CC BY
13
УДК 691.226
КОЛОТУШКИН ДЕНИС МИХАЙЛОВИЧ, аспирант, denisss911@mail. ru
АЛГЕБРАИСТОВА НАТАЛЬЯ КОНСТАНТИНОВНА, канд. техн. наук, доцент,
algebraistova@mail ru
Сибирский федеральный университет,
660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ НЕРУДНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА КАЧЕСТВО КОНЕЧНОЙ ТОВАРНОЙ ПРОДУКЦИИ
Исследован щебень основных поставщиков этого материала в Красноярском крае. Пробы испытали на соответствие ГОСТ 8269.0-97. Была выполнена серия опытов: на определение зернового состава щебня, содержания пылевидных и глинистых частиц, содержания зерен лещадной и игловатой форм, дробимости щебня, определение истинной плотности зерен, насыпной плотности, определение пустотности, твердости по Ро-квеллу. Даны рекомендации по использованию щебня разных месторождений: для создания монолитного подрельсового основания, строительства оснований автомобильных дорог и для строительства покрытий автомобильных дорог.
Ключевые слова: строительные материалы; щебень; зерновой состав; истинная плотность; насыпная плотность; твердость; лещадность; пустотность; электрическая проводимость; структура щебня.
DENIS M. KOLOTUSHKIN, Research Assistant, denisss911@mail. ru
NATALIA K. ALGEBRAISTOVA, PhD, A/Professor
algebraistova@mail.ru
Siberian Federal University,
79, Svobodnyi Ave., 660041, Krasnoyarsk, Russia
PROPERTIES OF NONMETALLIC MATERIALS AND THEIR EFFECT ON THE QUALITY OF END PRODUCTS
The paper presents investigations of crushed stone from main material providers of Krasnoyarsk Krai. The samples are tested in compliance with SNiP 8269.0-97. A series of tests includes the grain composition of crushed stone, flour and clay particles, acicular- and cubic-shape grain content, crushability, real grain density, bulk density, void content, Rockwell hardness. Recommendations are given for crushed stone from different deposits which can be used to design a solid sub-rail base, road subgrades and pavements.
Keywords: construction materials; crushed stone; grain size; true specific gravity; bulk density; hardness; flatness; void content; electrical conductivity; structure.
Многие российские компании в связи с политической и экономической ситуацией в мире, особенно на фоне санкций со стороны Запада, делают акцент на взаимодействие со странами Азии. В настоящее время реализуются совместные проекты по созданию единой транспортно-логистической инфра-
© Колотушкин Д.М., Алгебраистова Н.К., 2016
структуры. Особый интерес в развитии этого направления представляет взаимодействие с партнерами из КНДР, Южной Кореи, Китая и Монголии. Не менее важными являются проекты, позволяющие расширить участие автомобильного и железнодорожного транспорта в современных логистических схемах и мультимодальных транспортных цепочках.
В настоящее время в России щебень производят более 1000 предприятий. Технология производства щебня включает трех- или двухстадиальное дробление с операциями предварительного или контрольного грохочения [1]. Компоновочные решения технологических схем выбираются в зависимости от типа перерабатываемой горной породы, требуемых размеров фракций, их объемов и требований к качеству щебня. Износ основных фондов в подотрасли нерудных строительных материалов (НСМ) является самым высоким среди отраслей строительного комплекса, на некоторых предприятиях он достигает 90 %. Технический и технологический уровень производства соответствует нередко уровню 60-70-х гг. Не учитываются такие важные факторы, как рациональное использование природных ресурсов, энергоэффективность и сокращение отходов [2]. Анализ производства щебня в России, выполненный компанией «СМПРО», показал, что наибольшее число предприятий по производству щебня расположено в Центральном (192), Сибирском (182) и Северо-Западном (171) федеральных округах. Среди регионов лидерами по числу действующих щебеночных предприятий являются Республика Карелия (49), Свердловская область (36), Челябинская область (33) и Красноярский край (33) [3].
Подотрасль в 2014 г. так и не вышла на докризисные (2008 г.) показатели по объему производства. Сибирский федеральный округ, по результатам 2013 и 2014 гг., практически достиг докризисного уровня производства НСМ [3]. Однако общий экономический спад не обошел отрасль строительных материалов. По данным Росстата, за 2015 г. произведено 207,1 млн м3 щебня, что на 8,2 % меньше, чем в 2014 г., и на 54,8 % меньше, чем в 2013 г. Динамика производства и импорта щебня в России представлена на рисунке [3-5].
Импорт НСМ на рынок РФ в январе 2016 г. составил 189,7 тыс. т. По сравнению с декабрем 2015 г. произошел спад на 78,1 %. За период с августа по декабрь 2015 г. наблюдалось снижение объема импорта украинского щебня, в январе Украина выбыла из списка стран-импортеров НСМ, ее место заняла Швеция [6].
