Заполнители для бетона и асфальтобетона. Учебное пособие

ной формой и шероховатой поверхностью зерен, в связи с чем сцепление его с цементно-песчаным раствором, выше, чем гравия. Содержание в щебне вредных органических примесей незначительно.

Качество крупного заполнителя характеризуется зерновым составом, формой зерен и содержанием вредных примесей. Кроме того, качество щебня и гравия должно удовлетворять определенным требованиям по прочности и морозостойкости.

Зерновой состав крупного заполнителя оказывает большое влияние на качество бетона. При выборе зернового состава крупного заполнителя для бетона необходимо исходить из основного требования — получить наименьший объем пустот в крупном заполнителе, а следовательно, снизить расход цемента в бетоне заданного класса.

В зависимости от размера зерен гравий и щебень подразделяют на фракции 5-10, 10-20, 20-40 и 40-70 мм. В каждой фракции гравия или щебня должны быть зерна всех размеров — от наибольшего до наименьшего для данной фракции.

Для приготовления бетона более экономичен предельно крупный гравий или щебень, так как при этом из-за меньшей суммарной поверхности зерен снижается расход цемента. Однако наибольшая крупность зерен заполнителя ограничивается размерами бетонируемых конструкций и рассеяниями между стержнями арматуры. Например, наибольший размер зерен крупного заполнителя должен быть не более 1/3 наименьшего размера бетонируемой конструкции или не более 3/4 наименьшего расстояния между стержнями арматуры. При бетонировании плит допускается применение до 50 % зерен крупного заполнителя наибольшей крупности, равной половине толщины плиты. Для тонкостенных густоармированных конструкций следует использовать заполнитель крупностью до 20 мм, а для более массивных конструкций — до 40 и даже до 70 мм. Содержание зерен крупнее установленного наибольшего размера допускается не более 5 % по массе гравия или щебня.

Рисунок 2.1 – Область зернового состава крупного заполнителя

11

Зерновой состав крупного заполнителя определяют просеиванием средней пробы массой 10 кг через стандартный набор сит с размерами отверстий 70, 40, 20, 10 и 5 мм и последующим взвешиванием остатков на каждом сите. Затем вычисляют в процентах частные и полные остатки и устанавливают наибольшую Dнаиб и наименьшую Dнаим крупность зерен заполнителя. За наибольшую крупность зерен принимают размер отверстия того верхнего сита, на котором полный остаток не превышает 10 %, а за наименьшую — размер отверстия первого снизу сита, полный остаток на котором составляет не менее 90 %. Кроме того, вычисляют значе-

ния 0,5 (Dнаиб +Dнаим) и 1,25 Dнаиб.

Для оценки зернового состава крупного заполнителя строят область зернового состава, а по результатам просеивания строят кривую фактического зернового состава (рисунок 2.1). Крупный заполнитель признают пригодным для приготовления бетона, если кривая его зернового состава располагается в пределах области, ограниченной стандартными кривыми зернового состава. Крупный заполнитель следует применять в виде раздельно дозируемых фракций при приготовлении бетонной смеси. Допускается применение крупного заполнителя в виде смеси двух смежных фракций, соответствующих требованиям, приведенным в таблице 2.2.

Таблица 2.2 Содержание отдельных фракций крупного заполнителя в составе бетона

Объем пустот в гравии не должен превышать 45, а в щебне — 50 %. Для уменьшения пустотности заполнителя следует смешивать в надлежащих соотношениях отдельные фракции зерен или вводить в него недостающие фракции.

Для приготовления бетона более предпочтителен щебень, форма зерен которого близка к кубической, и гравий яйцевидной или шарообразной формы. Содержание в гравии или щебне лещадных или игловидных зерен не должно превышать 35 % по массе. Глинистые и пылевидные частицы в составе гравия и щебня считаются, как и в песке, вредными примесями. Содержание в гравии или щебне глинистых и пылевидных частиц, не должно превышать 1 % по массе.

