Дробление щебня. Принципы производства и оборудование для производства щебня узких фракций кубовидной формы.

Одним из важных материалов в ходящих в группу строительные материалы, применяющихся в строительстве, 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 механические нагрузки от транспорта, находящихся под воздействием факторов природы (изменяющийся температурно-влажностный режим, попеременное замораживание-оттаивание, действие солнечных лучей и т.д.) и антигололедных средств. Щебень, применяемый в дорожном строительстве, условно можно разделить на три типа:

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 покрытий (метаморфические и изверженные скальные 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 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 организаций строительного сектора, но эта потребность в РФ сейчас обеспечивается только на 30 - 40%.

Беря во внимание, что месторождения горных пород, используемых для изготовления щебня кубовидной формы, находятся на территории России неравномерно. В Центральном, Северо-Кавказском и Поволжском регионах находятся в основном месторождения скальных и рыхлых осадочных горных пород. Есть несколько месторождений изверженных горных пород, наиболее крупным из которых является "Павловское" (Воронежская обл.). Большими запасами изверженных горных пород обладают Северо-Западный и Уральский регионы. Регионы Сибири и Дальнего Востока обладают всеми типами горных пород для строительства. Общий объем производства нерудных материалов (щебень, щебень из гравия, гравий, песок) в России составляет примерно 140 млн. м" в год, причем примерно половина от этого объема используется в дорожном строительстве.

В соответствии с президентской программой "Дороги России XXI века" Союздорнии был произведен расчет потребности в дорожно-строительных материалах и изделиях для строительства, реконструкции, ремонта и содержания автомобильных дорог, в том числе была, выяснена потребность в 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".

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 крупный ремонт и .

Большое количество всех видов щебня будет использоваться 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, по большей части применяемой для производства асфальтобетонных смесей для наружных слоев покрытий, имеются обоснованные претензии от дорожно-строительных фирм.

Производимый щебень фракций 5-20 мм часто 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 требуемый зерновой состав минеральной части асфальтобетонных смесей, что существенно ухудшает физико-механические характеристики асфальтобетона. Изучение Союздорнии, а также российский и заграничный опыты строительства и эксплуатации дорог позволили выяснить, что щебень для изготовления асфальтобетонных смесей для верхних слоев покрытий обязан выпускаться в виде узких фракций (5-10, 10-15, 15-20 мм). Из узких фракций щебня относительно просто подобрать требуемые смеси нужного зернового состава. Применение оптимальных смесей позволяет улучшить однородность контролируемых свойств асфальтобетона, увеличить его плотность и сдвигоустойчивость.

Получаемый щебень фракции 5-20 мм в большинстве случаев содержит 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, обязан применяться кубовидный щебень, где содержание зерен лещадной формы не должно быть больше 15%. Повышенное наличие зерен лещадной формы отрицательно влияет на удобоукладываемость и плотность асфальтобетонных смесей. Также нужно учитывать, что зерна лещадной формы обладают меньшей механической прочностью по сравнению с кубовидными зернами щебня. Поэтому при строительных работах (при укатке) и в процессе использовании (под воздействием движущегося транспорта)зерна лещадной формы разрушаются, что может приводить к появлению 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 наличием в нем зерен лещадной формы. Выяснено, что с увеличением содержания в щебне (М 1200) зерен лещадной формы с 0 до 20% его дробимость увеличилась с 5 до 11%, то есть разрушаются преимущественно зерна лещадной формы.

Щебень узких фракций кубовидной формы впервые в широких масштабах нашей страны был использован для устройства верхних слоев асфальтобетонных покрытий при модернизации МКАД. На начало строительства (1996 г.) выяснилось, что щебень узких фракций кубовидной формы в нашей стране в необходимых объемах не производится. Поэтому АО "Центрдорстрой", являющимся главным подрядчиком строительства, для производства этого щебня были закуплены три дробильно-сортировочные установки производительностью 150-250 т/час импортного производства. Машины 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%.

Официальные 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 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.

Использование более качественного щебня на МКАД смогло предотвратить появление колеи на дороге даже в форсмажорных случаях колонного движения и заторов автомобилей при высоких температурах и увеличить срок его службы.

При изготовления щебня кубовидной формы необходимо учитывать, что форма зерен дробленой породы в определяется текстурно-структурными особенностями начальной горной породы, применяемым оборудованием и технологией обработки.

Горные породы, используемые в этом случае для получения щебня узких фракций кубовидной формы, сформированы 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 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 получения щебня кубовидной формы в основном используют специальные конусные дробилки или дробилки ударного действия. Последние позволяют вырабатывать 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 использовать в том случае, если вопросам экономики не придают особого значения, а главным фактором является форма зерен готового продукта.

Определенного уменьшения содержания зерен лещадной формы в щебне можно получить и при использовании обычных конусных дробилок. Для этого необходимо, чтобы при дроблении была, на сто процентов заполнена камера дробления. При этом процесс дробления происходит не только между конусами оборудования, но и между зернами материала, расположенными 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 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 выработке щебня узких фракций кубовидной формы на действующих производствах 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 финансовыми трудностями (замена дробилок на последней стадии дробления, расширение площадей грохочения, изменение внутренней транспортной системы, увеличение складов готовой продукции и т.д.). В этом случае лучше наряду с модернизацией щебнезаводов устраивать на промплощадках щебзаводов специальные открытые дробильно-сортировочные установки агрегаты 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 по сравнению с капитальными и их можно возвести 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 установках, сейчас производится как российскими , так и иностранными фирмами. При работе таких комбайнов можно также учитывать сезонный спрос на щебень для строительной отрасли.

Как отмечено ранее, производство щебня узких фракций кубовидной формы в промышленных объемах было налажено 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 оборудованно системами автоматического управления.

Система в основном имеет несколько программ дробления, 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) тел путем почти мгновенного расширения разгрузочной щели, которая автоматически восстанавливается до необходимого размера после выпуса недробимого материала. Дробилки обычно работают "под завалом" за счет обратной связи между питателем и дробилкой. Питатель включается при снижении уровня щебня в камере дробления. Работа "под завалом" способствует повышению степени кубовидности щебня.

К чести российских производителей оборудования следует сказать, что за прошедший этап развития, несмотря на финансовые трудности, они наладили производство дробильно-сортировочного оборудования для производства щебня кубовидной формы, цена которого в 1,5-2 раза меньше аналогичного по производительности и назначению оборудования иностранных 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 начального материала использует щебень крупностью 20-40 (70) и 40-70 мм.

ОАО "Механобр-Техника" в настоящее время 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 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. Конструкция дробилок запатентована и применяется за рубежом.

ЗАО "Урал-Омега" производит центробежные дробилки ДЦ для производства щебня кубовидной формы. Эти агрегаты широко используются в Уральском регионе (ЗАО "Южуралавтобан"). В этой дробилке 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 .

Вывод:

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