Share to Facebook Share to Twitter Share to Twitter More...

Новый тип дробленого песка идет на замену природного песка для производства бетона

Наличие природного песка для производства бетона становится все большей проблемой, в то время как отвалы породы на участках дробления заполнителя создают массу неудобств производителям. Это означает, что данная проблема требует срочного решения путем поиска приемлемой технологии производства дробленого песка.

Текст: Роландс Цепуритис (Rolands Cepuritis)

Вопросы, касающиеся стоимости и продаж заполнителя, а также технические вопросы производства, как правило, являются приоритетными для руководителей карьеров, на которых добывается крупнозернистый заполнитель. Другой проблемой является материально-сырьевой баланс, поскольку в нормальном технологическом процессе производства дробленого заполнителя до 30 % (в зависимости от породы) материала коренного грунта измельчается до размера менее 4 мм, что исключает его использование в качестве крупнозернистого заполнителя.

Этот побочный продукт всегда считался нежелательным с точки зрения обеспечения благоприятного материально-сырьевого баланса, поскольку его сложно продать и даже избавиться от него за любые деньги. В результате мы имеем множество огромных курганов этих «отходов», которые не только снижают рентабельность производства, но и создают определенную экологическую проблему.

С другой стороны, за последние несколько десятилетий запасы природного песка для производства бетона, находящиеся рядом с его потребителями в густонаселенных регионах мира, истощились. Это привело к необходимости поиска заменителя природного материала; упомянутые выше мелкие фракции дробления могут служить прекрасной альтернативой благодаря своей доступности и приемлемым физическим свойствам.

Роландс Цепуритис, автор этой статьи, в настоящее время аспирант Норвежского университета
естественных и технических наук и сотрудник единственного производителя цемента в Норвегии -
компании Norcem (группа HeidelbergCement). До получения степени аспиранта, он был вовлечен
в производство товарного бетона и щебня более пяти лет.

 

Широко известные различия между природным песком и карьерной мелочью, как побочным продуктом дробления коренной породы

Предпринимавшиеся ранее попытки использования побочного продукта дробления в качестве заполнителя бетона в основном были неудачными. Однако сегодня производители заполнителя хорошо знают разницу между природным песком и побочной карьерной мелочью. Ряд производителей, тесно сотрудничающих с компанией Metso, успешно преодолевают эти проблемы.

В отношении формы фракций это достигается за счет оптимизации технологии дробления с помощью вертикальной шахтной молотковой дробилки (VSI), в которой на конечной стадии процесса взаимодействующие фракции придают друг другу нужную форму. В результате можно получить такую форму фракции, которая почти не отличается от частицы природного песка.

Проблему удаления мелочи можно решить за счет мокрой или сухой обработки, т. е. путем применения различных методов промывки или воздушной сепарации. Затем, если частицы песка отсортированы до нужного размера и нужной формы, этот материал уже сегодня можно с успехом использовать в качестве искусственного песка для промышленных нужд.

 

Производство дробленого песка — непростая задача

Разработка новых методов производства дробленого песка с увеличением его объема продаж на рынке является непростой задачей хотя бы потому, что в этом процессе задействовано множество участников. Этот процесс можно представить в виде своеобразной «цепочки», начинающейся со взрывной отбойки породы в карьере, последующего дробления, грохочения и перевозки материала производителю товарного бетона и заканчивающейся на строительной площадке, где качество бетона с заполнителем из дробленого песка уже будет оценивать конечный пользователь, т. е. специалисты строительной подрядной компании.

Для организации слаженной работы всех вовлеченных в решение поставленной задачи сторон в 2006 году был создан Инновационный центр технологий производства бетона, сокращенно — COIN (www.coinweb.no). Компания Metso с 2009 года принимает активное участие в проекте центра COIN «Высококачественный искусственный песок для производства бетона». Это приоритетное направление служило, с одной стороны, источником финансирования, с другой стороны — общей площадкой взаимодействия экспертов из различных отраслей промышленности, университетов и исследовательских центров. Целью работы был поиск оптимального технологического решения производства дробленого песка для перспективного промышленного применения.

 

Новая тенденция в производстве дробленого песка

Новые подходы в производстве дробленого песка предусматривают два возможных сценария. По первому сценарию предполагается выбор оптимальных доступных геологических запасов и последующая попытка копирования «творения матушки-природы» путем достижения максимально близкого сходства формы заполнителя с частицами природного песка и получения сопоставимых кривых зернового состава.

