个误区,在一定程度上阻碍了膏体技术收稿日期:2011 03 08.
基金项目:十一五国家科技支撑计划(2006BAB02A01);新世纪优秀人才支持计划(NECT 07 0070)和云南省科技强省计划(2007AD001).
作者简介:王洪江(1967 ),男,博士,教授.E mail:[email protected]
86 武 汉 理 工 大 学 学 报 2011年6月的进步。因为完全不脱水的膏体是无法采用管道进行输送的,合格的膏体必须允许适当的脱水,才能有利于制备与输送。
目前国内外对于膏体的定义均进行了探索性的研究,但其定义及使用条件均有一定的缺陷。国外认为,当膏体中-20 m含量为15%~20%(质量比),且膏体料浆的屈服应力大于(200 25)Pa[7 8]时,可以视为膏体。其中,对于颗粒含量的论述是经验性的,而屈服应力的检测值常常受到检测仪器与方法的影响,不易得到准确的屈服应力值。国内通常采用塌落度和分层度指标来表征膏体,认为膏体的塌落度在15~25cm,分层度小于2cm。此方法完全照搬流态混凝土,两个指标是流态化混凝土领域总结出来的经验值,对于集料粒度在毫米级的矿山膏体物料并不完全适用。因此,如何对膏体进行定量的描述,简化其工程检验方法,并使其具有普遍性,就显得十分重要。
作者借鉴于土力学的饱和度与混凝土的泌水率,提出一种新的膏体定义,并对其进行验证。该方法在理论上解释了膏体 三不 特性的内因,并从管道输送的角度提出了合理的泌水率范围,为膏体质量分数简单快捷的界定提供了可靠的理论依据。
1 浆体饱和率
在土力学中,饱和度是指土壤中水的体积与土壤中孔隙体积之比。饱和度是反映土中孔隙被水充满程度的指标,其变化范围在0~100%之间。一般的土壤处于非饱和状态,因此,土壤的饱和度常常小于1。
对于浆体而言,与土壤的饱和度相反,水的体积常常超过物料的孔隙体积,多余的水会从孔隙中析出。为了与土力学中的饱和度相区别,浆体的饱和度改称为饱和率。当饱和率等于100%时,说明浆体处于饱和状态。此时,水被填充于孔隙之间,对应于膏体的不脱水特征。当饱和率大于100%,说明浆体处于过饱和状态,部分水从膏体中析出。
饱和率定义是指浆体中水的体积与浆体骨料的孔隙体积之比,即
Sr=
Cv=wv=Vvnww1+Gs(100-Cw)
n=1-G
将式(2)、式(3)代入式(1),最终得到饱和率公式为
(4)ww(1-)1+GGs(100-Cw)
式中,Sr为饱和率,%;Vw为浆体中水的体积分数,%;Vv为充填物料中孔隙的体积分数,%;n为物料的孔隙率,%;Cv为水的体积比率,%; 为骨料的堆集密度;Gs为物料的比重;Gw为水的比重;Cw为浆体的质量分数,%。
式(4)物理意义明确,计算简单。浆体的饱和率与孔隙率成反比,与水的体积比率成正比。只要知道浆体的质量分数、骨料的密度、骨料的比重,就可计算出浆体的饱和率,进而判别浆体的饱和状态。Sr=(1)(2)[9](3)
2 浆体泌水率
为了降低阻力,膏体输送时需要在管壁附近产生一个润滑层。该润滑层是以水为主,表现为一层水膜,其流动速度基本为0。而浆体的泌水集中存在于这一润滑层,根据润滑层的厚度,提出泌水率理论公式。
2.1 泌水率定义
浆体中的水被分为两部分,大部分被颗粒吸附在其孔隙内以及颗粒表面,少部分析出后构成了润滑层。浆体泌水率是指润滑层的体积与管道中所有水的体积之比。润滑层的体积为V1,管道中所有水的体积为V2,泌水率可表示为Br=1
2(5)
第33卷 第6期 王洪江,王 勇,吴爱祥,等:从饱和率和泌水率角度探讨膏体新定义87 可以视管道与其中的膏体柱为同心圆,其周边的润滑层为一圆环状,长度为l的管道内润滑层的体积为
V1= (R2-r2)l(6)
因为膏体输送呈现柱塞流,水膜层所占体积极小,可以将管道容积看作管道料浆体积。因此管道料浆体积为
VL= Rl
则管道中水的总体积为
V2=VLCv
将式(2)、式(6)~式(8)代入式(5),化简后得到泌水率公式为
ww[1+Br=]RGs(100-Cw)
