Что такое производство песка?

Что такое производство песка?

Производство песка — это извлечение в соответствии с целью использования песка, находящегося в руслах рек, речек и ручьёв, а также в озёрах и морях, и его подготовка к использованию. Для этого песок чаще всего добывается из русла его образования или накопления с помощью землеройно-погрузочной техники, такой как экскаваторы, бульдозеры и драглайны, транспортируется и на установках промывки и классификации по размеру очищается от содержащихся в нём нежелательных примесей, классифицируется по размеру, а иногда и высушивается перед подачей на использование.

Как производится песок?

Производить песок несложно. В руслах водотоков, в озёрах и морях песок скоплен в рыхлом состоянии, зёрна отделены друг от друга. Находящийся в таком виде песок можно легко погрузить в грузовик с помощью погрузчика.

Из россыпных месторождений добывают золото, тяжёлые минералы и песок. Чаще всего россыпные образования находятся очень далеко от мест использования песка и заполнителя. Их транспортировка влечёт значительные затраты. Тем не менее песок добывается из россыпных месторождений, расположенных на разумном расстоянии от мест использования.

В большинстве россыпей песок и гравий находятся в агломерированном, сцементированном между собой виде. Поскольку россыпи образуются с течением времени, они содержат также нежелательные в бетоне органические вещества. Поэтому образовавшиеся твёрдые комья песка необходимо разбивать и разрыхлять с помощью бревномойки (log washer), а затем очищать содержащиеся в них органические примеси на спиралях.

Сегодня в зависимости от места использования заполнитель производят из известняка, доломита, гранита, сиенита, диорита, монцонита, андезита, базальта и речного гравия. При более тонком дроблении заполнителя и даже его измельчении получают песок. Такой песок называют «дроблёным песком». Производимый материал в зависимости от свойств заполнителя и песка используется в секторе бетона и строительства.

Известняк — наиболее часто используемая порода для производства заполнителя и песка. Породы, содержащие не менее %90 CaCO3, называют «известняком». Поскольку количество CaCO3 в химическом составе породы превышает %90, её называют известняком. При содержании более %98,5 CaCO3 порода относится к классу известняка высокой чистоты.

Экологические последствия производства песка

Из-за своих физических и химических свойств, а также экологических и социальных последствий добычи пустынный и морской песок не пригоден для использования в секторе строительства.

Добыча больших объёмов песка в россыпях, руслах рек и речек, а также в окрестностях этих зон вызывает значительные изменения в топографии, экосистеме и биоразнообразии региона. Лучшим (худшим) примером этого может служить сравнение двух снимков, сделанных НАСА в 1995 и в 2013 годах в окрестностях озера Поянху.

Озеро Поянху — крупнейшее пресноводное озеро Китая. Добыча песка существенно изменила структуру озера, особенно в зоне входа и выхода воды.

По мере того как песок изымается из участков рек, близких к морю, русло реки углубляется, и, поскольку уровень воды понижается, солёная морская вода проникает через русло реки вглубь суши. В результате добычи песка нарушается экологическая структура региона, а из-за проникающей вглубь солёной воды использование земель в сельскохозяйственных целях становится невозможным. В регионе растёт потребность в чистой пресной воде, происходят просадки грунта и наводнения.

Негативные последствия добычи песка из рек можно наблюдать во многих странах. На реке Меконг, самой длинной реке Юго-Восточной Азии, в результате добычи песка снизился уровень дельты, куда проникла морская вода, засолившая прежде плодородные и возделываемые земли, и земли региона стали непригодными для сельского хозяйства.

В Индонезии, состоящей из 17 500 островов, более 7 000 из которых необитаемы, около 24 островов исчезли в результате эрозии из-за добычи песка. Добыча песка также негативно повлияла на рыболовство.

В Африке для строительства крупных городов также начали использовать в основном пляжный песок. Отмечается, что эта добыча может сделать прибрежные полосы более уязвимыми к последствиям изменения климата, таким как более сильные штормы.

Беспорядочная, нерегулируемая добыча из каждого песчаного месторождения оказывает негативное воздействие на окружающую среду. Для упорядочения производства песка в мире рекомендуется разработать международный стандарт в этом направлении.

Процесс производства песка

Процесс производства песка тщательно управляется с целью обеспечения устойчивого использования природных ресурсов. Прежде всего крупные куски породы дробят и подвергают грохочению, превращая в зёрна песка. Затем песок промывают, классифицируют и иногда обрабатывают химическими процессами, придавая ему идеальные свойства для секторов строительства и промышленности.

