Одним из важных материалов, применяющихся для строительства, реконструкции, ремонта и содержания автомобильных дорог, это — щебень. От качественных характеристик щебня в большой мере зависят потребительские свойства (ровность, коэффициент сцепления и т.д.) и долговечность автомобильных дорог. Преимущественно это относится к щебню, применяемому для устройства верхних слоев дорожной одежды, непосредственно воспринимающих механические нагрузки от автомобильного транспорта, находящихся под воздействием факторов природы (изменяющийся температурно-влажностный режим, многократное замораживание-оттаивание, действие солнечной радиации и т.д.) и антигололедных средств. Щебень, применяемый в дорожном хозяйстве, условно можно разделить на три группы:

а) щебень для устройства подложки дорожных одежд (любые, но преимущественно осадочные горные и рыхлые скальные породы с крупностью фракций 5 — 20, 20 — 40, 40 — 70, О — 40, 0 — 70 мм);

б) щебень для нижних слоев дорожных покрытий (метаморфические и изверженные скальные породы с крупностью фракций 5 -20 и 20 — 40 мм);

в) щебень для верхних слоев покрытий из асфальтобетонных смесей типа А и поверхностной обработки (изверженные и частично метаморфические горные породы крупностью щебня от 5 до 20 мм) с содержанием зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой формы не более 15% (группа 1 по ГОСТ 8267-93), который принято называть «кубовидным».

За последние годы появился устойчивый спрос на щебень кубовидной формы у строительных организация, но эта потребность в РФ сейчас покрывается только на 30 — 40%.

Следует отметить, что месторождения сальных пород, используемых для производства щебня кубовидной формы, располагаются на территории России неравномерно. В Центральном, Северо-Кавказском и Поволжском регионах сосредоточены в основном месторождения скальных и рыхлых осадочных горных пород. Имеется несколько месторождений изверженных горных пород, наиболее значительным из которых является «Павловское» (Воронежская обл.). Большими запасами изверженных горных пород обеспечены Северо-Западный и Уральский регионы. Регионы Сибири и Дальнего Востока обеспечены всеми типами горных пород для дорожногостроительства. Суммарный объем производства каменных материалов (щебень, щебень из гравия, гравий, песок) в России составляет примерно 140 млн. м» в год, примерно половина от этого количества используется в дорожном строительстве.

В соответствии с президентской программой «Дороги России XXI века» Союздорнии рассчитали потребности в различных дорожно-строительных материалах и изделиях для строительства, реконструкции, ремонта и содержания автомобильных дорог, в том числе была, определена потребность в видах щебня. В таблице 1 перечислена потребность в щебне узких фракций кубовидной формы из изверженных скальных пород для различных регионов России. Анализ таблицы 1 показывает, что потребность в щебне кубовидной формы для строительства составит в 2002 году 9,6 млн. м3, в 2005 — 10,9 млн. м3, а в среднем за период 2001 — 2005 гг. — 10,0 млн. м», 2006 — 2010 гг. — 19,4 млн. м», 2011 — 2020 гг. — 37,0 млн. м».

Протяженность сети дорог общего пользования с твердым покрытием сейчас в России составляет около 600 тыс. км, и большая часть щебня кубовидной формы будет использована на их мелкий ремонте и содержание.

Большое количество всех видов щебня будет использоваться в Центральном регионе России, где дорожное строительство ведется наиболее интенсивно. Анализ продукции, выпускаемой предприятиями нерудной промышленности, разрабатывающими месторождения изверженных горных пород, показывает, что они в основном выпускают щебень в виде смеси фракции 5-20 мм и фракции 20-40 мм. К щебню смеси фракции 5-20 мм, по большей части используемой для изготовления асфальтобетонных смесей для верхних слоев покрытий, имеются серьезные претензии со стороны строительных организаций.

Получаемый щебень фракций 5-20 мм часто сильно закрупнен: так, рассевы показывают, что на сите с ячейками размером 12,5 мм содержание щебня составляет обычно 70% и более. Это делает невозможным из вырабатываемого щебня подобрать нужный зерновой состав минеральной части асфальтобетонных смесей, что существенно ухудшает физико-механические параметры асфальтобетона. Исследования Союздорнии, а также отечественный и зарубежный опыты строительства и эксплуатации автомобильных дорог позволили установить, что щебень для изготовления асфальтобетонных смесей для верхних слоев покрытий обязан выпускаться в виде узких фракций (5-10, 10-15, 15-20 мм). Из узких фракций щебня просто подобрать требуемые смеси оптимального зернового состава. Применение оптимальных смесей позволяет улучшить однородность контролируемых свойств асфальтобетона, увеличить его плотность и сдвигоустойчивость.