为R+r 2R。则式(9)可化简为
wwBr 1+RGs(100-Cw)(10)(9)(8)2(7) 水膜层厚度h可表示为管道内径R与膏体柱半径r之差的一半,即R-r=2h。因为R r,可近似认
式中,Br为泌水率,%;R为管道半径,m;r为膏体柱的半径,m;h为润滑层厚度,m。
式(10)表明,在同等条件下,浆体的泌水率与水膜厚度成正比,与管道半径、浆体水的体积分数成反比。泌水率与质量分数关系复杂,因为质量分数越高,水膜厚度越小,而水的体积比率越小。
2.2 润滑层厚度的讨论
根据工作表面的不同和工作条件的限制,润滑一般可分为3种类型,即流体润滑、混合润滑、边界润滑。通常可根据所形成的润滑膜的厚度与表面粗糙度综合值的比值 ,借助斯特里贝克(Stribeck)曲线,判断润滑状态。
膏体输送为长距离输送,因此不能简单地将其水膜层润滑划分为某一具体状态,而是将其视为多种润滑状态的组合,因此膏体水膜润滑应为混合润滑。混合润滑状态下,平均润滑膜厚h与摩擦副表面的复合粗糙度的比值 约为3,即水膜厚度约等于粗糙度的3倍。
俄罗斯新而清洁的焊接钢管绝对粗糙度为30~100 m。国内宝鸡、辽阳和沙市钢管厂新管内表面粗糙度为12.5~25 m,搁置半年管内表面粗糙度为25~100 m
30~100 m。[11 12][10]。这里取膏体输送管道内壁粗糙度范围为
按照润滑理论,膏体管道输送过程中,内壁水膜厚度约等于内壁粗糙度的3倍,而输送管道内壁粗糙度范围为30~100 m,因此水膜厚度应为90~300 m。
通常,膏体输送管道半径取60~75mm,全尾砂膏体质量分数范围为70%~82%,物料比重范围为
2.5~2.87g/cm3,容重范围为1.3~1.7g/cm3[13 14]。泌水率的大小取决于水膜厚度,只有保证合适的泌水率,才有利于润滑层的形成。将水膜厚度0.09~0.3mm代入式(10),得泌水率范围为1.5%~5%。
2.3 饱和率与泌水率关系
在特定物料条件下,浆体饱和率与浆体质量分数为一一对应关系,而泌水率又与管道半径、水膜厚度等有关。因此,有必要讨论饱和率与泌水率之间的关系。泌水率=(饱和率-1)/饱和率,即
Br=rSr(11)
式(11)表明,泌水率与饱和率正相关,即饱和率越高,泌水率越大。
将泌水率范围1.5%~5%代入式(11),得到饱和率范围为101.5%~105.3%。
理论上讲,膏体饱和率应当为100%,此时没有水析出,即泌水率为0。如果要求膏体的泌水量为0,对于膏体的制备与输送是极其困难的。为了保证膏体的流动性,要求膏体处于过饱和状态。只要泌水量能够形成润滑层,又能保证浆体颗粒不离析,这就是理想的膏体。
3 会泽铅锌矿膏体定义验证
二级搅拌设备,并实现深井长距离满管自流输送技术,运行效果良好。为了验证新的定义体系在工程应用中的可靠性,对会泽膏体进行检验。
3.1 会泽膏体质量分数理论计算
会泽膏体充填物料为全尾砂与水淬渣,再添
加水泥后制备而成,目前矿山常用的物料质量比
为7 1 1。物料特性见表1。
会泽膏体输送管道半径为75mm。针对会
泽膏体,按照式(4)、式(10)进行计算,寻求会泽标
准配比下膏体所需的质量分数值,验证过程如
表2所示。
表2 会泽标准配比(配比7 1 1)膏体质量分数验证表
料浆质量分数/%
76.0
78.0
80.0
80.5
81.4
82.0密度/(t m-3)1.681.681.681.681.681.68比重/(t m-3)孔隙率/%水的体积比率/%饱和率计算值/%2.872.872.872.872.872.8737.5037.5037.5037.5037.5037.5045.9143.1240.1939.5038.0537.11118.9115.0107.2105.3101.599.0泌水率计算值/% 3.902.69 物料全尾砂水淬渣水泥表1 会泽膏体骨料的物理特性比重/(t m-3)2.712.593.10堆密度/(t m-3)1.881.181.30孔隙率/%34.3554.4458.06
