книги из ГПНТБ / Григорович, М. Б. Минеральное сырье для промышленности строительных материалов и его оценка при геологоразведочных работах

М. С. Швецов (1958) разработал классификацию песков и песчаников по условиям образования и минеральному составу

(табл. 90).

Большая часть добываемого песка и гравия используется в строительной промышленности в качестве заполнителя бетона. Пески широко применяются для производства строительных растворов.

Качество заполнителей бетона определяется главным образом их физико-механическими свойствами, гранулометрическим соста­ вом, а также формой и петрографическим составом зерен и

175-

наличием примесей. Масса заполнителей составляет 70—80% от общей массы бетона или раствора, их показатели в значительной мере определяют и свойства бетона.

Вопросы влияния крупных заполнителей (щебня) на прочност­ ные показатели бетона были описаны на стр. 75—130, и здесь будут рассмотрены только свойства и требования, предъявляемые к песча­ ным и гравийным заполнителям. Наряду с гранулометрическим составом крупного заполнителя на свойства бетона существенное влияние оказывает и размер зерен мелкого заполнителя (песка). При применении мелких песков увеличивается удельная поверх­ ность зерен, это приводит к снижению подвижности бетонной смеси, увеличивает ее водопотребность, что соответственно вызы­ вает повышенный расход цемента. Перерасход цемента по этой причине может достигать 10—20%. Присутствие в заполнителе примесей мелких пылеватых и глинистых фракций, обволакиваю­ щих зерна песка, ухудшает их сцепление с цементом.

Большое содержание тонких глинистых частиц также вызывает перерасход цемента, обволакивающего поверхность этих частиц. Нежелательным является присутствие в гравии плоских или продолговатых (лещадных) зерен, оказывающих неблагоприятное влияние на удобоукладываемость бетона, вызывающих перерасход цемента и снижающих прочность и долговечность бетона. Отрица­ тельное влияние сульфидов и сульфатов, имеющихся в заполнителе, было рассмотрено выше. Отрицательно сказывак)тся на прочности бетона также органические вещества, присутствующие в песке и гравии в виде мелких частиц, пленок на поверхности зерен, гуми-

Важное значение для оценки качества песчано-гравийной смеси имеет 'петрографический состав, в значительной мере определяю­ щий прочность зерен. Наиболее оптимальными являются пески, состоящие главным образом из кварцевых зерен, и гравий из зерен кварца, изверженных и прочных осадочных пород. Присутствие в песке и песчано-гравийной смеси зерен опала и других аморфных модификаций SiC>2 нежелательно, так как они вступают в реакцию со щелочами цемента, образуя разбухающие коллоидные соеди­ нения.

Наряду с петрографическим составом зерен существенное зна­ чение имеет степень выветрелости, что может значительно снизить их прочность. Качество гравия и песка, применяемых в строитель­ стве, лимитируется соответствующими стандартами.

От гранулометрического состава гравия зависит подвижность бетонной смеси и количество употребляемого в нейцемента. В связи с этим гравий должен содержать как крупные, так и мел­ кие зерна и обладать равномерным составом, обеспечивающим наименьший объем пустот и следовательно минимальный расход цемента.

Гравий ие* должен содержать более 15% зерен пластинчатой (лещадной) или игловатой формы и более 10% зерен слабых пород (по весу). Имеет также значение для сцепления с цементным тес­ том форма и характер поверхности зерен. Слабоокатанный гравий с шероховатой поверхностью имеет более высокое сцепление с цементом, чем гладкий. Пластинчатые и игловатые зерна гравия обладают прочностью меньшей, чем округлые.

