Що таке виробництво піску?

Що таке виробництво піску?

Виробництво піску — це видобування відповідно до мети використання піску, що міститься в руслах річок, річечок і струмків, а також в озерах і морях, та підготовка його до використання. Для цього пісок найчастіше видобувають з русла його утворення або накопичення за допомогою землерийно-навантажувальної техніки, такої як екскаватори, бульдозери та драглайни, транспортують і на установках промивання та класифікації за розміром очищають від небажаних домішок, які він містить, класифікують за розміром, а іноді й висушують перед подаванням на використання.

Як виробляють пісок?

Виробляти пісок неважко. У руслах водотоків, в озерах і морях пісок накопичений у пухкому стані, зерна відокремлені одне від одного. Наявний у такому вигляді пісок можна легко завантажити у вантажівку за допомогою навантажувача.

З розсипних родовищ видобувають золото, важкі мінерали та пісок. Найчастіше розсипні утворення розташовані дуже далеко від місць використання піску та заповнювача. Їхнє транспортування потребує значних витрат. Проте пісок видобувають з розсипних родовищ, розташованих на розумній відстані від місць використання.

У більшості розсипів пісок і гравій перебувають в агломерованому, зцементованому між собою вигляді. Оскільки розсипи утворюються з часом, вони містять також небажані в бетоні органічні речовини. Тому утворені тверді грудки піску необхідно розбивати й розпушувати за допомогою колодомийки (log washer), а потім очищати від органічних домішок, які вони містять, за допомогою спіралей.

Сьогодні залежно від місця використання заповнювач виробляють із вапняку, доломіту, граніту, сієніту, діориту, монцоніту, андезиту, базальту та річкового гравію. За тоншого дроблення заповнювача й навіть його розмелювання отримують пісок. Такий пісок називають «дробленим піском». Вироблений матеріал залежно від властивостей заповнювача та піску використовують у секторі бетону та будівництва.

Вапняк — найчастіше використовувана порода для виробництва заповнювача та піску. Породи, що містять щонайменше %90 CaCO3, називають «вапняком». Оскільки кількість CaCO3 у хімічному складі породи перевищує %90, її називають вапняком. За вмісту понад %98,5 CaCO3 порода належить до класу вапняку високої чистоти.

Екологічні наслідки виробництва піску

Через свої фізичні та хімічні властивості, а також екологічні й соціальні наслідки видобування пустельний і морський пісок не придатний для використання в секторі будівництва.

Видобування великих обсягів піску в розсипах, руслах річок і річечок, а також у околицях цих зон спричиняє значні зміни в топографії, екосистемі та біорізноманітті регіону. Найкращим (найгіршим) прикладом цього може слугувати порівняння двох знімків, зроблених НАСА 1995 та 2013 років в околицях озера Поянху.

Озеро Поянху — найбільше прісноводне озеро Китаю. Видобування піску суттєво змінило структуру озера, особливо в зоні входу й виходу води.

Що більше піску вилучають із ділянок річок, близьких до моря, то глибшим стає русло річки, і, оскільки рівень води знижується, солона морська вода проникає крізь русло річки вглиб суходолу. Унаслідок видобування піску екологічна структура регіону погіршується, а через солону воду, що проникає вглиб, використання земель для сільськогосподарських цілей стає неможливим. У регіоні зростає потреба в чистій прісній воді, відбуваються просідання ґрунту та повені.

Негативні наслідки видобування піску з річок можна спостерігати в багатьох країнах. На річці Меконг, найдовшій річці Південно-Східної Азії, унаслідок видобування піску знизився рівень дельти, куди проникла морська вода, засоливши раніше родючі та оброблювані землі, і землі регіону стали непридатними для сільського господарства.

В Індонезії, що складається з 17 500 островів, понад 7 000 з яких безлюдні, близько 24 островів зникли внаслідок ерозії через видобування піску. Видобування піску також негативно вплинуло на рибальство.

