Щебень
Щебнем называют материал, полученный в результате дробления камней из горных пород. Щебень имеет остроугольную форму. Для приготовления бетона лучше всего использовать щебень, близкий по форме к кубу или тетраэдру; плоская форма значительно хуже, так как она легко ломается. Форма щебня зависит от структуры каменной породы и типа камнедробильной машины.
Для производства щебня используют гранит, диабаз и другие изверженные породы, а также плотные осадочные породы — известняк, доломит и измененные породы — кварцит. Наиболее широко в строительстве применяют известняковый и гранитный щебень.
К крупности, зерновому составу, прочности и морозостойкости щебня предъявляют те же требования, что и к гравию. Щебень чище гравия, обычно он не содержит органических примесей. Предельное содержание глинистых и пылевидных примесей допускается: для бетонов М300 (В25) и выше — 1 % в щебне из изверженных пород и 2% в щебне из карбонатных пород; для бетонов более низких марок — соответственно 3 ... 2% (по массе).
Обогащение щебня
Все месторождения щебня характеризуются в той или иной степени неоднородностью камня по прочности. Даже сравнительно однородные высокопрочные гранитные породы содержат слабые включения. Наиболее неоднородны известняки, залегающие слоями различной плотности.
Для улучшения качества щебня на основе детальной геологической разведки месторождения можно производить так называемую селективную разработку карьера, добывая только наиболее прочный камень. Но при этом значительно усложняются работы и повышается стоимость щебня.
При современном крупном производстве более целесообразна массовая разработка месторождений с последующим разделением родукции на отдельные классы по прочности и назначению.
Для обогащения щебня используют те же методы, которые применяются для гравия и описаны выше.
Особое значение для щебня имеет обогащение по принципу избирательного дробления. Этот метод основан на следующем влении. Степень измельчения дробимого камня зависит не только от вида дробилки, ее настройки и режима работы, но и от прочности камня. Если через дробилку, работающую в постоянном режиме, пропускать камень разной прочности, то чем меньше проч-ость, тем мельче будет продукт дробления. Поэтому если после робления отсеять из продукта мелкую фракцию, то оставшийся адрешетный продукт окажется более однородным и прочным. 'Десь выявляется еще одно важное достоинство промежуточного рохочения: оно позволяет, отделяя непрочную фракцию, обога-ать конечную продукцию
Эффективность избирательного дробления особенно высока при использовании дробилок ударного действия, в которых камень на лету дробится ударом. Иногда с этой целью применяют специальные молотковые, роторные дробилки, дезинтеграторы и др.
Помимо обогащения по прочности возможно обогащение получаемого щебня по форме зерен. Для отделения зерен пластинчатой и игловатой форм применяют щелевые и специальные колосниковые грохоты, дающие определенный эффект при небольших затратах. Была предложена и внедрена также «грануляция» щебня дополнительной обработкой в молотковой дробилке или в дробилках других типов, работающих «в режиме грануляции»-— при соответствующей настройке и неполной загрузке.
За счет разламывания преимущественно зерен пластинчатой и игловатой форм щебень при «грануляции» приближается к кубовидному. Однако это связано со значительными затратами, которые не всегда окупаются.
Относительно эффективности применения щебня с той или иной формой зерен существуют различные мнения. Некоторые исследователи (С. С. Гордон) полагают, что пластинчатая (лещадная) форма зерен щебня лучше кубовидной, поскольку позволяет получать бетон более высокой прочности. С учетом изложенного в гл. 4 это можно объяснить эффектом «армирования» бетона заполнителем.
С другой "стороны, удобоукладываемость бетонных смесей на щебне с кубовидной формой зерен, несомненно, лучше, что особенно важно при бетонировании тонкостенных густоармированных конструкций, например при производстве железобетонных напорных труб. В подобных случаях обогащение щебня по форме зерен оправдывает затраты.
Промывка щебня производится, когда содержание пыли в нем превышает пределы, допускаемые стандартами. Осуществляется она, как правило, в процессе мокрого грохочения разбрызгиванием воды над грохотами.
Перспективным методом обогащения является сухое обеспыливание щебня потоком воздуха, которое также можно совместить с процессом грохочения.
Производство щебня
Производство щебня включает следующие технологические процессы: добычу камня, дробление и сортировку (грохочение).
