Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-химические и технологические основы производства и применения дорожно-строительных материалов.pdf
21
на величину поверхностного натяжения, равно величине повы-
A
Ô
C
n
шения активности процессов структурообразования.
Технологический смысл закона состоит в принудительном
создании условий формирования структуры с минимальными дефектами.
Закон прочности оптимальных структур утверждает, что
произведение числовых показателей прочности материалов на
степенную функцию фазового отношения его вяжущего вещества
есть величина постоянная.
Здесь под фазовым отношением понимают отношение массы
среды к массе твердой фазы:
,
где – показатель прочности;
С – масса среды;
n – показатель степени;
Ф – масса твердой фазы;
А – постоянное число.
Закон конгруэнции говорит об обязательном соответствии
между свойствами вяжущего вещества и дорожных материалов
на его основе или между свойствами различных материалов на
основе общего вяжущего вещества при оптимальных структурах.
В соответствии с этим законом, при улучшении или ухудшении качества вяжущего вещества соответствующие изменения
произойдут и с дорожным материалом [1].
22
3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА
И ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ
ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
3.1. Технологические основы производства дорожно-строительных материалов
Под технологическим процессами приготовления дорожно-
строительных материалов понимают совокупность физических,
механических, химических и других механизированных и автоматизированных способов воздействия на исходные материалы в
различных стадиях структурообразования.
Технологические процессы состоят из строго устанавливае-
мых технологических операций, проводимых в строго ограниченном времени, и преследуют цель обеспечения структурообразования материалов с заданными свойствами. Некоторые операции могут повторяться, а некоторые вовсе отсутствовать. В процессе их выполнения могут происходить как физические, так и
химические процессы с образованием новых химических соединений.
Технологические процессы осуществляются при помощи
специального оборудования, называемого технологическим.
3.2. Обеспечение долговечности
дорожно-строительных материалов
Долговечность материалов – это способность их сопротив-
ляться внешним и внутренним воздействиям в течение возможно
более длительного времени [1]. Она характеризует работоспособность материалов до достижения предельного (критического) состояния свойств, за пределами которых наступают отказы.
23
Долговечность устанавливают путем проведения цикличе-
ских и комплексных испытаний физического и химического характера в пределах расчетных значений и сравнением их результатов с допустимыми величинами. О долговечности судят также
по отклонениям в структуре от оптимальных, а также по нарушениям в микро- и макроструктурах.
Долговечность условно можно разделить на три этапа или
временных периода: 1-й, 2-й и 3-й. Кроме того, до начала первого этапа имеется технологический предэксплуатационный
период.
На первом этапе происходит упрочнение структуры под вли-
янием внешней среды, внешних нагрузок. В этот период в контактных зонах частиц и вяжущих возникают и развиваются новые, вторичные структурные центры.
На втором этапе структура и показатели свойств относитель-
но стабильны. В этот период сохраняются колебания свойств в
допустимых пределах за счет местных процессов упрочнения и
деструкции с сохранением сбалансированности на некотором
среднем уровне.
Третий этап характеризуется деструкцией, т.е. медленным
или быстрым нарушением структуры вплоть до наступления критического состояния и даже разрушения. Он сопровождается
нарушением однородности, сплошности структуры, постепенным накоплением разрывов межатомных связей.
Установлено, что процесс постепенного повреждения структуры сопутствует каждой, даже самой незначительной малоупругой деформации.
Обеспечение долговечности дорожно-строительных материалов неразрывно связано с вопросами проектирования и создания
благоприятных условий их работы в дорожных конструкциях.
24
Можно сформулировать следующие принципы обеспечения
долговечности ДСМ:
1) необходимо обеспечить наибольшую упаковку полидис-
персных частиц;
2) обеспечить непрерывную пространственную сетку вяжу-
щего вещества или наиболее развитые поверхности контакта;
3) обеспечить минимальные значения отношения массы жид-
кой среды к твердой фазе;
4) приблизить принимаемые условия проектирования состава
к реальным условиям технологии изготовления изделий;
5) обеспечить перевод системы в конструкции в метастабиль-
ное состояние;
6) обеспечить системе реологическое состояние, соответ-
ствующее реальным технологическим параметрам;
7) использовать объективные закономерности оптимальных
структур с обеспечением показателей свойств в области экстремумов;
8) обеспечить оптимальность состава дорожно-строительных
материалов в производственных условиях.
25
4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ
ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА И ПРИМЕНЕНИЯ
КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ
В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
4.1. Технологические основы добычи, производства
и применения каменных материалов в качестве ДСМ
4.1.1. Общие сведения о каменных материалах
Применяемые в дорожных одеждах и конструкциях материалы в минеральной части представляют собой подобранные особым способом смеси каменных материалов (щебня, песка, минерального порошка и т.д.) различных фракций и размеров.
В нашей стране, например, в основу расчета состава минеральной части асфальтобетонных частей принят метод подбора
по непрерывной или прерывистой гранулометрии по предельным
кривым. Цель подбора – получение материалов с наибольшей
упаковкой.
Такой подбор осуществляется путем взятия смеси щебня
стандартных фракций 5…20, 20…40, 40…70 мм, песка и минерального порошка.
Щебень природный вырабатывают (производят) чаще всего
путем предварительного разрыхления скальной породы, дробления, сортировки, улучшения форм зерен и некоторых других
технологических операций с исходными каменными материалами.
Исходные природные каменные материалы, как правило,
представлены скальными породами, находящимися в недрах земли. Они, чаще всего, сверху покрыты растительным грунтом и
26
другими некаменными породами. Их называют отвальновскрышными породами.
