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
31
ческие и фосфорные шлаки являются хорошим сырьем для производства строительных материалов, их применение часто является более эффективным из-за снижения транспортных расходов.
Щебень и песок сталеплавильного производства применяют в
асфальто- и цементобетонах для оснований и дополнительных
слоев дорожных одежд, а также в насыпях. Гранулированные
шлаки широко используются как сырье для производства гидравлических вяжущих.
Отвалы шлаков черной металлургии отличаются содержанием в них металла в виде крупных или мелких корольков. Попадание кусков металла в дробильно-сортировочные агрегаты приводит к их быстрому износу и поломкам. Для исключения этого
предусматривают магнитные сепарации.
Шлаковые отвалы разрабатывают с применением и без применения буровзрывных работ используя для рыхления шлаков
экскаваторы большой мощности. При разрыхлении шлаков в отвале взрывами бурят скважины диаметром 200…300 мм на расстоянии 7…8 метров друг от друга. В нижней части отвала температура в уступе может доходить до 60…100 0С. Поэтому для
взрывных работ назначают взрывчатые вещества (ВВ), не чувствительные к данным температурам. Расход ВВ составляет примерно 150 г/м3.
Переработку шлаков осуществляют на дробильносортировочных установках, которые проектируют с учетом зернового состава шлака в отвале, видов и количественного соотношения между видами продукции. Простейшая технология предусматривает извлечение металла и получение щебеночных смесей
размером 0…70 (120) мм. Исходный шлак автосамосвалами подается на грохот, где происходит разделение на материалы крупнее 120 мм и 0…120 мм. Частицы размером более 120 мм раз-
32
мельчают свободно падающим грузом. Далее пускают на извлечение металлов и сортировку.
Для получения фракционированного щебня материал 0…20 мм
пускают во вторичное грохочение, где могут получить фракции
0…10, 10…20, 20…40, 40…70, 70…120 мм.
Технология получения литого шлакового щебня из жидких
доменных шлаков предусматривает слив шлаков в траншеи слоем
10…18 см. После затвердевания и окончания процесса кристаллизации поверхность шлака (примерно при + 800 0С) поливают
водой в течение 20…30 минут до достижения температуры
90…100 0С. После испарения влаги на него выливают следующую партию шлака. Заполненная таким образом траншея на высоту 2 м после выдержки несколько суток может служить сырьем
для производства щебня в передвижной дробильно-сортировочной установке (ПДСУ). Ширина траншеи берется в пределах 10…25 м, глубина 4…6 м, основные доменные шлаки имеют
кристаллическую структуру.
Для разработки траншеи следует применять экскаваторы –
прямая лопата с емкостью ковша не менее 2,5 м3.
4.1.4. Технологические основы добычи и переработки рыхлых каменных материалов
К рыхлым каменным материалам относятся пески, песко-
гравийные или гравийно-песчаные смеси и гравий и т. п. [11, 12].
Месторождения могут быть сухими, обводненными или под во-
дой. Технологии их добычи зависят как от обводненности, так и
от содержания в них крупнообломочных материалов, конфигурации и мощности залежей и т. д.
Для добычи сухих полезных ископаемых в качестве выемочно-погрузочного оборудования чаще всего применяют одно-
33
ковшовые экскаваторы – прямая лопата, драглайны и одноковшовые погрузчики. На небольших карьерах могут быть использованы бульдозеры и скреперы. На больших обводненных и подводных карьерах эффективно работают землечерпалки, земснаряды и гидромониторы. При этом вскрышные работы, в зависимости от мощности пустых ворот, разрабатываются бульдозерами и
скреперами или экскаваторами совместно с автосамосвалами.
Главными особенностями добычи рыхлых каменных материалов
являются:
1) отсутствие операции «предварительное грохочение»;
2) месторождения разрабатываются, как правило, одним
уступом;
3) при разработке обводненных или подводных материалов
они после выемки складируются в прибрежных штабелях с целью
их обезвоживания до естественной влажности. Затем только
транспортируются к местам потребления.