Другой сценарий предполагает поиск способов доведения эксплуатационного качества искусственного песка до параметров, не уступающих природному материалу, за счет использования его внутренних свойств. В этой связи также предусмотрена разработка нового состава бетонной смеси, адаптированной к дробленому песку, свойства которого отличаются от природного песка. Именно последнее направление было выбрано в качестве новой концепции производства дробленого песка в рамках реализуемого в настоящее время проекта центра COIN.

Следует также заметить, что при сравнении основных свойств затвердевшего бетона, таких как прочность на сжатие и на разрыв, дробленая мелочь обычно превосходит природный песок. В то же время достижение экономической эффективности смесей с приемлемой удобоукладываемостью (свойства бетона в жидком состоянии) часто считается главной проблемой, препятствующей применению дробленого песка.

Различные типы мелкого заполнителя: (1) высококачественный природный гляциофлювиальный песок с размером зерна 0/8 мм из Норвегии; (2) низкокачественный побочный материал дробильного производства с размером зерна 0/8 мм (его не следует называть дробленым или искусственным песком); (3) высококачественный дробленый песок с размером зерна 0/8 мм, произведенный по оптимизированной технологии дробления с использованием дробилки VSI

 

Результаты последних исследований эксплуатационных свойств дробленого песка

Сегодня в строительной отрасли существует тенденция увеличения рыночной доли самоуплотняющегося бетона. Это особый тип жидкотекучего бетона, разработанного двадцать лет назад в Японии, особенность которого заключается в его способности самоуплотняться и самовыравниваться в опалубке без наружного вибрирования.

В своей предыдущей работе в рамках одного из проектов центра COIN автор этой статьи высказал утверждение, что дробленый песок с естественно высоким содержанием мелочи прекрасно подходит для производства такого типа бетона. Это объясняется высокой текучестью бетона и тем, что для самоуплотняющегося бетона требуется более высокое содержание очень мелких фракций (≤0,125 мм или 120 меш), обеспечивающих прочное сцепление воды и песка в смеси, а также не допускающих их разделения и блокировки крупных зерен заполнителя.

Исследования, проведенные другими независимыми организациями, подтверждают, что во многих случаях повышенное содержание мелких фракций является явным преимуществом в сравнении с применением природного песка. Причина в том, что высокое содержание мелких фракций в природном песке свидетельствует о высокой концентрации ила, глины и сланца, пагубно влияющих на свойства затвердевшего бетона.

В дробленом песке такие примеси практически отсутствуют (по крайней мере, в Скандинавии), а некоторое количество мелочи обычно повышает содержание модифицированной цементной пасты с заполнителем, тем самым обеспечивая смазку для более крупных фракций (≥0,125 мм или 120 меш). Если содержание мелочи выше нормы, цементная паста начинает терять свойства текучести, а смазка между крупными зернами затрудняется.

Кроме того, дальнейшие исследования, проведенные в рамках проекта центра COIN, показали, что тип мелкозернистого материала также имеет значение. Другими словами, следует учитывать не только общее содержание мелких фракций размером меньше 0,250 (60 меш), 0,125 (120 меш) или 0,063 (230 меш) мм (чем ограничивались раньше), но и характеристики этих фракций, которые заметно отличаются для разных мелких заполнителей. Наиболее важными свойствами мелочи считаются распределение размера частиц (суммарная поверхность частиц, содержащихся в одном грамме материала), минералогический состав, форма частиц и поверхностная текстура.

Например, если крупность двух мелких фракций (≤0,125 мм), полученных с одного и того же месторождения, изменяется в процессе сортировки (в данном случае промывки) и это является единственным отличием двух бетонных смесей (т. е. общее содержание мелочи остается постоянным), то это может оказать существенное влияние на расплыв самоуплотняющегося бетона (см. ниже).

С точки зрения технологии производства бетона эти явления можно объяснить поглощением несвязанной воды на большей общей площади поверхности мелких фракций, что уменьшает количество воды, служащей смазывающим материалом для самой цементной пасты. Кроме того, последние исследования показали, что изменяющиеся свойства (лещадность) более крупного дробленого песка (0,125/2 и 2/4 мм) гораздо меньше влияют на свойства свежеприготовленной бетонной смеси и что другие характеристики мелочи (≤0,125 мм), такие как форма, поверхностная текстура и минералогический состав, могут также оказывать аналогичное влияние на крупность (удельную поверхность).

 

Дальнейшее улучшение свойств бетона

В современном процессе производства дробленого песка используется технология формования на дробилке VSI и мокрая или сухая классификация для снижения содержания мелочи. Однако, по нашему мнению (что также подтверждается результатами наших исследований), дальнейшее улучшение свойств бетона может быть достигнуто за счет контролируемого изменения свойств мелкой составляющей дробленого песка (≤0,125 мм).