В Африці для будівництва великих міст також почали здебільшого використовувати пляжний пісок. Зазначається, що це видобування може зробити прибережні смуги вразливішими до наслідків зміни клімату, як-от сильніші шторми.

Безладне, нерегульоване видобування з кожного піщаного родовища має негативний вплив на довкілля. Для впорядкування виробництва піску у світі рекомендується розробити міжнародний стандарт у цьому напрямі.

Процес виробництва піску

Процес виробництва піску ретельно керується з метою забезпечення сталого використання природних ресурсів. Насамперед великі шматки породи дроблять і піддають грохоченню, перетворюючи на зерна піску. Потім пісок промивають, класифікують і іноді обробляють хімічними процесами, надаючи йому ідеальних властивостей для секторів будівництва та промисловості.

Утворення піску та його джерела

З часом породи під дією різних фізичних впливів — замерзання води, яку вони містять, на холоді та її відтавання в теплі, змін температури повітря і насамперед вітру — зазнають ерозії й перетворюються на пісок. Утворений пісок переноситься вітром на рівнини та в пустелі, а водами — до моря й у русла річок і річечок, де й накопичується.

Вміст SiO2 у піску, який використовують у секторі будівництва, зазвичай становить від %60 до 75. Залежно від структури пісок може містити SiO2 і у вищих частках. Такий пісок може використовуватися як у секторі будівництва, так і в інших секторах. Тут важливо, щоб поверхня зерен піску була придатною для тужавлення бетону.

Піски з вмістом SiO2 %90 і вище походять переважно з граніту, сієніту, гранодіориту, діориту, монцоніту та кварцових жил. Унаслідок подрібнення цих порід під дією природних умов та їх накопичення в одному місці через щільність вміст SiO2 у давніх відкладах може досягати %90 і вище.

Чи можна виробляти пісок із гірських порід?

Пісок утворився внаслідок тривалого процесу подрібнення порід під дією природних фізичних явищ. Сьогодні за допомогою обладнання та фізичних сил, що прикладаються до порід відповідно до процесу утворення піску, можна виробляти пісок навіть вищої якості. Для цього використовують дробарки та млини, і шляхом дроблення й розмелювання порід пісок можна виробити за дуже короткий час. Вапняк, доломіт, граніт, сієніт, діорит, монцоніт, андезит, базальт і річковий гравій при дробленні й навіть розмелюванні дають пісок. Такий пісок називають «дробленим піском». Вироблений матеріал залежно від властивостей заповнювача та піску використовують у секторі бетону та будівництва.

Етапи процесу виробництва піску

Виробництво піску змінюється залежно від утворення піску, місця його залягання та мети використання. Якщо після утворення пісок перебуває у затверділому під дією ущільнення стані, його розпушують бульдозером. Найчастіше його можна видобути екскаватором або навантажувачем без потреби в розпушуванні.

Для видобування піску на морському дні або в озерах використовують канатні ковші, які називають драглайнами. Якщо пісок видобувають не з великої глибини, великі насоси спеціального призначення, встановлені на понтонах або плавучих платформах, всмоктують пісок і воду з дна, після чого воду й пісок розділяють у придатному середовищі.

За іншого методу пісок за допомогою опущеного на морське дно конвеєра з різальними лопатками або коліс транспортують з місця залягання на судно чи платформу, що перебувають на поверхні води.

Якщо пісок видобувають у морі чи озері, у зоні, віддаленій від берега, за потреби до берега прокладають трубопровід. Або видобутий з дна пісок складують на плавучій платформі та через певні проміжки часу доставляють на берег.

Видобування та перероблення піску

Після видобування на місці утворення пісок необхідно промити й очистити від можливих домішок, які він містить. Із цією метою за потреби за допомогою колодомийки (log washer) розділяють злиплі зерна піску, а за допомогою промивальних барабанів, промивальних грохотів, спіралей або циклонів пісок очищають від непридатних для використання фізичних і хімічних домішок, які він містить. Очищений пісок потім класифікують на грохотах за розміром відповідно до мети використання.