Образование песка и его источники

С течением времени породы под действием различных физических воздействий — замерзания содержащейся в них воды на холоде и её оттаивания в тепле, изменений температуры воздуха и прежде всего ветра — подвергаются эрозии и превращаются в песок. Образовавшийся песок переносится ветром на равнины и в пустыни, а водами — к морю и в русла рек и речек, где и скапливается.

Содержание SiO2 в песке, используемом в секторе строительства, обычно составляет от %60 до 75. В зависимости от структуры песок может содержать SiO2 и в более высоких долях. Такой песок может использоваться как в секторе строительства, так и в других секторах. Здесь важно, чтобы поверхность зёрен песка была пригодна для схватывания бетона.

Пески с содержанием SiO2 %90 и выше происходят в основном из гранита, сиенита, гранодиорита, диорита, монцонита и кварцевых жил. В результате измельчения этих пород под действием природных условий и их накопления в одном месте из-за плотности содержание SiO2 в древних отложениях может достигать %90 и выше.

Можно ли производить песок из горных пород?

Песок образовался в результате длительного процесса измельчения пород под действием природных физических явлений. Сегодня с помощью оборудования и физических сил, прилагаемых к породам в соответствии с процессом образования песка, можно производить песок даже более высокого качества. Для этого используются дробилки и мельницы, и путём дробления и измельчения пород песок можно произвести за очень короткое время. Известняк, доломит, гранит, сиенит, диорит, монцонит, андезит, базальт и речной гравий при дроблении и даже измельчении дают песок. Такой песок называют «дроблёным песком». Производимый материал в зависимости от свойств заполнителя и песка используется в секторе бетона и строительства.

Этапы процесса производства песка

Производство песка меняется в зависимости от образования песка, места его залегания и цели использования. Если после образования песок находится в затвердевшем под действием уплотнения состоянии, его разрыхляют бульдозером. Чаще всего его можно извлечь экскаватором или погрузчиком без необходимости разрыхления.

Для добычи песка на морском дне или в озёрах используют канатные ковши, называемые драглайнами. Если песок добывается не с большой глубины, крупные насосы специального назначения, установленные на понтонах или плавучих платформах, засасывают песок и воду со дна, после чего вода и песок разделяются в подходящей среде.

При другом методе песок с помощью опущенного на морское дно конвейера с режущими лопатками или колёс транспортируется с места залегания на судно или платформу, находящиеся на поверхности воды.

Если песок добывается в море или озере, в зоне, удалённой от берега, при необходимости к берегу прокладывается трубопровод. Либо добытый со дна песок складируется на плавучей платформе и через определённые промежутки времени доставляется на берег.

Извлечение и переработка песка

После добычи на месте образования песок необходимо промыть и очистить от возможных содержащихся в нём примесей. С этой целью при необходимости с помощью бревномойки (log washer) разделяют слипшиеся зёрна песка, а с помощью промывочных барабанов, промывочных грохотов, спиралей или циклонов песок очищают от содержащихся в нём непригодных для использования физических и химических примесей. Очищенный песок затем классифицируют на грохотах по размеру в соответствии с целью использования.

Технологии производства песка

Технологии производства песка нацелены на минимизацию воздействия на окружающую среду и повышение эффективности. Усовершенствованные дробилки и специально спроектированные грохоты доводят зёрна песка до нужных размеров, снижая при этом потребление энергии. Кроме того, системы рециркуляции воды уменьшают её расход и облегчают нагрузку на окружающую среду. Новейшие датчики и системы автоматизации оптимизируют весь процесс, повышая скорость и качество производства и предлагая тем самым современные решения для устойчивого производства песка.

Вклад современных технологий в производство песка

Специальной технологии для производства песка не существует. Производительность, функциональность и эффективность используемого в настоящее время оборудования повышаются за счёт новых применяемых решений. При необходимости это оборудование может оснащаться соответствующими электронными устройствами управления.

Операции грохочения и промывки песка

Песок, гравий и прочие материалы, используемые в строительстве и производстве бетона, содержат хотя бы в небольшом количестве такие включения, как соль, глина, сланец, шлам, листья и ветки деревьев, которые создают проблемы в штукатурке и бетоне после использования и снижают их прочность. В таком случае используемые материалы необходимо сначала высвободить от содержащихся в них нежелательных включений, а затем промыть и удалить их из среды, чтобы очистить песок.

В россыпных месторождениях для извлечения без измельчения ценных минералов, содержащихся в частично смешанных или агломерированных комьях, связанных прежде всего глиной, сланцем или известью, эти комья сначала разрушают физической силой, а затем промывают.

