Содержание кварца в песке

Кварцевый песок представляет зернистый минерал, образующийся в результате разрушения кварцсодержащих пород. В земной коре распространен очень широко. Чистый кварцевый песок имеет минимум инертных примесей: в основе его состава до 99% составляет диоксид кремния – кремнезем (SiO₂), который имеет молочный цвет. Цветовую гамму кварцевому песку придают различные примеси, входящие в его состав, в виде глинистых карбонатов, оксидов железа, полевых шпатов и других горных пород. При этом цвет песка может изменяться от желтого до красно-бурого и даже черного. Кристаллическая структура кварца придает песку исключительные характеристики устойчивости к воздействию кислот и щелочей и его прочности – твердость достигает 7 по шкале Мооса. Тугоплавкость и химический состав кварцевого песка обуславливают его повышенную огнеупорность и пожаробезопасность. Материал по своим свойствам относится к диэлектрикам.

В процессах очистки воды используется два вида песка, которые разделяют по способам добычи и обработки: окатанный и дробленый. Окатанный имеет вид округлых зерен, и образуется в результате природного воздействия, дробленный – является результатом дробления кварцевой породы и выглядит как гранулы неправильной формы с неровными краями.

Добыча окатанного кварцевого фракционного песка производится открытым способом из карьера или земснарядом из природных месторождений в поймах рек и озер. Последний способ позволяет осуществлять добычу песка, содержащего высокий процент содержания диоксида кремния (SiO₂), что выгодно отличает его от карьерных разработок, где обычно добывают строительный песок, который зачастую загрязнен глинистыми породами, что требует дополнительных затрат на его обработку. Но при этом зерна окатанного песка могут быть практически любого цвета – от белого до темно-коричневого.

Дробленый кварцевый песок получают дроблением и рассевом горных пород, содержащих кремний. В зависимости от типа используемого сырья – горных пород он бывает нескольких видов: серого цвета (кварцит), молочно-белого цвета (дробленый кварц) и коричневого цвета (другие природные минералы).

Добытый песок-сырец проходит ряд технологических операций, в том числе промывку от грязевых отложений и очистку от примесей химическим методом. В результате этих обогатительных процессов в конечном продукте увеличивается содержание кварца. После сушки на специальных установках отмытый и высушенный кварцевый песок проходит через ряд сит, где разделяется на фракции. Полученную продукцию называют фракционным кварцевым песком.

Наиболее востребованными фракциями кварцевого песка, используемого для очистки воды, являются фракции: 0,4-0,6 мм, 0,6-0,8 мм, 0,5-1,0 мм, 0,8-2,0 мм и 2-5 мм. При этом последний вид чаще всего используется в качестве поддерживающего слоя для основной фильтрующей загрузки.

Кварцевые пески известны своими хорошими адгезионными свойствами (например, в лакокрасочной промышленности их используют как добавки к грунтовкам для повышения их адгезионных свойств). С другой стороны кварцевые пески обладают очень низкой сорбционной способностью, поэтому осветление воды на них осуществляется в основном за счет сил притяжения, вызванных адгезией и суффозией. Окатанные кварцевые пески ввиду низкой шероховатости зерен также имеют относительно низкую грязеемкость, из-за чего нужны дополнительные производственные затраты на частую промывку загрузки. Частично от этой проблемы избавлены дробленые кварцевые пески, но они имеют более высокий процент истираемости и вымываемости, что ведет к более частой замене кварцевого материала в фильтрах.

Проблема вымываемости примесей из кварцевого песка является особенно актуальной при подготовке воды для котлов высокого давления, где ограничено содержание кремния в подпиточной воде.

Поэтому, в последнее время кварцевые пески, как правило, применяют в составе многослойных загрузок, в которых кварцевых песок играет роль финишной загрузки, отвечающей за удержание самых мелких механических примесей (20-25 мкм).

