Обогащение и классификация песков

Отечественная промышленность по производству товарного бетона, заводы ЖБИ и ДСК, производящие сборный железобетон, используют в качестве заполнителей песок и щебень, как правило, не подвергавшиеся дополнительной обработке после их добычи. И если сама технология получения щебня включает дробление и сортировку материала, т. е; позволяет поставлять по крайней мере 2 фракции крупного заполнителя, то добытый песок обычно никак не обрабатывается.
Исследованиями отечественных и зарубежных ученых показано, что от песка как основного носителя поверхности, гранулометрия которого, определяет пустотность заполнителя, главным образом, зависит расход цемента в бетоне. И поэтому именно природный песок в первую очередь должен быть подвергнут переработке.
В настоящее время нет единого мнения о том, каковы должны быть критерии качества песка для изготовления железобетонных конструкций. Приемлемыми считаются пески, соответствующие стандарту, а лучшими из них — крупные пески, причем основным критерием, используемым для оценки качества, является модуль крупности. В то же время различными исследованиями неоднократно указывалось, что при одинаковом модуле крупности удельная поверхность песков может отличаться в 1,5-1,8 раза и что модуль крупности не может служить надежной оценкой качества песка.
Приблизительность используемых критериев, отсутствие привязки качества песка к классу бетона и возможностям формующего оборудования не позволяют оптимизировать состав песка, а использование необработанных песков приводит к перерасходу цемента и снижению качества бетона.
За использование необработанных заполнителей приходится платить дважды: за случайный гранулометрический состав, наличие примесей и др., а также за нестабильность технологического процесса в связи с постоянно меняющимися характеристиками заполнителей, даже получаемыми от одного поставщика, сегрегацией песка в процессе разгрузки и др.
Песок имеет также постоянно меняющуюся от замеса к замесу влажность, которую, из-за отсутствия экспрессных методов определения ее в потоке, приходится устанавливать органолептически оператору бетоносмесительного узла. Все это приводит к повышению стоимости бетона в связи с увеличением расхода цемента. Так, при изготовлении конструкций из песчаного бетона перерасход цемента по сравнению с использованием песка оптимального грансостава составляет 80-140 кг/м3 или до 30 %.
Перерасход цемента в границах 15% при использовании необработанных речных, карьерных песков в тяжелых бетонах неоднократно подтверждался теоретическими и экспериментальными работами отечественных и зарубежных ученых, а также практикой бетонных работ за рубежом, где это положение отражено в нормативных документах по технологии бетона. Как известно, в подавляющем большинстве случаев за рубежом на заводы и стройки поставляются мытые сухие фракционированные (разделенные на 4-5 фракций) пески, что позволяет для каждой марки бетона и каждой удобоукладываемости бетонной смеси использовать оптимальный фракционный состав заполнителей. Соответственно, бетоносмесителъные узлы заводов снабжены емкостями для хранения отдельных фракций песка, трактами подачи, управляемой компьютером системой дозировки.
Причинами, по которым в России не используются фракционированные пески, являются, с одной стороны, неготовность потребителей принять, обработать и ввести в бетонную смесь несколько отдельных фракций песка, с другой, неготовность карьеров выпускать фракционированные пески из-за отсутствия спроса и серийного оборудования для их классификации.
По существу, в настоящее время сложилась ситуация замкнутого круга, когда заводы для того, чтобы принять отдельные фракции заполнителя, нуждаются в реконструкции, а карьероуправления, ГОКи из-за отсутствия заказов не приобретают соответствующее оборудование. Сложность проблемы усугубляется тем, что использование указанного оборудования эффективно только при значительных объемах переработки заполнителя, а это означает необходимость поставки фракционированного песка как минимум на 3-4 крупных завода.
Однако, если принять во внимание состояние промышленности нерудных материалов и при поставке фракционированного песка отказаться от принципа дифференциации гранулометрического состава для каждого вида бетона и ограничиться некоторыми усредненными характеристиками, то для большинства бетонов, используемых в стройиндустрии, можно указать грансостав песка по расходам цемента близкий к оптимальному. Получение песков указанной гранулометрии может быть организовано на карьере таким образом, что песок с требуемым соотношением фракций выдается в качестве готового продукта, а «лишние» фракции песка в разделенном виде накапливаются на картах намыва, откуда поставляются потребителям для других видов бетонов и растворов.
