Изготовление гранитного щебня. Технология и оборудование для изготовления щебня узких фракций кубовидной формы.

Одним из основных материалов, применяющихся в строительстве, реконструкции, ремонта и содержания автомобильных дорог, это - щебень. От характеристик щебня в значительной мере зависят потребительские свойства (ровность, коэффициент сцепления и т.д.) и долговечность автомобильных дорог. В первую очередь это относится к щебню, применяемому для устройства верхних слоев дорожного покрытия, напрямую воспринимающих механические нагрузки от автомобильного транспорта, находящихся под воздействием факторов природы (переменный температурно-влажностный режим, многократное замораживание-оттаивание, действие солнечных лучей и т.д.) и антигололедных химических средств. Щебень, применяемый в дорожном строительстве, можно разделить на три типа:

а) щебень для устройства подложки дорожных покрытий (любые, но в основном осадочные горные и рыхлые скальные породы с крупностью фракций 5 - 20, 20 - 40, 40 - 70, О - 40, 0 - 70 мм);

б) щебень для нижних слоев покрытий (метаморфические и изверженные горные породы с крупностью фракций 5 -20 и 20 - 40 мм);

в) щебень для верхних слоев покрытий из асфальтобетонных смесей типа А и поверхностной обработки (изверженные и частично метаморфические скальные породы крупностью щебня от 5 до 20 мм) с содержанием зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой формы не более 15% (группа 1 по ГОСТ 8267-93), который принято называть "кубовидным".

За последнее время появился устойчивый спрос на щебень кубовидной формы у организаций строительного сектора, но эта потребность в РФ сейчас покрывается только на 30 - 40%.

Важно отметить, что месторождения горных пород, используемых для изготовления щебня кубовидной формы, находятся на территории России неравномерно. В Центральном, Северо-Кавказском и Поволжском регионах находятся в основном месторождения скальных и рыхлых осадочных горных пород. Имеется несколько месторождений изверженных горных пород, наиболее крупным из которых является "Павловское" (Воронежская обл.). Наибольшими запасами изверженных горных пород обеспечены Северо-Западный и Уральский регионы. Регионы Сибири и Дальнего Востока обеспечены всеми типами горных пород для дорожногостроительства. Общий объем производства каменных материалов (щебень, щебень из гравия, гравий, песок) в России в настоящее время составляет примерно 140 млн. м" в год, причем примерно половина от этого количества используется в дорожном строительстве.

В соответствии с президентской программой "Дороги России XXI века" Союздорнии был произведен расчет потребности в различных дорожно-строительных материалах и изделиях для нового строительства, реконструкции, ремонта и содержания автомобильных дорог, в том числе была, определена потребность в различных видах щебня. В таблице 1 указана потребность в щебне узких фракций кубовидной формы из изверженных скальных пород для различных регионов России. Анализ таблицы 1 показывает, что потребность в щебне кубовидной формы для дорожного строительства составит в 2002 году 9,6 млн. м3, в 2005 - 10,9 млн. м3, а в среднем за период 2001 - 2005 гг. - 10,0 млн. м", 2006 - 2010 гг. - 19,4 млн. м", 2011 - 2020 гг. - 37,0 млн. м".

Протяженность дорог общего пользования в настоящее время в России составляет около 600 тыс. км, и большая часть щебня кубовидной формы будет использована на их ремонт и обслуживание.

Большое количество всех видов щебня будет потребляться в Центральном регионе России, где дорожное строительство ведется наиболее интенсивно. Анализ материалов, выпускаемой предприятиями нерудной промышленности, разрабатывающими месторождения изверженных горных пород, показывает, что они в основном выпускают щебень в виде смеси фракции 5-20 мм и фракции 20-40 мм. К щебню смеси фракции 5-20 мм, по большей части используемой для производства асфальтобетонных смесей для наружных слоев покрытий, есть серьезные претензии от строительных организаций.

Получаемый щебень фракций 5-20 мм часто сильно закрупнен: так, рассевы показывают, что на сите с ячейками размером 12,5 мм содержание щебня составляет обычно 70% и более. Это не позволяет из вырабатываемого материала подобрать оптимальный зерновой состав минеральной части асфальтобетонных смесей, что существенно ухудшает физико-механические параметры асфальтобетона. Исследования Союздорнии, а также отечественный и зарубежный опыты строительства автомобильных дорог позволили выяснить, что щебень для приготовления асфальтобетонных смесей для верхних слоев покрытий должен выпускаться в виде узких фракций (5-10, 10-15, 15-20 мм). Из узких фракций щебня относительно просто подобрать требуемые смеси оптимального зернового состава. Применение оптимальных смесей позволяет улучшить однородность контролируемых свойств асфальтобетона, увеличить его плотность и сдвигоустойчивость.