При экскаваторной добыче часто используют перфорированные ковши.
Рыхлый каменный материал может добываться и отправляться потребителю по следующим схемам:
1) после добычи материал отвозится на вблизи лежащий за-
вод (базу по переработке) и оттуда отпускается потребителю;
2) добываемый материал перерабатывается на передвижной
установке, установленной на карьере, и оттуда идет потребителю;
3) качественный материал непосредственно доставляется по-
требителю;
4) может использоваться смешанная из вышеупомянутых
схем.
Добываемый песок на заводе (базе) может освобождаться от
крупных включений, глины и пыли (промываться и классифицироваться) и обезвоживаться. Он также может использоваться в
34
качестве мелкого заполнителя в асфальто- и цементобетонах, в
основаниях дорожных одежд путем укрепления органическими и
неорганическими вяжущими, а также в качестве дополнительного
(подстилающего) и морозозащитного слоев дорожных одежд.
Песчано-гравийная (ПГС) и гравийно-песчаная смесь (ГПС)
могут применяться без разделения на песчаную и гравийную части или с их разделением. При присутствии валунной части она
предварительно отделяется и перерабатывается в щебень. ПГС,
ГПС и гравий могут использоваться в качестве компонентов АБС
или ЦБС или без укрепления вяжущими в качестве нижних и
подстилающих слоев дорожных одежд, а в укрепленном вяжущими виде – в верхних слоях и даже покрытиях автомобильных
дорог.
В зависимости от конкретных условий на заводе (на базе по
переработке рыхлых каменных материалов) могут быть установлены сортировочные и дробильно-сортировочные установки,
мойки, классификаторы и т.д. На этих установках последовательно проводятся технологические операции по промывке, классификации, обезвоживанию, дроблению крупных компонентов и
сортировке рыхлых каменных материалов. Часть операций может
выполняться с повторением.
4.1.5. Технологические основы использования каменных материалов в дорожных одеждах
В дорожных одеждах каменный материал без обработки, с
обработкой способами поверхностной и объемной работы различными вяжущими веществами, в составе асфальто- и цементобетонов используется в виде природного и шлакового щебня или
гравия стандартных фракций 70…120, 40…70, 20…40, 5…20 мм
или их смесей, высевок фракции 0…20 мм или рыхлых материа-
35
лов – песков, ПГС, ГПС и т. д. в качестве дренирующих слоев и
других.
В любом случае в целях обеспечения устойчивой работы конструктивного слоя дорожной одежды стремятся проектировать
смеси с наибольшей плотностью и упаковкой. Для этого требуются различные фракции минеральных материалов.
Существуют различные методы проектирования составов
смесей конструктивных слоев дорожных одежд. В нашей стране,
например, применяется метод подбора составов минеральной части асфальтобетонов при помощи предельных кривых плотных
смесей по принципу непрерывной и прерывистой гранулометрии. Этот метод был предложен в 30-х годах ХХ века проф. Н.Н.
Ивановым [4, 36]. Здесь к достаточно плотным смесям относятся
составы минеральных смесей, диаметр зерен которых уменьшается в два раза, а количество соответствующих фракций в
0,70…0,90 раз.
В плотных смесях остаточная пористость стремится к
наименьшему значению. Значения коэффициента внутреннего
трения стремятся к максимуму для обеспечения наибольшего
межзернового контакта и, соответственно, обеспечиваются
устойчивость против сдвига, а также более равномерное распределение внутренних напряжений от действующих на систему сил.
В общем виде в технологию устройства конструктивных
слоев дорожной одежды входят следующие технологические
операции.
Доставка и распределение их равномерным слоем при помощи различных средств механизации и уплотнение. В некоторых
случаях, например, при работе с использованием неорганических
вяжущих, требуется предпринимать меры по обеспечению нормального формирования структуры, обеспечению устойчивости
против внутренних напряжений (устройство противодеформаци-
36
онных швов), создание шероховатости поверхности покрытия и
т. д. При этом часть технологических операций может повторять-
ся или отсутствовать вообще.