Добыча камня осуществляется в основном в карьерах. Разработке месторождений каменных пород предшествуют вскрышные работы, состоящие в удалении растительного слоя и песчано-глинистых пород средствами, описанными выше. В состав вскрышных работ может входить и удаление непригодного камня верхней зоны (зоны выветривания). Эти работы выполняют буровзрывным способом с вывозкой камня в отвал.
После обнажения каменного массива и подготовки уступа ( 5.2) специальными буровыми машинами и станками в массиве бурят скважины диаметром до 250 мм на глубину 10 ... 20 м в один ряд вдоль уступа или в два-три ряда в шахматном порядке через 4 ... 7 м, закладывают в них взрывчатые вещества (аммониты, тротил и др.) и производят одновременно массовый взрыв (предварительно удалив из опасной зоны людей и технику). В результате взрыва уступ заполняется рваным камнем разной крупности и глыбами. Крупные глыбы (негабарит) взрывают вторично накладными или шпуровыми зарядами, после чего рваную породу разрабатывают мощными экскаваторами с ковшом вместимостью 2 ... 4 м3.
Камень грузят экскаваторами в транспортные средства (преимущественно автосамосвалы большой грузоподъемности), доставляющие его на дробильно-сортировочный завод.
В некоторых случаях первичное дробление камня целесообразно осуществлять непосредственно в карьере и доставлять на дробильно-сортировочный завод уже не крупный камень, а частично дробленый.
Основное оборудование дробильно-сортировочного завода — дробилки и грохоты, а также ленточные конвейеры, питатели, транспортеры, объединяющие все агрегаты в технологические линии.
Щебень из доменного шлака
Щебень для бетона можно получить из доменных шлаков текущего выхода или дроблением и сортировкой шлаков из старых отвалов.
Шлаки в отвалах неоднородны по составу и свойствам. В зависимости от условий остывания степень их кристаллизации различна. Неодинакова их пористость и прочность. В связи с этим целесообразна выборочная разработка старых отвалов или обогащение шлака после дробления на щебень.
Универсальная технологическая схема переработки доменных лаков для получения 250... 300 тыс. м3 щебня в год. По этой схеме для дробления шлаков используют ековые дробилки со сложным движением щеки, которые позвояют получить-щебепь фракций 5 ... 20, 20 ... 40 и 40 ... 70 мм содержанием зерен кубической формы более 90%- Двойная ектромагнитная сепарация позволяет освободить щебень от меаллических включений. Отсевы дробления (0 ... 5 мм), составяющие порядка 40%, разделяют грохочением на ситах со щелеидными пустотами на две фракции 1,25 ... 5 мм (песок) и 0 ...,25 мм. Последнюю можно использовать в качестве мелкой сотавляющей к гранулированному шлаку или в виде пульпы к раславу доменного шлака при получении граншлака. При использовании огненно-жидкого доменного шлака текуще-выхода его сливают на специальные литейные площадки или в
раншеи, где шлак при медленном остывании кристаллизуется. силу неравномерного охлаждения образуются трещины, поэтому лажденпый массив доступен непосредственной разработке экска-тором с последующим дроблением. Для усиления растрсскива-я и облегчения последующей переработки шлак после кристализации (при естественном охлаждении до температуры примерно 10°С) поливают водой. ГОСТ 5578—76 содержит технические требования к щебню из менного шлака, в основном аналогичные требованиям к обыч-му щебню из природного камня. Важным дополнением являют-требования по устойчивости структуры.
В зависимости от химического и минералогического составов которые шлаки могут подвергаться распаду. Иногда кусковой шлак самопроизвольно превращается в порошок. Исследованиями тановлено, что основной причиной возможного разрушения яв-ется образование в шлаке неустойчивых силикатов кальция, етерпевающих затем объемные деформации. Такое разрушение зывают силикатным распадом.
Чтобы проверить стойкость шлакового щебня к силикатному спаду, пробу испытывают пропариванием над кипящей водой и в автоклаве в среде насыщенного водяного пара при давлении МПа (ГОСТ 9758—86). Таким образом процессы распада си-ката кальция нестабильной формы интенсифицируются и прояв-ются в измельчении зерен. Шлаковый щебень считается стой-м к силикатному распаду, если в результате испытания потеря массе данной фракции, т. е. отсев мелочи на сите, не превыша-5%.
Предварительная оценка пригодности доменного шлака для про-
водства щебня производится по данным химического анализа.
едполагается, что шлак будет иметь устойчивую структуру, если
массовая доля в нем оксида кальция удовлетворяет условию CaO<0,92SiO2+Al2O3+0,2MgO
Устойчивую структуру имеют, как правило, кислые шлаки.