Технології виробництва піску

Технології виробництва піску спрямовані на мінімізацію впливу на довкілля та підвищення ефективності. Удосконалені дробарки та спеціально спроєктовані грохоти доводять зерна піску до потрібних розмірів, знижуючи при цьому споживання енергії. Крім того, системи рециркуляції води зменшують її витрату й полегшують навантаження на довкілля. Новітні датчики та системи автоматизації оптимізують увесь процес, підвищуючи швидкість і якість виробництва й пропонуючи тим самим сучасні рішення для сталого виробництва піску.

Внесок сучасних технологій у виробництво піску

Спеціальної технології для виробництва піску не існує. Продуктивність, функціональність та ефективність використовуваного нині обладнання підвищуються завдяки новим застосовуваним рішенням. За потреби це обладнання може оснащуватися відповідними електронними пристроями керування.

Операції грохочення та промивання піску

Пісок, гравій та інші матеріали, які використовують у будівництві та виробництві бетону, містять хоча б у невеликій кількості такі включення, як сіль, глина, сланець, шлам, листя та гілки дерев, що спричиняють проблеми в штукатурці та бетоні після використання й знижують їхню міцність. У такому разі використовувані матеріали необхідно спершу вивільнити від небажаних включень, які вони містять, а потім промити й вилучити їх із середовища, щоб очистити пісок.

У розсипних родовищах, щоб без розмелювання видобути цінні мінерали, які містяться в частково змішаних або агломерованих грудках, зв’язаних насамперед глиною, сланцем чи вапном, ці грудки спершу руйнують фізичною силою, а потім промивають.

Коли грудки не зв’язані між собою міцно, їх можна простим промиванням зруйнувати водою й відокремити одну від одної. Однак якщо вони з’єднані дуже міцними в’яжучими, відокремити їх дещо складно. Залежно від розміру їх спершу необхідно відокремити одну від одної за допомогою баків для дезінтеграції глини (clay tanks) або колодомийки (log washer), а потім очистити промиванням.

Промивачі — це обладнання, у якому за допомогою води із середовища вилучають небажані включення, щоб привести породи в придатний для використання стан відповідно до їхнього стану, розміру та мети використання. Найчастіше матеріал після промивача необхідно зневоднювати. Для цього обладнання, яке використовують як промивач, спільно виконує операції промивання та зневоднення.

Колодомийка (log washer) — це різновид промивального жолоба, фізично схожий на спіралі, який використовують перед грохоченням або зневодненням. У вузькому жолобі на одному обертовому валу або, найчастіше, на двох валах, що обертаються назустріч один одному, встановлені лопаті різної форми. У поданому матеріалі співвідношення твердого й рідкого підтримують якомога вищим. У жолобі прилиплі глина, пісок, сланець і бруд відокремлюються одне від одного завдяки тертю матеріалу об самого себе, об лопаті або між лопатями та жолобом.

Баки для дезінтеграції глини (clay tanks) також широко використовують для руйнування агломерованого матеріалу та вивільнення глини.

У баках для дезінтеграції глини на валу, розташованому в центрі бака, встановлено різну кількість перемішувальних лопатей, щоб матеріал перемішувався й тертя об самого себе. Хоча лопаті обертаються в одному напрямку, через протилежні кути лопатей матеріал переміщується між лопатями назустріч один одному, забезпечуючи зіткнення зерен. Завдяки цим рухам глина відокремлюється від матеріалу, до якого вона прилипла. У баках важливий розмір матеріалу, що очищається. Матеріал не повинен мати розміру, за якого він може осісти в баку.

У промивально-зневоднювальних барабанах небажані включення, як-от глина та бруд, що містяться в піску, видаляють промиванням.

Ковшові промивачі-зневоднювачі виготовлені для промивання матеріалу та відокремлення промиванням твердої речовини з утворюваної суміші твердої речовини й брудної води.

