08.06.2009 11:03:53
Исследованиями отечественных и зарубежных ученых показано,что от песка как основного носителя поверхности, гранулометрия которогоопределяет пустотность заполнителя, главным образом зависит расход цемента вбетоне. И поэтому именно природный песок в первую очередь должен бытьподвергнут переработке.
В настоящее время нет единого мнения о том, каковы должныбыть критерии качества песка для изготовления железобетонных конструкций.Приемлемыми считаются пески, соответствующие стандарту, а лучшими из них –крупные пески, причем основным критерием, используемым в России для оценки ихкачества, является модуль крупности. В то же время различными исследователяминеоднократно указывалось, что при одинаковом модуле крупности удельнаяповерхность песков может отличаться в 1,5–1,8 раза и что модуль крупности неможет служить надежной оценкой качества песка.
Приблизительность используемых критериев, отсутствиепривязки качества песка к классу бетона и техническим возможностям формующегооборудования не дают возможности оптимизировать состав песка, а использованиенеобработанных песков приводит к перерасходу цемента и снижению качествабетона.
За использование неподготовленных заполнителей приходитсяплатить дважды: за случайный гранулометрический состав, наличие примесей, атакже за нестабильность технологического процесса в связи с постоянноменяющимися характеристиками заполнителей, в том числе и получаемыми от одногопоставщика, сегрегацией песка в процессе разгрузки и др.
Песок имеет также постоянно меняющуюся от замеса к замесувлажность, которую, из-за отсутствия экспрессных методов определения ее впотоке, приходится устанавливать, как правило, органолептически операторубетоносмесительного узла. Все это приводит к повышению стоимости бетона в связис увеличением расхода цемента на 10–20%. В отдельных случаях, например приизготовлении конструкций из песчаного бетона, перерасход цемента (по сравнениюс использованием песка оптимального грансостава) составляет 80–140 кг/м3или до 30%. Но и для массовых случаев увеличение расхода цемента в среднем на15% – совершенно недопустимая величина.
Одним из следствий применения песков без дополнительнойобработки является поставка смерзшегося песка, разгрузка которого приводит ксерьезным трудностям для заводов – использованию бурорыхлительных машин и др.,причем проблемы не ограничиваются разгрузкой, т.к. смерзшиеся комьяразгруженного песка не могут быть непосредственно использованы втехнологическом процессе.
Перерасход цемента в границах 15% при использованиинеобработанных речных, карьерных песков неоднократно подтверждалсятеоретическими и экспериментальными работами отечественных и зарубежных ученых,а также практикой бетонных работ за рубежом, где это положение отражено внормативных документах по технологии бетона. Как известно, в подавляющембольшинстве случаев за рубежом на заводы и стройки поставляются мытые сухиефракционированные (разделенные на 4–5 фракций) пески, что позволяет для каждоймарки бетона и каждой удобоукладываемости бетонной смеси использовать оптимальныйфракционный состав заполнителей. Соответственно, бетоносмесительные узлызаводов снабжены емкостями для хранения отдельных фракций песка и щебня,трактами подачи, управляемой компьютером системой дозировки.
Причинами, по которым в России не используютсяфракционированные пески, являются, с одной стороны, неготовность потребителейпринять, обработать и ввести в бетонную смесь несколько отдельных фракцийпеска, с другой – неготовность карьеров выпускать фракционированные пески из-заотсутствия спроса, а также оборудования для их классификации.
По существу, в настоящее время сложилась ситуация замкнутогокруга, когда заводы для того, чтобы принять отдельные фракции заполнителя,нуждаются в реконструкции, а карьероуправления, ГОКи из-за отсутствия заказовне приобретают соответствующее оборудование для производства фракционированныхпесков. Сложность проблемы усугубляется тем, что использование указанногооборудования эффективно только при значительных объемах переработкизаполнителя, а это означает необходимость поставки фракционированного песка,как минимум, на 3–4 крупных завода.
