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

Одним из основных материалов, применяющихся для строительства, реконструкции, ремонта и содержания автомобильных дорог, это - щебень. От характеристик щебня в большой мере зависят потребительские свойства (ровность, коэффициент сцепления и т.д.) и долговечность производимых из щебня материалов. Особенно это относится к щебню, применяемому для устройства верхних слоев дорожной одежды, непосредственно воспринимающих механические нагрузки от транспорта, находящихся под воздействием факторов природы (переменный температурно-влажностный режим, многократное замораживание-оттаивание, действие солнечной радиации и т.д.) и антигололедных химических средств. Щебень, применяемый в дорожном хозяйстве, можно разделить на три типа:

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

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

в) щебень для верхних слоев дорожных 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 последний период времени появился спрос на щебень кубовидной формы у строительных организация, 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 сосредоточены 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 обладают Северо-Западный и Уральский регионы. Регионы Сибири и Дальнего Востока обладают всеми видами горных пород для строительства. Суммарный объем производства каменных материалов (щебень, щебень из гравия, гравий, песок) в России в настоящее время составляет примерно 140 млн. м" в год, примерно половина от этого объема используется в дорожном строительстве.

В соответствии с президентской программой "Дороги России XXI века" Союздорнии рассчитали потребности в различных дорожно-строительных материалах и изделиях для другого строительства, реконструкции, ремонта и содержания автомобильных дорог, в том числе была, выяснена потребность в различных видах щебня. В таблице 1 указана потребность в щебне узких фракций кубовидной формы из изверженных горных 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".

Длинна сети дорог общего пользования сейчас в России составляет около 600 тыс. км, и большая часть щебня кубовидной формы будет использована на их ремонт и .

Большое количество всех видов щебня будет потребляться в Центральном регионе России, где дорожное строительство ведется более или менее интенсивно. Анализ продукции, выпускаемой предприятиями нерудной промышленности, разрабатывающими месторождения изверженных горных пород, показывает, что они в основном вырабатывают щебень в виде смеси фракции 5-20 мм и фракции 20-40 мм. К щебню смеси фракции 5-20 мм, в основном применяемой для производства асфальтобетонных смесей для наружных слоев покрытий, имеются большие претензии со стороны дорожно-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 делает невозможным из поставляемого щебня подобрать нужный зерновой состав минеральной части асфальтобетонных смесей, что существенно ухудшает физико-механические характеристики асфальтобетона. Изучение Союздорнии, а также российский и заграничный опыты строительства автомобильных дорог позволили выяснить, что щебень для приготовления асфальтобетонных смесей для верхних слоев покрытий обязан изготавливаться в виде узких фракций (5-10, 10-15, 15-20 мм). Из узких фракций щебня сравнительно легко подобрать нужные смеси оптимального зернового состава. Применение оптимальных смесей позволяет улучшить однородность контролируемых свойств асфальтобетона, увеличить его плотность и сдвигоустойчивость.

Поставляемый щебень фракции 5-20 мм в большинстве случаев содержит чрезмерное количество зерен лещадной формы - 25-40% и более, в то время, как было указано ранее в соответствии с настоящей нормативно-технической документацией для верхних слоев асфальтобетонных покрытий, должен применяться 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 следует учитывать, что зерна лещадной формы обладают меньшей механической прочностью по сравнению с кубовидными зернами щебня. Поэтому при строительных работах (при укатке) и в процессе эксплуатации (под воздействием передвигающегося автотранспорта)зерна лещадной формы дробятся, что может приводить к образованию поверхностей не покрытых битумом. Эти места являются первичными очагами разрушения асфальтобетона при попадании водосодержащей жидкости и действия затем попеременного замораживания-оттаивания.

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

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

Представительные статистические данные показали, что асфальтобетонное покрытие на МКАД, сделаное с использованием щебня узких фракций кубовидной формы, стало более сдвигоустойчивым. Среднее значение угла внутреннего трения асфальтобетона повысилось примерно на 1,5 градуса, а разброс этого показателя значения уменьшился 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 повысился в среднем на 0,3 МПа и достиг величины 1,6 МПа.

Применение более качественного щебня на МКАД позволило предотвратить появление колеи на асфальте даже в форсмажорных случаях колонного движения и заторов автомобилей при больших температурах и продлить срок его эксплуатации.

