Производство щебня

Одним из основных материалов, применяющихся для строительства, реконструкции, ремонта и содержания автомобильных дорог, является щебень. От качественных характеристик щебня в значительной мере зависят потребительские свойства (ровность, коэффициент сцепления и т.д.) и долговечность автомобильных дорог.

Особенно это относится к щебню, применяемому для устройства верхних слоев дорожной одежды, непосредственно воспринимающих высокие механические нагрузки от движущегося транспорта, находящихся под воздействием природных факторов (переменный температурно-влажностный режим, многократное замораживание-оттаивание, действие солнечной радиации и т.д.) и антигололедных химических средств. Щебень, применяемый в дорожном хозяйстве, условно можно разделить на три группы: а) щебень для устройства оснований дорожных одежд (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 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 последние годы сформировался устойчивый спрос на щебень кубовидной формы со стороны дорожно-строительных организаций, но эта потребность в РФ сейчас удовлетворяется только на 30 - 40%. Следует отметить, что месторождения горных пород, используемых для производства щебня кубовидной формы, размещены на территории России крайне 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 значительным из которых является "Павловское" (Воронежская обл.). Наибольшими запасами изверженных горных пород обладают Северо-Западный и Уральский регионы.

Регионы Сибири и Дальнего Востока обеспечены всеми видами горных пород для дорожного строительства. 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 приведена 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". Протяженность сети дорог общего пользования с твердым покрытием в настоящее время в России составляет около 600 тыс. км, и основная часть щебня кубовидной формы будет использована на их ремонт и содержание.

Наибольшее количество всех видов щебня будет потребляться в Центральном регионе России, где дорожное строительство ведется наиболее интенсивно. Анализ продукции, 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, в основном используемой для приготовления асфальтобетонных смесей для верхних слоев покрытий, имеются серьезные претензии со стороны дорожно-строительных организаций. Производимый щебень фракций 5-20 мм обычно сильно закрупнен: так, рассевы показывают, что на сите с ячейками размером 12,5 мм содержание материала составляет обычно 70% и более.

Это не позволяет из поставляемого материала подобрать оптимальный зерновой состав минеральной части асфальтобетонных смесей, что существенно ухудшает физико-механические характеристики асфальтобетона. Исследования Союздорнии, а также отечественный и зарубежный опыты строительства и эксплуатации автомобильных дорог позволили установить, 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 сравнительно 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 в большинстве случаев содержит чрезмерное 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 применяться кубовидный щебень, где содержание зерен лещадной формы не должно превышать 15%. Повышенное содержание 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 строительстве (при укатке) и в процессе эксплуатации (под воздействием движущегося автотранспорта)зерна лещадной формы разрушаются, что может приводить к образованию свежих поверхностей не покрытых битумом.

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 дробимостью щебня в цилиндре и содержанием в нем зерен лещадной формы.

Установлено, что с увеличением содержания в щебне (М 1200) зерен лещадной формы с 0 до 20% его дробимость увеличилась 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.) выяснилось, что щебень узких фракций кубовидной формы в нашей стране в необходимых объемах не выпускается. Поэтому АО "Центрдорстрой", являющимся основным подрядчиком строительства, для выпуска этого щебня были закуплены три дробильно-сортировочные установки производительностью 150-250 т/час иностранного производства.

Установки были смонтированы на промплощадках асфальтобетонных заводов и выпускали 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, устраиваемое с применением щебня узких фракций кубовидной формы, стало более сдвигоустойчивым.

Среднее значение угла внутреннего трения асфальтобетона повысилось 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. 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 образование колеи в покрытии даже в форсмажорных случаях колонного движения и заторов автомобилей при высоких температурах и увеличить срок его службы. При производстве щебня кубовидной формы необходимо учитывать, что форма зерен дробленого материала в основном определяется текстурно-структурными особенностями исходной 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 разрушается 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 обычно характеризуются слоистой текстурой и при дроблении имеют естественную тенденцию расслаиваться на пластины (зерна лещадной формы).

Для получения щебня кубовидной формы обычно применяют специальные конусные дробилки или дробилки ударного действия. Последние позволяют получать щебень, форма зерен которого наиболее близка к кубовидной, но эти дробилки характеризуются значительными расходами на изнашиваемые части и повышенным выходом отсевов дробления.

