Производство гранитного щебня. Технология и оборудование для изготовления 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 автомобильных дорог. Особенно это относится к щебню, применяемому для устройства верхних слоев дорожной одежды, напрямую воспринимающих механические нагрузки от движущегося транспорта, находящихся под воздействием факторов природы (переменный температурно-влажностный режим, многократное замораживание-оттаивание, действие солнца и т.д.) и антигололедных химических средств. Щебень, применяемый в дорожном хозяйстве, примерно можно разделить на три типа:

а) щебень для изготовления подложки 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 последние годы сформировался устойчивый спрос на щебень кубовидной формы со стороны дорожно-строительных организаций, но эта потребность в РФ сейчас покрывается только на 30 - 40%.

Следует отметить, что месторождения горных пород, используемых для изготовления щебня кубовидной формы, размещены 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 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 дорожногостроительства. Общий объем производства каменных материалов (щебень, щебень из гравия, гравий, песок) в России составляет примерно 140 млн. м" в год, 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 строительства, реконструкции, ремонта и содержания автомобильных дорог, в том числе была, выяснена потребность в различных видах щебня. В таблице 1 перечислена 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 сейчас в России составляет около 600 тыс. км, и основная часть щебня кубовидной формы будет использована на их мелкий ремонте и обслуживание.

Большое количество всех видов щебня будет использоваться в Центральном регионе России, где дорожное строительство ведется более или менее интенсивно. Анализ продукции, выпускаемой компаниями 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, по большей части используемой для приготовления асфальтобетонных смесей для верхних слоев покрытий, имеются обоснованные претензии от строительных организаций.

Производимый 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 материала подобрать оптимальный зерновой состав минеральной части асфальтобетонных смесей, что существенно ухудшает физико-механические параметры асфальтобетона. Изучение Союздорнии, а также отечественный и заграничный опыты строительства и эксплуатации дорог помогли 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 нужного 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 имеет чрезмерное количество зерен лещадной формы - 25-40% и более, в то время, как было указано выше в соответствии с настоящей нормативно-технической документацией для верхних слоев асфальтобетонных покрытий, должен применяться кубовидный щебень, где содержание зерен лещадной формы не должно быть больше 15%. Увеличенное содержание зерен лещадной формы отрицательно влияет на удобоукладываемость и плотность асфальтобетонных смесей. Также следует учитывать, что зерна лещадной формы обладают меньшей механической прочностью в сравнении с кубовидными зернами щебня. В следствии этого при строительных работах (при укатке) и в процессе эксплуатации (под воздействием движущегося автотранспорта)зерна лещадной формы разрушаются, что может приводить к образованию свежих поверхностей без битума. Эти места являются первичными очагами разрушения асфальтобетона при попадании 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. Выяснено, что с увеличением содержания в щебне (М 1200) зерен лещадной формы с 0 до 20% его разрушаемость поднялась с 5 до 11%, то есть дробятся в основном зерна лещадной формы.

Щебень узких фракций кубовидной формы впервые 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 генеральным подрядчиком строительных работ, для выпуска щебня узких фракций кубовидной формы были закуплены три дробильно-сортировочные установки производительностью 150-250 т/час иностранного производства. Машины были установлены на промплощадках 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 смогло предотвратить образование колеи в покрытии даже в форсмажорных случаях колонного движения и заторов автомобилей при высоких температурах и продлить срок его службы.

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

Горные породы, применяемые для получения щебня узких фракций кубовидной формы, состоят из нескольких минералов, представленных кристаллами, с различной крупностью. При дроблении 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 обычно характеризуются слоистой текстурой и при дроблении имеют обычную тенденцию распадаться на пластины (зерна лещадной формы).

Для производства щебня кубовидной формы обычно применяют специальные конусные дробилки или дробилки ударного действия. Они 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 никакого значения, а решающим фактором является форма зерен готового щебня.

Некоторого уменьшения содержания зерен лещадной формы в щебне можно добиться и при использовании обычных конусных дробилок. Для этого необходимо, чтобы при изготовлении была, полностью заполнена камера дробления. При этом производство происходит не только между конусами оборудования, но и между зернами материала, находящимися в камере дробления (дробление "в слое" или "в стесненных условиях"). Находящийся в первичном материале и образующиеся в процессе обработки 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 материала в камере дробления повышается скорость питателя и направляет необходимое количество первичного материала в дробилку. При выработке щебня узких фракций кубовидной формы на действующих предприятиях нерудной промышленности необходимо учитывать следующее. Дробильно-сортировочное оборудование этих фирм к настоящему времени физически значительно изношено и устарело.

Реконструкция дробильно-сортировочных производства связана с большими техническими и денежными трудностями (ремонт дробилок на последней фазе дробления, расширение площадей грохочения, изменение внутренней транспортной системы, расширение складов отовой продукции|готового материала и т.д.). В этом случае лучше наряду с модернизацией щебнезаводов возводить на промплощадках щебзаводов специализированные открытые дробильно-сортировочные установки машины некапитального вида, предназначенные для получения 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 собрать 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 выпускается как российскими , так и иностранными фирмами. При работе таких агрегатов 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 использовалось дробильно-сортировочное оборудование зарубежных фирм "Svedala" (Швеция), "Nordberg" (Финляндия), "Parker" (Великобритания), так как в России на этот период дробильного оборудования для обработки щебня кубовидной формы не выпускалось. Дробильное оборудование этих компаний характеризуется высокой надежностью , оптимальными диапазонами производительности и оснащено системами автоматического управления.

Система управления обычно имеет несколько режимов обработки материала, гарантируя при этом автоматическое поддержание величины разгрузочной щели дробилки, что, в свою очередь, обеспечивает стабильный зерновой состав готового щебня. Дробилки защищены от поломки при попадании недробимых (металлических) тел путем почти мгновенного расширения разгрузочной щели, которая автоматически возвращается до необходимого размера после выпуса недробимого материала. Дробилки обычно работают "под завалом" за счет обратной связи между питателем и дробилкой. Питатель включается при уменьшении 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 финансовые трудности, они освоили выпуск дробильно-сортировочного оборудования для производства 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" 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 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). Это оборудование установлено 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% 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 наибольшей крупностью до 140 мм. Дробилка запатентована и применяется за рубежом.

ЗАО "Урал-Омега" производит центробежные дробилки ДЦ для производства щебня кубовидной формы. Эти дробилки широко 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 изменения скорости .

Подытожим:

- применение 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.