Лещадность, как показатель качества щебня 

Основным компонентом, который используется для прокладки, содержания и ремонта автодорог считается щебень. От его качественных показателей, в огромной степени, зависят их эксплуатационные параметры (коэффициент сцепления, ровность и пр.) и долговечность. В первую очередь это касается щебня, применяемого в наружном слое дорожной рубашки, который непосредственно воспринимает значительное воздействие от колес автотранспорта, находится под влиянием различных климатических факторов и противогололедных веществ.

Щебень, используемый для строительства автодорог, подразделяется на три группы:

а) щебень для изготовления основания дорожной одежды — любой, но в основном осадочной скальной и рыхлой горных пород, с размерами фракций 0-40, 0-70, 5-20, 20-40, 40-70 мм;

б) щебень нижнего слоя покрытия — метаморфической и изверженной горных пород с размерами фракций 5-20, 20- 40 мм;

в) щебень верхнего слоя дорожной одежды из асфальтобетонной смеси типа А и обработкой поверхности (изверженной и частично метаморфической горных пород с размером щебня от 5 до 20 мм) с лещадностью (содержанием зерен игловатой и пластинчатой формы) около 15% (1-я группа по ГОСТ 8267-93), который часто называют «кубовидным».

2. Щебень, используемый для изготовления бетона

Как крупная составляющая бетона щебень, образует жесткую структуру, увеличивая его модуль деформации и прочностные характеристики, уменьшая усадку, ползучесть повышает его долгостойкость, снижает расход цемента.

Песок, как мелкая составляющая — влияет на реологические свойства бетонной смеси — предельное напряжение сдвига, вязкость и на плотность бетона.

Форма зерна щебня существенно влияет на укладываемость бетона. Кроме того пустотность щебеня с большой лещадностью намного выше, чем у кубовидного щебеня. По различным исследовательским данным, объемно-насыпной вес щебня с содержанием зерна плоской и игловатой формы менее 15% ниже, чем у щебня с кубовидными зернами.

Объемно-насыпной вес щебня, полностью состоящего из зерен плоской или игловатой формы, на 9–10% ниже, чем у щебня с кубовидным зерном. Это обстоятельство увеличивает расход цемента. Поэтому, форме зерна крупной составляющей бетона уделяется серьезное внимание, хотя особого влияния на прочность она не оказывает.

В щебне для автодорожного бетона допустимо содержание зерен с лещадностью до 25%, для асфальтобетонов — до 15%, для основания дороги (необработанного) — до 25%.

Установлено, что существующее ограничение содержания в щебне зерен плоской и игловатой формы с отношением большего и меньшего размеров больше 3 не полностью характеризует форму зерен. Поэтому необычайно интересна методика, действующая в некоторых западных странах, для оценки формы зерна по «индексу формы», то есть по усредненному отношению размеров самого большого и самого малого зерен в пробе. Такая методика оценки дает представление о форме всех зерен в щебне.

По бельгийским стандартам щебень делится на 3 категории — обычный, недодробленный и передробленный кубовидной формы.

К щебню обычной категории почти не предъявляется требований по форме зерна (он может соответствовать щебню с зерном плоской и игловатой формы по нашему стандарту), но зато к щебню высших категорий требования по форме зерна предельно жесткие.

В ряде исследований отмечают негативную роль компонентов с высокой лещадностью, при применение которых снижается прочность и повышается расход цемента, а также ухудшается морозостойкость бетона. Таким образом, при бетонировании полотна автодороги минимизируется использование щебня с большой лещадностью, потому, что бетонные смеси с таким заполнителем становится неудобоукладываема, плохо уплотнима и в бетонной смеси появляются пустоты, борьба с которыми резко увеличивает расход цемента.

При проверке влияния наличия в щебне кусков лещадной формы на характеристики бетона в лаборатории ВНИИЖелезобетон был проведён ряд исследований. Испытывались образцы щебеня из естественных горных пород. Было установлено, что с увеличением в структуре щебня содержания зерен с большой лещадностью (до 50 и 100%), прочность бетона снижается и одновременно уменьшается его объемный вес, поэтому бетонная смесь недоуплотняется.

Негативное воздействие присутствия в щебне свыше 50% кусков лещадной формы обусловлено их черепицеобразной укладкой. При этом смежные куски практически не скользят относительно друг друга, следовательно требуется увеличение мощности вибрационного оборудования.

3. Применение щебеня для балласта железнодорожного пути

Балластный слой железнодорожного пути обеспечивает устойчивость рельсо-шпальной решетки в вертикальной и горизонтальной плоскостях под воздействием динамических нагрузок.

Характер упрочнения балласта в процессе строительства и эксплуатации пути во многом зависит от первоначальной пустотности щебневого каркаса, то есть от состава и формы зерен щебня. Предельная пустотность щебеночного балласта составляет 0,33–0,34, а первоначальная достигает 0,45–0,50, что вызвано в основном наличием зерен с высокой лещадностью. Игловатые и лещадные зерна разрушаются под нагрузкой и приводят к неравномерности осадки балластного слоя при его эксплуатации.