由表2可知,当饱和率在101.5%~105.3%时,对应的质量分数为80.5%~81.4%,得到理想泌水率范围为2.69%~3.90%(水膜厚度与质量分数有关,并不是唯一值,当质量分数为80.5%时,水膜厚度取0.3mm,当质量分数为81.4%时,水膜厚度取0.2mm),在膏体定义标定范围1.5%~5%之内。因此,会泽膏体合理的质量分数范围应为80.5%~81.4%。
当料浆的质量分数低于理想的膏体质量分数时,泌水量增多导致润滑层厚度增大,泌水率计算值也会随着增大,此时,润滑层厚度具体取值与集料性质有关,不易量化。当浆体的质量分数高于膏体质量分数时,泌水变得困难,料浆趋于饱和,不易输送。所以,在不影响工程应用的前提下,验证过程只计算膏体质量分数下的泌水率。
3.2 现场泌水率实测
不同质量分数下的泌水率现场监测值如表3所示。
由表3监测数据回归泌水率与质量分数关系式如
式(12),复相关系数RR=0.997。
Y=-1.136X+95.62
式中,Y为泌水率,%;X为料浆质量分数,%。
由式(12)可知,泌水率与料浆质量分数成负相关。当会泽膏体质量分数为80.5%~81.4%时,监测泌水率为3.1%~4.2%,同样在定义标定的泌水率范围1.5%~5%之内。
对比表2与表3发现,在定义界定质量分数范围内,实测值与计算值基本相符,为现场膏体泌水率计算提供了一种简单可靠的方法。
3.3 塌落度验证
塌落度是衡量膏体充填料浆可泵性的一个重要参数
指标[15]。国内外经验表明,充填膏体的塌落度范围在
20~25cm,即满足膏体的要求。实验测得的塌落度值
见表4。料浆质量分数/%塌落度/cm表4 塌落度测量值7628.987828.128025.718222.53表3 会泽标准配比泌水率现场监测值料浆质量分数/%泌水率/%769.39786.86804.97822.45(12)
塌落度与质量分数回归方程见式(13),复相关系数RR=0.999。
Y=-791.933+21.822X-0.145X2(13)
式中,Y为塌落度,cm;X为料浆质量分数,%。
式(13)表明,塌落度与质量分数呈抛物线函数关系,随质量分数的增加而下降。当会泽膏体质量分数范围为80.5%~81.4%时,塌落度范围为23.6~25.1cm,该塌落度范围符合会泽充填浆体流动性要求。
可见,根据膏体新定义很容易求出会泽膏体质量分数范围,该质量分数范围对应的泌水率计算值与监测值均在定义标定范围之内。对此质量分数范围内的塌落度实测,其结果与膏体安定塌落度的推荐范围相吻合。这说明新的定义体系对于充填膏体的检验是可靠的。
4 结 论
a.将土力学中的饱和度概念推广到浆体中,提出了便于判断浆体饱和状态的概念,并给出浆体饱和率定义及理论公式。
b.借助摩擦学润滑理论,认为膏体管道输送润滑层厚度与管壁粗糙度有关,并判断膏体水膜润滑属于混合润滑,根据Stribeck曲线,得出膏体管道输送润滑层水膜厚度为0.09~0.3mm。
c.以管道输送润滑层厚度为基础,提出了以集料的饱和率与泌水率为主要指标的定义体系,即浆体饱和率在101.5%~105.3%,且泌水率满足1.5%~5%,即为膏体。
d.通过会泽膏体物料的计算与实测,对提出的膏体新定义方法进行检验,得出会泽膏体最佳质量分数范围为80.5%~81.4%;现场实测泌水率为3.1%~4.2%,在定义标定范围之内;塌落度范围为23.6~25.1cm,满足流动性要求。验证表明,该定义体系简化了膏体的判别,且具有较高的可靠性。
参考文献
[1] GrabinskyMW.InSituMonitoringforGroundTruthingPasteBackfillDesigns[C]//Proceedingsofthe13thInterna
tionalSeminaronPasteandThickenedTailings.[S.l.]:AustralianCentreforGeomechanics,2010:85 98.