Поставляемый щебень фракции 5-20 мм часто содержит большое количество зерен лещадной формы - 25-40% и более, в то время, как было указано ранее в соответствии с действующей нормативно-технической документацией для верхних слоев асфальтобетонных покрытий, должен использоваться кубовидный щебень, где содержание зерен лещадной формы не должно превышать 15%. Повышенное наличие зерен лещадной формы отрицательно влияет на удобоукладываемость и плотность асфальтобетонных смесей. Также нужно учитывать, что зерна лещадной формы обладают меньшей механической прочностью по сравнению с кубовидными зернами щебня. В следствии этого при строительных работах (при укатке) и в процессе использовании (под воздействием автотранспорта)зерна лещадной формы дробятся, что может приводить к образованию свежих поверхностей без битума. Эти места являются первичными очагами разрушения асфальтобетона при попадании водосодержащей жидкости и действия затем попеременного замораживания-оттаивания.

Это также подтверждается исследованиями Союздорнии, где изучалась зависимость между разрушением щебня в цилиндре и содержанием в нем зерен лещадной формы. Установлено, что с увеличением количества в щебне (М 1200) зерен лещадной формы с 0 до 20% его разрушаемость поднялась с 5 до 11%, то есть дробятся преимущественно зерна лещадной формы.

Щебень узких фракций кубовидной формы впервые в широких масштабах в России был применен для устройства верхних слоев асфальтобетонных покрытий при реконструкции МКАД. На начало строительства (1996 г.) оказалось, что щебень узких фракций кубовидной формы в России в необходимых объемах не выпускается. Поэтому АО "Центрдорстрой", являющимся генеральным подрядчиком строительства, для выпуска щебня узких фракций кубовидной формы были преобретены три дробильно-сортировочные установки производительностью 150-250 т/час импортного производства. Установки были оборудованы на территориях асфальтобетонных заводов и выпускали щебень фракции 5-10 и 10-15 мм с содержанием зерен лещадной формы в пределах 9-13%.

Официальные статистические данные показали, что асфальтобетонное покрытие на МКАД, устраиваемое с использованием щебня узких фракций кубовидной формы, стало более сдвигоустойчивым. Среднее значение угла внутреннего трения асфальтобетона увеличилось примерно на 1,5 градуса, а разброс значения угла внутреннего трения снизился почти в два раза. Среднее сопротивление сдвигу при расчетных условиях возросло с 0,789 до 0,840 МПа. При этом стандартный показатель прочности при сжатии при 50°С асфальтобетона увеличился в среднем на 0,3 МПа и достиг величины 1,6 МПа.

Применение более качественного щебня на МКАД позволило предотвратить появление колеи в покрытии даже в форсмажорных случаях колонного движения и пробок из автомобилей при больших температурах и увеличить срок его эксплуатации.

При производстве щебня кубовидной формы необходимо учитывать, что форма зерен дробленой породы в определяется текстурно-структурными особенностями добываемой горной породы, применяемым оборудованием и технологией переработки.

Горные породы, используемые в данном случае для получения щебня узких фракций кубовидной формы, состоят из нескольких минералов, представленных кристаллами, с различной крупностью. При переработке такая горная порода распадается по границам раздела между кристаллами. При этом установлено, что с увеличением размера кристаллов, при прочих разных условиях, выход щебня кубовидной формы также увеличивается. Метаморфические горные породы часто характеризуются слоистой текстурой и при дроблении имеют естественную тенденцию распадаться на пластины (зерна лещадной формы).

Для получения щебня кубовидной формы в основном используют специальные конусные дробилки или дробилки ударного действия. Они позволяют вырабатывать щебень, форма зерен которого наиболее близка к кубовидной, но эти дробилки характеризуются большими расходами на изнашиваемые части и увеличенным выходом отсевов дробления. Дробилки ударного действия следует применять в том случае, если вопросам экономики не придают особого значения, а главным фактором является форма зерен готового щебня.

Некоторого уменьшения содержания зерен лещадной формы в щебне можно добиться и при использовании обычных конусных дробилок. Для этого нужно, чтобы при производстве была, на сто процентов заполнена камера дробления. При этом производство получается не только между конусами дробилки, но и между зернами щебня, находящимися в камере дробления (дробление "в слое" или "в стесненных условиях"). Находящийся в первичном материале и образующиеся в процессе дробления зерна лещадной формы при этом, как механически наиболее слабые, рассыпаются. Для включения этого процесса дробилка должна быть оснащена датчиком уровня исходного материала в камере дробления, а также аккумулирующим бункером с питателем. При недостатке исходного материала в камере дробления увеличивается скорость питателя и направляет нужное количество материала в дробилку. При выработке щебня узких фракций кубовидной формы на действующих производствах нерудной промышленности необходимо брать во внимание следующее. Дробильно-сортировочное оборудование этих фирм к настоящему времени физически изношено и устарело.