Для стабилизации в шлаки, склонные к распаду, вводят некоторые добавки, растворяющиеся в расплаве и направляющие кристаллизацию в желаемом направлении с образованием устойчивых минералов.
По показателю дробимости при сжатии (раздавливании) в цилиндре щебень из доменного шлака подразделяется на четыре марки: Др45 — для бетона с пределом прочности ниже 20 МПа, Др35 — для бетона с пределом прочности 20 ... 30 МПа, Др25 — для бетона с пределом прочности 30 ... 40 МПа, Др15 — для бетона с пределом прочности 40 МПа и выше.
Таким образом, на щебне из доменного шлака можно получать высокопрочные бетоны для разнообразных конструкций. Шлаковый щебень в районах сосредоточения металлургической промышленности обходится значительно дешевле других заполнителей, в частности щебня из природного камня, его применение дает большой экономический эффект.
Однако содержащаяся в шлаке сера может вызвать коррозию стальной арматуры. В связи с этим использование шлакового щебня в производстве железобетонных конструкций с предварительно напряженной арматурой должно быть обосновано специальными исследованиями, а если содержание серы больше 2,5%, то требуется специальное исследование бетонов для всех видов конструкций.
Насыпная плотность шлакового щебня для тяжелого бетона должна быть не менее 1000 кг/м3. Это плотный и прочный заполнитель черного или темно-серого цвета, шероховатый в изломе.
Некоторые виды шлаков, так называемые «газистые», вспучиваются пузырьками выделяющихся газов и застывают в виде пористого материала. Например, пористые отвальные шлаки завода «Азовсталь» имеют плотность зерен 0,4... 1,6 г/см3 и предел прочности соответственно 2,5 ...40 МПа (пропорциональный квадрату плотности). Насыпная плотность щебня из таких шлаков составляет; 800 кг/м3 и менее, поэтому он может быть применен для легких бетонов. В основном же пористые заполнители для легких бетонов из металлургических шлаков получают искусственной поризацией.
Для получения высокопрочного плотного щебня из доменного шлака часто требуется их дегазация. Это может быть достигнуто введением в шлаковый расплав специальных добавок, а также, как показали П. А. Кривилев и другие, путем его виброобработки.
Отвальные пористые шлаки в значительной степени неоднородны. Для того чтобы повысить эффективность их применения, как показали исследования Донецкого ПромстройНИИпроекта (А. А. Баринов и др.), целесообразно обогащение с разделением по плотности на ппевмоклассификаторах, серийно выпускаемых промышленностью и используемых на углеобогатительных фабриках.
Исследование ВНИИОМпромжилстроя показало возможность разделения предварительно фракционированного пористого шлака способом метания с помощью быстроходного (15 м/с) питателя. Дальность полета зерен шлака—12... 19 м, причем легкие зерна падают ближе, чем тяжелые.
В Днепропетровском инженерно-строительном институте (Б. Ш. Дубовый, В. Е. Бойко) разработана технология разделения шлакового щебня воздушной струей вентилятора. Чем легче зерна, тем дальше от вентилятора относит их воздушная струя. Так, при исходной насыпной плотности шлакового щебня (фракции 10 ... 20 мм) 950 кг/м3 был получен щебень трех классов с насыпной плотностью 1;2Ю, 970 и 730 кг/м3. На самом тяжелом можно получать конструкционные бетоны более высокой прочности при меньшем расходе цемента, на самом легком — бетоны с меньшей теплопроводностью. Экономический эффект в 10 раз превысил затраты на разделение щебня.
Щебень. Железисто-кварцитовый
Различный химический состав, физические параметры и свойства отходов, образуемых при добыче и обогащении руд, обусловливают и разнообразие получаемых на их основе строительных материалов. Основным направлением утилизации этой группы отходов является производство нерудных материалов, прежде всего заполнителей бетонов и растворов, дорожно-строительных материалов, бутового камня и др.
Щебень. Железисто-кварцитовый - щебень применяют для устройства подстилающих слоев и дорожного основания, а также в качестве крупного заполнителя цементных и асфальтовых дорожных бетонов. По своим физико-механическим свойствам железисто-кварцитовый щебень удовлетворяет требованиям к материалу для балластного слоя железнодорожных путей. Если пути оборудованы системой сигнализации, централизации и блокировки, то применение железисто-кварцитового щебня возможно только после исследования его магнитных свойств. Подобные исследования также необходимы при применении щебня из железистых кварцитов в гидротехническом бетоне повышенной морозостойкости.
