Osadzarki pulsacyjne są stosowane głównie do rozdzielenia węgla kamiennego od skały płonnej. W zakładach produkcji kruszyw są one stosowane do usunięcia lekkich zanieczyszczeń organicznych występujących w kruszywach. W projekcie POIR.04.01.04-00-0053/17-00, realizowanym przez konsorcjum HTS – AGH - Łukasiewicz ICiMB, opracowano, a następnie w HTS Gliwice  wykonano separator do uszlachetniania kruszyw trudnowzbogacalnych (SET). W separatorze tym chodzi nie tyle o usunięcie zanieczyszczeń lekkich pływających w wodzie, ile o rozdział kruszyw w taki sposób, aby oddzielić od siebie ziarna kruszyw o różnych właściwościach. Rozdzieleniu podlegają kruszywa o różnej gęstości, o różnym kształcie, o różnym stanie powierzchni ziaren i oczywiście o różnej wielkości. Ponieważ różnice w gęstości poszczególnych ziaren kruszyw mineralnych są bardzo małe,  chcąc uzyskać kruszywa o lepszych parametrach jakościowych korzystnie jest do procesu uszlachetniania kierować wąskie klasy ziarnowe. Wówczas istnieją najkorzystniejsze warunki do oddzielenia np. kruszyw zwietrzałych i porowatych, o niższych parametrach jakościowych.

W niniejszym artykule przedstawiono niektóre wyniki, jakie uzyskano w próbach uszlachetnianie kruszyw w separatorze SET produkcji HTS (fot.1). Szczególną uwagę zwrócono na jakość kruszyw charakteryzowaną przez odporność na rozdrabnianie Los Angeles i odporność na ścieranie mikro Deval. Ponadto okazało się, że w próbach rozdziału kruszyw w separatorze SET można uzyskać produkty o różnej reaktywności alkalicznej. W ostatnich latach problem reaktywności alkalicznej kruszyw nabrał szczególnego znaczenia. Dotyczy on głównie kruszyw stosowanych w budownictwie drogowym. Jak wykazały badania, niektóre kruszywa charakteryzujące się bardzo dobrymi parametrami jakościowymi są podatne na wystąpienie reakcji alkalia-kruszywo. Znaczy to, że w betonie może wystąpić szkodliwa reakcja pomiędzy alkaliami zawartymi w cemencie i reaktywnymi składnikami kruszyw mineralnych. Dotyczy to kruszyw grubych jak i drobnych (piasków).

W tabeli zamieszczono charakterystykę jakościową kruszyw rozdzielonych w separatorze SET. Produkt dolny to na ogół ziarna o większej gęstości (chociaż nie tylko). Produkt górny to ziarna o mniejszej gęstości (ziarna bardziej porowate czy zwietrzałe). Stopień rozdziału regulowany jest głównie poprzez odpowiednie ustawienie przegrody rozdzielającej. W ustaleniu stopnia rozdziału bardzo pomocna jest wstępna ocena składu petrograficznego. W przypadku bardzo jednorodnych kruszyw uzyskiwanych głównie ze skał zwięzłych, rozdział w separatorze nie przyniesie efektu w postaci oddzielenia słabych ziaren kruszyw. Operacja taka może być efektywna w przypadku zróżnicowanych pod względem petrograficznym kruszyw żwirowych i kruszyw łamanych uzyskiwanych ze skał zwięzłych ale zawierających ziarna słabe (zwietrzałe) i porowate.

Badane kruszywa pochodziły z dużych zakładów produkcji kruszyw mineralnych, a próbki były pobierane z produkcji bieżącej. Wyniki rozdziału kruszyw w separatorze przedstawiono w tabeli 1.

Fot. 1. Separator frakcji trudnowzbogacalnych SET

 

Jak widać z wyników zamieszczonych w tabeli, nie wszystkie kruszywa nadają się do procesu uszlachetniania w separatorze. Kruszywa łamane uzyskane ze skał danego typu petrograficznego zawierają ziarna o bardzo zbliżonych właściwościach. Natomiast kruszywa żwirowe zawierają ziarna bardzo zróżnicowane pod względem składu petrograficznego i w ich przypadku proces uszlachetnia może przynieść oczekiwane rezultaty.

Różnice w ilości uzyskiwanego produktu dolnego i górnego wynikały z różnego ustawienia przegrody rozdzielającej. Jej położenie zależy od składu petrograficznego uszlachetnianego kruszywa i tego, jaka poprawa jakości kruszyw możliwa jest do osiągnięcia.

Oprócz typowych właściwości fizyczno-mechanicznych bardzo istotna jest odporność kruszyw na wystąpienie reakcji typu alkalia-kruszywo. Badania reaktywności kruszyw są kosztowne i długotrwałe. Przeprowadzone dotychczas badania reaktywności kruszyw żwirowych wykazały duże różnice w podatności poszczególnych typów litologicznych na zjawisko reakcji alkalia-kruszywo.

Z kruszywa żwirowego polodowcowego pochodzącego z północy Polski, wydzielono składniki skał osadowych i magmowych. W badaniu przeprowadzonym wg procedury GDDKiA nr PB/1/18 uzyskano następujące wyniki.

Dla nadawy rozszerzalność beleczek po 14 dniach ekspozycji wynosiła: r = 0,115.

Dla wydzielonych ziaren  pochodzenia osadowego (głównie wapienie i piaskowce): r = 0,067.

