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, две 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 в России для оценки их качества, является модуль крупности. В то же время различными исследователями 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 техническим возможностям формующего оборудования не дают возможности оптимизировать состав песка, а использование необработанных песков приводит к перерасходу цемента и снижению качества бетона.

За использование неподготовленных заполнителей приходится платить дважды: за случайный гранулометрический состав, наличие примесей, а также за нестабильность технологического процесса в связи с постоянно меняющимися характеристиками заполнителей, в том числе и 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, как правило, органолептически оператору бетоносмесительного узла. Все это приводит к повышению стоимости бетона в связи с увеличением расхода цемента на 10–20%. В отдельных случаях, например при изготовлении конструкций из песчаного бетона, перерасход цемента (по сравнению с использованием песка оптимального грансостава) составляет 80–140 кг/м³ или до 30%. Но и для массовых случаев увеличение расхода цемента в среднем на 15% – совершенно недопустимая величина.

Одним из следствий применения песков без дополнительной обработки является поставка смерзшегося песка, разгрузка которого приводит к серьезным трудностям для заводов – использованию бурорыхлительных машин и др., причем проблемы не ограничиваются разгрузкой, т.к. смерзшиеся комья разгруженного песка не могут быть непосредственно использованы в технологическом процессе.

Перерасход цемента в границах 15% при использовании необработанных речных, карьерных песков 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, бетоносмесительные узлы заводов снабжены емкостями для хранения отдельных фракций песка и щебня, 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, а также 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 для производства фракционированных песков. 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.

Если принять во внимание состояние промышленности нерудных материалов и при поставке фракционированного песка отказаться от принципа дифференциации гранулометрического состава для каждого вида бетона, а ограничиться некоторыми усредненными характеристиками песка, 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 (например, для кладочных растворов, отделочных материалов, пенобетонов).

Таким образом, реальным выходом из создавшегося положения является приготовление на карьере фракционированного песка, состоящего из смеси определенных фракций, и поставка уже готового песка потребителю.

Тогда потребитель работает в рамках существующего технологического процесса и не нуждается в установке дополнительного оборудования.

Разумеется, карьер, который должен установить оборудование по переработке песка (бункера, пульповоды, классификаторы, сгустители, обезвоживатели), должен компенсировать затраты увеличением стоимости песка ориентировочно на 28 руб/м³. Стоимость сэкономленного цемента для Московского региона 100–150 руб/м³. Кроме того, существенна возможность 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 и позволяет отказаться от ориентировочных методов оценки водосодержания бетонной смеси – установить весовую дозировку воды. Это, в свою очередь, приведет к дополнительной экономии цемента.

Институтом “ВНИИПИИстромсырье” разработана и в опытно-промышленном порядке опробована технологическая линия для разделения песка на две-три фракции [см. Карпеев В.А., Хрусталев М.И. Малоотходная технология производства обогащенных песков // МГТЦ научно-технической информации и пропаганды. Инф. листок № 85–60, 1985].

Порядок работы линии: исходная песчаная (песчано-гравийная) смесь экскаваторами из карьера грузится в автосамосвалы, которые доставляют и разгружают ее в приемный бункер.

Из бункера дозированная питателем порция песка поступает на ленточный конвейер, транспортирующий его в пульпообразователь, куда в заданном объеме насосом непрерывно подается вода. Мешалка внутри пульпообразователя разрыхляет и равномерно перемешивает песок с водой.

Одновременно от зерен песка практически полностью отделяются прилипшие к ним глинистые и илистые частицы. Полученная гидросмесь самотеком поступает на гидрогрохот, где отделяются включения гравия, комовой глины и др.

Из гидрогрохота песчаная пульпа поступает в гидроклассификатор, в котором песок разделяется на 3 фракции: крупная (целиком), средняя и мелкая (частично) в заданных соотношениях подаются в виброобезвоживатель и затем транспортируются на склад или в бункер-накопитель фракционированного песка.

Оставшиеся части средней и мелкой фракции из главного патрубка гидроклассификатора поступают самотеком в тонкослойный сгуститель, где из песка выделяются пылевидные и глинистые частицы.

Очищенный песок обезвоживается и транспортируется, например штабелеукладчиком, на склад или в бункер-накопитель.

Сливы из виброобезвоживателя, тонкослойного сгустителя и спирального классификатора поступают самотеком в пруд-отстойник.

Осветленная вода из пруда насосом подается в пульпообразователь и гидроклассификатор для создания в нем восходящего потока.

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 бетона разработан расчетный аппарат, позволяющий оценить качество используемого песка по его гранулометрическому составу, форме зерен, количеству примесей и др. Очевидно, что критерием качества песка должна быть стоимость бетона на указанном песке, однако в качестве промежуточного достаточного критерия оптимизации был принят расход цемента в м³ бетонной смеси.

Поскольку, помимо указанных выше характеристик песка, расход цемента определяется классом бетона и удобоукладываемостью бетонной смеси, то зависимости, оценивающие качество песка, 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 учесть 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 существенно упростило бы расчетный аппарат. Однако отсутствие лабораторной базы для определения удельной поверхности песка и приблизительность этой оценки не позволяют включить в расчетный аппарат в качестве фактора этот показатель. Показано, что в качестве критерия оптимизации может быть принят рассев песка по стандартным ситам (операция, постоянно выполняемая 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 лаборатории завода.

Ранжированием факторов, оценивающих качество песка, установлено, что количество цементного теста в бетоне слитной структуры (с заполнением межзернового пространства заполнителя с избытком) более чем на 90% определяется гранулометрией песка. Влияние же других факторов гораздо менее значимо. Так, влияние коэффициента формы (Кф) песка, зависящего, в основном, от его генезиса, было проанализировано и оценивается по расходу цемента не более чем в 1% при Кф, изменяющемся от 1,0 до 1,5.

Расчетный аппарат, устанавливающий зависимость расхода цемента от класса 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 экономическую целесообразность получения фракционированного песка на конкретном карьере и др.

ВЫВОДЫ

Разработан расчетный аппарат, позволяющий оценить качество песков, используемых при производстве бетона, а также установить оптимальный гранулометрический состав песка.

1. Показано, что оптимальный грансостав зависит от марки бетона и удобоукладываемости бетонной смеси.
2. В связи с неготовностью заводов ЖБИ и ДСК к приемке и переработке песков, разделенных на фракции, предлагается организовать получение песка усредненного грансостава, близкого к оптимальному, непосредственно на карьере и использовать его при производстве бетонов основных строительных марок.
3. Разработаны технология и оборудование для получения песка, состоящего из смеси требуемого количества фракций.
4. Не вошедшие в объем указанного песка фракции предлагается разместить раздельно в бункерах, картах намыва для отправки производителям других видов бетонов и растворов.
5. В процесс классификации предлагается включить операцию обезвоживания, что позволит получить песок с фиксированной низкой влажностью и исключить его смерзаемость.
6. Использование фракционированного песка для большинства конструкций позволяет применить его в качестве единственного заполнителя в тяжелом бетоне.
7. Поставка фракционированного песка позволяет сократить расход цемента в тяжелом бетоне не менее чем на 50 кг/м³ (для песчаных бетонов на 80–100 кг/м³) при одновременном улучшении структурных характеристик материала.

Константин Иосифович Львович,
НПЦ “Стройтех”