Вырабатываемый щебень фракции 5-20 мм часто имеет большое количество зерен лещадной формы — 25-40% и более, но, как было указано выше в соответствии с действующей нормативно-технической документацией для верхних слоев асфальтобетонных покрытий, должен применяться кубовидный щебень, где наличие зерен лещадной формы не должно превышать 15%. Повышенное содержание зерен лещадной формы отрицательно влияет на удобоукладываемость и плотность асфальтобетонных смесей. Также нужно учитывать, что зерна лещадной формы обладают меньшей механической прочностью в сравнении с кубовидными зернами щебня. В следствии этого при строительных работах (при укатке) и в процессе использовании (под воздействием автотранспорта)зерна лещадной формы дробятся, что может приводить к образованию свежих поверхностей не покрытых битумом. Эти места являются первичными очагами разрушения асфальтобетона при попадании воды и действия затем попеременного замораживания-оттаивания.

Это также показывается исследованиями Союздорнии, где исследовалась зависимость между разрушением щебня в цилиндре и наличием в нем зерен лещадной формы. Выяснено, что с увеличением содержания в щебне (М 1200) зерен лещадной формы с 0 до 20% его разрушаемость увеличилась с 5 до 11%, то есть дробятся преимущественно зерна лещадной формы.

Щебень узких фракций кубовидной формы в первый раз в широких масштабах в России был применен для формирования верхних слоев асфальтобетонных покрытий при ремонте МКАД. На начало строительства (1996 г.) оказалось, что щебень узких фракций кубовидной формы в России в нужных объемах не выпускается. Поэтому АО «Центрдорстрой», являющимся генеральным подрядчиком строительных работ, для производства щебня узких фракций кубовидной формы были закуплены три дробильно-сортировочные установки производительностью 150-250 т/час импортного производства. Установки были оборудованы на промплощадках асфальтобетонных заводов и выпускали щебень фракции 5-10 и 10-15 мм с содержанием зерен лещадной формы в пределах 9-13%.

Представительные статистические данные показали, что асфальтобетонное покрытие на МКАД, сделаное с использованием щебня узких фракций кубовидной формы, стало более сдвигоустойчивым. Среднее значение угла внутреннего трения асфальтобетона увеличилось примерно на 1,5 градуса, а разброс этого показателя значения уменьшился почти в два раза. Среднее сопротивление сдвигу при расчетных условиях возросло с 0,789 до 0,840 МПа. А показатель прочности при сжатии при 50°С асфальтобетона увеличился в среднем на 0,3 МПа и достиг величины 1,6 МПа.

Применение более качественного щебня на МКАД смогло предотвратить появление колеи на асфальте даже в форсмажорных случаях колонного движения и пробок из автомобилей при больших температурах и продлить срок его службы.

При изготовления щебня кубовидной формы необходимо иметь в виду, что форма зерен дробленого материала в чаще определяется текстурно-структурными особенностями начальной горной породы, используемым оборудованием и технологией дробления.

Горные породы, применяемые в данном случае для получения щебня узких фракций кубовидной формы, сформированы из нескольких минералов, представленных кристаллами, имеющими различную крупность. При переработке такая горная порода распадается по границам раздела между кристаллами. При этом установлено, что с увеличением размера кристаллов, при прочих разных условиях, выход щебня кубовидной формы также увеличивается. Метаморфические горные породы часто характеризуются слоистой текстурой и при дроблении имеют обычную тенденцию распадаться на пластины (зерна лещадной формы).

Для получения щебня кубовидной формы в основном применяют специальные конусные дробилки или дробилки ударного действия. Последние позволяют вырабатывать щебень, форма зерен которого наиболее близка к кубовидной, но эти дробилки характеризуются огромными расходами на рабочие части и увеличенным выходом отсевов дробления. Дробилки ударного действия следует применять в том случае, если вопросам экономики не придают никакого значения, а решающим фактором является форма зерен готового щебня.

Определенного уменьшения содержания зерен лещадной формы в щебне можно добиться и при использовании обычных конусных дробилок. Для этого необходимо, чтобы при производстве была, до отказа заполнена камера дробления. При этом производство получается не только между конусами оборудования, но и между зернами щебня, расположенными в камере дробления (дробление «в слое» или «в стесненных условиях»). Находящийся в исходном материале и образующиеся в процессе обработки зерна лещадной формы при этом, как механически наиболее слабые, рассыпаются. Для осуществления этого процесса дробилка должна быть оснащена датчиком уровня материала в камере дробления, а также аккумулирующим бункером с питателем. При недостатке материала в камере дробления увеличивается скорость питателя и направляет требуемое количество материала в дробилку. При производстве щебня узких фракций кубовидной формы на действующих производствах нерудной промышленности необходимо учитывать следующее. Дробильно-сортировочное оборудование этих производств к настоящему времени физически значительно изношено и устарело.