Цель технологических операций – создание благоприятных
условий для формирования оптимальной структуры материалов в
конструктивном слое. При выполнении различных технологических операций (как при производстве, так и при доставке и
укладке) необходимо учитывать особенности подбора и свойств
применяемых материалов. Например, смеси, подобранные по
прерывистой гранулометрии, склонны к расслоению. Поэтому
желательно обеспечение их перемешивания во время транспортирования. В асфальтобетонных смесях с использованием малопрочных каменных материалов стремятся обеспечить наименьший контакт каменных материалов, т.е. проектировать коагуляционную структуру. Их уплотнение в конструктивных слоях стараются осуществить с наименьшим дроблением зерен и т.д.
В конструкциях дорожных одежд фракционированный прочный щебень или смеси различных фракций (свыше марки 400)
укладываются в конструктивный слой методом заклинки: сначала
укладывается более крупный щебень (например, фр. 40…70 мм),
сверху – более мелкий и укатывается. Более мелкий щебень укатывается не менее, чем десятью проходами по одному следу.
При этом основная цель – заполнить межзерновое пространство
мелкими частицами.
В процессе строительных работ и эксплуатации дороги щебень непрерывно подвергается измельчению, особенно при
уплотнении малопрочных материалов, за счет взаимного истирания и обкалывания кромок. Это ускоряется, в частности, в процессе укатки: известно, что при укатке легкими катками в конструкции дорожной одежды развиваются напряжения 0,7…1,2
МПа, средними – 0,75…1,6 МПа, тяжелыми – 1,2…2,0 МПа. Из-
37
мельчение и накопление мелких зерен уменьшает несущую способность конструктивного слоя, особенно в необработанных материалах в районах избыточной влажности. Мелкие частицы способствуют капиллярному поднятию воды. Особенно опасны в
этом отношении гравийные смеси.
Для уменьшения дробимости щебеночное основание рекомендуется уплотнить пневмошинными катками, причем укатываемый материал должен иметь оптимальную влажность. При работе дорожной одежды происходит ее прогиб, составляющие ее материалы взаимно перемещаются и также дробятся.
Используя щебень малопрочных пород, необходимо следующее:
1) обеспечить максимальную плотность материала в кон-
струкции дорожной одежды;
2) использовать щебень в укрепленном органическим, неор-
ганическим или комплексным вяжущим виде;
3) сочетая первый и второй способы, провести обработку частиц каменного материала жидкими вяжущими для защиты их от
воды, затем осуществить омоноличивание всего конструктивного
слоя, учитывая самосцементирующую способность карбонатных
пород, особенно при присутствии небольшого содержания (до
3…5 %) цемента.
При этом для уменьшения дробимости щебня при укатке же-
лательно применить пневмошинные катки.
Дробимость щебня происходит также в процессе эксплуатации дороги. Однако специальными исследованиями установлено,
что дробимость зерен щебня размером менее 17…18 мм резко
уменьшается.
При устройстве конструктивного слоя с использованием обработанного битумом или минеральными вяжущими малопрочных каменных материалов для снижения их дробимости приме-
38
няют вибро- или пневмокатки [5, 7]. При использовании для
укрепления минеральных вяжущих с целью формирования оптимальной структуры необходимо обеспечить уход за готовым
слоем, если на нем сразу не устраивают покрытия. Такой уход
заключается в разливе 50% битумной эмульсии из расчета
1,0…1,2 л/м2 или разжиженного битума из расчета 0,4 л/м2.
В конце 90-х годов прошлого и в начале ХХI века нами разработаны технологии производства черного щебня, получаемого
методами глубинной (объемной) пропитки малопрочных каменных материалов, т.е. производство объемного черного щебня [18,
48] жидкими вяжущими веществами под избыточными давлениями.