Щебень из попутных пород при добыче железной руды получают на дробильно-сортировочных установках, а также с помощью сухой магнитной сепарации. Дробильно-сортировочная установка для получения щебня из железистых кварцитов ( 6.1) действует по следующей схеме. Ступенчатое дробление некондиционной руды выполняется на конусных дробилках с последующим разделением на фракции 0—20 и 20—40 мм. Из первой фракции грохочением отделяют фракцию 0—5 мм, которую отправляют на обогатительную фабрику для переработки в концентрат, а фракции 5—20, 20—40 мм пропускают через магнитный сепаратор, где от щебня отделяется руда.
Из железистых безрудных кварцитов можно получать щебень с марками по прочности Ml 100—Ml200. При средней плотности кварцитов около 3100 кг/м3, насыпная плотность щебня различна и зависит от зернового состава и содержания железистых минералов. Для фракции 5—20 мм она составляет 1450—1700 кг/м3; для фракции 20— 40 мм — 1400—1600 кг/м3. Железисто-кварцитовый щебень по содержанию пылевидных и глинистых частиц, лещадных и игловатых зерен, водопоглощению не отличается от гранитного.
Его морозостойкость составляет 150—300 циклов попеременного замораживания и оттаивания.
Бетоны на железисто-кварцитовом и гранитном щебнях близки по свойствам, но бетонам на железисто-кварцитовом щебне свойственна более низкая истираемость.
Применение в строительстве щебня из отходов добычи и обогащения руд дает значительный технико-экономический эффект.
Себестоимость 1 м3 щебня из попутных пород примерно на 40% ниже себестоимости гранитного, что обеспечивается снижением трудовых и материальных затрат, необходимых на строительство и освоение специальных карьеров, выполнение буровзрывных вскрышных и добычных работ, погрузку и транспортирование сырья, переработку и дробление горной массы, использованием существующих в основном производстве транспортных коммуникаций, сетей электроснабжения.
Песок. Почти половина общей массы железной руды при обогащении образует отходы («хвосты»), представляющие собой кварцево-железистый песок состоящий из частиц размером 0,14—0,63 мм. Наличие в составе этих отходов большого количества соединений железа обусловливает их более высокую плотность, чем природного песка.
Экспериментально разработана технология обогащения шламовых отходов ГОКов, позволяющая получать искусственные пески, однородные по химико-минералогическому составу и качеству. Обогащенные и фракционированные отходы получают отделением глинистых и пылевидных частиц и зерен крупностью менее 0,14 мм и разделением на фракции ( 6.2). Они должны содержать не менее 55% кремнезема и не более 15% соединений железа.
Магнетит Fe304 и гематит Fe203, содержащиеся в железистых кварцитах, относятся к потенциально реакционноспособным. Поэтому возможность применения в качестве заполнителей материалов, содержащих такие минералы, должна быть установлена специальными исследованиями. Опыты показали, что образующийся в процессе твердения бетона аморфный гидроксид железа экранирует расположенные на поверхности заполнителей железосодержащие минералы, практически исключая их участие в дальнейшем синтезе новообразований. Об этом свидетельствует и отсутствие коррозионных явлений в конструкциях из бетона на заполнителях из железной руды.
Основным критерием при оценке качества мелкого заполнителя является его влияние на водопотребность смеси и прочность бетона. При одинаковом гранулометрическом составе водопотребность песка из отходов обогащения железных руд несколько больше, чем природного, что объясняется повышенной шероховатостью поверхности его зерен. Чем крупнее породообразующие зерна, т. е. выше степень метаморфизма породы, тем больше шероховатость и водопотребность крупных зерен песка. Однако с уменьшением размеров зерен кварцево-железистых песков заполнители приобретают в основном мономинеральный состав, гладкую поверхность, и их водопотребность становится практически аналогичная зернам природного песка. С уменьшением модуля крупности природного песка и увеличением содержания в нем глинистых и илистых примесей возможна его замена на искусственный аналогичного гранулометрического состава.
Целесообразно применение мелкозернистых отходов в качестве заполнителей песчаного бетона, так как предел прочности при сжатии, модуль упругости, сцепление с арматурой, водонепроницаемость и морозостойкость такого бетона выше, чем бетона на природном песке. Использование кварцево-железистых песков в качестве мелкого заполнителя увеличивает среднюю плотность песчаного бетона на 100—250 кг/м3, а обычного — на 50—100 кг/м3.