Зазвичай класифікований за розміром матеріал, що надходить із мокрого грохочення, подається в бак зневоднювача. Поданий матеріал, з одного боку, промивається, перемішуючись спіралями вздовж усього бака, а з іншого — переміщується спіралями в напрямку обертового ковша. У цьому процесі глина, сланець і бруд відокремлюються від піску й спливають, а крупнозернистий пісок осідає. Осілий пісок проштовхується спіралями до обертового ковша; ковші забирають пісок із дна бака й піднімають його до поверхні води, де вода стікає, після чого пісок вилучають із середовища для використання.

Установка промивання та зневоднення піску складається з одного чи кількох обертових ковшів, шламового насоса, гідроциклона, бака, силоса, зневоднювального грохота та стрічкових конвеєрів. Залежно від розміру циклона може здійснюватися розділення до 75 мкм.

Промивальний барабан складається з обертового циліндричного корпусу зі встановленими всередині лопатями, які піднімають і опускають матеріал для перемішування та промивання. Найчастіше на виході барабана встановлюють грохот для очищення промитого матеріалу.

Промивальні спіралі: окрім циклонів, механічні спіральні та рейкові класифікатори знайшли широке застосування на установках промивання піску. Промивальні спіралі складаються з бака, у якому осідають крупні зерна, і механічної системи, що захоплює осілий матеріал і виносить його назовні. Дрібні й тонкі зерна переливаються через край бака й вилучаються. Щільність матеріалу, його форма та щільність пульпи — змінні, що впливають на осідання.

Природні кар’єри піску та гравію за місцями свого утворення й залягання містять неорганічні компоненти, як-от глина, мул і твань, а іноді й органічні сторонні речовини — деревину, коріння та листя дерев. Ці речовини небажані в піску з погляду місця його використання.

Системи автоматизації, що підвищують ефективність промивання піску

Безсумнівно, кожне обладнання, яке використовують на установках промивання піску, має умови роботи, за яких воно найефективніше. Такі робочі змінні, як витрата води, тиск води, кількість обертів, щільність середовища, продуктивність і споживання енергії, визначають ефективність установки й використовуваного обладнання, а зрештою й собівартість виробництва. Ці змінні можуть налаштовуватися як операторами, так і вбудованими в систему електронними пристроями та обладнанням керування процесом. Найчастіше установки промивання піску керуються з єдиного центру керування, з якого також можуть змінюватися параметри процесу.

Стале виробництво піску

Практики сталого видобутку корисних копалин

Після води пісок — другий за обсягом використовуваний людиною ресурс у світі. У звіті, опублікованому 2022 року під назвою «Sand and Sustainability: 10 Strategic Recommendations to Avert a Crisis» («Пісок і сталість: 10 стратегічних рекомендацій для запобігання кризі») Програми Організації Об’єднаних Націй з довкілля (UN Environment Programme), зазначено, що виробництво піску є несталим, що це виробництво щороку зростає на %6, і міститься заклик «визначити його як стратегічний ресурс» та «переглянути його видобування й використання». Деякі країни, серйозно оцінивши питання, як запобіжний захід почали використовувати в будівництві відновлювані та перероблені матеріали. Однак ця рекомендація не отримала від більшості країн того відгуку, який очікувався й був потрібен.

Щоб говорити про сталість у виробництві піску, насамперед необхідне правильне використання, обов’язкове залучення до циклу використання також і переробленого піску, а з іншого боку — встановлення певних правил щодо виробництва піску.

Значення переробленого піску

Пропозиція піску не безмежна. Коли йдеться про пісок, для декого світові ресурси піску — насамперед розсипи, пустелі, морські узбережжя, ложа озер — здаються безмежними. Однак більшість цих пісків непридатні для використання, особливо в секторі будівництва. Тому наявні ресурси піску необхідно використовувати планомірно. З іншого боку, використання також і переробленого піску дасть змогу уникнути непотрібного витрачання цих наявних ресурсів.

