Дипломная работа: Екологічні аспекти видобування піску на прикладі об`єктів Чернігівської області
Зерновий, або гранулометричний, склад піску характеризується змістом у ньому зерен різної крупності і визначається просіванням середньо проби через сита. Набір стандартних сит для просівання піску включає сита на 10; 5; 2,5; 1,25; 0,63; 0,315 і 0,16 мм.
Сита на 10 і 5 мм служать для виявлення засміченості піску зернами гравію або щебеню. Зерен крупніше 10 мм допускається не більш 0,5% (по масі), а крупніше 5 мм: у природному - не більш 10%, у дробленому з відсівань - до 15, у збагачених пісках - до 5%. Зерновій склад піску визначається після просівання його крізь сито з отворами 5 мм, тобто після видалення великих включень [10].
Пробу сухого піску масою 1000 м висипають на сито з отворами 2,5 мм, під яким розташовуються інші сита (у порядку послідовного зменшення розмірів отворів) і піддон. Після просівання піску через сита механічним або ручним струшуванням визначають приватні залишки на ситах, що виражаються у відсотках до загальної маси проби, і повні залишки, що вийшли б на кожнім ситі, якби всю пробу піску просівали тільки крізь нього. Повні залишки знаходять підсумовуванням приватних залишків на даному ситі і всіх ситах з більш великими отворами.
Коефіцієнт варіації модуля крупності пісків, застосовуваних для бетону гідротехнічних споруджень, не повинний перевищувати 10%.
При використанні пісків зернового складу, що рекомендується, забезпечується одержання найкращих по властивостях бетонних сумішей при найменшій витраті цементу. Вимоги стандартів базуються на результатах наукових досліджень і багатому практичному досвіді. Разом з тим ці вимоги не завжди категоричні. Так, при відповідному техніко-економічному обґрунтуванн допускається використання в бетонах з межею міцності 20 МПа і вище пісків з модулем крупності менш 2. Оскільки щільність зерен піску при даному його мінералогічному складі, як правило, коливається мало, можна вважати, що пустотність в основному зв'язана з насипною щільністю: чим більше насипна щільність, тим менше пустотність. Зернові склади, що рекомендуються стандартами, забезпечують найбільшу насипну щільність піску, найбільш компактне упакування його часток при найменшої пустотності. Насипна щільність сухого природного кварцового піску складає приблизно 1500... 1600 кг/м3, пустотність - 30...40%.
Цементне тісто в бетонній суміші обволікає зерна піску, покриваючи їхню поверхню тонким шаром (звичайно від 0,01 до 0,1 мм). Чим більше питома поверхня зерен піску, тим великим буде витрата цементу на їхн обволікання і розсунення. Питома поверхня складає для фракції 2,5...5 мм близько 10 см2/м, а для дрібних фракцій піску-100 ... 300 см2/м. Питома поверхня середньозернистих природних пісків - 40...70 см2/м, або 4...7 м2/кг.
2.6 Вміст домішок в піску
У піску, як правило, маються домішки, небажані в бетоні. Тому стандартами обмежується їхній зміст.
Наявність у піску пилоподібних, глинистих і мулистих домішок (часток розміром менш 0,05 мм) визначається звичайно відмулюванням, що складається у відмиванні піску водою по визначеній стандартній методиці. Навішення сухого піску в судині заливають водою і витримують 2 год., періодично перемішуючи. Через 2 хв. після перемішування верхній шар води над піском зливають, додають чисту воду і продовжують промивання піску, зливаючи забруднену і додаючи чисту воду доти, поки вода над піском після перемішування не буде залишатися прозорої [21].