При производстве щебня кубовидной формы нужно иметь в виду, что форма зерен дробленого материала в чаще определяется текстурно-структурными особенностями исходной горной породы, применяемым оборудованием и технологией переработки.

Горные породы, используемые в этом случае для получения щебня узких фракций кубовидной формы, сформированы из нескольких минералов, представленных кристаллами, с различной крупностью. При дроблении такая горная порода распадается по границам раздела между кристаллическими вставками. При этом установлено, что с увеличением размера кристаллов, при прочих условиях, выход готовой продукции кубовидной формы также увеличивается. Метаморфические горные породы обычно характеризуются слоистой текстурой и при дроблении имеют обычную тенденцию расслаиваться на пластины (зерна лещадной формы).

Для производства щебня кубовидной формы обычно применяют специальные конусные дробилки или дробилки ударного типа. Последние позволяют вырабатывать щебень, форма зерен которого наиболее близка к кубовидной, но эти дробилки характеризуются значительными расходами на рабочие части и повышенным выходом отсевов дробления. Дробилки ударного действия следует применять в том случае, если вопросам экономики не придают никакого значения, а главным фактором является форма зерен готового материала.

Определенного снижения содержания зерен лещадной формы в щебне можно добиться и при использовании обычных конусных дробилок. Для этого необходимо, чтобы при дроблении была, полностью заполнена камера дробления. При этом производство получается не только между конусами оборудования, но и между зернами щебня, находящимися в камере дробления (дробление "в слое" или "в стесненных условиях"). Находящийся в исходном материале и образующиеся в процессе обработки зерна лещадной формы при этом, как механически наиболее слабые, разрушаются. 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 повышается скорость питателя и направляет требуемое количество материала в дробилку. При выработке щебня узких фракций кубовидной формы на действующих предприятиях нерудной промышленности необходимо брать во внимание следующее. Дробильно-сортировочное оборудование этих фирм к настоящему времени физически значительно изношено и морально устарело.

Реконструкция дробильно-сортировочных производства связана с большими техническими и финансовыми трудностями (замена дробилок на последней стадии дробления, увеличение площадей грохочения, улучшение внутренней транспортной системы, увеличение складов готовой продукции и т.д.). Поэтому лучше вместе с модернизацией щебнезаводов возводить на промплощадках щебзаводов специальные открытые дробильно-сортировочные установки комбайны некапитального типа, предназначенные для производства щебня фракций 5-10, 10-15 и 15-20 мм с содержанием зерен лещадной формы не более 15%. Эти агрегаты более дешевы в сравнении с капитальными и их можно смонтировать в течение одного-двух месяцев. В качестве исходного материала при этом возможно применять щебень фракций 20-40 и 40-70 мм. Технологическое оборудование (дробилки, грохота), используемое в таких установках, сейчас выпускается как российскими , так и иностранными фирмами. При работе таких комбайнов можно также учитывать сезонный спрос на щебень для строительной отрасли.

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

Система в основном имеет несколько программ дробления, обеспечивая при этом автоматическое поддержание величины разгрузочной щели дробилки, что, в свою очередь, поддерживает стабильный зерновой состав выпускаемой продукции. Дробилки защищены от поломки при попадании недробимых (металлических) частей путем быстрого расширения разгрузочной щели, которая автоматически восстанавливается до необходимого размера после пропуска недробимого тела. Дробилки в основном работают "под завалом" за счет обратной связи между питателем и дробилкой. Питатель запускается при уменьшении уровня щебня в камере дробления. Работа "под завалом" способствует повышению степени кубовидности щебня.

К чести отечественных производителей оборудования следует сказать, что за прошедший период, несмотря на сложное экономическое положение, они освоили выпуск дробильно-сортировочного оборудования для выпуска 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" наладили производство дробильно-сортировочной линии на базе конусной дробилки ДРО-560 с автоматической системой управления САУ, выполняющей функции перечисленные выше. Оборудование имеет производительность 40 м3/час и в качестве начального материала принимает 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). Дробилки установлены на многих щебнезаводах (Карелия, Воронежская область, Оренбургская область, Московская область и другие). Помимо того, что эти дробилки производит выпуск щебня кубовидной формы, они может примерно на 10% уменьшить 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 исходного материала используют щебень с наибольшей крупностью до 140 мм. Дробилка запатентована и применяется за рубежом.

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

Таким образом:

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