Физико-химические характеристики

Наименование показателя	Фракция кварцевого песка
	0,4-0,6	0,6-0,8	0,5-1,0	0,8-2,0	2,0-5,0
Изготовитель	Поликварц
Цвет	светло-бежевый
Вид обработки	окатанный
Размер зерна, мм	0,4 – 0,8	0,6 – 0,8	0,5 – 1,0	0,8 – 2,0	2,0 – 5,0
Объемный (насыпной) вес, кг/м 3	1630 – 1650	1590 – 1620	1560 – 1610	1550 – 1600	1270 – 1290
Плотность гранул, кг/м 3	2600 – 2650
Удельная поверхность, м 2 /г	2,15 – 2,20	2,10 – 2,15	2,05 – 2,1	1,90 – 2,05	1,50 – 1,90
Истираемость, %	0,15 – 0,30
Измельчаемость, %	2,6 – 3,2
Межзерновая пористость, %	1) , мм	0,55	0,62	0,67	1,10	1,30
Грязеемкость, г/м 3
• без предварит. подготовки	600 – 750					–
• с предварит. подготовкой	800 – 1250					–
Прирост сухого остатка, мг/л	1) , кПа/м, менее						30	20	15	10
Рекомендуемая высота слоя, мм
• однослойная загрузка	600 – 900
• многослойная загрузка	250 – 400
Высота свободного борта, % от высоты слоя	> 50
Время обратной промывки, мин	15 – 30
Расширение слоя при обратной промывке, % от высоты слоя
• однослойная загрузка	30 – 45
• многослойная загрузка	20 – 25

1) – расчетные данные на основе гранулометрического состава

В качестве главных составляющих огромного количества стройматериалов выступают натуральные компоненты, которые характеризуются требуемыми свойствами и находятся в достаточном количестве для добычи в промышленных масштабах. Кварцевый песок считается одним из распространенных природных минералов и используется во всех областях строительной деятельности. Характеристики песка позволили ему обрести столь высокую популярность.

Кварцевый песок является одним из наиболее распространенных стройматериалов и используется в различных сферах строительства.

Перед тем как начать знакомиться с химическими свойствами материала, стоит узнать, чем они обеспечиваются. В качестве основного компонента кварцевого песка выступает диоксид кремния, который представлен кварцем. Его формула выглядит следующим образом: SiO2. В его составе можно встретить оксиды железа, органические примеси, глину и иные металлы. Содержание кварца в первостепенном минерале, как правило, равно 93-95%.

Принцип действия строительных составов, используемых при производстве плит и блоков, основывается на химическом взаимодействии компонентов. Образуемые в его результате неорганические цепочки гарантируют необходимые параметры материала.

Диоксид кремния представляет собой кислотный оксид, что обуславливает взаимодействие с соединениями алюминия и кальция, которые имеются в известняке и глине. Процесс способен протекать при высыхании влажного состава или в момент термического запекания.

Виды кварцевого песка

Кварцевый песок может быть представлен естественной и искусственной разновидностями, которые отличаются способом добычи. Первый вид распространен повсеместно в природе, его можно найти на дне водных бассейнов и в толще почвы. Фракция большей части его зерен может варьироваться в пределах 0,2-1 мм.

Есть несколько путей добычи кварцевого песка, один из них – это разработка карьеров, которая выступает в роли ведущего способа. Если добыча осуществляется над уровнем моря, материал носит название горного. Вид карьерного песка характеризуется заостренными формами и шершавой поверхностью, что делает его ценным стройматериалом. После добычи песок может дополнительно обрабатываться, что предусматривает просеивание, промывание и сушку. Еще один путь добычи кварцевого песка – это разработка водных бассейнов, при этом частички вымываются и отличаются чистотой.

Морской песок не столь ценен по причине увеличенного содержания минеральных примесей. Такой материал имеет гладкую форму.

Кварцевый песок обладает еще одной разновидностью – искусственной. Но, несмотря на название, материал имеет естественное происхождение, ведь первоначально находится в качестве крупных кристаллов. Для того чтобы кристаллы кварца превратились в песок, используется механическое воздействие, затем осколки дробятся.

Можно выделить некоторые направления классификации песка на основе кварца, например, по фракционному составу. Таким образом, кварц может быть пылевидным, фракция материала при этом менее 0,1 мм; мелкозернистым с размером зерен в пределах от 0,1 до 0,25 мм; средним – фракция в пределах 0,25-0,5 мм; крупнозернистым – 0,5-1 мм, в редких случаях размер зерен может достигать 3 мм.

Морской песок содержит большое количество минералов, поэтому редко используется в строительстве.

Классифицировать кварцевый песок можно еще и по обогащению. Так, он может быть необогащенным и обогащенным. Первый вариант – минерал в исходном виде, не подверженный обработке для увеличения в составе количества диоксида кремния. Второй вариант представлен песком, который содержит увеличенное на некоторое количество процентов содержание кварца, чего удается добиться за счет устранения ряда примесей. Так, белый материал не имеет в составе органических соединений, примесей глины, оксидов железа, чего удается добиться после просеивания, мытья и сушки.

Кварцевый песок может быть классифицирован и по технологии обогащения.

Первоначальный этап обогащения предполагает фракционирование и промывку. Следующим шагом может стать гравитационное обогащение, что имеет цель разделить компоненты состава по плотности.