Дробилки ударного действия следует применять в том случае, если вопросам экономики не придают особого значения, а решающим фактором является форма зерен готового продукта. Некоторого 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 дробление происходит не только между конусами дробилки, но и между зернами материала, находящимися в камере дробления (дробление "в слое" или "в стесненных условиях").

Имеющиеся в исходном материале и образующиеся в процессе дробления зерна лещадной формы при этом, как механически наиболее слабые, разрушаются. Для осуществления этого процесса дробилка должна быть оборудована датчиком уровня материала в камере дробления, а также аккумулирующим бункером с питателем.

При недостатке материала в камере дробления увеличивается скорость питателя и направляет необходимое количество материала в дробилку. При производстве щебня узких фракций кубовидной формы на действующих предприятиях нерудной промышленности необходимо учитывать следующее.

Дробильно-сортировочное оборудование этих предприятий к настоящему времени физически значительно изношено и морально устарело. Реконструкция дробильно-сортировочных предприятий связана с большими техническими и финансовыми трудностями (замена дробилок на последней стадии дробления, увеличение площадей грохочения, изменение внутренней транспортной системы, расширение складов готовой продукции и т.д.).

Поэтому целесообразно наряду с реконструкцией щебнезаводов устраивать на промплощадках щебзаводов специальные открытые дробильно-сортировочные установки некапитального типа, предназначенные для получения щебня фракций 5-10, 10-15 и 15-20 мм с содержанием зерен лещадной формы не более 15%. Эти установки более дешевы по сравнению с капитальными и их можно смонтировать 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 установках, в настоящее время выпускается как отечественными, так и зарубежными фирмами. При работе таких установок можно также учитывать сезонный спрос на щебень для дорожного строительства.

Как было сказано ранее, производство щебня узких фракций кубовидной формы в промышленных 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 России на этот период дробильного оборудования для производства щебня кубовидной формы не выпускалось.

Дробильное оборудование этих фирм характеризуется высокой надежностью в работе, большими диапазонами производительности и оснащено системами автоматического управления. Система управления обычно имеет несколько программ дробления, обеспечивая при этом автоматическое поддержание величины разгрузочной щели дробилки, что, в свою очередь, обеспечивает стабильный зерновой состав готовой продукции.

Дробилки защищены от поломки при попадании недробимых (металлических) тел путем быстрого увеличения разгрузочной щели, которая автоматически восстанавливается до заданного размера после пропуска недробимого материала. Дробилки обычно работают "под завалом" за счет автоматической связи между питателем и дробилкой.

Питатель включается при снижении уровня щебня в камере дробления. Работа "под завалом" способствует повышению степени кубовидности щебня. К чести отечественных машиностроителей следует отметить, 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 производительности и назначению оборудования зарубежных фирм.

ОАО "Дробмаш" совместно с ЗАО НПЦ "Кибернетика" освоили выпуск дробильно-сортировочной линии на базе конусной дробилки ДРО-560 с автоматической системой управления САУ, выполняющей функции указанные выше. Дробилка имеет производительность 40 м3/час и в качестве исходного материала использует щебень крупностью 20-40 (70) и 40-70 мм.

ОАО "Механобр-Техника" в настоящее время 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 обеспечивают выпуск щебня кубовидной формы, они позволяют примерно на 10% снизить выход отсевов 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 максимальной крупностью до 140 мм.

Конструкция дробилок запатентована и применяется во многих западных странах. ЗАО "Урал-Омега" выпускает центробежные дробилки ДЦ для получения щебня кубовидной формы. Эти дробилки широко используются в Уральском регионе (ЗАО "Южуралавтобан").

В этой дробилке исходный материал разгоняется за счет центробежных сил до высоких скоростей и при столкновении его с футеровкой корпуса происходит его измельчение. Степень измельчения и соответственно выход готовой продукции может регулироваться за счет изменения скорости. Таким образом: - применение кубовидного щебня существенно повышает качество верхнего слоя покрытия; - потребность в кубовидном щебне удовлетворяется в РФ меньше чем на 50%; - использование отечественного дробильно-сортировочного оборудования позволяет обеспечить дорожное хозяйство щебнем кубовидной формы.