Таким образом, реальным выходом из создавшегося положения является приготовление фракционированного песка, состоящего из смеси определенных фракций, на карьере и поставка уже готового песка потребителю.
Тогда потребитель работает в рамках существующего технологического процесса и не нуждается в установке дополнительного оборудования.
Кроме того, существенна возможность стабилизации технологического процесса производства бетона. Классификация песка может сопровождаться использованием обезвоживателей, позволяющих получать песок с фиксированной влажностью, что дает возможность отказаться от ориентировочных методов оценки водосодержания бетонной смеси — установить весовую дозировку воды. Это, в свою очередь, приведет к дополнительной экономии цемента.
Разработан расчетный аппарат, позволяющий оценить качество используемого песка по его гранулометрическому составу. Очевидно, что критерием качества песка должна быть стоимость бетона на указанном песке, однако в качестве промежуточного достаточного критерия оптимизации может быть принят расход цемента в м3 бетонной смеси.
Поскольку, помимо указанных выше характеристик песка, расход цемента определяется маркой бетона и удобоукладываемостью бетонной смеси, то зависимости, оценивающие качество песка, были построены как функция гранулометрии песка для конкретной марки бетона и удобоукладываемости бетонной смеси, и тогда они могут быть представлены в форме квадратного многочлена. Зависимости в виде симплекс--диаграмм позволяют оценить весь комплекс факторов, влияющих на расход цемента.
При разработке расчетного аппарата существенно как снижение количества факторов, используемых для оценки качества песка, так и возможность надежного их определения. Например, включение в число факторов удельной поверхности песка значительно упростило бы расчетный аппарат. Однако, отсутствие лабораторной базы для ее определения и приблизительность этой оценки не позволяют включить в расчетный аппарат этот показатель. Показано, что в качестве факторов следует принять данные рассева песка по стандартным ситам, а в качестве критерия оптимизации — расход цемента при заданной прочности бетона и удобоукладываемости бетонной смеси — характеристиках, которые надежно могут быть определены в лаборатории завода.
Ранжированием факторов, оценивающих качество песка, установлено, что количество цементного теста в бетоне слитной структуры более чем на 90 % определяется гранулометрией песка.
Расчетный аппарат, устанавливающий зависимость расхода цемента от марки бетона, удобоукладываемости бетонной смеси и гранулометрии песка, позволяет решить две основные задачи: оценить качество предполагаемого к использованию песка (чаще всего параллельно с решением транспортной задачи) и установить гранулометрию оптимального песка для конкретного производства. Наличие расчетного аппарата позволяет также решить ряд промежуточных задач, например, оптимизировать состав песка поставкой его с двух карьеров с последующим их перемешиванием в процессе приготовления бетонной смеси, оценить целесообразность получения фракционированного песка на конкретном карьере и др.
Номенклатура оборудования по обогащению и классификации песков определяется рядом факторов, наиболее важными из которых являются состав исходного сырья, способ его добычи и требования потребителей.
Наиболее простая схема получается, когда исходное сырье представлено крупными чистыми и стабильными по составу песками, а потребители нуждаются только в одной их категории.
Эта схема используется на ряде обогатительных фабрик песчано-гравийных карьеров. Обычно в ней задействован виброгрохот, отделяющий гравий и спиральный классификатор, в котором производится промывка и обезвоживание песка до уровня влажности, позволяющего его транспортировку.
Еще более простая схема — когда песчаная пульпа вместо обезвоживания подается в зумпф, откуда насосом направляется на карту намыва.