Некаменные породы могут быть также отложены в межслойных пространствах. До разработки полезной породы эти слои
удаляют землеройно-транспортными машинами. Эти работы
называются вскрышно-отвальными. Для обеспечения добычи
каменных материалов из недр земли их предварительно разрыхляют, в большинстве случаев буровзрывным способом.
4.1.2. Технологические основы добычи и переработки (производства) скальных каменных материалов
Добычу каменных материалов в горных выработках произво-
дят открытым способом в карьерах. Они могут быть промыш-
ленными на базе мощных месторождений или строительными на
базе относительно небольших месторождений. Если карьер располагается вблизи строящейся дороги, то называется притрассо-
вым [11, 12].
Полезный слой разрабатывают отдельными слоями, т.е.
уступами. Для размещения взрывчатых веществ в уступах в
один или несколько рядов пробуривают скважину или шпуры
(рис. 4.1). Пробуривание скважин в мягких и средней прочности
породах осуществляют станками вращательного бурения, а на
более прочных пародах – станками ударного и огневого (термического) бурения. В пробуренные скважины или шпуры закладывают взрывчатые вещества и производят взрывные работы на
рыхление.
Взрывные работы позволяют развалить скальные породы
массово. Однако у взрывного способа имеются определенные недостатки:
27
Изыскание месторождения
шпуров КМ
Подготовительные
работы
Очистка поверхности
карьера от
леса, пней, кустарника, крупных камней
Строительство
подъездных
дорог
Защита вскрыш-
зимой
Снятие растительного грунта
Вскрышно-отвальные работы
Буро-взрывные
работы
Бурение скважин
(шпуров)
Зарядка скважин
Рыхление скаль-
ных КМ взрывом
Погрузка и транс-
на КДЗ
Сбор негабарита
в кучи и дробление
Погрузка и транс-
на КДЗ
Рекультивация земель после
перевода предприятия
2-3
Рис. 4.1. Схема технологического процесса по добыче скальных каменных
материалов: 1 – операции могут быть; 2 – операции обязательно
выполняются; 3 - технологический разрыв окончания добычных работ
ного слоя от
промерзания
портирование
рыхленной породы
портировка раз-
рыхленой породы
28
1) часть породы переизмельчается, а другая часть образуется
в виде негабаритов; последние приходится отдельно собирать и
дорыхлять механическим способом или слабыми взрывами;
2) буровые работы очень трудоемкие;
3) в процессе работы добывающую технику и людей необхо-
димо вывозить в безопасную зону. Приходится учитывать и ряд
других моментов.
Разрыхленную породу (развал) далее грузят при помощи экс-
каваторов прямая лопата на большегрузные автомобили – самосвалы и отвозят на вблизи расположенные камнедробильные заводы (КДЗ). Там могут быть установлены ПДСУ и дробильносортировочные установки постоянного типа.
На КДЗ привезенная порода подвергается процессам дробле-
ния и грохочения (сортировки) (рис. 4.2). Причем эти процессы
могут повторяться. В зависимости от крупности зерен получаемого щебня различают крупное дробление (до 40…70 и
70…120 мм), среднее дробление (20…40 мм), мелкое дробление
(5…20, 5…10 и 10…20 мм) и измельчение – до порошкообразного состояния.
При дроблении прочных пород могут производить
дробленый песок (размером до 5 мм). Производство товарного
щебня осуществляется не сразу из исходного сырья, а путем
последовательного приближения к требуемым размерам, в несколько стадий, это позволяет уменьшить выход отходов камнедробления.
В процессе переработки каменной породы в щебень выполняют, кроме того, операции предварительного грохочения, т.е.
отбирают не подлежащие дроблению частицы. На товарные
фракции разделяют в процессе классификационного грохочения.
29
КМ из
карьера
Предваритель-
ное грохочение
Первичное клас-
грохочение
отсевы
Производство МП
Вторичное
дробление
Вторичное клас-
сификационное
грохочение
Отходы
камнедроб-
Склад
щебня
Склад
щебня
Потребителю
В
отвалы
Для известкова-
ния почвы
Для строи-
тодорог
1 1 1
1
2
1 1 1
1
1
1
2
2
тельства ав-
сификационное
Рис. 4.2. Схема технологического процесса производства щебня:
1 - операция обязательно имеется; 2 – операции могут быть,
но не обязательные
30
Иногда возникает необходимость в избирательном и контрольном грохочениях, улучшении формы зерен (уменьшении
лещадных частиц), промывке или обезвоживании и нагреве и т.д.
Свойства производимого щебня и минерального порошка
должны соответствовать требованиям действующих нормативных документов (ГОСТов, СНиПов и т. д.) при применении их в
качестве материалов оснований и покрытии дорожных одежд,
крупного и мелкого заполнителей в асфальто- и цементобетонах,
черного щебня и т. д.
4.1.3. Технологические основы производства шлакового щебня и песка
В дорожном строительстве все больше начали применять ме-
таллургические и фосфорные шлаки [4, 6]. Металлургические
шлаки могут быть доменными, сталеплавильными, шлаками
цветной металлургии. По размеру зерен шлаки подразделяют на
кусковые, гранулированные и шлаковую муку.
По роду и количеству соединений в процентах среди них раз-
личают [6]:
кремнистые ( SiO2 > 40); глиноземистые (Al2O3 > 15); известковые (CaO > 50); магнезиальные (MgO > 10); железистые
(FeO > 5); марганцевистые (MnO > 5); фосфористые (Pb2 >3);
титанистые (TiO2 > 5); сернистые (CaS > 5).
Основным качественным показателем их является распад.
Остальные показатели, кроме показателя слабого зерна, аналогичны щебню из природного камня. Шлаки считаются устойчивыми к распаду, если содержание соответствующих соединений
равно или меньше приведенных критических значений. Шлаки
цветной металлургии имеют стабильную структуру. Металлурги-