За правильного добору перероблені будівельні відходи можна повторно використовувати як матеріал засипки, наповнювальний бетон, штукатурку, стяжку. Ці відходи можна використовувати й як несний бетон у малоповерхових будівлях.

Щоб будівельні відходи можна було переробити, їх обов’язково потрібно роздробити, класифікувати за розміром і добре промити.

Види піску, які використовують у секторі будівництва

Види піску, які широко використовують у будівельних проєктах

Пісок, який використовують у секторі будівництва, — це осадовий матеріал пухкої структури розміром від -2 мм до +63 мкм. Розмір від -250 мкм до +63 мкм називають дрібним піском, від -1 мм до +250 мкм — піском середньої крупності, а від -2 мм до +1 мм — використовують позначення «пісок». Пісок містить такі мінерали, як кварц, польовий шпат, слюда та глауконіт. Поверхневі властивості зерен, їхня твердість, вміст глини та інших компонентів визначають характеристики пісків.

Залежно від мети використання пісок розміром < 0,25 мм називають піщаним мулом, філером, піском-«арена» й використовують як матеріал засипки. Пісок 0,25–1 мм — це затиральний або дрібний пісок, який використовують для тонкої штукатурки; 0,25–4 мм — пісок середнього розміру, який використовують для звичайної та грубої штукатурки; 0,25–8 мм відомий як крупний пісок, який використовують у бетоні.

Роль піску в будівельних матеріалах

Бетон — незамінний основний компонент будівництва, який утворюється однорідною сумішшю цементу, води, заповнювача, піску та деяких добавок у певних пропорціях. Потім цю суміш за проєктом найчастіше разом з арматурою заливають у певну опалубку й очікують її тужавлення, щоб вона стала стійкою до стиснення.

Щоб бетон після тужавлення мав високу міцність на стиснення чи несну здатність, його необхідно правильно перемішати, він має бути однорідним, не містити порожнеч і належним чином зволожуватися під час тужавлення. Найважливіша властивість піску — обволікаючись цементом, заповнювати порожнечі між більшими заповнювачами й своєю зв’язувальною здатністю з цементом підвищувати міцність бетону.

Значення якісного піску

Бажано, щоб бетон мав високу міцність на стиснення. Для отримання бетону високої міцності на стиснення необхідно використовувати якісний пісок.

Породи кварцового складу відомі як якісний заповнювач, який використовують для бетону та розчину. Бетон за масою містить від %75 до 85 заповнювача. Цей заповнювач може бути природним гравієм кремнистого складу або матеріалом, отриманим пропусканням через дробарку блоків і порід подібної хімічної будови.

Стабільність і щільність піску значною мірою залежать від форми зерен піску та здатності зерен зчіплюватися одне з одним. Перед використанням піску в бетоні слід перевірити фізичну форму його зерен. Бетон, у якому використовують піски з обкатаних зерен, має низьку міцність на стиснення. Видовжені або кутасті частинки піску з шорсткими поверхнями забезпечують бетону вищу міцність.

Зерна піску, призначеного для використання в секторі будівництва, мають зчіплюватися так, щоб не залишати порожнеч між собою; зерна піску мають бути кутастими, щоб вони могли щільно сходитися. Більшість зерен пустельного та морського піску мають округлу форму, і при їх зближенні між ними утворюються порожнечі. Це знижує здатність піску та заповнювача зв’язуватися одне з одним у бетоні.

Щоб пісок і заповнювач, які використовують у секторі будівництва, під час зв’язування з цементом утворювали хороший зв’язок, їхня зовнішня поверхня має бути шорсткою.

Одна з найважливіших властивостей піску, призначеного для використання в бетоні, — це також гранулометричний склад. Щоб у бетоні утворився хороший зв’язок між заповнювачем і піском, пісок повинен мати певний гранулометричний склад. Дрібні піски не залишаються стабільними в бетоні, дрібні зерна спричиняють ковзання бетону, і, як наслідок, ускладнюється утворення хімічних зв’язків, потрібних під час тужавлення бетону.