Частички могут иметь разную окраску. Существует природный и окрашенный материал. Природный характеризуется оттенками от бледно-желтого до коричневато-желтого. А при искусственном окрашивании используются устойчивые краски на базе синтетических связующих.

Разные технические характеристики имеют пески, классифицированные по степени подготовки. Так, при производстве может требоваться фракционированный материал, сухой или прокаленный, последний из которых характеризуется отсутствием в составе влаги, что достигается прокаливанием.

Нормировка характеристик

Таблица характеристик песка.

Главным регулирующим документом выступает ГОСТ 2138-91. В документе отражены требования к ведущим характеристикам и параметрам качества. Так, можно выделить 5 групп материала, у каждой из которых должно содержаться установленное количество глины в пределах 0,2-2,0%. Содержание диоксида кремния в песке должно варьироваться от 93 до 99%, материал с определенным содержанием этой составляющей станет соответствовать группе К1-К5.

Материал может иметь и свой коэффициент однородности, с увеличением значения песчаная смесь характеризуется большей однородностью. Песок имеет и определенный фракционный состав, что отражает габариты частиц. Учитывается ГОСТ и влажностные показатели. Сухие составы содержат максимальные 0,5% влаги, тогда как влажные не должны содержать более 4,0%. Что касается сырых, то этот показатель не превышает 6,0%.

Эксплуатационные характеристики кварцевого песка

К параметрам песка, которые влияют на качество работы и определяют область применения, относится:

Таблица применения кварцевого песка в зависимости от фракции.

• насыпная плотность, которая ограничена 1300-1500 кг/м 3 ;
• истинная плотность – 2600-2700 кг/м 3 ;
• теплопроводность, которая варьируется в пределах 0,30 Вт/(м∙°С);
• максимальная температура плавления кварцевого песка равна 1050°С, что является достаточным для проведения каких бы то ни было строительных работ;
• обычный кварцевый материал, находясь в рыхлом состоянии, обладает объемным весом в 1500 кг/м 3 , тогда как объемный вес равен показателю 1600 кг/м 3 .

Что касается максимальной температуры плавления, то в процессе литья изделий на основе кварца используется температурный режим в пределах 1700°С и больше. Значительное влияние на теплоизолирующие характеристики оказывает форма и фракционность состава. Так, с увеличением плотности расположения зерен и более маленьких зазоров коэффициент теплопроводности оказывается больше.

Преимущества и недостатки

Кварцевый песок не является экологичным материалам – его пыль вредна для здоровья.

Кварцевый песок выступает в роли почти незаменимого компонента в ряде областей. Его можно выделить за показатели практичности и отличный внешний вид. Несмотря на то что кварцевый песок сегодня широко применяется в области строительства, пыль, образуемая от него, способна стать причиной возникновения хронических болезней у строителей. Таким образом, экологические характеристики материала не на высшем уровне. Стоимость песка не столь низка, как хотелось бы, поэтому эту особенность можно было бы выделить в минус.

Наряду с такими материалами, как глина и известняк, кварцевый песок можно считать одним из важнейших и незаменимых составляющих для ведения производства и организации быта.

• практичность;
• отличный внешний вид;
• обширная область применения.

• не столь высокая экологичность;
• не столь низкая стоимость.

Ввиду того что материал обладает вышеперечисленными характеристиками, это обеспечивает ему обширный спектр использования. А если недалеко от места проведения строительства есть песчаный карьер, то это существенно может снизить денежные затраты. Описание материала, которое следует изучить перед приобретением и дальнейшим использованием, должно помочь применить песок по назначению, т.к. гладкие его разновидности скорее годятся для заполнения песочниц, чем для строительства.

Основу большинства строительных материалов составляют природные компоненты, которые обладают необходимыми свойствами и находятся в достаточном количестве для промышленной добычи. Кварцевый песок относится к одному из самых распространенных природных минералов и применяется во всех сферах строительной деятельности.

Чем обеспечиваются химические свойства материала

Главным компонентом кварцевого песка является диоксид кремния (кварц). Его формула – SiO2. В его составе также могут содержаться органические примеси, глина, оксиды железа и ряда других металлов. Содержание кварца в исходном минерале обычно не менее 93-95 %.

Диоксид кремния является кислотным оксидом, поэтому вступает в реакцию с соединениями кальция и алюминия, содержащимися в известняке и глине. Взаимодействие может протекать как при высыхании влажной смеси, так и при термическом запекании.

Разновидности кварцевого песка и его добыча

Выделяют естественную и искусственную разновидности песка, отличающиеся способом добычи.

Естественный природный

Этот вид песка повсеместно распространен в природе и находится на дне водных бассейнов и в составе толщи грунта. Размеры большей части его зерен составляют от 0,2 до 1 мм.