Когда комья не связаны между собой прочно, их можно простой промывкой разрушить водой и отделить друг от друга. Однако если они соединены очень прочными связующими, отделить их несколько сложно. В зависимости от размера их сначала необходимо отделить друг от друга с помощью баков для дезинтеграции глины (clay tanks) или бревномойки (log washer), а затем очистить промывкой.

Промыватели — это оборудование, в котором с помощью воды из среды удаляются нежелательные включения, чтобы привести породы в пригодное для использования состояние в соответствии с их состоянием, размером и целью использования. Чаще всего материал после промывателя необходимо обезвоживать. Для этого оборудование, используемое в качестве промывателя, совместно выполняет операции промывки и обезвоживания.

Бревномойка (log washer) — это своего рода промывочный жёлоб, физически схожий со спиралями, используемый перед грохочением или обезвоживанием. В узком жёлобе на одном вращающемся валу или, чаще всего, на двух валах, вращающихся навстречу друг другу, установлены лопасти различной формы. В подаваемом материале соотношение твёрдого и жидкого поддерживается как можно более высоким. В жёлобе прилипшие глина, песок, сланец и грязь отделяются друг от друга за счёт трения материала о самого себя, о лопасти или между лопастями и жёлобом.

Баки для дезинтеграции глины (clay tanks) также широко используются для разрушения агломерированного материала и высвобождения глины.

В баках для дезинтеграции глины на валу, расположенном в центре бака, установлено различное число перемешивающих лопастей, чтобы материал перемешивался и тёрся о самого себя. Хотя лопасти вращаются в одном направлении, из-за противоположных углов лопастей материал перемещается между лопастями навстречу друг другу, обеспечивая столкновение зёрен. За счёт этих движений глина отделяется от материала, к которому она прилипла. В баках важен размер очищаемого материала. Материал не должен иметь размера, при котором он может осесть в баке.

В промывочно-обезвоживающих барабанах содержащиеся в песке нежелательные включения, такие как глина и грязь, удаляются промывкой.

Ковшовые промыватели-обезвоживатели предназначены для промывки материала и отделения промывкой твёрдого вещества из образующейся смеси твёрдого вещества и грязной воды.

Как правило, классифицированный по размеру материал, поступающий с мокрого грохочения, подаётся в бак обезвоживателя. Подаваемый материал, с одной стороны, промывается, перемешиваясь спиралями вдоль всего бака, а с другой — перемещается спиралями в направлении вращающегося ковша. В этом процессе глина, сланец и грязь отделяются от песка и всплывают, а крупнозернистый песок оседает. Оседающий песок проталкивается спиралями к вращающемуся ковшу; ковши забирают песок со дна бака и поднимают его к поверхности воды, где вода стекает, после чего песок изымается из среды для использования.

Установка промывки и обезвоживания песка состоит из одного или нескольких вращающихся ковшей, шламового насоса, гидроциклона, бака, силоса, обезвоживающего грохота и ленточных конвейеров. В зависимости от размера циклона может осуществляться разделение до 75 мкм.

Промывочный барабан состоит из вращающегося цилиндрического корпуса с установленными внутри лопастями, которые поднимают и опускают материал для перемешивания и промывки. Чаще всего на выходе барабана устанавливается грохот для очистки промытого материала.

Промывочные спирали: помимо циклонов, механические спиральные и реечные классификаторы нашли широкое применение на установках промывки песка. Промывочные спирали состоят из бака, в котором оседают крупные зёрна, и механической системы, которая увлекает и выносит наружу осевший материал. Мелкие и тонкие зёрна переливаются через край бака и удаляются. Плотность материала, его форма и плотность пульпы — переменные, влияющие на осаждение.

Природные карьеры песка и гравия по местам своего образования и залегания содержат неорганические компоненты, такие как глина, ил и тина, а иногда и органические посторонние вещества — древесину, корни и листья деревьев. Эти вещества нежелательны в песке с точки зрения места его использования.

Системы автоматизации, повышающие эффективность промывки песка

Несомненно, у каждого оборудования, используемого на установках промывки песка, есть условия работы, при которых оно наиболее эффективно. Такие рабочие переменные, как расход воды, давление воды, число оборотов, плотность среды, производительность и потребление энергии, определяют эффективность установки и используемого оборудования и в конечном счёте себестоимость производства. Эти переменные могут настраиваться как операторами, так и встроенными в систему электронными устройствами и оборудованием управления процессом. Чаще всего установки промывки песка управляются из единого центра управления, из которого также могут изменяться параметры процесса.