Оценка качества гравия, в зависимости от его назначения, опре­ деляется следующими показателями (по ГОСТ 8268—62):

1) дробимость при сжатии (раздавливании) в цилиндре при оценке гравия как заполнителя бетона. По этому показателю выделяются три марки гравия: с потерей в массе не более 8 % —■

Др 8 ; Др 1 2 -9 - 1 2 % ; Др 1 6 -1 3 -1 6 % ;

3) сопротивление удару на копре ПМ. При оценке гравия для бал­ ластного слоя железнодорожного пути выделяются три марки по ко­ личеству ударов, которые выдержали зерна: У—75, У—50 и У—40.

По степени морозостойкости выделяются 'следующие марки гравия: М—15; М—25; М—100; М—150; М—200 и М—300 (М — количество циклов замораживания и оттаивания).

Количество глинистых, илистых и пылевидных частиц не должно превышать 1% по массе. При оценке гравия как заполнителя бетона необходимо определять содержание в нем органических веществ, а также сульфидов (сульфатов).

Методы испытания гравия установлены ГОСТ 8269—64. Помимо общих требований к гравию, пригодность его для различных целей определяется соответствующими ГОСТ и ТУ (см. прил. 4).

Качество песка для строительных работ лимитируется ГОСТ 8736—67, требования которого распространяются на песок с объем­ ной массой более 1200 кг/м3 и крупностью зерен менее 5 мм.

Песок, отвечающий требованиям этого ГОСТ, предназначается для заполнения бетона, строительного раствора, строительства железных и автомобильных дорог. По крупности зерна песок по ГОСТ 8736—67 делится на 4 группы: гранулометрический состав каждой группы после отсева зерен крупнее 5 мм должен харак­

178

Количество пылеватых глинистых и илистых частиц в песке, определяемое отмучиванием, не должно превышать (по массе) 3%. Песок для строительных растворов не должен содержать зерен размером более 5 мм, слюды не более 1% и сернистых соединений в пересчете на SO3 не более 2 %.

Песок для бетона и строительных растворов не должен содер­ жать органики больше нормы;

содержание в песке комков глины не допускается. Оценка качества песка 'производится по методике ГОСТ 8735—65. Кроме этих общих требований, песок, в зависимости от областей примене­ ния, должен отвечать требованиям соответствующих ГОСТ и ТУ

(см. прил. 4).

Разработка месторождений песка и гравия производится в от­ крытых карьерах, а также под водой.

Геологический разрез песчаных и песчано-гравийных месторож­ дений позволяет в большинстве случаев разрабатывать их в два уступа. Первый (верхний) служит для удаления пустых пород вскрыши, второй (нижний) — для добычи полезного ископаемого. Крутизна откоса уступа в карьере зависит от угла естественного откоса породы. Для песка этот угол составляет 20—35°, для гравия 35—40°. Высота уступов карьера зависит от мощности вскрыши и полезного ископаемого, а также от размеров, применяемых меха­ низмов и может достигать 30—40 м.

Существует несколько систем разработки песчаных и песчано­ гравийных месторождений, применение которых зависит от условий залегания полезного ископаемого и мощности карьера. Это могут быть «открытая» прямоугольная, однокрылая «закрытая», дву­ крылая Т-образная прямоугольная разработки (Ляхов, 1954).

Разработка обводненных месторождений песчано-гравийного материала, а также месторождений, расположенных вблизи водое­ мов, может производиться с помощью гидромеханизации. Преиму­ ществами гидромеханизации являются: 1) высокое качество получаемой продукции; 2 ) возможность получения качественного песка и гравия из сильно загрязненных месторождений; 3) возмож­ ность объединения в единый процесс добычи, транспортировки, обогащения и складирования песка и гравия; 4) возможность раз­ работки месторождений, лежащих ниже горизонта воды; 5) воз­ можность ведения добычи с любой степенью интенсивности

(Шкундин, 1953).

В зависимости от условий залегания песчано-гравийные место­ рождения могут разрабатываться гидромониторами или плавучими землесосными снарядами. Первый способ применяют при располо­ жении месторождений выше уровня воды, а второй — для русловых месторождений.