Существуют несколько путей добычи кварцевого песка:

• разработка карьеров – является основным способом. Если добыча проводится над уровнем моря, то полученный песок называется горным. Разновидности почвенного песка извлекаются при разработке грунта на равнинах. Внешний вид карьерного песка отличается заостренными формами и часто – шершавой поверхностью, что делает данный его ценным строительным материалом. Извлеченный песок может подвергаться дополнительной обработке – просеиванию, промыванию и просушке. Чем строже требования к свойствам песка в какой-либо отрасли, тем тщательнее требуется подготовка. В строительстве небольших сооружений песок обычно не подвергают никакому воздействию и поставляют прямо с места его добычи;
• разработка водных бассейнов – песок вымывается земснарядом и характеризуется высокой чистотой, обеспечиваемой естественной промывкой. Добыча ведется в руслах рек, озерах, а также морских акваториях. Морской песок несколько менее ценен из-за большего содержания минеральных примесей. Речной песок отличается гладкой формой – под увеличением микроскопа песчинки напоминают морскую гальку. Использование гладких (окатанных) песков распространено в самовыравнивающихся смесях – песчинки не цепляются друг за друга.

Так на фото выглядит природный кварцевый песок

Искусственный песок

Несмотря на название, минерал имеет естественное происхождение, однако изначально находится в виде крупных кристаллов. Для превращения кристаллов кварца в песок применяют механическое воздействие (взрыв), после чего осколки подвергаются дроблению.

Способы классификации кварцевого песка

Отправной точкой в системе классификации являются свойства материала и способы его подготовки. Выделяют следующие направления классификации кварцевого песка:

По крупности (фракционному составу)

Численное выражение является средним значением размеров частиц или диапазоном их размеров (фракцией):

1. пылевидный кварц – представляет фракцию менее 0,1 мм (просеивается в сито с диаметром пор 0,1 мм) и обычно встречается при дроблении кристаллов кварца;
2. мелкозернистый песок – фракция 0,1-0,25 мм;
3. средний песок – фракция 0,25-0,5 мм;
4. крупнозернистый песок – фракция 0,5-1 (редко до 3) мм.

По обогащению

Кварцевый песок подразделяется на необогащенный и обогащенный песок:

• необогащенный песок представляет собой исходный минерал, который не подвергали обработке с целью увеличения содержание диоксида кремния;
• обогащенный песок содержит увеличенное на несколько процентов содержание кварца, полученное за счет удаления большинства примесей. Так, белый кварцевый песок очищен от органических соединений, оксидов железа и примесей глины путем просеивания, промывки и сушки.

Из-за особенностей производства различаются и основные технические характеристики полученного материала. Это в свою очередь влияет на возможности дальнейшего применения кварцевого песка .

Технология обогащения

Высокая чистота кварцевой смеси является необходимым требованием в ряде технологических процессов. Начальная ступень обогащения включает фракционирование и промывку – с их помощью удаляются наиболее грубые примеси.

Следующим этапом является использование специальных технологий, таких как:

• гравитационное обогащение – основной способ, сущность которого заключается в разделении компонентов смеси по плотности. Более легкие частицы уносятся водным потоком, тогда как тяжелые оседают на дно аппарата. Гравитационное воздействие можно усилить центрифугированием или добавлением химических реагентов, изменяющих смачиваемость компонентов песка;
• электрическая и магнитная сепарация – представляет собой воздействие электрическим током и магнитным полем, приводящим к отделению некоторых примесей. Так, магнитное воздействие особо эффективно при очистке от частиц железа, обладающих магнитными свойствами.

По окраске

Бывает природный и окрашенный. Природный кварцевый песок имеет цвет от бледно-желтого до коричневато-желтого. Искусственное окрашивание проводится устойчивыми красками на основе синтетических связующих, позволяя создавать из песка оригинальные многоцветные орнаменты. Такой песок может быть цветным и белым.

По степени подготовки

В зависимости от технологических требований, песок может выпускаться в следующих разновидностях:

1. фракционированный – представляет собой конкретную фракцию песка, размеры которой ограничены техническим регламентом;
2. сухой – высушенный до воздушно-сухого состояния. Вместе с фракционированным песком может применяться в качестве рабочего тела пескоструйных аппаратов;
3. прокаленный песок – полностью обезвоженный путем прокаливания. Нагревание существенно выше 100 °С обеспечивает десорбцию влаги даже из глубоких пор кварца. Такой песок применяется в готовых строительных смесях, хранящихся длительное время – даже незначительное содержание влаги может привести в негодность всю смесь;
4. окатанный кварцевый песок – обладает менее абразивными свойствами, поэтому подходит для деликатного применения, например, песочниц на детских площадках;
5. формовочный кварцевый песок – применяется для получения литых кварцевых изделий и отличается высокой степенью обогащения.