Допускається прискорене визначення вмісту часток, що відмучуються, піпеточним методом, що також складається в промиванні піску водою, але відрізняється тим, що виміряється не втрата в масі проби піску, а вміст пилоподібних і глинистих часток, що перейшли у воду. Для цього забруднену воду (суспензію) після промивання піску набирають у пипетку визначено місткості і виливають у чашку. Потім воду випарюють у сушильній шафі при температурі 105...110°С и зважують порошок, що залишився в чашці. Зміст у піску часток, що відмучуються, обчислюють виходячи з відношення обсягу відібраної в піпетку суспензії до всього її обсягу. Крім того, існує метод визначення змісту в піску найбільш дрібних глинистих часток розміром менш 0,005 мм. Цей метод близький до описаного піпеточного, але відрізняється тим, що суспензія, одержувана перемішуванням навішення піску з дистильованою водою і невеликою добавкою розчину аміаку, відстоюється протягом 1,5-2 год. для осадження більш великих часток, і лише після цього відбирається проба суспензії з глинистими частками. При значному вмісті в піску домішок, що відмучуються, можливе зниження міцності і довговічності бетону. Особливо небажані глинисті плівки, оболонки на зернах піску, що порушують зчеплення з ними цементного каменю. Небезпечні також глинисті домішки у виді грудок через схильність їхньому значному розбуханню при зволоженні й усадці при висиханні. Вміст глини в грудках визначають при візуальному розбиранні тонкого шару великих фракцій піску на листі скла сталевою голкою після його зволоження (грудки зволожено глини відрізняються від піщин в'язкістю).
У пісках більшості родовищ, особливо в шарах, що залягають близько до ґрунтового шару, можливі органічні домішки - продукти розкладання речовин рослинного і тваринного походження. Ці домішки (гумусові кислоти) перешкоджають нормальному твердінню цементного каменю, особливо в перші дні, різко знижуючи міцність бетону.
Вміст органічних домішок у піску визначають за допомогою колориметричної (колірний) проби. Пісок у скляному мірному циліндрі заливають 3%-ным розчином їдкого натру і після перемішування залишають на 24 год. У залежності від вмісту органічних домішок розчин забарвлюється в жовтуватий або коричневий колір. Цей колір порівнюють з кольором спеціально приготовленого еталона. Пісок визнається придатним для бетону, якщо фарбування розчину над ним світліше еталона.
Еталон готують, додаючи до 195 мл 3%-ного водного розчину дкого натру 5 мл 2%-ного розчину Таніну в 1%-ном розчині етилового спирту. Еталонний розчин збовтують і залишають на 24 ч, після чого він готовий для порівняння, причому тільки свіжеприготований. У деяких країнах як еталон використовують скло ясно-жовтого кольору [19].
Необхідно мати у виді, що деякі органічні домішки можуть сильно офарблювати розчин їдкого натру, але не шкідливі для бетону. Тому інод пісок і при фарбуванні розчину темніше еталона може бути застосований для готування бетону, але тільки після попереднього спеціального дослідження.
Сутність такого дослідження складається в перевірці впливу органічних домішок, що утримуються в піску, на міцність бетону. Для цього на досліджуваному піску готують дві бетонні суміші однакового складу, але в одній з них застосовують пісок, промитий у вапняному молоці (нейтралізуючому органічні кислоти), а потім у воді, в іншій - промитий тільки у воді (органічн домішки водою не відмиваються, але промивання потрібна для того, щоб дві проби піску нічим, крім змісту органічних домішок, не відрізнялися). Порівняння міцності бетону на цих двох пробах піску показує, чи дійсно шкідливі органічн домішки, що утримуються в піску.
Вміст у піску аморфних різновидів кремнезему, рудних мінералів, слюди, а також сірчанокислих і сірчистих сполук визначається петрографічним дослідженням з розбиранням зерен під мікроскопом і використанням для розпізнавання мінералів хімічних реактивів або інших методів.
Аморфні різновиди кремнезему, як указувалося вище, реагують з лугами цементу і можуть з'явитися причиною руйнування бетону внаслідок об'ємного розширення новотворів. З лугами взаємодіють, зокрема, що випливають мінерали і гірські породи: обпа, халцедон, кремній, деякі склуваті породи, що вилилися.
Опал являє собою аморфний мінерал. Містить 1...15 % хімічно зв'язаної води. Безбарвний, іноді білий, сірий, зі скляним блиском, характерною опалесценцією (зв'язане з назвою цього мінералу специфічне явище "гри кольору").
Халцедон - прихованокристалічний різновид кремнезему (Sі02) тонковолокнистої будівлі, білого, сірого, блакитного або червонуватого кольорів. Кремнесланцюваті осадові породи, що містять обпа, халцедон і кварц із глинистими і вапняними домішками. Якщо петрографічний аналіз указує на наявність у заповнювачі вищезгаданих і їм подібних мінералів або гірських порід, необхідно провести спеціальне дослідження заповнювача на реакційну здатність [18].
