Добыча и переработка природных каменных материалов

 

Горные породы становятся дорожно-строительными материалами после их добычи из земной коры и переработки.

Скопления горных пород в земной коре называют месторождениями. Разрабатываемые месторождения горных пород называют карьерами.

Для решения вопроса о целесообразности разработки данного месторождения производят разведку, цель которой установить:

- запасы горной породы;

- строительно-технические свойства горной породы;

- рентабельность разработки, которая будет зависеть от верхнего наносного слоя (вскрыши), толщины слоя породы, способа разработки и транспортирования горной породы.

В зависимости от условий залегания (рис. 3.8, 3.9) разработка рыхлых горных пород может вестись открытым способом в карьерах, реже подземным или подводным (рыхлые горные породы залегают сравнительно неглубоко от поверхности воды в реках или озерах).

При разработке месторождения вначале удаляют верхний наносный слой (вскрыша), а затем снимают верхние выветрившиеся слои горной породы. Работы в карьере обычно ведут уступами. Высота уступа колеблется в пределах 2...10 м. По условиям техники безопасности для рыхлых пород принимают меньшую высоту, чем для скальных. Горные породы, разбитые небольшими трещинами, разрабатываются механическим способом (экскаваторами). Массивные горные породы (как правило, изверженные) разрабатываются с применением взрывчатых веществ. Взорванную горную породу грузят экскаватором в транспортные средства и направляют на переработку на дробильно-сортировочные заводы, а также на передвижные камнедробильные сортировочные установки, где производят дробление и сортировку по фракциям с отделением мелких песчаных и пылевато-глинистых частиц.

Рыхлые горные породы (валуны, гравий, песок) добывают открытым способом, как правило, одно- и многоковшовыми экскаваторами. В большинстве случаев запасы рыхлых горных пород в пределах одного месторождения невелики, поэтому их переработка ведется в основном в передвижных установках.

Недопустимо производить разработку камня, предназначенного для последующего получения облицовочных плит или стеновых блоков взрывным способом, так как в этом случае камень делается трещиноватым и непригодным для обработки. Средние и мягкие породы (мрамор, известняк, вулканический туф) добывают в карьерах с помощью камнерезных машин (рис. 3.10), снабженных твердосплавными (или с алмазными насадками) дисковыми или цепными пилами. При этом из массива вырезают блоки в форме прямоугольного параллелепипеда шириной и высотой 0,2...2 м, длиной до 2,8 м. В случае, если необходимо добыть блок камня большего размера (2...10 м), используют установки с канатными пилами.

Твердые породы (гранит, сиенит и др.) обычно разрабатывают, отделяя сначала крупный монолит; затем его делят на блоки, из которых на камнеобрабатывающем заводе получают требуемые изделия.

Отделение монолита может осуществляться несколькими способами: буроклиновым, строчечным бурением и канатными пилами с алмазными насадками. Чаще других применяется буроклиновой способ. Он заключается в том, что отделяемый объем камня обуривается по контуру перфораторами, в полученные отверстия (шпуры) вводятся гидравлические или механические клинья (рис. 3.11) или расширяющиеся составы на основе минеральных вяжущих веществ – так называемый тихий взрыв. С их помощью монолит породы раскалывают по требуемой плоскости.

В настоящее время природные каменные материалы широко применяются в дорожно-строительном материаловедении (табл. 3.1).

 

Таблица 3.1 – Применение природных каменных материалов

 

Назначение	Требования	Рекомендуемые горные породы
Мощение автомобильных дорог	Износостойкость, прочность, морозостойкость	Базальт, диабаз, гранит, сиенит, диорит, габбро
Слои дорожной одежды	Износостойкость, прочность, морозостойкость	Гравий, песок
Щебень для тяжелого бетона	Износостойкость, прочность, морозостойкость	Гранит, сиенит, диорит, базальт, плотный известняк, доломит, кварцит
Плиты для тротуаров	Износостойкость, прочность, морозостойкость	Гнейсы
Мелкий заполнитель для бетонов и растворов	Плотность 2000...2800 кг/м^3	Песок кварцевый, полевошпатовый
Щебень для легкого бетона	Плотность до 1200 кг/м^3	Известняк пористый, туф, трахит
Фундаменты	Плотность более 2000 кг/м^3, морозостойкость	Все виды горных пород (бутовый камень, камни пиленые и колотые)