Устойчивое производство песка

Практики устойчивой добычи полезных ископаемых

После воды песок — второй по объёму используемый человеком ресурс в мире. В своём отчёте, опубликованном в 2022 году под названием «Sand and Sustainability: 10 Strategic Recommendations to Avert a Crisis» («Песок и устойчивость: 10 стратегических рекомендаций для предотвращения кризиса») Программы Организации Объединённых Наций по окружающей среде (UN Environment Programme), указано, что производство песка является неустойчивым, что это производство ежегодно растёт на %6, и содержится призыв «определить его как стратегический ресурс» и «пересмотреть его добычу и использование». Некоторые страны, серьёзно оценив вопрос, в качестве меры начали использовать в строительстве возобновляемые и переработанные материалы. Однако эта рекомендация не получила от большинства стран того отклика, который ожидался и был необходим.

Чтобы говорить об устойчивости в производстве песка, прежде всего необходимо правильное использование, обязательное вовлечение в цикл использования также и переработанного песка, а с другой стороны — установление определённых правил в отношении производства песка.

Значение переработанного песка

Предложение песка не бесконечно. Когда речь заходит о песке, для некоторых мировые ресурсы песка — прежде всего россыпи, пустыни, морские побережья, ложа озёр — кажутся безграничными. Однако большинство этих песков непригодны для использования, особенно в секторе строительства. Поэтому имеющиеся ресурсы песка необходимо использовать планомерно. С другой стороны, использование также и переработанного песка позволит избежать ненужного расходования этих имеющихся ресурсов.

При правильном отборе переработанные строительные отходы можно повторно использовать в качестве материала засыпки, наполнительного бетона, штукатурки, стяжки. Эти отходы могут использоваться и в качестве несущего бетона в малоэтажных зданиях.

Чтобы строительные отходы можно было переработать, их обязательно нужно раздробить, классифицировать по размеру и хорошо промыть.

Виды песка, используемые в секторе строительства

Виды песка, широко используемые в строительных проектах

Песок, используемый в секторе строительства, — это осадочный материал рыхлой структуры размером от -2 мм до +63 мкм. Размер от -250 мкм до +63 мкм называют мелким песком, от -1 мм до +250 мкм — песком средней крупности, а от -2 мм до +1 мм — используется обозначение «песок». Песок содержит такие минералы, как кварц, полевой шпат, слюда и глауконит. Поверхностные свойства зёрен, их твёрдость, содержание глины и прочих компонентов определяют характеристики песков.

В зависимости от цели использования песок размером < 0,25 мм называют песчаным илом, филлером, песком-«арена» и используют в качестве материала засыпки. Песок 0,25–1 мм — это затирочный или мелкий песок, используемый для тонкой штукатурки; 0,25–4 мм — песок среднего размера, используемый для обычной и грубой штукатурки; 0,25–8 мм известен как крупный песок, используемый в бетоне.

Роль песка в строительных материалах

Бетон — незаменимый основной компонент строительства, образуемый однородной смесью цемента, воды, заполнителя, песка и некоторых добавок в определённых пропорциях. Затем эту смесь по проекту чаще всего вместе с арматурой заливают в определённую опалубку и ждут её твердения, чтобы она стала устойчивой к сжатию.

Чтобы бетон после твердения обладал высокой прочностью на сжатие или несущей способностью, его необходимо правильно перемешать, он должен быть однородным, не содержать пустот и надлежащим образом увлажняться при твердении. Важнейшее свойство песка — обволакиваясь цементом, заполнять пустоты между более крупными заполнителями и своей связующей способностью с цементом повышать прочность бетона.

Значение качественного песка

Желательно, чтобы бетон обладал высокой прочностью на сжатие. Для получения бетона высокой прочности на сжатие необходимо использовать качественный песок.

Породы кварцевого состава известны как качественный заполнитель, используемый для бетона и раствора. Бетон по массе содержит от %75 до 85 заполнителя. Этот заполнитель может быть природным гравием кремнистого состава или материалом, полученным пропусканием через дробилку блоков и пород схожего химического строения.

Стабильность и плотность песка в значительной степени зависят от формы зёрен песка и способности зёрен сцепляться друг с другом. Перед использованием песка в бетоне следует проверить физическую форму его зёрен. Бетон, в котором используются пески из окатанных зёрен, имеет низкую прочность на сжатие. Удлинённые или угловатые частицы песка с шероховатыми поверхностями обеспечивают бетону более высокую прочность.