ДСТ 8735-75 передбачає визначення хімічним методом потенційної реакційної здатності піску до взаємодії з лугами цементу. Пробу піску з розчином їдкого натру витримують у термостаті при температурі 80°С на протязі 24 год., а потім визначають масу кремнезему, що розчинився. Якщо в умовах досліду вона перевищує встановлену стандартом межу, то пісок відносять до потенційно реакційноздатного. цьому випадку необхідна спеціальна перевірка піску в бетоні.
Діючі стандарти не пропонують визначеної методики перевірки, але містять указівки на необхідність дослідження з урахуванням умов експлуатації споруджень (ДСТ 10268-80). Реакційна здатність заповнювача може бути виявлена іспитом його в цементному розчині, для чого формують з цементно-піщаного розчину зразки-балочки (призми) і протягом тривалого періоду (до року) визначають їхні можливі деформації. На реакційну здатність заповнювача вказують деформації розширення зразків. Оскільки розширення зв'язане з деструкцією (тобто з явищами порушення цілісності структури), реакційна здатність заповнювачів виявляється також у зниженні міцності зразків або у відставанні приросту міцності від установленого при іспиті контрольних зразків на тім же цементі і нормальному кварцовому піску.
Температурно-вологий режим збереження зразків призначають з урахуванням умов експлуатації конструкцій, причому з метою інтенсифікац можливих реакцій для більш раннього їхнього прояву доцільно підвищити температуру і вологість середовища. Якщо приходиться використовувати заповнювач, що містить реакційноздатні різновиди кремнезему, то особливі вимоги пред'являються до цементу. У подібних випадках допускаються до застосування цементу зі вмістом лугів не більш 0,6% у перерахуванні на Na2О.
Вміст і допустимість присутності в піску інших шкідливих домішок визначаються аналогічним образом.
Нестійкі рудні мінерали, зокрема оксиди заліза, унаслідок подальшого окислювання і гідратації можуть викликати поява внутрішніх напружень у бетоні, а також бурих плям на поверхні конструкцій.
Лусочки слюди шкідливі, оскільки не зчіплюються з цементним каменем і є в бетоні як би зародковими тріщинами, де при навантаженні неминуча концентрація напруг. Сірчанокислі і сірчисті сполуки, що утримуються в заповнювачі, можуть викликати корозію бетону і сталевої арматури [18].
З'єднання сірки в піску зустрічаються головним чином у вигляд гіпсу або піриту. Гіпс (Ca04-2H20), вступаючи в реакцію з трикальцієвим алюмінатом портландцементу і водою, утворить так називану "цементну бацилу"-гідросульфоалюмінат кальцію. Ця реакція супроводжується значним збільшенням обсягу новотворів, викликає розширення бетону і тріщиноутворення. Пірит (сірчаний або залізний колчедан Fe2S) у бетоні згодом окисляється і взаємодіє з водою з утворенням гідроксиду заліза і сарною кислоти, що супроводжується збільшенням обсягу і корозією.
За ДСТ 10268-80 для бетону гідротехнічних і транспортних споруджень масова частка сірчанокислих і сірчистих сполук у піску не повинна перевищувати 1%.
Найбільше розпушення піску спостерігається при його вологост 4...7 % (по масі). Насипна щільність при цьому зменшується на 10...40 %, у меншому ступені для великих пісків, у більшої - для дрібних.
Зміна обсягу вільно насипаного піску в залежності від його вологості необхідно враховувати при дозуванні піску для бетонної суміші й в нших випадках, коли застосовується важливий пісок, зокрема при його видобутку або збагаченні гідроспособом.
Облік вологості піску дуже важливий. По-перше, по вмісту води в піску необхідно скорегувати (зменшити) витрата води на заміс. По-друге, варто збільшити витрата піску. При озируванні піску по масі виправлення набагато менше, ніж при дозуванні по обсязі. Досвід показує, що невраховане зрад вологості піску тільки на 1 % може привести до зміни рухливості бетонної суміш на 4 див або знизити межу міцності бетону на 2 МПа, а в ряді випадків і більш. Звичайно контроль вологості піску ведеться у відповідності зі стандартною методикою періодичним добором висушуванням роб. Однак тривалість такого досліду часто знижує його цінність, оскільки вологість піску може ставитися від замісу до замісу. Тому швидкість безперервність контролю вологості піску в процесі готування бетонної суміші ма першорядне значення. В останн роки розроблені і вже знайшли практичне застосування способи безперервного контролю вологості піску безпосередньо перед дозуванням з автоматичним регулюванням витрати матеріалів. Особливо зручні безконтактні методи, що дозволяють безупинно контролювати вологість піску, наприклад на стрічці конвеєра, що рухається, за допомогою радіоактивних ізотопів (по уповільненню вологою потоку швидких нейтронів) або радіохвиль надвисокої частоти.