[2] FallM,NasirO.PredictingtheTemperatureandStrengthDevelopmentWithinCementedPasteBackfillStructures[C]//
Proceedingsofthe13thInternationalSeminaronPasteandThickenedTailings.[S.l.]:AustralianCentreforGeome chanics,2010:125 136.
[3] BelemT,FourieAB,FaheyM.Time dependentFailureCriterionforCementedPasteBackfills[C]//Proceedingsofthe
13thInternationalSeminaronPasteandThickenedTailings.[S.l.]:AustralianCentreforGeomechanics,2010:147 162.
[4] NasirO,FallM.CouplingBinderHydrationTemperatureandCompressiveStrengthDevelopmentofUnderground
CementedPasteBackfillatEarlyAges[J].TunnellingandUndergroundSpaceTechnology,2010,25(1):9 20.
[5] 王洪江,吴爱祥,肖卫国,等.粗粒级膏体充填的技术进展及存在的问题[J].金属矿山专题综述,2009(11):1 5.
[6] 杨盛凯,王洪江,吴爱祥,等.尾矿高浓度排放技术的发展概况及展望[J].中国安全生产科学技术,2010,6(5):28 33.
[7] FallM,C lestinJ,SenHF.PotentialUseofDensifiedPolymer pastefillMixtureasWasteContainmentBarrier
Materials[J].WasteManagement,2010,30(12):2570 2578.
[8] JewellRJ,FourieAB,LordER.PasteandThickenedTailings AGuide[M].[S.l.]:AustralianCentrefor
Geomechanics(ACG),2002.
[9] 缪林昌.非饱和土的本构模型研究[J].岩土力学,2007,28(5):855 860.
[10]刘正林.摩擦学原理[M].北京:高等教育出版社,2009.
[11]陈 凤,余汉成,孙在蓉,等.管道内壁粗糙度的确定[J].天然气与石油,2007,25(6):8 10.
[12]王喜安,刘 雯,张世斌,等.国内外天然气管道绝对当量粗糙度的设计取值[J].油气储运,2000,19(10):9 10.
[13]HuynhL,BeattieDA,FornasieroD,etal.EffectofPolyphosphateandNaphthaleneSulfonateFormaldehydeCondensate
ontheRheologicalPropertiesofDewateredTailingsandCementedPastebackfill[J].MineralsEngineering,2006,19(1):28 36.
[14]蔡嗣经.矿山充填力学基础[M].2版.北京:冶金工业出版社,2009.
[15]李云武,陈闻舞.全尾砂碎石膏体充填材料试验研究[J].中国矿山工程,2004,33(2):4 6.
第33卷 第6期
2011年6月武 汉 理 工 大 学 学 报JOURNALOFWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVol.33 No.6 Jun.2011DOI:10.3963/j.issn.1671 4431.2011.06.020
从饱和率和泌水率角度探讨膏体新定义
王洪江,王 勇,吴爱祥,翟永刚,焦华喆
(北京科技大学土木与环境工程学院,北京100083)
摘 要: 目前膏体定义不够清晰,影响到膏体充填技术的发展,有必要控讨简单实用的膏体新定义。借鉴土力学中饱和度以及流态化混凝土中泌水率这两个概念,提出了以集料饱和率与泌水率为主要指标的膏体定义体系。通过理论分析计算,浆体饱和率在101.5%~105.3%之间,泌水率在1.5%~5%之间,即构成合格的膏体。对会泽膏体物料进行实测分析,当膏体质量分数范围在80.5%~81.4%时,饱和率计算值为101.5%~105.3%,现场泌水率监测值为3.1%~
4.2%。膏体新定义能够完全定量化,简化了膏体检验方法,具有较高的可靠性。
关键词: 膏体新定义; 饱和率; 泌水率; 质量分数
中图分类号: TD853; TD854文献标识码: A文章编号:1671 4431(2011)06 0085 05
ResearchofPasteNewDefinitionfromtheViewpointof
SaturationRatioandBleedingRate
WANGHong jiang,WANGYong,WUAi xiang,ZHAIYong gang,JIAOHua zhe
(SchoolofCivilandEnvironmentEngineering,BeijingUniversityofScienceandTechnology,Beijing100083,China)Abstract: Thedefinitionofpasteisnotclearatpresent,affectingthedevelopmentofpastefillingtechnologies,whichrendersitnecessarytoexploreanewpastedefinitionthatissimpleandpractical.Learningfromthesaturationofsoilme chanicsandthefluidizationofconcretebleedingrate,wehaveproposedthedefinitionofthepastesystemwhichcontainsthetwokeyindicators,thesaturationrateandtheaggregaterateofbleeding.Throughtheoreticalanalysisandcalcula tion,aqualifiedpasteconsistsoftheslurrysaturatedrateof101.5%~105.3%andbleedingrateof1.5%~5%.TomeasureandanalyzeHuiZepastematerials,whenthepasteconcentrationrangeis80.5%~81.4%,thesaturationrateofthecalculatedvalueis101.5%~105.3%,on sitemonitoringofthebleedingrateis3.1%~4.2%.Thenewpastedef initioncanfullyquantitative,andsimplifythepastetestmethodwithhighreliability.