В качестве жидких вяжущих веществ используются расплавленные вязкие и разжиженные битумы, нефтяной битум, некоторые жидкие отходы промышленности. Возможны схемы пропитки жидких вяжущих или невяжущих веществ с последующей поверхностной обработкой щебня битумом: например, жидким
стеклом, шпалопропиточной смесью и т. д.
Технологии их производства включают следующие операции:
1) просушку щебня в сушильном барабане;
2) пропитку щебня под избыточным давлением в среде про-
питывающей жидкости: это возможно осуществить в специальном разработанном автоклаве, в приямке гудроно- или битумохранилищ или, например, в шпалопропиточных сосудахавтоклавах;
3) удаление с поверхности пропитанного щебня излишней
жидкости, например, на вибролотках;
4) обработку поверхности пропитанного щебня расплавлен-
ным битумом (кроме предварительно пропитанного битумом
или нефтяным битумом щебня, когда последующей поверхностной обработки щебня не потребуется). При пропитке жид-
39
ким стеклом его необходимо закрепить, например раствором
хлористого кальция.
Подчеркнем, что объемный черный щебень позволяет на порядок расширить область применения малопрочного щебня в дорожных одеждах. Например, объемный черный щебень на основе
известнякового щебня марки 300…400 может использоваться
взамен пористого крупнозернистого асфальтобетона в нижнем
слое двухслойного покрытия автодорог 3-4 категории во второй
дорожно-климатической зоне.
При устройстве оснований из шлако-минеральных смесей
технологические процессы зависят от принятых способов [6]:
- приготовлением смеси в установке с последующей укладкой
в основании;
- смешением компонентов смеси на месте производства работ;
- комбинированным способом, включающим укладку крупно-
зернистого материала в основание, распределение на нем предварительно приготовленной в смесительной установке смеси вяжущего с мелкозернистым заполнителем с последующим их объединением способом перемешивания или пропитки либо вдавливания (вибровдавливания) при помощи виброкатка.
Распределение смесей на месте может производиться укладчиками дорожно-строительных материалов или (после доставки и
выгрузки автосамосвалами на земляное полотно) автогрейдерами
за несколько проходов. Толщину укладываемого слоя рекомендуется принять с запасом на уплотнение в 1,2…1,3.
Уплотнение производят самоходными пневмошинными катками с гладким протектором за не менее 12…16 проходов по одному следу и при рабочей скорости вначале (первые 4…5 проходов) 1,5…2 км/ч, далее – при максимальных скоростях. После
окончания уплотнения, если покрытие устраивается не сразу,
требуется осуществлять уход путем укрытия или нанесения за-
40
щитной водонепроницаемой пленки. Открытие движения построечной техники по этому слою допускается не ранее, чем через
7 суток после уплотнения [6, 9, 16].
При применении способа перемешивания вяжущее распределяют на поверхности каменного материала распределителем цемента, а для перемешивания можно использовать профилировщик основания, например ДС – 108, передвижной грунтосмеситель, дорожную фрезу или автогрейдер. Щебень по основанию
может распределяться бульдозером, автогрейдером или профилировщиком основания при поднятом состоянии фрезы и шнека.
Разравняв, щебень увлажняют поливо-моечной машиной с
расходом воды из расчета получения у щебеночнопескошлаковой смеси оптимальной влажности. Окончив перемешивание, до уплотнения производят планировку поверхности автогрейдером или профилировщиком. После окончания укладки
выполняют чистовую отделку (планировку) поверхности и уход.
Приготовление пескошлаковой смеси осуществляется в бетоносмесительных установках типов СБ – 75, СБ – 78 или в подвижном смесителе ДС – 50 А.
4.2. Физико-химические основы производства и применения каменных материалов
4.2.1. Общие сведения о структуре и свойствах КМ
Каменные материалы, как и любые другие материальные те-
ла, как известно, состоят из атомов и молекул, находящихся в
непрерывной движении [3]. Определенные виды атомов с одинаковыми химическими свойствами, называемые химическими
элементами, могут образовать простые или сложные вещества.