Дробление щебня. Технология и оборудование для производства щебня узких фракций кубовидной формы.
Одним из главных материалов, применяющихся в строительстве, реконструкции, ремонта и содержания автомобильных дорог, является щебень. От характеристик щебня в значительной мере зависят потребительские свойства (ровность, коэффициент сцепления и т.д.) и долговечность производимых из щебня материалов. В первую очередь это относится к щебню, применяемому для устройства верхних слоев дорожного покрытия, напрямую воспринимающих механические нагрузки от транспорта, находящихся под воздействием факторов природы (переменный температурно-влажностный режим, попеременное замораживание-оттаивание, действие солнечной радиации и т.д.) и антигололедных химических средств. Щебень, применяемый в дорожном строительстве, условно можно разделить на три группы:
а) щебень для изготовления оснований дорожных одежд (любые, но в первую очередь 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 дорожных покрытий (метаморфические и изверженные скальные 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 последнее время сформировался устойчивый спрос на щебень кубовидной формы у дорожников, но эта потребность в РФ сейчас покрывается только на 30 - 40%.
Важно отметить, что месторождения горных пород, используемых для производства щебня кубовидной формы, находятся на территории России крайне неравномерно. В Центральном, Северо-Кавказском и Поволжском регионах располагаются в основном месторождения скальных и рыхлых осадочных горных пород. Есть 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 обеспечены всеми типами горных пород для дорожногостроительства. Общий объем производства каменных материалов (щебень, щебень из гравия, гравий, песок) в России составляет примерно 140 млн. м" в год, причем около половины от этого объема используется в дорожном строительстве.
В соответствии с президентской программой "Дороги России XXI века" Союздорнии рассчитали потребности в дорожно-строительных материалах и изделиях для нового строительства, реконструкции, ремонта и содержания автомобильных дорог, в том числе была, определена потребность в 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 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 в настоящее время в России составляет около 600 тыс. км, и большая часть щебня кубовидной формы будет использована на их восстановление и обслуживание.
Большое количество всех видов щебня будет потребляться в Центральном регионе России, где дорожное строительство ведется интенсивно. Анализ материалов, выпускаемой компаниями нерудной промышленности, разрабатывающими месторождения изверженных горных пород, показывает, что они по большей части 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 изготовления асфальтобетонных смесей для наружных слоев покрытий, есть обоснованные претензии от строительных организаций.
Получаемый щебень фракций 5-20 мм часто очень закрупнен: так, рассевы показывают, что на сите с ячейками размером 12,5 мм содержание материала составляет обычно 70% и более. Это не позволяет из вырабатываемого материала подобрать требуемый зерновой состав минеральной части асфальтобетонных смесей, что ухудшает физико-механические характеристики асфальтобетона. Изучение Союздорнии, а также российский и зарубежный опыты строительства автомобильных дорог помогли 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 легко подобрать требуемые смеси оптимального зернового состава. Применение оптимальных смесей позволяет улучшить однородность контролируемых свойств асфальтобетона, увеличить его плотность и сдвигоустойчивость.
Вырабатываемый щебень фракции 5-20 мм обычно содержит большое количество зерен лещадной формы - 25-40% и более, но, как было указано ранее в соответствии с действующей нормативно-технической документацией для верхних слоев асфальтобетонных покрытий, обязан использоваться 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 следует 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 передвигающегося транспорта)зерна лещадной формы дробятся, что может приводить к образованию поверхностей не покрытых битумом. Эти места являются первичными очагами разрушения асфальтобетона при проникновении водосодержащей жидкости и действия затем попеременного замораживания-оттаивания.
Это также показывается исследованиями Союздорнии, где исследовалась зависимость между разрушением щебня в цилиндре и наличием в нем зерен лещадной формы. Выяснено, что с увеличением количества в щебне (М 1200) зерен лещадной формы с 0 до 20% его разрушаемость увеличилась с 5 до 11%, то есть дробятся преимущественно зерна лещадной формы.
Щебень узких фракций кубовидной формы в первый раз в широких масштабах в России был использован 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 основным подрядчиком строительных работ, для выпуска щебня узких фракций кубовидной формы были преобретены три дробильно-сортировочные машины производительностью 150-250 т/час иностранного производства. Агрегаты были смонтированы 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, устраиваемое 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. А показатель прочности при сжатии при 50°С асфальтобетона повысился в среднем на 0,3 МПа и достиг величины 1,6 МПа.