Органические примеси снижают качество крупного заполнителя, поэтому их содержание устанавливают, как и для песка, колориметрическим методом.

12

Прочность зерен крупного заполнителя оказывает существенное влияние на прочность изготовленного на нем бетона. В свою очередь, марка щебня по прочности зависит от прочности исходной горной породы. Для тяжелых бетонов следует применять щебень, получаемый из горных пород, имеющих прочность в 1,5-2 раза выше заданной прочности бетона.

Морозостойкость гравия и щебня определяют попеременным замораживанием и оттаиванием в насыщенном водой состоянии, а также ускоренным методом насыщения в растворе сернокислого натрия и последующего высушивания. По степени морозостойкости гравий и щебень разделяют на марки: F 15, 25, 50, 100, 150, 200 и 300. Марка по морозостойкости крупного заполнителя должна быть не ниже требуемой марки по морозостойкости бетона.

Для получения заполнителей из плотных горных пород используют следующие горные породы:

-магматические (изверженные) с плотностью 0=2200-3000 кг/м3 - такие, как граниты, габбро, андезиты, порфиры, базальты и др.;

-осадочные с аналогичной плотностью: известняки, гравий, валуны, брекчии, конгломераты, песчаники;

-метаморфические породы: мраморы, кварциты, некоторые виды

гнейсов со средней плотностью 0=2200-3000 кг/м3.

Нерудные рыхлые полезные ископаемые, добываемые в карьерах, по крупности, зерновому составу, загрязненности и другим показателям обычно непригодны для непосредственного применения.

С целью получения материалов, отвечающих требованиям действующих стандартов, исходное нерудное сырье подвергают следующим видам переработки:

-дробление горной породы для получения требуемых по крупности

изерновому составу фракций щебня;

-грохочение (просеивание) и классификация для разделения сырья и

продуктов дробления на заданные фракции;

-промывка для освобождения от глинистых, илистых и пылевидных частиц и других загрязнений;

-обезвоживание для снижения влажности материала после промыв-

ки и уменьшения смерзаемости его в зимнее время; - обогащение для повышения однородности и качества продукции;

складирование (хранение) готовой продукции.

2.1. Производство щебня

Щебень производят из плотных, прочных, морозостойких горных пород. Основные классификационные характеристики горной массы:

-прочность;

-однородность;

-абразивность;

13

-размер кусков и частиц материала;

-вид и количество содержащихся примесей (загрязнений). Общесоюзные нормы технологического проектирования предприя-

тий нерудных строительных материалов [1] переработку горной породы подразделяют на 4 типа, выделяя в I и IV типах 2 подгруппы.

Тип I.

Прочные однородные абразивные горные породы, включающие:

I-1 - изверженные горные породы (граниты, диориты, сиениты, базальты и др.) с пределом прочности при сжатии Rсж до 300 МПа;

I-2 - метаморфические абразивные осадочные горные породы (песчаники) с Rсж до 300 МПа.

Тип II.

Прочные однородные малоабразивные осадочные горные породы (известняки, доломиты).

Тип III.

Неоднородные по прочности малоабразивные горные породы, содержащие слабые разности, загрязнённые средне- и трудно промываемыми включениями.

Тип IV.

Сырьё для производства песка, гравия и щебня из гравия для строительных работ:

IV-1 - валунно-гравийно-песчаные и гравийно-песчаные горные породы с содержанием гравия и валунов прочностью на сжатие Rсж до 150 МПа не более 50%;

IV-2 - валунно-гравийно-песчаные и гравийно-песчаные горные породы с содержанием гравия и валунов прочностью на сжатие Rсж до 300 МПа не менее 50%.

По характеру производства, использующего определённые типы горных пород, и основным видам выпускаемых заполнителей различают заводы:

-щебёночные с экскаваторным способом разработки месторождений горных пород типа I-III;

-гравийно-щебёночные и гравийно-песчаные как с экскаваторным, так и с гидромеханизированным способом добычи горных пород типов

IV-1 и IV-2;

-песчаные, в основном с гидромеханизированным способом добычи горной массы, содержащей не более 5% гравия.