3. Основні аспекти добування піску
3.1 Видобуток природного піску
Природний пісок добувається в піщаних і піщано-гравійних кар'єрах. Одержання піску в останніх зв'язано із сортуванням піщано-гравійно суміші. За умовами залягання родовищ піску, як і інших корисних копалин, кар'єри підрозділяються на косогорні, рівнинні і водні. Косогорними називають кар'єри, що розташовуються на схилах височин. У цьому випадку місце видобутку піску вище транспортних шляхів і навколишньої місцевості. Такі кар'єри завжди сухі. У рівнинних кар'єрах пісок залягає нижче поверхні землі й іноді нижче рівня ґрунтових вод. Такі кар'єри можуть бути сухими або обводненими. У залежності від способу розробки піску кар'єр або осушують за допомогою водовідводу, дренажу, або, навпаки, обводнюють для наступного видобутку піску. У водних кар'єрах пісок добувають з-під шару води в руслах рік, в озерах нших водоймах [10].
Таким чином, пісок у кар'єрах добувають або відкритим способом, або підвідною розробкою. Відкритий спосіб видобутку піску найбільш розповсюджений.
Покладу піску в родовищі, як правило, сховані під шаром рунту, а також глинистих і інших порід. Цей шар називають розкривом, а відношення його обсягу до обсягу корисної копалини ( у даному випадку піску) - коефіцієнтом розкриву.
Розкривні роботи, тобто видалення розкриву за межі кар'єру й оголення покладів корисної копалини, роблять завчасно щоб уникнути забруднення піску, що добувається, небажаними домішками. Розкривні роботи здійснюють бульдозерами, скреперами, іноді, при великій потужності шару розкриву, екскаваторами з вивезенням у відвал. Після видалення розкриву в кар'єрі прокладають траншеї для утворення робочих уступів і транспортних шляхів.
Висота уступу складає 6...10 м і більш. Вона зв'язана з висотою черпання застосовуваного екскаватора. Якщо пісок залягає в кар'єр більш могутнім шаром, то його видобуток роблять пошарово. Ширина вибою також залежить від типу екскаватора і складає 1,2...1,3 його радіуси черпання.
Для розробки піску у відкритих кар'єрах використовують різноманітні екскаватори, а також скрепери й інші машини.
Найбільш поширені одноковшеві екскаватори з прямою лопатою (місткість ковша 0,25...15 м3). Висота черпання таких екскаваторів - 6...30 м, радіус черпання - 6...40 м. Екскаватори з прямою лопатою розташовують на нижній площадці уступу, як і транспортні засоби.
Екскаватори-драглайни відрізняються тим, що їхній ківш совкового типу підвішений до стріли на канатах. Драглайн черпає нижче , рівня своєї стоянки, тому може працювати на верхній площадці кар'єру. Усе більше застосування знаходять багатоковшеві (багаточерпакові) екскаватори. Ланцюгов багатоковшеві екскаватори являють собою конвеєр з безупинно рухаються уздовж укосу черпаками. Вивантаження черпаків виробляється при їхньому перекиданні на стрічковий транспортер. Місткість черпаків невелика, але них у ланцюзі до 40 шт., тому при безперервній роботі забезпечується висока продуктивність. Ковшова (черпакова) рама ланцюгового екскаватора може розташовуватися під різним кутом як вище, так і нижче рівня стоянки екскаватора з обслуговуванням транспорту на нижній або верхній площадці уступу. Якщо пісок у родовищі неоднорідний залягає шарами, що відрізняються за крупністю зерен, то при видобутку багатоковшевим екскаватором зерновий склад піску усереднюється перемішуванням у межах висоти розроблювального уступу, що є позитивним чинником [18].
Крім ланцюгових використовуються роторні багатоковшев екскаватори, робочим органом яких є обертове на кінці стріли роторне колесо з черпаками. З черпаків добутий пісок вивантажується на стрічковий транспортер, розташований усередині стріли і пісок, що подає, у бункер, транспортні засоби або відвал. Роторні екскаватори зручні для пошарової розробки піску.