Чтобы проверить правильность нашей гипотезы в масштабе промышленного производства, нужно решить две задачи. Во-первых, с точки зрения технологии производства бетона необходимо досконально понять, как и какие свойства мелочи влияют на свойства свежеприготовленного бетона. Во-вторых, необходимо найти промышленное решение, обеспечивающее контролируемую модификацию и оптимизацию свойств заполнителя, которые можно было бы осуществить еще в карьере.

В противном случае наши исследования будут иметь исключительно научное значение с ограниченными возможностями практического применения. Что вначале казалось трудной задачей, стало возможным благодаря оборудованию, предложенному компанией Metso. А именно благодаря тому, что с помощью статических воздушных классификаторов Metso можно было отделить мелкие фракции (≤0,125 мм) дробленого песка и собрать их в бункеры, после чего оставалось только найти оптимальный способ снова соединить их вместе.

Более того, двухступенчатая воздушная классификация уже используется на практике и позволяет отсортировать заполнитель по размерам фракций на четыре группы, которые снова перемешиваются либо до, либо в процессе производства бетона. Статические воздушные классификаторы прекрасно подходят для работы с песком, поскольку не имеют подвижных частей; внутренние поверхности камер футерованы керамическими плитами, защищающей от быстрого износа даже при сортировке высокоабразивных материалов.

В то же время эти классификаторы обеспечивают производительность, требуемую для большинства предприятий по производству заполнителя. Наконец, с этими классификаторами не возникает проблем, с которыми обычно приходится иметь дело в мокрых процессах сортировки (промывки), а именно с проблемами рабочего пространства и защиты окружающей среды, начиная с организации водоемов осушения и эксплуатации оборудования в регионах, в которых в зимний период преобладают минусовые температуры окружающего воздуха.

 

Роль компании Metso в разработке перспективных решений по производству искусственного песка

Для продолжения экспериментов с целью подтверждения выдвинутой гипотезы были предприняты серьезные усилия в подготовке комплекта модельных материалов (дробленых заполнителей), представляющих собой полный геологический ряд Скандинавии. Были собраны образцы дробленой породы размером 4/22 мм с десяти различных карьеров. Затем было выполнено дробление на установке Barmac VSI для получения мелочи и просеивания дробленого песка до размера 0/4 мм. Особое внимание уделялось тому, чтобы вся мелочь была получена только жестко управляемым способом.

Более ранние исследования, проведенные центром COIN и рядом других независимых организаций, показали, что применяемый способ дробления может влиять на геометрические свойства (например, форму) мелких частиц размером ≤0,125 мм. Например, увеличение окружной скорости дробилки VSI привело к улучшению свойств частиц по всему диапазону размеров, в т. ч. заполнителя (≤0,125 мм или 120 меш); причем эти улучшения подтвердили наличие контролируемого изменения свойств свежеприготовленного бетона.

После дробилки VSI дробленый песок размером 0/4 мм разбивался на две группы: 2/4 и 0/2 мм. Затем почти 9 тонн фракций размером 0/2 мм были отправлены в лабораторию воздушной классификации компании Metso в город Ливан, штат Пенсильвания, США, для удаления заполнителя и изменения его крупности. Фракции меньше 0,125 мм были максимально удалены и затем разбиты на более мелкие группы: 0,063/0,125, 0,020/0,063 и 0/0,020 мм.

В промышленном масштабе это можно реализовать с помощью гравитационно-инерционного воздушного классификатора (GI), работающего в цепочке с двумя центробежными классификаторами (C). Справа приведена схема этого технологического процесса. Как отмечалось выше, сегодня уже имеются предприятия, оснащенные двумя статическими воздушными классификаторами Metso (GI и C), объединенными в цепочку, для производства заполнителей разного размера.

Эксперименты с воздушной классификацией материалов, полученных с десяти различных карьеров, на данный момент завершены. Результаты этих экспериментов показывают, что классификаторы можно успешно адаптировать к выполнению более узких задач за счет настройки параметров техпроцесса, т. е. интенсивности воздушного потока, регулируемого с помощью главного и вспомогательного впускных воздушных клапанов (соотношения первичного и вторичного воздуха).

Успешные результаты проведенных экспериментов проиллюстрированы на рисунке вверху, на котором показана исходная крупность заполнителя с десяти карьеров после первого этапа классификации, пример результатов классификации (после сортировки заполнителя на отдельные группы по размеру фракций) и возможности комбинирования этих фракций, когда определенная исходная крупность выбирается в качестве базы отсчета.