Производство и добыча кварцевого песка

На территории России существует значительное количество крупных месторождений кварцевого песка. К наиболее известным относятся Чулковское (Московская обл.), Козловское (Брянская обл.), Елшанское (Волгоградская обл.), Березичское (Калужская обл.) месторождения и ряд других.

Отличия кварцевого строительного песок, добываемого из этих мест, заключаются в изначально высоких параметрах качества и большей стоимости. Важно понимать, что свойства песка из ближайшего карьера будут вполне достаточны для строительства небольших дачных сооружений, поэтому не стоит переплачивать. Если же целью является постройка крупного особняка, то экономия на качестве песка может негативно отразиться на долговечности дома.

Так происходит добыча кварцевого песка на специальной производственной линии:

Чем нормируются характеристики песка

Основным регулирующим документом является ГОСТ 2138-91, также существуют и другие нормативные документы ( гост 22551 77, гост 51641 2000, 8736 93) . В них отражены требования к основным параметрам качества и свойствам, а именно:

1. содержание глинистой составляющей. Выделяют 5 групп с установленными количествами глины от 0,2 до 2,0 %;
2. содержание диоксида кремния – от 99 % до 93 %, соответствующих группам от К1 до К5;
3. коэффициент однородности, отражающий вариацию размеров частиц относительно среднего (в %). Чем больше значение, тем однороднее песчаная смесь. Всего существует пять групп (от О1 до О5), отличающихся коэффициентом однородности (от 80 до 50 %);
4. фракционный состав. Данный параметр отражает средние размеры частиц кварцевого песка: до 0,14 мм; 0,14-0,18 мм, 0,19-0,23 мм, 0,24-0,28 мм, более 0,28 мм;
5. влажность. Сухие пески содержат не более 0,5 % влаги, влажные – не более 4,0 %, сырые – не более 6,0 %;
6. в составе песка также нормируется содержание оксидов металлов, площадь поверхности зерен, их форма, газопроницаемость, а также потеря массы при прокаливании.

Эксплуатационные свойства кварцевого песка

К параметрам материала, влияющим на качество работы и определяющим сферу применения, относятся:

• насыпная плотность – составляет порядка 1300-1500 кг/м3;
• истинная плотность – находится в диапазоне 2600-2700 кг/м3. Значение истинной плотности применяется при расчетах объема цементного или бетонного раствора, получаемого при смешивании компонентов;
• теплопроводность кварцевого песка – около 0,30 Вт/(м?°С). Значительное влияние на теплоизолирующие свойства оказывает форма и размеры песчаных гранул – чем плотнее их расположение и меньше зазоры, тем коэффициент теплопроводности выше;
• температура плавления — максимальная рабочая температура кварцевого песка оценивается в 1050 °С, что вполне достаточно для любых строительных работ. При литье кварцевых изделий используются температуры 1700 °С и выше.
• обычный кварцевый песок в рыхлом состоянии имеет объемный вес 1 500 кг/м3, а объемный вес составляет 1600 кг/м3.

Достоинства и недостатки материала – общая оценка

Кварцевый песок является практически незаменимым компонентом во множестве областей применения, а технологии с его участием отработаны до совершенства. За практичность материал получает «5».

Внешний вид песка знаком с детства, а песочные площадки часто ассоциируются с пляжем и отдыхом – за внешний вид также ставим твердую «5».

Несмотря на массовое применение песка, его мелкая пыль может приводить к хроническим болезням у строителей. За экологичность материал получает «4».

Стоимость песка сравнима со стоимостью других строительных материалов. Не обладая особыми преимуществами в цене, кварцевый песок вполне заслуживает оценки «4».

Примерная стоимость различных фракций кварцевого песка приведена в таблице:

Наименование	Стоимость, руб
Кварцевый песок ВС-050-1	3000
Кварцевый песок фр.0,1-0,63	3200
Кварцевый песок фр.0,5-0,8	3750
Кварцевый песок фр.0,5-1,0	3750
Кварцевый песок фр.0,8-1,4	3950
Кварцевый песок фр.0,8-2,0	3950
Кварцевый песок фр.1,2-3,0	3950

Наряду с глиной и известняком, кварцевый песок относится к числу важнейших и необходимых компонентов для производства и быта. Разнообразие свойств материала обеспечивает широкий спектр применения. Наличие песчаных карьеров недалеко от места строительства значительно снижает затраты на возведение дома.