Гравий и песок добывают одноковшовыми и многоковшовыми, роторными, башенными экскаваторами, скреперами, элеваторными погрузчиками, землечерпалками, землесосами, гидромониторами и бульдозерами.

179

При разработке гравийно-песчаных месторождений произ­ водится разделение на гравии и песок, причем наиболее ценным продуктом является гравий. Песок, входящий в состав песчано­ гравийных месторождений, не всегда используется строительной промышленностью или из-за низкого качества или из-за отсутствия вблизи потребителя и нерентабельности перевозки его на дальние расстояния. Валуны, входящие в состав песчано-гравийной массы, всегда выделяются, но самостоятельное значение они могут иметь при большом содержании.

В связи с тем что месторождения песчано-гравийного материала обычно содержат загрязняющие примеси (глина, ил, органические вещества), их разработка сопровождается обогащением. Обогаще­ ние гравия может быть мокрое или сухое. Мокрое обогащение производится путем грохочения, дробления и промывки. При сухом обогащении промывки не требуется. В процессе грохочения удаля­ ются валуны и крупные булыжники, которые затем подвергаются дроблению. Грохочение производится на грохотах различных кон­ струкций (неподвижных плоских, инерционных). Дробление валу­ нов производится в щековых, конусных и валовых дробилках.

При грохочении песчано-гравийной массы попутно отделяются песок, пылевидные и глинистые частицы. При небольшом содержа­ нии загрязняющих веществ (до 1 %) одного грохочения бывает достаточно для получения чистого гравия. При значительном со­ держании примесей применяют мокрое обогащение с помощью гравиемоек различной конструкции. При правильной организации производства дробление, грохочение и мойка объединяются в еди­ ный технологический процесс, увязанный с разработкой месторож­ дения и погрузочно-разгрузочными операциями (Ляхов, 1954).

Вместе с обогащением гравия, проводимым для удаления валу­ нов, булыжника и глинистых частиц, производится его фракцио­ нирование с целью получения набора зерен размером 5—10 мм; 10—20 мм; 20—40 мм и 40—70 мм. Кроме того, для повышения прочностных показателей гравия начинает практиковаться его обо­ гащение, чтобы отделить зерна слабых пород.

В настоящее время разработано несколько методов обогащения гравия и щебня (см. гл. 9). При обогащении гравия удается повышать среднюю объемную массу до 2,630 кг/м3, снижать со­ держание зерен слабых и выветрелых пород до 1—1,5% и увеличи­ вать содержание высркопрочных зерен до 90%. Кроме использования гравия в зернах природной формы, часть его подвергается дробле­ нию в щебень, по ГОСТ 10260—62, требования в основном совпа­ дают с требованиями ГОСТ 8268—62.

Пески так же, как и гравий, обычно содержат загрязняющие примеси — глину, корни растений, пылевидные и органические частицы, окись железа. В зависимости от характера включений иногда применяют механическое или химическое обогащение. Механическое обогащение разделяется на мокрое и сухое. Мокрое

180

состоит в отмучивают и промывке, сухое —- в отсеивании, отвеива­ нии и электроочистке.

Химическое обогащение включает термическую и химическую обработку. Для улучшения качества песков применяют также просеивание, при котором улучшается гранулометрический состав песка и удаляются вредные примеси (глина, пыль, органические вещества, окислы железа). Применяются также отвеивание, магнит­ ное обогащение и отмучивание. Сущность отмучивания заключа­ ется в том, что крупные.зерна песка в воде быстрее оседают на дно чем мелкие, а также уносятся частицы глины, порошкообразные окиси железа, пылевидные фракции, органические вещества.

Промышленность выпускает фракционированный песок, который поставляется (по ГОСТ 8736—67) в виде двух фракций 5—1,25 и 1,25—0,14 мм или 5,0—0,63 и 0,63—0,14 мм.