Модернизация дробильно-сортировочных предприятий связана с большими техническими и денежными трудностями (ремонт дробилок на последней фазе дробления, расширение площадей грохочения, улучшение внутренней транспортной системы, увеличение складов готовой продукции и т.д.). В этом случае лучше вместе с реконструкцией щебнезаводов устраивать на промплощадках щебзаводов специализированные открытые дробильно-сортировочные установки агрегаты некапитального вида, предназначенные для производства щебня фракций 5-10, 10-15 и 15-20 мм с содержанием зерен лещадной формы не более 15%. Эти установки намного дешевле по сравнению с капитальными и их можно возвести в течение одного-двух месяцев. В качестве первичного материала при этом возможно применять щебень фракций 20-40 и 40-70 мм. Технологическое оборудование (дробилки, грохота), применяемое в таких машинах, в настоящее время поставляется как отечественными , так и зарубежными фирмами. При работе таких агрегатов можно также учитывать сезонный спрос на щебень для строительного сектора.

Как отмечено ранее, производство щебня узких фракций кубовидной формы в промышленных объемах было организовано в России в середине 90-х годов прошлого века. Для этого вначале использовалось дробильно-сортировочное оборудование зарубежных фирм "Svedala" (Швеция), "Nordberg" (Финляндия), "Parker" (Великобритания), так как в России в это врем дробильного оборудования для обработки щебня кубовидной формы не выпускалось. Дробильное оборудование этих компаний характеризуется высокой надежностью в работе, большими диапазонами производительности и оснащено системами автоматического управления.

Система в основном имеет несколько режимов дробления, обеспечивая при этом автоматическое поддержание величины разгрузочной щели дробилки, что, в свою очередь, обеспечивает стабильный зерновой состав выпускаемой продукции. Дробилки защищены от неисправнности при попадании недробимых (металлических) тел путем почти мгновенного расширения разгрузочной щели, которая автоматически выставляется до заданного размера после пропуска недробимого материала. Дробилки в основном работают "под завалом" за счет автоматической связи между питателем и дробилкой. Питатель запускается при снижении уровня щебня в камере дробления. Работа "под завалом" помогает повышению степени кубовидности щебня.

К чести российских производителей оборудования следует сказать, что за прошедший этап развития, несмотря на финансовые трудности, они наладили производство дробильно-сортировочного оборудования для производства щебня кубовидной формы, стоимость которого в 1,5-2 раза ниже аналогичного по эффективности и назначению оборудования иностранных фирм. ОАО "Дробмаш" совместно с ЗАО НПЦ "Кибернетика" освоили производство дробильно-сортировочной линии на базе конусной дробилки ДРО-560 с автоматической системой управления САУ, выполняющей функции перечисленные выше. Дробилка имеет производительность 40 м3/час и в качестве начального материала использует щебень крупностью 20-40 (70) и 40-70 мм.

ОАО "Механобр-Техника" сейчас выпускает принципиально новые дробилки КИД (конусные дробилки инерционного действия с регулируемым дебалансным вибровозбудителем). Это оборудование установлено на многих щебнезаводах (Карелия, Воронежская область, Оренбургская область, Московская область и другие). Помимо того, что эти дробилки обеспечивают выпуск щебня кубовидной формы, они может примерно на 10% снизить выход брака дробления, а также имеют степень дробления в 1,5-2,0 раза выше, чем у других конусных дробилок.

Дробилки КИД имеют производительность от 15 до 75 м"/час и в качестве начального материала используют щебень с максимальной крупностью до 140 мм. Конструкция дробилок запатентована и применяется за рубежом.

ЗАО "Урал-Омега" выпускает центробежные дробилки ДЦ для получения щебня кубовидной формы. Эти агрегаты широко используются в Уральском регионе (ЗАО "Южуралавтобан"). В этой дробилке исходный материал разгоняется за счет центробежных сил до высоких скоростей и при соударении его с футеровкой корпуса происходит его разрушение. Степень разрушения и соответственно выход готовой продукции может регулироваться за счет регулировки скорости .

Подытожим:

- использование кубовидного щебня существенно улучшает качество верхнего слоя покрытия;
- потребность в кубовидном щебне удовлетворяется в РФ меньше чем на 50%;
- использование Российского дробильно-сортировочного оборудования позволяет обеспечить дорожное хозяйство щебнем кубовидной формы.