Ziarna pochodzenia magmowego i metamorficzne: r = 0,146.

Różnice w podatności na wystąpienie reakcji alkalia-kruszywo są duże, jednak różnice gęstości w/w składników mineralnych okazały się zbyt małe i nie pozwoliły na uzyskanie ich rozdziału w separatorze SET w zależności od samego składu petrograficznego.

W kolejnej próbie kruszywo żwirowe polodowcowe o uziarnieniu 8/16 mm, pochodzące z północno wschodniego rejonu Polski rozdzielono w separatorze na produkt górny (44 %) i produkt dolny, cięższy (56 %).

Dla poszczególnych produktów uzyskano następujące wyniki rozszerzalności liniowej (r) beleczek po 14 dniach:

Nadawa, r = 0,11

Produkt dolny, r = 0,077 ;

Produkt górny, r = 0,206.

 Dla tak rozdzielonego kruszywa pozostałe parametry jakościowe przedstawiały się następująco.

Produkt dolny: LA = 25. Produkt górny: LA =26.

W ocenie petrograficznej produkt dolny nieznacznie różnił się od produktu górnego. W produkcie górnym stwierdzono jedynie większy udział czerwonego granitu. Istnieje prawdopodobieństwo, że wpływ na wyniki reaktywności mógł pochodzić ze zwiększonego udziału ziaren zwietrzałych w produkcie górnym. Niewielka też była różnica odporności na rozdrabnianie, chociaż produkt dolny charakteryzował się większą odpornością. Różnica reaktywności była jednak bardzo duża na korzyść wzbogaconego produktu dolnego. Stwarza to możliwość wykorzystanie takiego kruszywa jako niereaktywnego (reaktywność kategorii R 0 – rozszerzalność r poniżej 0,1).

Podobne badanie wykonywane jest obecnie dla kruszywa żwirowego pochodzącego z innego regionu Polski.  

Wyniki uzyskane w  próbie rozdziału kruszywa wapiennego o uziarnieniu 8/16 mm wykazały, że rozdział ziaren w separatorze SET, w tym konkretnym przypadku nie spowodował wyraźnej zmiany jakości poszczególnych produktów. Spowodowane to było dużą jednorodnością nadawy kierowanej do separatora.

 

Podsumowanie

Separator frakcji trudnowzbogacalnych (SET) służy do uszlachetniania kruszyw mineralnych. Rozdział ziaren kruszyw prowadzony jest w pulsującym i częściowo wznoszącym strumieniu wody. Najlepsze efekty uszlachetniania uzyskuje się w przypadku kruszyw zawierających ziarna o różnej gęstości. Ponieważ różnice gęstości kruszyw mineralnych są niewielkie dlatego rozdzieleniu podlegają również  ziarna słabe, zwietrzałe i porowate występujące w kruszywie uzyskanym ze skał litych danego typu petrograficznego. W przypadku kruszyw żwirowych efekt uszlachetniania zależy od ich stopnia różnorodności, czyli udziału ziaren pochodzących z różnych skał magmowych, osadowych i przeobrażonych.

Separacja oparta na różnicy gęstości ziaren może być wykorzystana do poprawy właściwości fizycznych (wydzielenie ziaren słabych), ale także np. do wydzielenia kruszywa o mniejszej podatności na wystąpienie reakcji alkalia-kruszywo. Szczególnie dotyczy to sytuacji, kiedy ocena danego kruszywa wypada na granicy: kruszywo reaktywne – kruszywo niereaktywne, czyli rozszerzalność próbki zaprawy w badaniu wg procedury GDDKiA nr PB/1 wynosi około 0,1 %.

Przeprowadzone testy wykazały możliwości wprowadzenia takiego rozdziału. Konkretne warunki prowadzenia procesu będą zależeć od jakości wzbogacanego kruszywa i od zadania jakie będzie do spełnienia. Może to być np. rozdział kruszywa po 50 % na produkt lekki i ciężki lub jedynie wydzielenie kilku procent ziaren słabych, odbieranych jako produkt lekki (górny). Może to być również rozdzielenie ziaren kruszyw o różnej  podatności na wystąpienie reakcji alkalia-krzemionka. W wyborze parametrów pracy separatora i stopnia rozdziału kruszywa na produkt górny i dolny pomocna jest ocena petrograficzna uszlachetnianego kruszywa.

Do procesu separacji optymalnie jest kierować kruszywa o wąskich klasach ziarnowych, dla których stosunek D/d nie przekracza 2, czyli typowe kruszywa np. 4/8mm, 8/16 mm.

W przypadku kruszyw charakteryzujących się zróżnicowanym składem petrograficznym można uzyskać kruszywa o znacznych różnicach właściwości fizycznych i chemicznych. Pozwala to na bardziej efektywne wykorzystanie poszczególnych produktów.

  

Literatura.

1. Z. Naziemiec, E. Pabiś-Mazgaj. Drogi i Mosty nr 3/2017.

2. Z. Naziemiec. Surowce i Maszyny Budowlane nr 2-3/20.

3. A. Stempkowska, T. Gawenda, Z. Naziemiec, K. Ostrowski, D. Saramak, A. Surowiak. Materials. Vol.  

    13. Issue 19, 2020.

4. Z. Naziemiec, E. Pabiś-Mazgaj. Surowce i Maszyny Budowlane nr 2-3/21.