По российским стандартам для балластного слоя применяются две фракции щебня — 25–60 и 5–25 мм, причем количество зерен крупнее верхней границы и менее нижней границы должно быть в пределах 5%.

Требования к балластному слою, особенно по его горизонтальной устойчивости, изменились с увеличением скоростей движения поездов.В связи с этим, в Российских стандартах было изменено ограничение по лещадности щебня до 18%, тем самым обеспечивая максимальное использование кубовидного щебня.

Евростандарты ограничивают лещадность щебня, применяемого для балласта на железных дорогах, в пределах от 15 до 20%.

Выводы:

1. Долговечность автодорог, которые построены с кубовидным щебнем в 2–2,5 раза выше, чем у дорог из щебня с большой лещадностью. У кубовидного щебеня устойчивая трехмерная структура дорожного полотна, при которой требуется меньший расход связующих — битума и цемента. В ходе уплотнения лещадные частицы ломаются и образуются «острова» лещадных зерен, что приводит к локальным разрушениям автодорожных покрытий.

2. Прочностные характеристики бетона с использованием кубовидного щебня увеличивается на 5–10% при этом расход цемента снижается на 7–12% и уменьшается на 3–5% водопотребность бетонной смеси.

3. Применение стандартных щековых и конусных дробилок не обеспечивает получение щебня нужной формы.

4. С помощью ударно-центробежных дробилок-грануляторов обеспечивается уменьшение лещадности зерна при дроблении щебня до требований стандартов, так же их используют на дополнительной стадии дробления как «кубикаторы».

5. В конусно-инерционные дробилках получают кубовидный щебень широкого диапазона крупности за минимальное число стадий дробления

Государственные программы предусматривают увеличение ежегодного объема ввода жилья до 80 млн. кв.м в год. То есть в два раза. Рост объемов выпуска продукции и изменение ее качественных характеристик не могут быть достигнуты при использовании только существующих мощностей предприятий, хотя эти мощности загружены не полностью (табл. 2), поскольку физический износ основных фондов приблизился к 50%, активная их часть — оборудование — изношена значительно больше, а применяемые технологии отстают от мирового уровня на десятки лет.

На предприятиях развитых стран широко применяют передвижные и самоходные комплексы, осуществляющие частичную или полную (в случае производства нерудных строительных материалов) переработку горной массы. Такие комплексы начали использовать и в России. Для зарубежных предприятий типично устройство дробильно-сортировочных комплексов модульного типа в открытом исполнении. Но на подавляющем большинстве отечественных предприятий применяются устаревшие технологии — дробильно-сортировочные заводы и обогатительные фабрики представляют собой громоздкие фондоемкие отапливаемые сооружения.

Горная отрасль промышленности строительных материалов должна учитывать мнение потребителей. В отношении нерудных строительных материалов их претензии связаны с качеством продукции и ее номенклатурой (о чем уже упоминалось). Претензии к качеству нерудных строительных материалов в основном относятся к закрупнению фракций щебня и гравия, превышению установленного стандартами содержания пылевидных и глинистых частиц, комков глины, слабых зерен. А также к недостаточным объемам выпуска щебня 1-й и 2-й групп.

Если число основных потребителей свести к трем категориям (бетон, автомобильные и железные дороги), то соотношение долей нерудных строительных материалов, потребляемых этими основными группами, составит соответственно 45,45 и 10%. То есть значительная часть щебня 1-й и 2-й групп требуется для строительства и ремонта автомобильных и железных дорог.

К вероятным направлениям развития горной отрасли промышленности строительных материалов можно отнести: расширение номенклатуры продукции; в наибольшей степени расширение номенклатуры относится к выпуску нерудных строительных материалов, комплексное использование минеральных ресурсов месторождений, внедрение на карьерах нерудных материалов гибких технологических линий, преимущественно с использованием передвижных и самоходных дробильных и сортировочных агрегатов, создание новых компоновочных решений перерабатывающих комплексов с дистанционным управлением, расширение использования отсевов дробления горных пород, создание отечественного оборудования, позволяющего предприятиям малой мощности выпускать конкурентоспособную продукцию, воссоздание на новых принципах системы управления качеством продукции, применение технологических схем добычи и переработки минерального сырья, соответствующих принципу: один процесс – одна машина.

Горная отрасль промышленности нерудных материалов является одной из самых земле ёмких. Но вопросы о создании шламохранилищ иной конструкции, глубоком обезвоживании пульп, комплексном использовании техногенных ресурсов не интересуют даже природоохранные органы.

Руководству предприятий необходима оперативная информация об изменении спроса на минеральную продукцию. То есть ответы на вопросы, на какие виды продукции имеется неудовлетворенный спрос, нужно ли расширять ассортимент или менять какие-то характеристики производимой продукции. Предприятия не могут развиваться, не имея перспективы технического переоснащения. Для этого нужно иметь представление о номенклатуре и характеристиках продукции, которая окажется востребованной в перспективе 10-15 и более лет — в период, на который может распространяться долгосрочное прогнозирование, основанное на запросах потребителей.