 

Для получения дорожных асфальто- и цементобетонов нашли повсеместное применение рыхлые горные породы, как заполнители в виде щебня, гравия и песка. К ним предъявляются определенные требования, которые изложены ниже.

Требования к щебню, гравию и песку

 

Требования к щебню

 

В зависимости от целевого назначения (табл. 3.1) к гранулометрическому составу щебня предъявляются требования, изложенные в нормативно-технических документах (ГОСТы, СТБ, ТУ). Эти требования необходимы для строгого соблюдения составов смесей, из которых в сочетании с вяжущими веществами готовят дорожные и общестроительные бетоны.

Щебень и гравий выпускают в виде следующих основных фракций:

- от 5 (3) до 10 мм;

- свыше 10 до 20 мм;

- свыше 20 до 40 мм;

- свыше 40 до 80 (70) мм;

- смеси фракций от 5 (3) до 20 мм.

В щебне нормируют содержание зерен пластинчатой (лещадной) и иголоватой форм. К зернам пластинчатой и иголоватой форм относят соответственно такие зерна, толщина или ширина которых менее длины в 3 раза и более. По форме зерен щебень подразделяют на три группы (содержание зерен пластинчатой и иголоватой форм, % по массе): кубовидная – до 15; улучшенная – от 15 до 25; обычная – от 25 до 35.

Смесь зерен щебня кубовидной формы дает наиболее плотную упаковку. Наличие в щебне зерен пластинчатой и иголоватой форм приводит к увеличению межзерновой пустотности в смеси. Кубовидные зерна также обладают большей прочностью, чем зерна пластинчатой и иголоватой форм.

Прочность щебня характеризуют пределом прочности исходной горной породы при сжатии, дробимостью щебня при сжатии (раздавливании) в цилиндре и износом в полочном барабане. Эти показатели имитируют сопротивление каменного материала при воздействии проходящих по дороге транспортных средств и механические воздействия в процессе строительства дорожных конструкций (укладка и уплотнение катками).

По показателю раздавливания в цилиндре устанавливают марку по прочности щебня, которая соответствует пределу прочности при сжатии исходной горной породы (табл. 3.2). Определив дробимость щебня при сжатии в цилиндре, устанавливают марку щебня по прочности. Так как дробимость осадочных метаморфических пород изменяется при насыщении их водой, испытания щебня допускаются в сухом и водонасыщенном состоянии.

Таблица 3.2 – Марка щебня по прочности

 

Марка щебня по прочности	Потери в массе, % при определении дробимости щебня
из изверженных (магматических) пород	из осадочных и метаморфических пород
интрузивных (глубинных)	эффузивных (излившихся)	в сухом состоянии	в водонасыщен-ном состоянии
	До 12	До 9	-	-
	Свыше 12 до 16	Свыше 9 до 11	До 11	До 11
	“ 16 “ 20	“ 11 “ 13	Свыше 11 до 13	Свыше 11 до 13
	“ 20 “ 25	“ 13 “ 15	“ 13 “ 15	“ 13 “ 15
	“ 25 “ 34	“ 15 “ 20	“ 15 “ 19	“ 15 “ 20
	-	-	“ 19 “ 24	“ 20 “ 28
	-	-	“ 24 “ 28	“ 28 “ 38
	-	-	“ 28 “ 35	“ 38 “ 54

 

Прочность щебня зависит от плотности и структуры горной породы. Результаты испытаний на сдавливание в цилиндре зависят еще от формы зерен щебня, шероховатости поверхности и зернового состава, что определяет количество контактов между зернами при испытании, через которые передается нагрузка.

