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

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

а) щебень для изготовления подложки дорожных покрытий (любые, но в основном осадочные горные и рыхлые горные 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 горные 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 сформировался спрос на щебень кубовидной формы у строительных организация, но эта потребность в РФ сейчас обеспечивается только на 30 - 40%.

Следует отметить, что месторождения скальных пород, используемых для производства щебня кубовидной формы, находятся на территории России неравномерно. Из этих районов доставка щебня в основном осуществляется железнодорожным транспортом. В Центральном, Северо-Кавказском и Поволжском регионах находятся в основном месторождения скальных и рыхлых осадочных горных пород. Имеется несколько месторождений изверженных горных пород, наиболее значительным из которых является "Павловское" (Воронежская обл.). Самыми большими запасами изверженных горных пород обладают Северо-Западный и Уральский регионы. Регионы Сибири и Дальнего Востока обладают всеми типами 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, около половины от этого количества 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, изучена 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 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 дорог общего пользования с твердым покрытием сейчас в России составляет около 600 тыс. км, и основная 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 наиболее интенсивно. Анализ материалов, выпускаемой компаниями 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 применяемой для производства асфальтобетонных смесей для наружных слоев покрытий, есть большие претензии со стороны строительных предприятий.

Получаемый щебень фракций 5-20 мм в большинстве случаев очень 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 материала подобрать нужный зерновой состав минеральной части асфальтобетонных смесей, что очень ухудшает физико-механические параметры асфальтобетона. Исследования Союздорнии, а также отечественный и заграничный опыты строительства дорог помогли выяснить, что щебень для изготовления асфальтобетонных смесей для верхних слоев покрытий должен выпускаться в виде узких фракций (5-10, 10-15, 15-20 мм). Из узких фракций щебня легко подобрать требуемые смеси требуемого зернового состава. Применение оптимальных смесей улучшает однородность контролируемых свойств асфальтобетона, увеличить его плотность и сдвигоустойчивость.

Поставляемый щебень фракции 5-20 мм часто имеет чрезмерное количество зерен лещадной формы - 25-40% и более, но, как было указано выше в соответствии с настоящей нормативно-технической документацией для верхних слоев асфальтобетонных покрытий, обязан применяться кубовидный щебень, где содержание зерен лещадной формы не должно быть больше 15%. Повышенное содержание зерен лещадной формы отрицательно влияет на удобоукладываемость и плотность асфальтобетонных смесей. Также нужно учитывать, что зерна лещадной формы обладают меньшей механической прочностью в сравнении с кубовидными зернами щебня. Поэтому при строительных работах (при укатке) и в процессе эксплуатации (под воздействием автотранспорта)зерна лещадной формы измельчаются, что может приводить к появлению поверхностей без битума. Эти места являются первичными очагами разрушения асфальтобетона при проникновении воды и действия затем попеременного замораживания-оттаивания.

Это также подтверждается исследованиями Союздорнии, где изучалась 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 поднялась с 5 до 11%, то есть разрушаются преимущественно зерна лещадной формы.

Щебень узких фракций кубовидной формы в первый раз в широких масштабах в России был применен для устройства верхних слоев асфальтобетонных покрытий при ремонте МКАД. На начало строительства (1996 г.) выяснилось, что щебень узких фракций кубовидной формы в России в нужных объемах не выпускается. Поэтому АО "Центрдорстрой", являющимся главным подрядчиком строительства, для выпуска щебня узких фракций кубовидной формы были преобретены три дробильно-сортировочные агрегата производительностью 150-250 т/час иностранного производства. Агрегаты были смонтированы на промплощадках асфальтобетонных заводов и производили 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 этого показателя снизился почти в два раза. Среднее сопротивление сдвигу при расчетных условиях возросло с 0,789 до 0,840 МПа. А 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 смогло предотвратить появление колеи на МКАД даже в форсмажорных случаях колонного движения и пробок из автомобилей при высоких температурах и увеличить срок его эксплуатации.

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

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

Для получения щебня кубовидной формы обычно применяют специальные конусные дробилки или дробилки ударного типа. Последние позволяют получать 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 использовать в том случае, если вопросам экономики не придают особого значения, а главным фактором является форма зерен готового материала.

Некоторого снижения содержания зерен лещадной формы в щебне можно получить и при использовании обычных конусных дробилок. Для этого необходимо, чтобы при дроблении была, до отказа заполнена камера дробления. При этом процесс дробления получается не только между конусами оборудования, но и между зернами щебня, находящимися в камере дробления (дробление "в слое" или "в стесненных условиях"). Имеющиеся в первичном материале и образующиеся в процессе дробления зерна лещадной формы при этом, как механически наиболее слабые, рассыпаются. Для осуществления этого процесса дробилка должна быть оборудована 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 необходимое 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 изношено и устарело.

Модернизация дробильно-сортировочных предприятий связана с не малыми техническими и денежными трудностями (замена дробилок на последней стадии дробления, расширение площадей грохочения, улучшение внутренней транспортной системы, расширение складов отовой продукции|готового материала и т.д.). Поэтому лучше наряду с реконструкцией щебнезаводов возводить на промплощадках щебзаводов специализированные открытые дробильно-сортировочные установки комбайны некапитального вида, 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 по сравнению с капитальными и их можно возвести в течение одного-двух месяцев. В качестве исходного материала при этом можно использовать щебень фракций 20-40 и 40-70 мм. Технологическое оборудование (дробилки, грохота), применяемое в таких машинах, сейчас выпускается как российскими , так и зарубежными фирмами. При работе таких комбайнов можно также учитывать сезонный спрос на щебень для дорожного строительства.

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 иностранных фирм "Svedala" (Швеция), "Nordberg" (Финляндия), "Parker" (Великобритания), так как в нашей стране на этот период дробильного оборудования для производства щебня кубовидной формы не выпускалось. Дробильное оборудование этих фирм характеризуется высокой надежностью , оптимальными диапазонами производительности и оснащено системами автоматического управления.

Система управления в основном имеет несколько программ обработки материала, гарантируя при этом автоматическое поддержание величины разгрузочной щели дробилки, что, в свою очередь, поддерживает стабильный зерновой состав готового щебня. Дробилки защищены от поломки при попадании недробимых (металлических) частей путем быстрого увеличения разгрузочной щели, которая автоматически выставляется до заданного размера после выпуса недробимого материала. 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 увеличению степени кубовидности щебня.

К чести российских производителей оборудования следует отметить, что за прошедший период, несмотря на сложное экономическое положение, они освоили выпуск дробильно-сортировочного оборудования для производства щебня кубовидной формы, цена которого в 1,5-2 раза меньше аналогичного по эффективности и назначению оборудования зарубежных производителей. 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. 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 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). Кроме этого, что эти дробилки обеспечивают выпуск щебня кубовидной формы, они позволяют 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 начального материала используют щебень с наибольшей крупностью до 140 мм. Дробилка запатентована и применяется во многих западных странах.

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

Итог:

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