陳九艷，張 覃，程 偉，3，4

（1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州科學(xué)院，貴州 貴陽 550001；3.喀斯特地區(qū)優(yōu)勢(shì)礦產(chǎn)資源高效利用國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550025；4.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550025）

磷尾礦是磷礦選礦作業(yè)中的固體廢棄物，我國(guó)每 年產(chǎn)出磷尾礦約700萬噸［1］。目前磷尾礦利用率僅5%，其余大量堆存，不利于環(huán)境友好［2］，磷尾礦綜合利用迫在眉睫。

以固體廢棄物為集料，輔以膠凝材料制備高濃度料漿充填采空區(qū)能有效解決尾礦堆存和采空區(qū)塌陷問題［3－4］。料漿高濃度管道輸送直接關(guān)系到充填系統(tǒng)能否正常運(yùn)行［5］，為防止管道堵塞，料漿應(yīng)具有一定的流動(dòng)性［6］，研究充填料漿的流變特性對(duì)于管道輸送設(shè)計(jì)尤為重要［7］。料漿中細(xì)顆粒物質(zhì)的性質(zhì)是影響料漿流變行為的主要因素［8］；控制顆粒的表面化學(xué)性能可以改變流體的流變性能，這可通過使用低分子量帶電聚合物改變它們所吸附的礦物表面性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)［9］。

十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）是一種常用的陽離子表面活性劑，可用于改變材料的表面性能［10］。本文以貴州某磷尾礦為主要集料，通過添加粉煤灰和水泥配制成充填料漿，向其中添加一定量的CTAB，研究料漿在管道內(nèi)的輸送效果及影響機(jī)理，對(duì)降低高濃度料漿管道輸送過程中的流動(dòng)阻力、管道磨損、輸送能耗具有重要意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料和藥劑

試驗(yàn)所用磷尾礦取自貴州某磷礦經(jīng)浮選后的尾礦，用其作為膠結(jié)充填的骨料，與水泥、粉煤灰按一定比例配制成充填料漿。粉煤灰取自貴州某電廠。水泥為貴州麟山水泥公司新型干法生產(chǎn)的袋裝復(fù)合硅酸鹽水泥P·C32.5R。減阻劑為十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）。試驗(yàn)用水為自制去離子水。

采用激光粒度儀對(duì)粉煤灰和磷尾礦進(jìn)行了粒度分析，結(jié)果見圖1。由圖1可見，粉煤灰和磷尾礦整體粒度較細(xì)，其中磷尾礦－52.62μm粒級(jí)占比64.75%、－150μm粒級(jí)占比接近100%，粉煤灰－52.62μm粒級(jí)占比78.03%、－150μm粒級(jí)占比接近100%。

圖1 粉煤灰和磷尾礦粒度分析結(jié)果

采用X射線衍射儀對(duì)粉煤灰和磷尾礦進(jìn)行了礦物組成分析，結(jié)果見圖2?？梢娏孜驳V主要含白云石、氟磷灰石、方解石、石英等成分，粉煤灰主要含石英、莫來石、赤鐵礦等成分。

圖2 磷尾礦和粉煤灰X射線衍射圖譜

1.2 試驗(yàn)方法

使用實(shí)驗(yàn)室自制輸送裝置（見圖3）進(jìn)行輸送量的測(cè)定。

圖3 輸送裝置示意圖

磷尾礦基充填材料（PTFM）的制備：按質(zhì)量比6∶2∶1稱取磷尾礦、粉煤灰和水泥，量取去離子水，將已稱好的磷尾礦、粉煤灰和水泥添加至攪拌機(jī)內(nèi)干式攪拌2 min，將減阻劑添加至去離子水中溶解，隨后將減阻劑溶液添加至混凝土攪拌機(jī)再次攪拌5 min。磷尾礦料漿指單一添加磷尾礦的料漿。分別將以上2種料漿添加至給料桶，啟動(dòng)灌漿機(jī)，管道內(nèi)料漿流動(dòng)基本均勻，記下料漿流出一定體積所需要的時(shí)間，再計(jì)算相應(yīng)的輸送量。