Луг — цілком небажана сполука в піску. Пісок із вмістом лугу знижує міцність бетону. У пустельних пісках через спеку вода із середовища випаровується, а в піску залишаються сіль і луги. Морська вода й без того солона. Навіть за доброго промивання невелика кількість солі, що залишається в піску, поглинаючи вологу з атмосфери, з часом спричиняє корозію арматури в бетоні, послаблюючи тим самим бетон.

Навіть роздроблені, черепашки пласкі, їхні поверхні блискучі, а до блискучих поверхонь цемент не пристане. Очистити пісок від черепашок також важко. Доки черепашки, особливо мідій, що містяться в морському піску, не будуть видалені, вони не з’єднаються з бетоном, у бетоні утворяться порожнечі, і, відповідно, міцність бетону знизиться.

Ринок піску та його майбутнє

Світовий попит і пропозиція піску

У світі щороку споживається близько 4 мільярдів тонн цементу. Кількість використовуваного піску приблизно в 10 разів перевищує споживання цементу; за хорошим наближенням щороку у світі використовується понад 40–50 мільярдів тонн піску. З іншого боку, природа за допомогою ерозії постійно виробляє пісок, стираючи й руйнуючи породи. Однак за останнє століття кількість піску, споживаного у світі, набагато перевищила ту, що виробляє природа.

Тенденції ринку піску

Країни забезпечують необхідний для своїх будівельних секторів пісок із морських, річкових і струмкових русел. Однак виникають екологічні проблеми, пов’язані з придатністю та якістю виробленого піску, а також у зонах його видобування.

Більшість країн мають власні законодавчі правила видобування піску на своїй території. У цих країнах також визначено якість піску, який може використовуватися в секторі будівництва. У відсталих і країнах, що розвиваються, які не мають законодавчих правил, видобування піску ведеться безладно, і ця діяльність навіть організовується незаконними угрупованнями.

Одна з важливих проблем, пов’язаних із піском, — це також витрати, які необхідно покрити для транспортування піску від місця його виробництва до місця використання. Оскільки в міжнародній торгівлі піском транспортні витрати становлять 70 відсотків від загальних витрат, пісок насамперед забезпечується з місцевих джерел. Зазвичай, коли відстань транспортування піску та заповнювача перевищує 50 км, частка транспортних витрат у продажній ціні піску та заповнювача істотно зростає. Природно, зростання відстані прямо пропорційне зростанню витрат. Натомість деякі багаті країни здатні покрити витрати на транспортування піску морем на багато кілометрів навіть понад 50 км.

За даними OEC, Австралія — другий після США найбільший у світі експортер піску. Розмір сектору будівництва прямо пропорційний чисельності населення. Китай, який споживає близько 20 мільярдів тонн піску на рік, є найбільшим виробником цементу у світі.

За даними однієї нідерландської дослідницької групи, з 1985 року людина створила у світі вздовж морських узбереж штучні території з піску площею 13 500 м2. За останні 20 років Сінгапур імпортував із країн Південно-Східної Азії близько 550 мільйонів тонн піску й зробив придатною для використання площу в 130 мільйонів км2. Об’єднані Арабські Емірати також щороку сплачують Австралії 6 мільярдів доларів за імпорт піску.

Виробництво та використання піску в майбутньому

Коли йдеться про житло, першими на думку спадають закритий простір на кшталт будівлі, а також пісок, гравій і цемент, які використовують під час її будівництва. Зазначається, що впродовж наступних 10 років світова потреба в піску перевищить 50 мільярдів тонн, що цю потребу буде важко задовольнити й що станеться серйозний дефіцит піску. Тому необхідний попит на пісок передбачається покривати насамперед виробництвом піску із заповнювача.