Использование более качественного щебня на МКАД смогло предотвратить появление 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 чаще определяется текстурно-структурными особенностями исходной горной породы, применяемым оборудованием и технологией обработки.
Горные породы, используемые 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 выяснено, что с увеличением размера кристаллов, при прочих условиях, выход готовой продукции кубовидной формы также увеличивается. Метаморфические горные породы часто характеризуются слоистой текстурой и при обработке имеют обычную тенденцию распадаться на пластины (зерна лещадной формы).
Для получения щебня кубовидной формы обычно применяют специальные конусные дробилки или дробилки ударного типа. Последние позволяют производить 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 использовать в том случае, если вопросам экономики не придают никакого значения, а решающим фактором является форма зерен готового продукта.
Определенного снижения содержания зерен лещадной формы в щебне можно добиться и при использовании обычных конусных дробилок. Для этого нужно, чтобы при производстве была, до отказа заполнена камера дробления. При этом процесс дробления получается не только между конусами дробилки, но и между зернами материала, 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, разрушаются. Для осуществления этого процесса дробилка должна быть оснащена датчиком уровня 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 производстве щебня узких фракций кубовидной формы на действующих предприятиях нерудной промышленности необходимо учитывать следующее. Дробильно-сортировочное оборудование этих производств к настоящему времени физически изношено и устарело.
Модернизация дробильно-сортировочных производства связана с не малыми техническими и финансовыми трудностями (модернизация дробилок на последней фазе дробления, увеличение площадей грохочения, изменение внутренней транспортной системы, развитие складов готового материала и т.д.). Поэтому целесообразно наряду с модернизацией щебнезаводов устраивать на промплощадках щебзаводов специализированные открытые дробильно-сортировочные установки машины 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 первичного материала при этом можно применять щебень фракций 20-40 и 40-70 мм. Технологическое оборудование (дробилки, грохота), используемое в таких агрегатах, в настоящее время выпускается как российскими , так и зарубежными фирмами. При работе таких машин можно также иметь в виду сезонный спрос на щебень для строительной отрасли.
Как отмечено ранее, выработка щебня узких фракций кубовидной формы в промышленных объемах было налажено в России в середине 90-х годов прошлого века. Для этого вначале часто использовалось дробильно-сортировочное оборудование иностранных фирм "Svedala" (Швеция), "Nordberg" (Финляндия), "Parker" (Великобритания), так как в нашей стране на этот период дробильного оборудования для обработки щебня кубовидной формы не производилось. Дробильное оборудование этих фирм характеризуется высокой надежностью в работе, оптимальными диапазонами производительности и оборудованно системами автоматического управления.
Система в основном имеет несколько режимов дробления, гарантируя 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 почти мгновенного увеличения разгрузочной щели, которая автоматически выставляется до необходимого размера после пропуска недробимого материала. Дробилки обычно работают "под завалом" за счет автоматической связи между питателем и дробилкой. Питатель запускается при снижении уровня щебня в камере дробления. Работа "под завалом" способствует повышению степени кубовидности щебня.
К чести российских машиностроителей следует отметить, что за прошедший этап развития, несмотря на сложное экономическое положение, они освоили выпуск дробильно-сортировочного оборудования для выпуска щебня кубовидной формы, цена которого в 1,5-2 раза ниже аналогичного по производительности и назначению оборудования зарубежных фирм. ОАО "Дробмаш" совместно с ЗАО НПЦ "Кибернетика" наладили 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 принимает щебень крупностью 20-40 (70) и 40-70 мм.
ОАО "Механобр-Техника" сейчас производит 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). Кроме этого, что эти дробилки производит 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 начального 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 машины используются в Уральском регионе (ЗАО "Южуралавтобан"). Здесь исходный материал разгоняется за счет центробежных сил до высоких скоростей и при столкновении его с футеровкой корпуса происходит его разрушение. Степень измельчения и соответственно выход щебня может регулироваться за счет регулировки скорости .
Таким образом:
- 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.