Зёрна песка, предназначенного для использования в секторе строительства, должны сцепляться так, чтобы не оставлять пустот между собой; зёрна песка должны быть угловатыми, чтобы они могли плотно сходиться. Большинство зёрен пустынного и морского песка имеют округлую форму, и при их сближении между ними образуются пустоты. Это снижает способность песка и заполнителя связываться друг с другом в бетоне.

Чтобы песок и заполнитель, используемые в секторе строительства, при связывании с цементом образовывали хорошую связь, их внешняя поверхность должна быть шероховатой.

Одно из важнейших свойств песка, предназначенного для использования в бетоне, — это также гранулометрический состав. Чтобы в бетоне образовалась хорошая связь между заполнителем и песком, песок должен иметь определённый гранулометрический состав. Мелкие пески не остаются стабильными в бетоне, мелкие зёрна вызывают проскальзывание бетона, и, как следствие, затрудняется образование химических связей, необходимых при твердении бетона.

Щёлочь — совершенно нежелательное соединение в песке. Песок с содержанием щёлочи снижает прочность бетона. В пустынных песках из-за жары вода из среды испаряется, а в песке остаются соль и щёлочи. Морская вода и без того солёная. Даже при хорошей промывке небольшое количество остающейся в песке соли, поглощая влагу из атмосферы, со временем вызывает коррозию арматуры в бетоне, ослабляя тем самым бетон.

Даже раздробленные, раковины плоские, их поверхности блестящие, а к блестящим поверхностям цемент не пристанет. Очистить песок от раковин также трудно. Пока раковины, в особенности мидий, содержащиеся в морском песке, не будут удалены, они не соединятся с бетоном, в бетоне образуются пустоты, и, соответственно, прочность бетона снизится.

Рынок песка и его будущее

Мировой спрос и предложение песка

В мире ежегодно потребляется около 4 миллиардов тонн цемента. Количество используемого песка примерно в 10 раз превышает потребление цемента; при хорошем приближении ежегодно в мире используется более 40–50 миллиардов тонн песка. С другой стороны, природа посредством эрозии постоянно производит песок, истирая и разрушая породы. Однако за последнее столетие количество потребляемого в мире песка намного превысило то, что производит природа.

Тенденции рынка песка

Страны обеспечивают необходимый для своих строительных секторов песок из морских, речных и ручьевых русел. Однако возникают экологические проблемы, связанные с пригодностью и качеством производимого песка, а также в зонах его добычи.

У большинства стран есть собственные законодательные правила добычи песка на своей территории. В этих странах также определено качество песка, который может использоваться в секторе строительства. В отсталых и развивающихся странах, не имеющих законодательных правил, добыча песка ведётся беспорядочно, и эта деятельность даже организуется незаконными группировками.

Одна из важных проблем, связанных с песком, — это также затраты, которые необходимо покрыть для транспортировки песка от места его производства к месту использования. Поскольку в международной торговле песком транспортные расходы составляют 70 процентов от общих затрат, песок в первую очередь обеспечивается из местных источников. Как правило, когда расстояние транспортировки песка и заполнителя превышает 50 км, доля транспортных расходов в продажной цене песка и заполнителя существенно возрастает. Естественно, рост расстояния прямо пропорционален росту затрат. Напротив, некоторые богатые страны способны покрыть расходы на транспортировку песка морем на многие километры даже сверх 50 км.

По данным OEC, Австралия — второй после США крупнейший в мире экспортёр песка. Размер сектора строительства прямо пропорционален численности населения. Китай, потребляющий около 20 миллиардов тонн песка в год, является крупнейшим производителем цемента в мире.

По данным одной нидерландской исследовательской группы, с 1985 года человек создал в мире вдоль морских побережий искусственные территории из песка площадью 13 500 м2. За последние 20 лет Сингапур импортировал из стран Юго-Восточной Азии около 550 миллионов тонн песка и сделал пригодной для использования площадь в 130 миллионов км2. Объединённые Арабские Эмираты также ежегодно платят Австралии 6 миллиардов долларов за импорт песка.

Производство и использование песка в будущем

Когда речь заходит о жилье, первыми на ум приходят закрытое пространство вроде здания, а также песок, гравий и цемент, используемые при его строительстве. Отмечается, что в ближайшие 10 лет мировая потребность в песке превысит 50 миллиардов тонн, что эту потребность будет трудно удовлетворить и что произойдёт серьёзный дефицит песка. Поэтому необходимый спрос на песок предполагается покрывать прежде всего производством песка из заполнителя.