Реконструкция дробильно-сортировочных производства связана с большими техническими и финансовыми трудностями (замена дробилок на последней стадии дробления, расширение площадей грохочения, оптимизация внутренней транспортной системы, увеличение складов готового материала и т.д.). В этом случае целесообразно наряду с модернизацией щебнезаводов возводить на промплощадках щебзаводов специализированные открытые дробильно-сортировочные установки агрегаты некапитального вида, предназначенные для производства щебня фракций 5-10, 10-15 и 15-20 мм с содержанием зерен лещадной формы не более 15%. Эти машины более дешевы по сравнению с капитальными и их можно возвести в течение одного-двух месяцев. В качестве первичного материала при этом можно применять щебень фракций 20-40 и 40-70 мм. Технологическое оборудование (дробилки, грохота), применяемое в таких агрегатах, сейчас производится как российскими , так и зарубежными фирмами. При работе таких агрегатов можно также учитывать сезонный спрос на щебень для дорожного строительства.

Как было сказано ранее, выработка щебня узких фракций кубовидной формы в промышленных объемах было организовано в России в середине 90-х годов прошлого века. Для этого вначале использовалось дробильно-сортировочное оборудование зарубежных фирм «Svedala» (Швеция), «Nordberg» (Финляндия), «Parker» (Великобритания), так как в России в это врем дробильного оборудования для производства щебня кубовидной формы не производилось. Дробильное оборудование этих фирм характеризуется высокой надежностью в работе, большими диапазонами производительности и оборудованно системами автоматического управления.

Система управления обычно имеет несколько программ дробления, обеспечивая при этом автоматическое поддержание величины разгрузочной щели дробилки, что, в свою очередь, обеспечивает стабильный зерновой состав готовой продукции. Дробилки защищены от поломки при попадании недробимых (металлических) тел путем быстрого увеличения разгрузочной щели, которая автоматически выставляется до необходимого размера после выпуса недробимого материала. Дробилки обычно работают «под завалом» за счет автоматической связи между питателем и дробилкой. Питатель запускается при снижении уровня щебня в камере дробления. Работа «под завалом» помогает повышению степени кубовидности щебня.

К чести отечественных производителей оборудования следует сказать, что за прошедший этап развития, несмотря на сложное экономическое положение, они наладили производство дробильно-сортировочного оборудования для выпуска щебня кубовидной формы, цена которого в 1,5-2 раза меньше аналогичного по производительности и назначению оборудования иностранных фирм. ОАО «Дробмаш» совместно с ЗАО НПЦ «Кибернетика» наладили производство дробильно-сортировочной линии на базе конусной дробилки ДРО-560 с автоматической системой управления САУ, выполняющей функции указанные выше. Машина имеет производительность 40 м3/час и в качестве исходного материала использует щебень крупностью 20-40 (70) и 40-70 мм.

ОАО «Механобр-Техника» сейчас производит новые дробилки КИД (конусные дробилки инерционного действия с регулируемым дебалансным вибровозбудителем). Дробилки установлены на многих щебнезаводах (Карелия, Воронежская область, Оренбургская область, Московская область и другие). Помимо того, что это оборудование производит выпуск щебня кубовидной формы, они позволяют примерно на 10% уменьшить выход отсевов дробления, а также имеют степень дробления в 1,5-2,0 раза выше, чем у других конусных дробилок.

Дробилки КИД имеют производительность от 15 до 75 м»/час и в качестве начального материала используют щебень с наибольшей крупностью до 140 мм. Конструкция дробилок запатентована и применяется во многих западных странах.

ЗАО «Урал-Омега» производит центробежные дробилки ДЦ для производства щебня кубовидной формы. Эти дробилки широко используются в Уральском регионе (ЗАО «Южуралавтобан»). Здесь исходный материал разгоняется за счет центробежных сил до высоких скоростей и при столкновении его с футеровкой корпуса происходит его разрушение. Степень измельчения и соответственно выход щебня может регулироваться за счет регулировки скорости .

Таким образом:

— применение кубовидного щебня существенно повышает качество верхнего слоя покрытия;
— потребность в кубовидном щебне удовлетворяется в РФ меньше чем на 50%;
— использование Российского дробильно-сортировочного оборудования позволяет обеспечить дорожное хозяйство щебнем кубовидной формы.