Если исходное сырье добывается экскаватором и представлено средними и мелкими песками, а необходимо получить, например, 3 вида песков: крупные (обогащенные) для производства тяжелых бетонов, мелкие для строительных растворов и очень мелкие для пенобетонов — технологическая схема должна включать комплекс оборудования для выполнения следующих операций:
— подача и дозирование исходного песка перед обогащением для обеспечения стабильного режима работы всего обогатительного комплекса;
— смешивание песка с водой и дезагрегация — очистка зерен песка от прилипших к ним глинистых, илистых частиц и разрушение слипшихся комков;
— грохочение для отделения от песка включений гравия, комовой глины и др., в том числе и для того, чтобы предотвратить попадание в гидроклассификаторы крупных частиц, которые могут забить его входные и выходные отверстия;
— разделение песка на 2 группы (крупный и мелкий);
— сгущение гидросмеси, содержащей мелкие фракции песка с отделением пылевидных и глинистых частиц;
— обезвоживание песка;
— складирование песка в бункерах или на открытых площадках с фильтрующим основанием.
Кроме указанных операций обычно требуется производить осветление оборотной воды и складирование отходов.
В ряде случаев возможно сократить перечисленный комплекс операций. Так, на гидромеханизированных карьерах нет необходимости в операциях по подготовке исходной пульпы и дезагрегации песка, поскольку они осуществляются в процессе добычи и гидротранспорта исходного сырья.
Практика эксплуатации установок по обогащению песков показала, что наиболее надежная и управляемая технологическая схема обеспечивается, если исходная гидросмесь подается в самую верхнюю точку расположения оборудования и затем проходит через весь комплекс самотеком без перекачивания.
На основе технико-экономического анализа и экспериментальных работ, проведенных, в основном, ЦНИИС Минтрансстроя и ВНИПИИстромсырье Минстройматериалов, была разработана, изготовлена и введена в промышленную эксплуатацию технологическая линия по переработке песчано-гравийной смеси, позволяющая получать пески 2 фракций.
Разумеется, это не полностью решает вопросы получения фракционированного песка, но отмыв глинистых частиц и разделение песка на 2 фракции — крупную и мелкую — могут считаться определенным сдвигом в получении песков требуемого качества.
Технологическая линия (рис. 4.13) включает приемный бункер 1, качающийся питатель 2, ленточный конвейер 3, пульпообразователь 4, конический гидрогрохот 5 с лотком для обезвоживания гравия 6, склад гравия 7, гидроклассификатор 8, виброобезвоживатель 9, штабелеукладчик 10, склад обогащенного песка (или бункер-накопитель) 11, тонкослойный сгуститель 12, спиральный классификатор 13, штабелеукладчик 14, склад мелкого песка (или бункер-накопитель) 15, пруд-отстойник 16, водяной насос 17. подающие 18 и отводящие 19 трубопроводы.

Порядок работы технологической линии:
— Исходная песчано-гравийная смесь (ПГС) экскаваторами из забоя грузится в автосамосвалы, которые доставляют и разгружают ее в приемный бункер. Питатель дозирует подачу ПГС на ленточный конвейер, транспортирующий ее в пульпообразователь, куда в заданном объеме непрерывно поступает чистая вода по трубопроводу.
— Мешалка внутри пульпообразователя разрыхляет и равномерно перемешивает ПГС с водой, а также дезагрегирует смесь, т.е., отделяет от зерен песка и гравия прилипшие глинистые и илистые частицы. Полученная гидросмесь самотеком поступает на конический гидрогрохот, в котором из песка отделяется гравий и комовая глина, обезвоживаемые в лотке с ситом и складируемые в конус.
— Из гидрогрохота песчаная пульпа поступает в гидроклассификатор, в котором песок разделяется на 2 фракции. Крупный песок подается на обезвоживатель, затем с влажностью около 16% транспортируется штабелеукладчиком на склад или в бункер. Мелкий песок из сливного патрубка гидроклассификатора поступает самотеком в тонкослойный сгуститель, где из песка выделяются пылевидные и глинистые частицы. Затем песок обезвоживается в спиральном классификаторе и штабелеукладчиком транспортируется на склад или в бункер.
— Слив Из под лотка виброобезвоживателя, из тонкослойного сгустителя и спирального классификатора поступает самотеком в пруд-отстойник по трубопроводу.
— Из пруда осветленная вода подается насосом в пулыюобразователь и гидроклассификатор для создания восходящего потока.