使用輸送量測(cè)定中的料漿配制方法配制備用料漿，在20℃的室溫條件下，采用數(shù)字黏度儀測(cè)量各因素下料漿的動(dòng)力黏度。

沉降試驗(yàn)在500 mL沉降量筒中進(jìn)行，5 g礦物和500 mL去離子水在一個(gè)帶有擋板的攪拌槽中混合，添加一定量減阻劑，在1 992 r／min下強(qiáng)烈攪拌10 min使其充分分散，全部轉(zhuǎn)移到500 mL的玻璃沉降量筒里，用攪拌棒上下攪動(dòng)10次后，立即放置在沉降顆粒分析儀上測(cè)定沉降質(zhì)量隨時(shí)間的變化，沉降高度21 cm。在攪拌機(jī)中調(diào)漿后轉(zhuǎn)移至沉降量筒中，沉淀一定時(shí)間，抽取上部20 mL懸浮液，在哈希2100Q濁度儀中測(cè)量濁度。每組試驗(yàn)測(cè)量3次濁度，取平均值。

用沉降試驗(yàn)中的料漿配制方法配制備用料漿，攪拌完成后，靜置10 min，隨后用針管吸取3 mL左右懸浮液測(cè)定其Zeta電位值。參考混凝土試模標(biāo)準(zhǔn)JG 237—2008制備充填體試樣，分別測(cè)定試樣7 d、14 d和28 d的抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 CTAB添加量對(duì)料漿輸送量和黏度的影響

輸送設(shè)備的輸送量是衡量輸送效率的重要參數(shù)，輸送量越大，輸送設(shè)備的輸送效果越好。CTAB添加量對(duì)PTFM（74%）和磷尾礦（80%）輸送量的影響見圖4。由圖4可見，隨著CTAB添加量增加，PTFM輸送量先迅速增加而后緩慢增加。CTAB的加入可有效提高PTFM料漿流動(dòng)性，提高輸送效率。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，未添加CTAB時(shí)，磷尾礦料漿加入輸送裝置后，管道堵塞；加入CTAB后，磷尾礦可以輸送，輸送量隨著CTAB添加量增加而增大。從輸送量的增加速率和經(jīng)濟(jì)成本考慮，CTAB的合適添加量為600 g／t。

圖4 CTAB添加量對(duì)PTFM和磷尾礦料漿輸送量的影響

CTAB添加量對(duì)PTFM和磷尾礦料漿黏度的影響見圖5。無論低濃度還是高濃度，CTAB的添加都對(duì)PTFM充填材料的流變性產(chǎn)生影響，隨著CTAB添加量增加，PTFM黏度整體呈減小趨勢(shì)。在試驗(yàn)中觀察到，未加CTAB時(shí)，輸送濃度太高會(huì)影響?zhàn)ざ扔?jì)的測(cè)量結(jié)果，所以選擇接近輸送的濃度。當(dāng)輸送濃度為72%時(shí)，隨著CTAB添加量增加，PTFM料漿黏度先迅速減小，而后緩慢減小。隨著CTAB添加量增加，磷尾礦料漿黏度表現(xiàn)出與PTFM相同的變化規(guī)律。在料漿輸送過程中，料漿的運(yùn)動(dòng)受顆粒間阻力的影響，黏度減小，說明料漿運(yùn)動(dòng)時(shí)所受阻力減小，會(huì)進(jìn)一步提高料漿輸送效率。

圖5 CTAB添加量對(duì)PTFM和磷尾礦料漿黏度的影響

2.2 CTAB添加量對(duì)料漿Zeta電位的影響

料漿的流變性不僅受固體含量的控制，還受顆粒和溶液性質(zhì)的控制，流變性能的改變可能與減阻劑對(duì)漿體表面性質(zhì)的影響有關(guān)［4］。為了進(jìn)一步研究CTAB對(duì)料漿流變性影響機(jī)理，測(cè)定料漿懸浮液的Zeta電位與CTAB添加量的關(guān)系如圖6所示。由圖6可見，隨著CTAB添加量增加，PTFM和磷尾礦料漿懸浮液Zeta電位逐漸增加，說明添加CTAB使得料漿顆粒之間的靜電斥力增大，料漿分散性增強(qiáng)。