Месторождения чистого гравия встречаются очень редко п прак­ тическое значение имеют месторождения песчано-гравийного мате­ риала, с содержанием гравия не менее 15—20%. Почти все про­ мышленные месторождения гравия связаны с молодыми, главным образом четвертичными и современными отложениями. В более древних образованиях гравий в большей или меньшей степени сцементирован, в конгломерат.

Промышленные месторождения песка встречаются в отложениях всех геологических возрастов начиная с палеозоя.

По условиям образования среди месторождений песчано­ гравийного материала можно выделить следующие генетические типы:

Основными промышленными типами месторождений песчаного и гравийно-песчаного материала являются аллювиальные и ледни­ ковые. Месторождения гравия, приуроченные к современным морским образованиям, имеют более ограниченное распростране­ ние. Больше развиты месторождения аллювиального происхожде­ ния, а также являющиеся ледниковыми образованиями и продук­ том их перемыва в руслах крупных рек. В некоторых предгорных районах имеются значительные скопления галечников, приурочен­ ные к конусам выноса и к руслам рек. Разведанные месторождения гравийного материала и строительного песка по условиям образо­ вания (по данным. ВНИИнеруд) распределяются следующим образом (табл. 92).

181

По степени выдержанности качественных и количественных по­ казателен среди месторождений песка и песчано-гравийного мате­ риала можно выделить три типа.

I. Крупные и средние пластовые и пластообразные, характери­ зующиеся выдержанными мощностью и качественными показа­ телями. К этому типу относятся месторождения гравия: 1) образо­ вавшиеся в долинах крупных рек, вытекающих из горных районов, в пролювиальных отложениях, а также путем перемыва ледниковых отложений; 2) в областях зандровых покровов. Сюда же относятся месторождения песка: 1) связанные с горизонтальнопли слабо накдонно-залегающими древними осадочными толщами, образовав­

атакже к флювиогляциальным образованиям.

II. Крупные и средние месторождения лннзовпдной формы, часто с невыдержанными качественными показателями. К ним можно отнести следующие месторождения: 1) русловые п террасо­ вые— древних и современных потоков; 2) морских и озерных по­ бережий, 3) скопления, образовавшиеся на пути стока ледниковых

вод, а также делювиального и пролювиального происхождения. III. Месторождения, образующие гряды и холмы и характеризу­ ющиеся линзообразным строением. Сюда относятся месторождения песка и гравия, приуроченные к -ледниковым образованиям (озам, камам и конечно-моренным грядам), а также слагающие береговые валы на побережье морей и крупных озер, и песков эолового проис­

хождения.

При разведке месторождения гравия отбор проб из шурфов про­ изводится валовый, кратной бадьей или бороздой. При первом методе в пробу поступает весь материал, полученный с определен­ ного интервала. Валовое опробование применяется для отбора технологических, а также контрольных проб.

При отборе проб методом кратной бадьи в пробу поступает материал каждой второй—третьей бадьи. Этот метод рекоменду­ ется применять при сечении шурфа не менее 0,9 м2.

В. М. Борзунов (1969) при опробовании кратной бадьей реко­ мендует соблюдать следующие условия: 1) опробование должно производиться по литологически однородным слоям большой мощ­

182

ности; 2) маломощные слои, материал которых может не попасть в бадью, опробуются отдельно; 3) кратность бадьи определяется опытным путем, сопоставлением данных опробования по способу кратной бадьи и всего материала по слою.

Бороздовый способ опробования песчано-гравийной толщи можно применять только при отсутствии валунов и крупной гальки.

При разведке с помощью буровых скважин в пробу поступает весь материал, полученный с выделяемого интервала. Масса мате­ риала должна составлять не менее 70% от расчетной. При разведке месторождения строительного песка с помощью шурфов или дудок пробы отбираются бороздой сечением 10X5 см. Из скважин пробы отбираются путем квартования материала, получен­ ного с определенного интервала. При необходимости получения пробы большой массы проходится куст скважин.