Железистые минералы улучшают при нормальном твердении адгезионные свойства поверхности заполнителей, поэтому кварцево-железистые пески эффективнее использовать в бетонах, твердеющих в естественных условиях. В бетонах с крупным заполнителем адгезионные свойства мелкого заполнителя мало влияют на прочность бетона. Однако с увеличением его удельной поверхности повышается водопотребность бетонной смеси и ухудшается сцепление раствора с крупным заполнителем. В связи с этим замена в крупнозернистых бетонах местного природного песка искусственным возможна только при меньшей водопотребности последнего или при соответствующем экономическом обосновании.
При одинаковых исходных условиях введение пластифицирующих добавок продуктивнее в мелкозернистую бетонную смесь на искусственном песке, чем на природном, так как при этом существенно улучшается ее удобоукладываемость. Однако при этом уменьшается прочность бетона, что объясняется ухудшением адгезионной способности железосодержащих минералов. Поэтому более эффективны добавки суперпластификаторов.
В качестве строительного песка применяют также отсевы, получаемые при дроблении на щебень кварцитовых пород.
Отходами горно-обогатительных комбинатов можно полностью заменить обычные кондиционные заполнители в тяжелом бетоне и обеспечить достижение его проектных свойств без перерасхода цемента. Негативные особенности бетонных смесей на мелком заполнителе из отходов обогащения руд, например пониженную пластичность и водоудерживающую способность, можно ликвидировать введением добавок ПАВ, регулирующих соответствующие свойства.
Остроугольная форма и рельефная поверхность зерен обеспечивают более высокое сцепление искусственных песков, чем речных, что положительно сказывается на прочности бетона. Так, исследованиями установлено, что прочность бетонов при неизменных составах на мелких заполнителях из отходов обогащения Криворожских горнообогатительных комбинатов на 20% выше прочности бетона, приготовленного на днепровском песке. Увеличение прочности компенсирует возможное увеличение расхода цемента при замене кварцевого песка отходами обогащения вследствие роста водопотребности бетонных смесей. Стоимость заполнителей из отходов обогащения, как правило, существенно ниже, чем природных. В условиях Криворожского бассейна фракционированные отходы горно-обогатительных комбинатов в 6—10 раз дешевле привозного песка. При их применении себестоимость 1 м3 железобетонных изделий снижается на 10%.
Отходы, получаемые при обогащении руд, могут полностью заменять также кварцевый песок в строительных растворах. Они особенно эффективны в штукатурных растворах, где нежелательно присутствие частиц заполнителя крупнее 2,5 мм. Высокая средняя плотность некоторых составов таких растворов позволяет применять их в рент-генозащитных штукатурках. Средняя плотность растворов на заполнителях из шламов обогащения примерно на 22% больше средней плотности растворов на кварцевом песке.
Технические требования к щебню
Технические требования к щебню предъявляемые в стандартах в отношении его фракционирования и зернового состава поставляемых фракций или их смесей аналогичны требованиям к гравию, изложенным выше
По ГОСТ 10268—80 предел прочности горной породы, используемой для производства щебня, должен быть выше заданного предела прочности бетона: не менее чем в 1,5 раза — для бетона с пределом прочности ниже 30 МПа; не менее чем в 2 раза — для бетона с пределом прочности 30 МПа и выше.
Щебень из изверженных горных пород, применяемый в качестве заполнителя для тяжелого бетона, должен иметь марку, соответствующую пределу прочности породы не ниже 80 МПа, из метаморфических пород — не ниже 60 МПа, из осадочных — не ниже 30 МПа.
Для гидротехнического бетона зоны переменного уровня воды должен применяться щебень из пород, предел прочности которых превышает предел прочности бетона не менее чем в 3 раза (для изверженных и метаморфических пород) или в 2,5 (для осадочных). Как следует из гл. 4, эти требования обеспечивают необходимую и достаточную для бетона прочность заполнителей с большим запасом.
Содержание зерен слабых пород в щебне допускается не более 10% (по массе), а для бетона ряда ответственных конструкций — не более 5%. Массовая доля отмучиваемых примесей в щебне из изверженных и метаморфических пород не должна превышать 1%, а в щебне из осадочных пород в ряде случаев (в зависимости от марки бетона и вида конструкций) —2(3) %