圖6 CTAB添加量對(duì)PTFM和磷尾礦懸浮液Zeta電位的影響

PTFM含有硅酸鹽和鋁酸鹽，表面有SiO32－和AlO32－，水中帶有正電離子H＋，料漿吸附水中的H＋，使得水分子發(fā)生極化，從而使料漿與水產(chǎn)生電勢(shì)差，所以料漿懸浮液中存在Zeta電位。CTAB為陽離子型活性劑，溶于水中呈正電性，將CTAB添加至PTFM中可能產(chǎn)生靜電引力使CTAB吸附在PTFM上。相同的帶電基面和邊緣可能通過粒子間靜電相互作用而發(fā)生分散，PTFM料漿黏度減小。這與文獻(xiàn)［11］研究充填材料流變性改變機(jī)理時(shí)得出的分子間靜電斥力和空間力改變可以導(dǎo)致粒子分散的結(jié)論一致。

2.3 CTAB添加量對(duì)沉降質(zhì)量的影響

濁度和沉降質(zhì)量可以表征顆粒在料漿中的分散行為，濁度越大且沉降質(zhì)量越小，顆粒越容易在料漿中分散形成穩(wěn)定的懸浮液，礦物顆粒之間的分散效果越好。圖7為不同沉降時(shí)間下，料漿上清液的濁度與CTAB添加量的關(guān)系。由圖7可見，在PTFM和磷尾礦中添加CTAB后，隨著CTAB添加量增加，上清液濁度逐漸增大，說明CTAB的添加能增強(qiáng)固體顆粒之間的分散作用。

圖7 CTAB添加量對(duì)PTFM和磷尾礦料漿濁度的影響

圖8為CTAB添加量對(duì)PTFM、磷尾礦、粉煤灰和水泥沉降質(zhì)量的影響。由圖8可見，隨著CTAB添加量增加，PTFM沉降質(zhì)量逐漸增大；CTAB添加量從0 g／t增至400 g／t時(shí)，磷尾礦沉降質(zhì)量變化趨勢(shì)不明顯，CTAB添加量從400 g／t增至600 g／t時(shí)，磷尾礦沉降質(zhì)量增大趨勢(shì)較為顯著，再繼續(xù)增加CTAB添加量，磷尾礦沉降質(zhì)量增加幅度變小。CTAB添加量的變化對(duì)粉煤灰沉降質(zhì)量的影響沒有對(duì)其他組分的影響明顯。隨著CTAB添加量增加，水泥沉降質(zhì)量逐漸增大。綜上可知，添加CTAB導(dǎo)致顆粒的分散效果增大，這種分散效果在磷尾礦中較為明顯，粉煤灰次之，而在水泥中表現(xiàn)為抑制顆粒分散。

圖8 CTAB添加量對(duì)PTFM及各主要成分沉降質(zhì)量的影響

2.4 CTAB添加量對(duì)PTFM抗壓強(qiáng)度的影響

磷尾礦、粉煤灰、水泥質(zhì)量比6∶2∶1，PTFM料漿濃度74%，不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下CTAB添加量對(duì)PTFM抗壓強(qiáng)度的影響見圖9。由圖9可見，隨著CTAB添加量增加，PTFM養(yǎng)護(hù)后的抗壓強(qiáng)度先減小后增大，合理控制CTAB添加量，對(duì)PTFM抗壓強(qiáng)度有改善效果，養(yǎng)護(hù)28 d后PTFM最大抗壓強(qiáng)度為2.66 MPa。

圖9 CTAB添加量對(duì)PTFM抗壓強(qiáng)度的影響

3 結(jié) 論

以十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）為減阻劑，研究了磷尾礦基充填材料PTFM的輸送特性。輸送試驗(yàn)結(jié)果表明，添加減阻劑CTAB可使PTFM輸送量逐漸增大。Zeta電位測(cè)定結(jié)果表明，隨著CTAB添加量增加，PTFM料漿懸浮液動(dòng)電位逐漸增大。添加CTAB后，相同的帶電基面和邊緣通過粒子間靜電相互作用而發(fā)生分散，PTFM黏度減小?？箟簭?qiáng)度測(cè)量結(jié)果表明，當(dāng)磷尾礦、粉煤灰、水泥質(zhì)量比6∶2∶1、PTFM濃度74%時(shí)，CTAB的添加對(duì)PTFM養(yǎng)護(hù)后的抗壓強(qiáng)度有改善效果，養(yǎng)護(hù)28 d后PTFM最大抗壓強(qiáng)度為2.66 MPa。綜合考慮PTFM料漿的輸送量和養(yǎng)護(hù)后的抗壓強(qiáng)度，CTAB的合適添加量為600 g／t。