Если принять во внимание состояние промышленности нерудныхматериалов и при поставке фракционированного песка отказаться от принципадифференциации гранулометрического состава для каждого вида бетона, аограничиться некоторыми усредненными характеристиками песка, то для большинствабетонов, используемых в стройиндустрии, можно указать грансостав песка порасходам цемента близкий к оптимальному. Получение песков указанной гранулометрииможет быть организовано на карьере таким образом, что песок с требуемымсоотношением фракций выдается в качестве готового продукта, а “лишние” фракциипеска в разделенном виде накапливаются на картах намыва, откуда поставляютсяпотребителям для других видов бетонов и растворов (например, для кладочныхрастворов, отделочных материалов, пенобетонов).
Таким образом, реальным выходом из создавшегося положенияявляется приготовление на карьере фракционированного песка, состоящего из смесиопределенных фракций, и поставка уже готового песка потребителю.
Тогда потребитель работает в рамках существующеготехнологического процесса и не нуждается в установке дополнительногооборудования.
Разумеется, карьер, который должен установить оборудованиепо переработке песка (бункера, пульповоды, классификаторы, сгустители,обезвоживатели), должен компенсировать затраты увеличением стоимости пескаориентировочно на 28 руб/м3. Стоимость сэкономленного цемента дляМосковского региона 100–150 руб/м3. Кроме того, существеннавозможность стабилизации технологического процесса производства бетона.Классификация песка может сопровождаться использованием обезвоживателей,позволяющих получать песок с фиксированной влажностью, не превышающей 3%.Использование песка с такой низкой влажностью исключает его смерзаемость ипозволяет отказаться от ориентировочных методов оценки водосодержания бетоннойсмеси – установить весовую дозировку воды. Это, в свою очередь, приведет кдополнительной экономии цемента.
Институтом “ВНИИПИИстромсырье” разработана и вопытно-промышленном порядке опробована технологическая линия для разделенияпеска на две-три фракции [см. Карпеев В.А., Хрусталев М.И. Малоотходнаятехнология производства обогащенных песков // МГТЦ научно-технической информациии пропаганды. Инф. листок № 85–60, 1985].
Порядок работы линии: исходная песчаная (песчано-гравийная)смесь экскаваторами из карьера грузится в автосамосвалы, которые доставляют иразгружают ее в приемный бункер.
Из бункера дозированная питателем порция песка поступает наленточный конвейер, транспортирующий его в пульпообразователь, куда в заданномобъеме насосом непрерывно подается вода. Мешалка внутри пульпообразователяразрыхляет и равномерно перемешивает песок с водой.
Одновременно от зерен песка практически полностью отделяютсяприлипшие к ним глинистые и илистые частицы. Полученная гидросмесь самотекомпоступает на гидрогрохот, где отделяются включения гравия, комовой глины и др.
Из гидрогрохота песчаная пульпа поступает вгидроклассификатор, в котором песок разделяется на 3 фракции: крупная(целиком), средняя и мелкая (частично) в заданных соотношениях подаются ввиброобезвоживатель и затем транспортируются на склад или в бункер-накопительфракционированного песка.
Оставшиеся части средней и мелкой фракции из главногопатрубка гидроклассификатора поступают самотеком в тонкослойный сгуститель, гдеиз песка выделяются пылевидные и глинистые частицы.
Очищенный песок обезвоживается и транспортируется, напримерштабелеукладчиком, на склад или в бункер-накопитель.
Сливы из виброобезвоживателя, тонкослойного сгустителя испирального классификатора поступают самотеком в пруд-отстойник.
Осветленная вода из пруда насосом подается впульпообразователь и гидроклассификатор для создания в нем восходящего потока.
Технические характеристики линии
Производительность, м3/час:
по исходному песку - 80
по фракционированному песку - 50–60
по мелкому песку - 20–30
годовая, тыс. м3/год - 100–150
Расход воды, м3/час:
на классификацию - 80
общий - 580
Установленная мощность, кВт - 250
Количество обслуживающего персонала, чел. в смену - 2
Себестоимость м3 фракционирования, руб. - 28
В рамках программы подготовки заполнителей для бетонаразработан расчетный аппарат, позволяющий оценить качество используемого пескапо его гранулометрическому составу, форме зерен, количеству примесей и др.Очевидно, что критерием качества песка должна быть стоимость бетона науказанном песке, однако в качестве промежуточного достаточного критерияоптимизации был принят расход цемента в м3 бетонной смеси.