Марку щебня по износу определяют испытанием подготовленных проб в полочном барабане. По полученным данным оценивают качество щебня. По потерям массы (в %) после испытания на износ установлены четыре марки щебня по износу: И-I, И-II, И-III, И-IV.

В щебне нормируют содержание зерен слабых пород. К слабым породам относят зерна с пределом прочности исходной породы при сжатии в насыщенном водой состоянии до 20 МПа. Щебень марок по прочности 1400, 1200, 1000 не должен содержать зерен слабых пород в количестве более 5 % по массе, марок 800, 600, 400 – более 10 % по массе, марок 300 и 200 – более 15 % по массе (ГОСТ 8267-82).

В щебне нормируют содержание пылевидных и глинистых частиц. К пылевидным и глинистым частицам относят частицы размером менее 0,05 мм, кроме того, выделяют комки глины с крупностью частиц от 1,25 мм до наибольшего размера зерен щебня данной фракции при смеси фракций. Для всех видов и марок щебня по прочности содержание глины в комках в общем количестве пылевидных и глинистых частиц не должно превышать 0,25 % по массе. В щебне из магматических и метаморфических пород содержание пылевидных и глинистых частиц по массе не должно превышать 1 %, в щебне из осадочных пород марок от 600 до 1200 – 2 %, а марок от 200 до 400 – 3 %.

Морозостойкость щебня характеризуют числом циклов замораживания и оттаивания. Разрешается оценивать морозостойкость щебня по числу циклов насыщения в растворе сернокислого натрия и высушивания. По морозостойкости щебень подразделяют на марки: 15, 25, 50, 100, 200 и 300.

Щебень может быть получен также при дроблении валунов и гравия. Он должен содержать дробленых зерен не менее 80 % по массе. К дробленым относят зерна с околотой поверхностью более чем наполовину.

Из всех природных каменных материалов, используемых в дорожном строительстве, щебень является основным. Его используют самостоятельно для строительства щебеночных слоев или в смеси с другими материалами. При ремонте и содержании автомобильных дорог щебень является основным компонентом защитных слоев и слоев износа, обеспечивающих должную шероховатость поверхности покрытия.

 

Требования к гравию

 

Гравий – сыпучий зерновой материал с окатанной поверхностью, получаемый после рассева природных гравийно-песчаных смесей. Гравий разделяют по крупности аналогично щебню. Применяется также рядовой гравий с крупностью от 5 до 40 или от 5 до 70 мм. Прочность гравия характеризуют его маркой, определяемой по дробимости при сжатии (раздавливании в цилиндре). Марки гравия по истираемости в полочном барабане устанавливают в соответствии с табл. 3.3 (ГОСТ 8268-82).

Таблица 3.3 – Марки гравия по дробимости и истираемости

Марка гравия по дробимости при сжатии	Потеря по массе, %	Марка гравия по истираемости	Потеря по массе, %
Др. 8	До 8	И-I	До 20
Др. 12	Свыше 8 до 12	И-II	Свыше 20 до 30
Др. 16	“ 12 “ 16	И-III	“ 30 “ 40
Др. 24	“ 16 “ 24	И-IV	“ 40 “ 50

 

Содержание зерен слабых пород, а также пылевидных и глинистых частиц должно быть таким, как в щебне. По морозостойкости гравий подразделяют на такие же марки, как и щебень.

Область применения гравия практически такая же, как и щебня. Однако вследствие окатанности зерен гравия прочность конструктивных слоев на нем ниже, чем на щебне. Гравий применяют для строительства покрытий переходного типа, оснований, дренажных водоотводных сооружений, как крупный заполнитель в цементо- и асфальтобетоне.

 

Требования к песку

Качество песка для строительных работ оценивают зерновым и минералогическим составом, содержанием пылевидных, глинистых, илистых частиц и органических примесей, плотностью и пустотностью. В отдельных случаях возникает необходимость в определении дополнительных свойств: износо- и морозостойкости, фильтрационной и потенциально реакционной способности и др.