Keywords: thenewdefinitionofpaste; saturationratio; bleedingrate; massconcentration
膏体充填技术经过多年不断地探索与实践,因其环保、节能、减排、安全、高效等优点已被世界上众多国家认可并应用[1 4]。膏体充填代表着充填技术的发展方向[5],但 膏体 的定义却一直不够清晰[6]。膏体的定性概念是 三不 特性,即不离析、不沉淀、不脱水。但不脱水的描述是个误区,在一定程度上阻碍了膏体技术收稿日期:2011 03 08.
基金项目:十一五国家科技支撑计划(2006BAB02A01);新世纪优秀人才支持计划(NECT 07 0070)和云南省科技强省计划(2007AD001).
作者简介:王洪江(1967 ),男,博士,教授.E mail:[email protected]
86 武 汉 理 工 大 学 学 报 2011年6月的进步。因为完全不脱水的膏体是无法采用管道进行输送的,合格的膏体必须允许适当的脱水,才能有利于制备与输送。
目前国内外对于膏体的定义均进行了探索性的研究,但其定义及使用条件均有一定的缺陷。国外认为,当膏体中-20 m含量为15%~20%(质量比),且膏体料浆的屈服应力大于(200 25)Pa[7 8]时,可以视为膏体。其中,对于颗粒含量的论述是经验性的,而屈服应力的检测值常常受到检测仪器与方法的影响,不易得到准确的屈服应力值。国内通常采用塌落度和分层度指标来表征膏体,认为膏体的塌落度在15~25cm,分层度小于2cm。此方法完全照搬流态混凝土,两个指标是流态化混凝土领域总结出来的经验值,对于集料粒度在毫米级的矿山膏体物料并不完全适用。因此,如何对膏体进行定量的描述,简化其工程检验方法,并使其具有普遍性,就显得十分重要。
作者借鉴于土力学的饱和度与混凝土的泌水率,提出一种新的膏体定义,并对其进行验证。该方法在理论上解释了膏体 三不 特性的内因,并从管道输送的角度提出了合理的泌水率范围,为膏体质量分数简单快捷的界定提供了可靠的理论依据。
1 浆体饱和率
在土力学中,饱和度是指土壤中水的体积与土壤中孔隙体积之比。饱和度是反映土中孔隙被水充满程度的指标,其变化范围在0~100%之间。一般的土壤处于非饱和状态,因此,土壤的饱和度常常小于1。
对于浆体而言,与土壤的饱和度相反,水的体积常常超过物料的孔隙体积,多余的水会从孔隙中析出。为了与土力学中的饱和度相区别,浆体的饱和度改称为饱和率。当饱和率等于100%时,说明浆体处于饱和状态。此时,水被填充于孔隙之间,对应于膏体的不脱水特征。当饱和率大于100%,说明浆体处于过饱和状态,部分水从膏体中析出。
饱和率定义是指浆体中水的体积与浆体骨料的孔隙体积之比,即
Sr=
Cv=wv=Vvnww1+Gs(100-Cw)
n=1-G
将式(2)、式(3)代入式(1),最终得到饱和率公式为
(4)ww(1-)1+GGs(100-Cw)
式中,Sr为饱和率,%;Vw为浆体中水的体积分数,%;Vv为充填物料中孔隙的体积分数,%;n为物料的孔隙率,%;Cv为水的体积比率,%; 为骨料的堆集密度;Gs为物料的比重;Gw为水的比重;Cw为浆体的质量分数,%。
式(4)物理意义明确,计算简单。浆体的饱和率与孔隙率成反比,与水的体积比率成正比。只要知道浆体的质量分数、骨料的密度、骨料的比重,就可计算出浆体的饱和率,进而判别浆体的饱和状态。Sr=(1)(2)[9](3)
2 浆体泌水率
为了降低阻力,膏体输送时需要在管壁附近产生一个润滑层。该润滑层是以水为主,表现为一层水膜,其流动速度基本为0。而浆体的泌水集中存在于这一润滑层,根据润滑层的厚度,提出泌水率理论公式。
2.1 泌水率定义
浆体中的水被分为两部分,大部分被颗粒吸附在其孔隙内以及颗粒表面,少部分析出后构成了润滑层。浆体泌水率是指润滑层的体积与管道中所有水的体积之比。润滑层的体积为V1,管道中所有水的体积为V2,泌水率可表示为Br=1
2(5)