Щебёночные заводы. Их основная продукция - фракционный щебень крупностью до 40 (70) мм с содержанием мелких фракций (до 20 мм) не менее 50% от всей массы щебня; обогащённый песок из отсевов дробления. Технологические схемы щебёночных заводов различаются:

-по назначению в зависимости от 3 -х типов горных пород;

-принципу построения;

-стадийности дробления;

14

-поточности;

-структуре;

-видам основной и побочной продукции.

Принцип построения схем касается применения операций грохочения при дроблении различных скальных пород, то есть определяет объёмы дробимого материала и его крупность, что имеет существенное значение при определении оптимальных параметров, технологической взаимосвязи процессов добычи и переработки сырья и требует в каждом конкретном случае проведения технико-экономического анализа.

Производство щебня включает следующие технологические операции:

-добыча камня;

-дробление;

-сортировка.

Добыча ведётся в карьерах и включает вскрышные работы, удаление растительного слоя и, если нужно, зоны выветривания. По характеру производства, использующего определённые типы горных пород, и основным видам выпускаемых заполнителей различают заводы:

-щебёночные с экскаваторным способом разработки месторождений горных пород типа I-III;

-гравийно-щебёночные и гравийно-песчаные как с экскаваторным, так и с гидромеханизированным способом добычи горных пород типов

IV-1 и IV-2;

-песчаные, в основном с гидромеханизированным способом добычи горной массы, содержащей не более 5% гравия.

Горный массив разделяют на крупные глыбы (негабарит), который взрывают вторично, а затем разрыхляют ковшом экскаватора. Камень доставляют на дробильно-сортировочный завод.

Основное оборудование дробильно-сортировочного завода:

-дробилки;

-грохоты;

-ленточные конвейеры;

-питатели;

-транспортёры.

Дробление. Для получения щебня, пригодного в производстве бетонных и железобетонных изделий, добытая в карьере горная порода подвергается дроблению, в результате чего предусматривается последовательное уменьшение размеров кусков горных пород с получением требуемых фракций щебня. При переработке прочных горных пород оптимальной является трех - стадийная схема дробления, позволяющая выпускать в требуемых пределах как крупные, так и более мелкие фракции щебня. При двух стадиях дробления обычно недостаточен выход мелких фракций щебня.

Для дробления в зависимости от физико-механических свойств перерабатываемых горных пород применяют щековые (рисунок 2.2), конусные

15

(рисунок 2.3), молотковые (рисунок 2.6), роторные (рисунок 2.4), валковые(рисунок 2.5) и другие дробилки.

Рисунок 2.2 – Щековая дробилка

Щековые дробилки считаются универсальными машинами для щебня, так как способны перерабатывать породы любой прочности и твердости. Измельчение происходит между двумя тяжелыми плитами, одна из которых подвижна, а вторая стационарно закреплена. Верхний зазор щек можно изменять в зависимости от исходной крупности сырья до 1,5 м. Точно так же регулируют и размер фракции на выходе. При всей простоте конструкции эти машины довольно капризны: требуют частых регулярных осмотров и ремонтов. При использовании щековых дробилок рекомендуется периодически менять местами истирающие плиты, так как они неравномерно изнашиваются в процессе работы. Также сократить расходы на обслуживание оборудования можно, если сделать на них более прочную наплавку из износостойкого металла. Недостаток этих дробилок – большое содержание лещадных зерен в готовом щебне, что является признаком его низкого качества. Причина тому – особенности машины, которая не разбивает, а сдавливает и расслаивает камни.

Конусные дробилки. Принцип работы конусной дробилки для щебня чем-то схож с разрушением породы в щековых моделях. Но истирающие плоскости здесь имеют трехмерную форму, а вал вращения специально разбалансирован. Благодаря этому лещадные зерна испытывают удары различной направленности, переламываются поперек и приобретают вид кубиков. К тому же, проходя через небольшой зазор между конусами, игольчатые камни сталкиваются друг с другом и разрушаются быстрее. Конусная дробилка для щебня считается одной из самых надежных, в эксплуатации не сложнее щековой и так же легко настраивается на разную крупность входного и выходного продукта. Это довольно громоздкие агрегаты, ориентированные на получение кубовидного гравия средних размеров. Особое отличие таких дробилок – выдержанный фракционный состав готовой массы.