Песок подразделяют на три вида: природный, обогащенный и фракционированный.

Зерновой состав песка является основным его классификационным признаком, по которому определяют его пригодность для строительных целей. Определяют зерновой состав путем рассева на ситах размером 5; 2,5; 1,25; 0,63; 0,315 и 0,14 мм.

Зерновой состав песка характеризуют модулем крупности (М_к):

(3.1)

где А_2,5 и др. – полные остатки на ситах, %.

По модулю крупности и полному остатку на сите № 0,63 пески подразделяют на четыре группы (табл. 3.4)

Таблица 3.4 – Классификация песка

Группа песка	Модуль крупности МК	Полный остаток на сите № 0,63 % по массе
Крупный	Свыше 2,5	Свыше 45
Средний	“ 2,0 до 2,5	“ 30 до 45
Мелкий	“ 1,5 до 2,0	“ 10 до 30
Очень мелкий	“ 1,0 до 1,5	До 10

 

Для устройства дорожных одежд и в качестве заполнителей для цементобетонов используют крупный, средний и мелкий пески. Если пески не удовлетворяют по зерновому составу указанным требованиям, то применяют обогащенные или фракционированные пески. В качестве укрупняющей добавки к мелким пескам используют крупную фракцию дробленых песков из отсевов или природного песка.

Вторым показателем качества песка является содержание в нем пылевидных, глинистых и илистых частиц, определяемое отмучиванием.

Количество этих частиц в песке не должно превышать значений, приведенных в табл. 3.5.

 

Таблица 3.5 – Ограничение загрязняющих примесей в песке

 

Песок	Содержание пылевидных, глинистых и илистых частиц, определяемое отмучиванием	В том числе содержание глины в комках
% по массе, не более
Природный	3,0	0,50
Обогащенный	2,0	0,25
Фракционированный:
крупная фракция	0,5	0,10
мелкая	1,5	0,20
Дробленый	4,0	0,35
“ обогащенный	2,5	0,25
“ фракционированный:
крупная фракция	1,0	0,10
мелкая	2,0	0,20
Дробленый из отсевов	5,0	0,30
“ обогащенный из отсевов	3,0	0,35

 

В песках, предназначенных для цементобетонов и строительных растворов, ограничивается содержание органических примесей, так как гумусовые кислоты препятствуют нормальному твердению цементного камня, особенно в первые дни.

При определении насыпной плотности песка учитывается влажность, так как с увеличением влажности до 4...7 % объем свободно насыпанного песка увеличивается. Насыпная плотность при этом уменьшается на 10...40 %. При влажности около 20 % объем песка такой же, как рыхло насыпанного, а при дальнейшем увлажнении объем даже уменьшается. Это необходимо учитывать при транспортировании и приемке песка, при дозировании для бетонной смеси и в других случаях.

Зависимость свойств природного камня от состава и оптимальной структуры отражает объективно существующую закономерность, которую можно выразить следующим образом (по И.А.Рыбьеву): «при определенном наборе структурных параметров формируется оптимальная структура природного камня, имеющая комплекс экстремумов механических и некоторых физических свойств, непосредственно связанных со структурой и отражающих ее характер. Действует и обратная связь: комплекс экстремумов свойств горной породы или минерала отражает наличие оптимальной структуры с характерными для нее относительной однородностью, минимальной пористостью, минимумом других микро- и макроструктурных дефектов, с наиболее устойчивым равновесным состоянием внутренних связей, с минимумом внутренней свободной энергии, с мелкозернистой плотной кристалличностью или непрерывной пространственной сеткой (прослойкой) цементирующего вещества, с оптимальным содержанием стеклофазы и наличием других структурных параметров в соответствующем их наборе». Эти закономерности проявляются как в отношении твердых, так и упруговязкопластичных природных образований, к которым относятся глины, суглинки, лёссы, мел, гипсы, асфальтовые породы и др. Они служат основой закона створа Рыбьева.