第33卷 第6期 王洪江,王 勇,吴爱祥,等:从饱和率和泌水率角度探讨膏体新定义87 可以视管道与其中的膏体柱为同心圆,其周边的润滑层为一圆环状,长度为l的管道内润滑层的体积为
V1= (R2-r2)l(6)
因为膏体输送呈现柱塞流,水膜层所占体积极小,可以将管道容积看作管道料浆体积。因此管道料浆体积为
VL= Rl
则管道中水的总体积为
V2=VLCv
将式(2)、式(6)~式(8)代入式(5),化简后得到泌水率公式为
ww[1+Br=]RGs(100-Cw)
为R+r 2R。则式(9)可化简为
wwBr 1+RGs(100-Cw)(10)(9)(8)2(7) 水膜层厚度h可表示为管道内径R与膏体柱半径r之差的一半,即R-r=2h。因为R r,可近似认
式中,Br为泌水率,%;R为管道半径,m;r为膏体柱的半径,m;h为润滑层厚度,m。
式(10)表明,在同等条件下,浆体的泌水率与水膜厚度成正比,与管道半径、浆体水的体积分数成反比。泌水率与质量分数关系复杂,因为质量分数越高,水膜厚度越小,而水的体积比率越小。
2.2 润滑层厚度的讨论
根据工作表面的不同和工作条件的限制,润滑一般可分为3种类型,即流体润滑、混合润滑、边界润滑。通常可根据所形成的润滑膜的厚度与表面粗糙度综合值的比值 ,借助斯特里贝克(Stribeck)曲线,判断润滑状态。
膏体输送为长距离输送,因此不能简单地将其水膜层润滑划分为某一具体状态,而是将其视为多种润滑状态的组合,因此膏体水膜润滑应为混合润滑。混合润滑状态下,平均润滑膜厚h与摩擦副表面的复合粗糙度的比值 约为3,即水膜厚度约等于粗糙度的3倍。
俄罗斯新而清洁的焊接钢管绝对粗糙度为30~100 m。国内宝鸡、辽阳和沙市钢管厂新管内表面粗糙度为12.5~25 m,搁置半年管内表面粗糙度为25~100 m
30~100 m。[11 12][10]。这里取膏体输送管道内壁粗糙度范围为
按照润滑理论,膏体管道输送过程中,内壁水膜厚度约等于内壁粗糙度的3倍,而输送管道内壁粗糙度范围为30~100 m,因此水膜厚度应为90~300 m。
通常,膏体输送管道半径取60~75mm,全尾砂膏体质量分数范围为70%~82%,物料比重范围为
2.5~2.87g/cm3,容重范围为1.3~1.7g/cm3[13 14]。泌水率的大小取决于水膜厚度,只有保证合适的泌水率,才有利于润滑层的形成。将水膜厚度0.09~0.3mm代入式(10),得泌水率范围为1.5%~5%。
2.3 饱和率与泌水率关系
在特定物料条件下,浆体饱和率与浆体质量分数为一一对应关系,而泌水率又与管道半径、水膜厚度等有关。因此,有必要讨论饱和率与泌水率之间的关系。泌水率=(饱和率-1)/饱和率,即
Br=rSr(11)
式(11)表明,泌水率与饱和率正相关,即饱和率越高,泌水率越大。
将泌水率范围1.5%~5%代入式(11),得到饱和率范围为101.5%~105.3%。
理论上讲,膏体饱和率应当为100%,此时没有水析出,即泌水率为0。如果要求膏体的泌水量为0,对于膏体的制备与输送是极其困难的。为了保证膏体的流动性,要求膏体处于过饱和状态。只要泌水量能够形成润滑层,又能保证浆体颗粒不离析,这就是理想的膏体。
3 会泽铅锌矿膏体定义验证
二级搅拌设备,并实现深井长距离满管自流输送技术,运行效果良好。为了验证新的定义体系在工程应用中的可靠性,对会泽膏体进行检验。
3.1 会泽膏体质量分数理论计算
会泽膏体充填物料为全尾砂与水淬渣,再添
加水泥后制备而成,目前矿山常用的物料质量比
为7 1 1。物料特性见表1。
会泽膏体输送管道半径为75mm。针对会
泽膏体,按照式(4)、式(10)进行计算,寻求会泽标
准配比下膏体所需的质量分数值,验证过程如
表2所示。
表2 会泽标准配比(配比7 1 1)膏体质量分数验证表
料浆质量分数/%
76.0
78.0
80.0
80.5
81.4