В связи с тем что некоторые показатели песчано-гравийных пород могут быть определены без сложной аппаратуры, при про­ ведении геологоразведочных работ с целью ускорения получения предварительной качественной характеристики, часть определений целесообразно осуществлять в полевых условиях.

Во время полевых работ на гравий рекомендуется проводить определение гранулометрического состава, а также петрографиче­ скую разборку и определение содержания лещадных и выветрен­ ных зерен. Устанавливают также коэффициент разрыхления, объем­ ную массу и коэффициент продуктивности (см. стр. 129).

В песках следует определять содержание крупных фракций, степень окатанности зерен, их примерный минералогический состав и, при наличии соответствующей аппаратуры, содержание глини­ стых частиц. В лаборатории производят остальные определения, требуемые ГОСТ (определение гранулометрического состава песка, содержание органических и глинистых примесей в песке и гравии, комплексные физико-механические испытания песка, гравия, валу­ нов и щебня, полученного из валунов), а также контрольные опре­ деления петрографического состава и содержания зерен слабых пород. Производятся также в небольшом количестве, химические анализы песков с определением содержания БЮг, А120з, Ре20з, CaO, MgO и п. п. п.

При поисковых работах и предварительной разведке по всем выработкам, вскрывшим пласты промышленной мощности, отбира­ ются и анализируются послойные или секционные пробы длиной не более 2—3 м. Прослои пустой породы, которые не могут быть выделены при эксплуатации, включаются в пробу.

Пробы гравия подвергаются сокращению, а затем рассеву через сита с отверстиями диаметром 70, 40, 20 (или 25 и 15) и 10 мм, а затем мелкой фракции (—10 мм) на ситах 5 и 3 мм.

Полученные в результате грохочения фракции взвешиваются и вычисляется их содержание в горной массе в процентах. Если валуны отсутствуют, содержание фракций определяется по отноше-- нию к весу пробы до грохочения. При наличии валунов содержание

183

отдельных фракции гравия и песка в горной массе (СфР) определя­ ется по формуле

валунов в горной массе по данному интервалу опробования, %. Петрографические определения производятся по фракциям

после рассева проб. Материал для петрографических определений отбирается точечным методом в количестве 100—120 зерен.

глинистые сланцы, пористые известняки, слабые песчаники, вьгветрелые изверженные породы; 4) вредные для бетонов породы и минералы — сульфиды, кислые эффузивы, кремнистые известняки, опал; 5) породы, плохо сцепляющиеся с битумом (из числа первых групп). Кварциты, плотные кварцевые песчаники, кремни, яшмы.

Одновременно с петрографическим разбором определяются про­ центные содержания зерен разной формы: изометрической, лещадной и игловатой.

Встадию детальной разведки характер опробования уточняется

взависимости от полученных ранее результатов. При однородном и выдержанном строении месторождения пробы отбираются по интервалам, соответствующим высоте эксплуатационных уступов.

При неоднородном строении пробы следует отбирать по слоям, которые будут отрабатываться отдельно.

При решении вопроса о количестве проб, отбираемых при про­ ведении разведочных работ, рекомендуется руководствоваться следующими общими соображениями: гранулометрический состав гравийно-песчаной породы как важнейший показатель следует опре­

делять в стадию поисков и предварительной разведки по всем выработкам.

При детальной разведке, если качество гравийной массы выдержанное, можно ограничиться определением важнейших фрак­ ций. Также по всем выработкам при поисках и предварительной разведке необходимо определять содержание глинистых, пылеватых частиц и органических веществ. По нескольким пробам желательно определить содержание тонких частиц по фракциям. Определение петрографического состава и содержания слабых и лещадных зерен при предварительной разведке производится по выработкам равно­ мерно распределенным по площади месторождения. Эти определе­ ния могут производиться по пробам, отобранным для проведения гранулометрических анализов. В стадию детальной разведки коли­ чество таких определений зависит от степени однородности материала.

184