Поскольку, помимо указанных выше характеристик песка, расходцемента определяется классом бетона и удобоукладываемостью бетонной смеси, тозависимости, оценивающие качество песка, построены как функция гранулометриипеска для конкретной марки бетона и удобоукладываемости бетонной смеси, и тогдаони могут быть представлены в форме квадратного многочлена. Зависимости в видесимплекс-диаграмм позволяют учесть весь комплекс факторов, влияющих на расходцемента.
При разработке расчетного аппарата существенно как снижениеколичества факторов, используемых для оценки качества песка, так и возможностьнадежного их определения. Например, включение в число факторов удельнойповерхности песка существенно упростило бы расчетный аппарат. Однако отсутствиелабораторной базы для определения удельной поверхности песка иприблизительность этой оценки не позволяют включить в расчетный аппарат вкачестве фактора этот показатель. Показано, что в качестве критерия оптимизацииможет быть принят рассев песка по стандартным ситам (операция, постоянновыполняемая на заводах сборного железобетона), а в качестве факторов –прочность бетона (марка, класс) и удобоукладываемость бетонной смеси (ОК,жесткость) – характеристики, которые могут быть надежно определены в лабораториизавода.
Ранжированием факторов, оценивающих качество песка,установлено, что количество цементного теста в бетоне слитной структуры (сзаполнением межзернового пространства заполнителя с избытком) более чем на 90%определяется гранулометрией песка. Влияние же других факторов гораздо менеезначимо. Так, влияние коэффициента формы (Кф) песка, зависящего, в основном, отего генезиса, было проанализировано и оценивается по расходу цемента не болеечем в 1% при Кф, изменяющемся от 1,0 до 1,5.
Расчетный аппарат, устанавливающий зависимость расходацемента от класса бетона, удобоукладываемости бетонной смеси и гранулометриипеска, позволяет решить две основные задачи: оценить качество предполагаемого киспользованию песка (чаще всего параллельно с решением транспортной задачи) иустановить гранулометрию “оптимального песка” для конкретного производства.Наличие расчетного аппарата позволяет также решить ряд промежуточных задач,например, оптимизировать состав песка поставкой его с двух карьеров споследующим их перемешиванием в процессе приготовления бетонной смеси, оценитьэкономическую целесообразность получения фракционированного песка на конкретномкарьере и др.
ВЫВОДЫ
Разработан расчетный аппарат, позволяющий оценить качествопесков, используемых при производстве бетона, а также установить оптимальныйгранулометрический состав песка.
Показано, что оптимальный грансостав зависит от марки бетонаи удобоукладываемости бетонной смеси.
В связи с неготовностью заводов ЖБИ и ДСК к приемке ипереработке песков, разделенных на фракции, предлагается организовать получениепеска усредненного грансостава, близкого к оптимальному, непосредственно накарьере и использовать его при производстве бетонов основных строительныхмарок.
Разработаны технология и оборудование для получения песка,состоящего из смеси требуемого количества фракций.
Не вошедшие в объем указанного песка фракции предлагаетсяразместить раздельно в бункерах, картах намыва для отправки производителямдругих видов бетонов и растворов.
В процесс классификации предлагается включить операциюобезвоживания, что позволит получить песок с фиксированной низкой влажностью иисключить его смерзаемость.
Использование фракционированного песка для большинстваконструкций позволяет применить его в качестве единственного заполнителя втяжелом бетоне.
Поставка фракционированного песка позволяет сократить расходцемента в тяжелом бетоне не менее чем на 50 кг/м3 (для песчаныхбетонов на 80–100 кг/м3) при одновременном улучшении структурныххарактеристик материала.