82.0密度/(t m-3)1.681.681.681.681.681.68比重/(t m-3)孔隙率/%水的体积比率/%饱和率计算值/%2.872.872.872.872.872.8737.5037.5037.5037.5037.5037.5045.9143.1240.1939.5038.0537.11118.9115.0107.2105.3101.599.0泌水率计算值/% 3.902.69 物料全尾砂水淬渣水泥表1 会泽膏体骨料的物理特性比重/(t m-3)2.712.593.10堆密度/(t m-3)1.881.181.30孔隙率/%34.3554.4458.06
由表2可知,当饱和率在101.5%~105.3%时,对应的质量分数为80.5%~81.4%,得到理想泌水率范围为2.69%~3.90%(水膜厚度与质量分数有关,并不是唯一值,当质量分数为80.5%时,水膜厚度取0.3mm,当质量分数为81.4%时,水膜厚度取0.2mm),在膏体定义标定范围1.5%~5%之内。因此,会泽膏体合理的质量分数范围应为80.5%~81.4%。
当料浆的质量分数低于理想的膏体质量分数时,泌水量增多导致润滑层厚度增大,泌水率计算值也会随着增大,此时,润滑层厚度具体取值与集料性质有关,不易量化。当浆体的质量分数高于膏体质量分数时,泌水变得困难,料浆趋于饱和,不易输送。所以,在不影响工程应用的前提下,验证过程只计算膏体质量分数下的泌水率。
3.2 现场泌水率实测
不同质量分数下的泌水率现场监测值如表3所示。
由表3监测数据回归泌水率与质量分数关系式如
式(12),复相关系数RR=0.997。
Y=-1.136X+95.62
式中,Y为泌水率,%;X为料浆质量分数,%。
由式(12)可知,泌水率与料浆质量分数成负相关。当会泽膏体质量分数为80.5%~81.4%时,监测泌水率为3.1%~4.2%,同样在定义标定的泌水率范围1.5%~5%之内。
对比表2与表3发现,在定义界定质量分数范围内,实测值与计算值基本相符,为现场膏体泌水率计算提供了一种简单可靠的方法。
3.3 塌落度验证
塌落度是衡量膏体充填料浆可泵性的一个重要参数
指标[15]。国内外经验表明,充填膏体的塌落度范围在
20~25cm,即满足膏体的要求。实验测得的塌落度值
见表4。料浆质量分数/%塌落度/cm表4 塌落度测量值7628.987828.128025.718222.53表3 会泽标准配比泌水率现场监测值料浆质量分数/%泌水率/%769.39786.86804.97822.45(12)
塌落度与质量分数回归方程见式(13),复相关系数RR=0.999。
Y=-791.933+21.822X-0.145X2(13)
式中,Y为塌落度,cm;X为料浆质量分数,%。
式(13)表明,塌落度与质量分数呈抛物线函数关系,随质量分数的增加而下降。当会泽膏体质量分数范围为80.5%~81.4%时,塌落度范围为23.6~25.1cm,该塌落度范围符合会泽充填浆体流动性要求。
可见,根据膏体新定义很容易求出会泽膏体质量分数范围,该质量分数范围对应的泌水率计算值与监测值均在定义标定范围之内。对此质量分数范围内的塌落度实测,其结果与膏体安定塌落度的推荐范围相吻合。这说明新的定义体系对于充填膏体的检验是可靠的。
4 结 论
a.将土力学中的饱和度概念推广到浆体中,提出了便于判断浆体饱和状态的概念,并给出浆体饱和率定义及理论公式。
b.借助摩擦学润滑理论,认为膏体管道输送润滑层厚度与管壁粗糙度有关,并判断膏体水膜润滑属于混合润滑,根据Stribeck曲线,得出膏体管道输送润滑层水膜厚度为0.09~0.3mm。
c.以管道输送润滑层厚度为基础,提出了以集料的饱和率与泌水率为主要指标的定义体系,即浆体饱和率在101.5%~105.3%,且泌水率满足1.5%~5%,即为膏体。
d.通过会泽膏体物料的计算与实测,对提出的膏体新定义方法进行检验,得出会泽膏体最佳质量分数范围为80.5%~81.4%;现场实测泌水率为3.1%~4.2%,在定义标定范围之内;塌落度范围为23.6~25.1cm,满足流动性要求。验证表明,该定义体系简化了膏体的判别,且具有较高的可靠性。
参考文献