Полученные фракции заполнителя были переданы в Норвежский университет естественных и технических наук, где в рамках проекта COIN продолжится изучение влияния различных характеристик заполнителя на свойства свежеприготовленного бетона.

 

Применение дробленого песка на рынке заполнителей для производства бетона

Так зачем все-таки искать новые и, пожалуй, более сложные решения, когда уже имеется «вполне приемлемая» технология производства искусственного песка? Ответ простой: за исключением природного песка (и то не всегда) во многих регионах рост цен на заполнители для производства бетона не успевает за инфляцией.

Есть две причины, почему иногда цена природного песка оказывается высокой в сравнении со стоимостью дробленого заполнителя: во-первых, песок высокого качества может оказывать огромное влияние на потребление цемента (песок составляет наибольшую долю в себестоимости бетона), необходимого для производства бетона с нужными свойствами; во-вторых, доступные природные запасы материалов во многих регионах мира практически истощены. Тем самым обозначаются два возможных подхода к производству дробленого заполнителя (которые фактически могут быть применены в строительной отрасли).

Первый подход является, пожалуй, наиболее общим: производство крупнозернистого заполнителя, практически не отличающегося от продукции других поставщиков, и попытка проведения ценовой конкуренции на рынке. Как правило, такая политика позволяет получать только минимальную прибыль с каждой проданной тонны товара и порождает необходимость производить и продавать огромные объемы материала для поддержания приемлемой рентабельности бизнеса. Для многих крупных карьеров такая задача является трудной, особенно после последнего финансового кризиса. В результате «карьеры-мастодонты», выбравшие такой путь развития, оказались владельцами избыточных мощностей. А повышать цены, когда у всех ваших конкурентов также имеются избыточные мощности, и при этом продавать практически аналогичную продукцию, безусловно, является трудной задачей.

Второй подход заключается в продаже дробленого заполнителя с высокой добавленной стоимостью (прибыль в составе цены) в объемах, соответствующих потребностям рынка.

Основной коммерческий смысл перспективного решения с точки зрения производителя дробленого заполнителя заключается в разработке технологии, обеспечивающей альтернативный подход к производству заполнителя. Он включает в себя не только ценовую конкуренцию, но и производство продукции с высокой добавленной стоимостью, которая может даже выйти на рынок со своим брендом, подчеркивающим уникальность продукта, что никогда не применялось в отношении природного песка и обычных заполнителей.

Эта интересная тенденция недавно получила распространение. Производители, инвестировавшие в существенное повышение качества дробленого песка, хотят подчеркнуть, что их продукция отличается от материала, произведенного с использованием крупнозернистого заполнителя. Насколько известно автору этой статьи, на данный момент имеются два производителя дробленого песка, поставляющие свою продукцию под зарегистрированными брендами: это искусственный песок для бетонных смесей Advanta®, производимый компанией Luck Stone (www.luckstone.com) в штате Вирджиния, США, и RoboSand™, выпускаемый компанией Robo Silicon (www.robo.co.in) в Индии. Отметим, что в производстве дробленого песка Advanta® используются статические воздушные классификаторы компании Metso.

 

Выбор оптимального технологического процесса производства песка

Не так просто доказать, что высококачественный дробленый песок должен стоить дороже (даже если это истинная правда!). Этому есть две причины: 1) упомянутые выше первые неудачные попытки использования искусственного песка в производстве бетона; 2) существующие в разных частях мира законодательные требования, которые могут ограничивать применение дробленого песка, если он был разработан для достижения определенных свойств бетона, а не как заменитель «идеального» природного песка.

Тем не менее у каждой компании, выпускающей крупнозернистый заполнитель, имеется широкий выбор вариантов того, как распорядиться своими излишками мелочи: сбросить их в отвалы, продать по очень низкой цене или попытаться сделать на мелочи бизнес путем использования в производстве дробленого песка по одной из доступных технологий.

Оптимальный выбор в каждом случае зависит от ситуации на местном рынке, а также от того, какие усилия производитель намерен приложить в долгосрочной перспективе в разработку продукта, причем не только с технической точки зрения, но и в части технической поддержки, продаж и продвижения своей продукции. Другими словами, дробленый песок невозможно продавать так же, как крупнозернистый заполнитель, т. е. просто направляя потенциальным потребителям ценовые предложения и описания товара. Автор данной статьи считает, что для достижения успешных результатов маркетинг и продажи дробленого песка должны иметь более весомую техническую составляющую.

Статьи