16

Рисунок 2.3 – Конусная дробилка

Роторные дробилки способны раздробить щебень до самых мелких фракций. Закрепленные на валу прочные била «гоняют» внутри рабочего барабана породу, раскалывая ее мощными ударами. Доизмельчение происходит, когда осколки отлетают к стенкам дробилки и там разбиваются о плиты футеровки. Но при таком способе разрушения пород невозможно контролировать крупность гравия на выходе, поэтому после дробления вся масса отправляется на рассеивающие грохота. Недостатком роторных дробилок также считается ограничение по твердости сырья – не выше средней. На крупных производствах их используют только на второй ступени измельчения.

Рисунок 2.4 – Роторная дробилка

17

Валковые дробилки выпускаются только в двух видах: для мелкого и среднего дробления щебня. Разрушение пород происходит между вращающимися встречными валками. Сами они могут иметь гладкую, зубчатую или рельефную поверхность для работы с разными по прочности материалами. Принцип действия валковых устройств основан на измельчении гравия и щебня средних фракций путем раздавливания или раскалывания между двумя или четырьмя зубчатыми, рифлеными или гладкими вращающимися валами. Производительность этих устройств зависит от вида породы, размеров рабочих элементов (включая загрузочную щель) и частоты оборотов.

Рисунок 2.5 – Валковые дробилки

Молотковые дробилки предназначены для дополнительного измельчения горных пород при изготовлении щебня. Степень измельчения материала определяется сменным решетом. Выгрузка измельченной фракции из дробилки осуществляется пневмосистемой.

Рисунок 2.6 – Молотковая дробилка

Первичное грубое дробление обычно осуществляют на щековых и конусных дробилках, среднее и мелкое дробление производят на молотковых, роторных, валковых дробилках.

18

Производительность дробилок указывается в паспорте. Она соответствует типу горной породы и принятым условиям дробления. Реальная производительность рассчитывается по формуле 2.2:

где QП - паспортная производительность дробилки, м3/ч;

Н - насыпная плотность, т/м3; Кдр - поправочный коэффициент на дробимость материала (таблица 2.3);

КФ - коэффициент формы материала (для скальных пород – 1); ККР - коэффициент поправки на крупность материала (0,9-1,0);

КВЛ - коэффициент поправки на влажность (при W=5-11%, КВЛ=1-0,65).

Таблица 2.3

Поправочный коэффициент КДР

Грохочение - разделение материала на фракции разных размеров. Различают три вида грохочения: предварительное, контрольное и окончательное. Предварительным грохочением из материала выделяют мелкие фракции, которые не нуждаются в измельчении на данной стадии. Его применяют для повышения производительности дробилок, разделения природных песчано-гравийных смесей, отделения горной породы от посторонних примесей. Контрольным грохочением отделяются негабаритные куски, которые подлежат возврату на дробление. Это способствует выпуску продукта заданной гранулометрии и улучшению формы щебня. Окончательным грохочением получают фракционированные заполнители.

На предприятиях нерудных строительных материалов для грохочения чаще применяют плоские вибрационные грохоты. Основной рабочей частью их являются сита или решета.

На грохотах в основном устанавливают одно или два сита. При окончательном грохочении подвергают рассеву через набор сит, соответствующих количеству фракции. Для получения чистого заполнителя окончательное грохочение целесообразно совмещать с промывкой, проводя его в барабанных грохотах.

Классификация - разделение сыпучих материалов по крупности зерен на фракции. Для этой цели наряду с рассеиванием на грохотах применяют способы, основанные на использовании разности в скорости падения (оседания) частиц различных размеров в воздухе или в воде.

19