[1] GrabinskyMW.InSituMonitoringforGroundTruthingPasteBackfillDesigns[C]//Proceedingsofthe13thInterna
tionalSeminaronPasteandThickenedTailings.[S.l.]:AustralianCentreforGeomechanics,2010:85 98.
[2] FallM,NasirO.PredictingtheTemperatureandStrengthDevelopmentWithinCementedPasteBackfillStructures[C]//
Proceedingsofthe13thInternationalSeminaronPasteandThickenedTailings.[S.l.]:AustralianCentreforGeome chanics,2010:125 136.
[3] BelemT,FourieAB,FaheyM.Time dependentFailureCriterionforCementedPasteBackfills[C]//Proceedingsofthe
13thInternationalSeminaronPasteandThickenedTailings.[S.l.]:AustralianCentreforGeomechanics,2010:147 162.
[4] NasirO,FallM.CouplingBinderHydrationTemperatureandCompressiveStrengthDevelopmentofUnderground
CementedPasteBackfillatEarlyAges[J].TunnellingandUndergroundSpaceTechnology,2010,25(1):9 20.
[5] 王洪江,吴爱祥,肖卫国,等.粗粒级膏体充填的技术进展及存在的问题[J].金属矿山专题综述,2009(11):1 5.
[6] 杨盛凯,王洪江,吴爱祥,等.尾矿高浓度排放技术的发展概况及展望[J].中国安全生产科学技术,2010,6(5):28 33.
[7] FallM,C lestinJ,SenHF.PotentialUseofDensifiedPolymer pastefillMixtureasWasteContainmentBarrier
Materials[J].WasteManagement,2010,30(12):2570 2578.
[8] JewellRJ,FourieAB,LordER.PasteandThickenedTailings AGuide[M].[S.l.]:AustralianCentrefor
Geomechanics(ACG),2002.
[9] 缪林昌.非饱和土的本构模型研究[J].岩土力学,2007,28(5):855 860.
[10]刘正林.摩擦学原理[M].北京:高等教育出版社,2009.
[11]陈 凤,余汉成,孙在蓉,等.管道内壁粗糙度的确定[J].天然气与石油,2007,25(6):8 10.
[12]王喜安,刘 雯,张世斌,等.国内外天然气管道绝对当量粗糙度的设计取值[J].油气储运,2000,19(10):9 10.
[13]HuynhL,BeattieDA,FornasieroD,etal.EffectofPolyphosphateandNaphthaleneSulfonateFormaldehydeCondensate
ontheRheologicalPropertiesofDewateredTailingsandCementedPastebackfill[J].MineralsEngineering,2006,19(1):28 36.
[14]蔡嗣经.矿山充填力学基础[M].2版.北京:冶金工业出版社,2009.
[15]李云武,陈闻舞.全尾砂碎石膏体充填材料试验研究[J].中国矿山工程,2004,33(2):4 6.