На втором и третьем местах по объему импорта стоят Норвегия и Республика Беларусь.
Объемы экспортных поставок нерудных материалов исторически несущественны, так, в последние годы доля экспорта в общем объеме производства НСМ в РФ составляет менее 0,2 %.
Благодаря постановлению правительства от 6 августа 2015 г. № 815 «Лицензирование импорта гравия и щебня», импорт щебня из Украины и других государств, не входящих в Евразийский союз, резко снизился, тем самым принятое решение будет стимулировать спрос на продукцию отечественных нерудных предприятий и позволит повысить загрузку их производственных мощностей [7].
С этой целью проведен мониторинг предприятий Красноярского края, способных поставлять качественный щебень в соответствующих объемах.
600 400 200 0
2007 г<2008
г<2Д)09
гоЙЛ0
гоДШ
гоД012
год2013
год2014 год2015
I- импорт
I - производство в России
год
Динамика производства и импорта щебня в России, млн м3
Для исследования были выбраны основные поставщики щебня Красноярского края: ОАО «Химико-металлургический завод» (ХМЗ), ООО «Песчанка 2005» (Песчанка), ООО «Березовский» (Березовский), ООО «Громадский щебеночный карьер» (ГЩК).
Была выполнена серия опытов: на определение зернового состава щебня, содержания пылевидных и глинистых частиц, содержания зерен лещадной и игловатой форм, дробимости щебня, определение истинной плотности зерен, насыпной плотности, пустотности, твердости по Роквеллу.
Пробы испытаны на соответствие ГОСТ 32703-20141, использовалось современное сертифицированное оборудование: гидравлический пресс МС-1000, твердомер M4U G3, последовательный волнодисперсионный рентгенофлуорес-центный спектрометр Lab Center XRF-1800 и многое другое. В табл. 1 представлены результаты.
Таблица 1
Результаты испытаний щебня
Наименование показателей Значения показателей щебня
Березовского Песчанки ХМЗ ГЩК
Зерновой состав: полные
остатки на ситах, %:
Б 13,5 10,00 9,00 9,20
а 99 99,80 99,60 99,7
0,5 а 97,8 96,55 97,43 98,73
1,4 Б 0 0 0 0
Насыпная плотность, г/см3 1,4 1,4 1,5 1,4
Истинная плотность, г/см3 2,7 2,7 2,7 2,7
Пустотность, % 38,6 33 31 32,4
Содержание пылевидных и глинистых примесей, % 1,0 0,30 1,0 0,90
1 ГОСТ 32703-2014. Дороги автомобильные общего пользования. Щебень и гравий из горных пород. Технические требования.
Окончание табл. 1
Наименование показателей Значения показателей щебня
Березовского Песчанки ХМЗ ГЩК
Дробимость в цилиндре:
потеря массы, % 9,0 8,9 8,7 8,9
марка по дробимости М1400 М1400 М1400 М1400
марка по прочности И1 И1 И1 И1
Содержание зерен пластинчатой и игловатой форм, % 15 (катег. Л15) 14 (катег. Л15) 12 (катег. Л15) 13 (катег. Л15)
Твердость образцов щебня по шкале Роквелла, НКБ 69 65 69 70
Электроизоляционные свойства материала/Допустимые значения ГОСТ, См/м 0,01382/0,06 0,0263/0,06 0,0171/0,06 0,01743/0,06
Устойчивость структуры, потеря массы, % 21,6 22,4 22,1 21,8
- показатели, прошедшие требования ГОСТ [1].
Зерновой состав щебня определяли путем рассева пробы на стандартном наборе сит. Полученные результаты свидетельствуют о том, что все значения нормативных требований соблюдаются, кроме крупности (^нб) щебня Березовского карьера и щебня карьера «Песчанка». Данные образцы щебня нормативные требования не прошли.
Содержание пылевидных и глинистых частей в щебне определяли по изменению массы пробы после отмачивания пылевидных и глинистых частиц крупностью до 0,05 мм.
Согласно ГОСТ 32703-2014 содержание пылевидных и глинистых частиц не должно превышать по массе 1 %. Исходя из полученных результатов видно, что требованиям стандарта отвечают только щебень с карьера «Песчанка» и ГЩК.
Содержание в щебне зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой формы определяли методом визуальной разборки, т. е. оценивали количество зерен, толщина или ширина которых менее длины в три и более раза. Этот показатель для изучаемых образцов составил 12-15 %, т. е. все образцы относятся к категории Л15.
Лещадность можно считать одним из важнейших свойств качества щебня. Качественным считается тот щебень, который обладает меньшей ле-щадностью.
Дробимость щебня изучали по степени разрушения зерен при сжатии (раздавливании) в цилиндре с помощью гидравлического пресса с усилием от 100 до 500 кН2.
2 ГОСТ 28840-90. Машины для испытания материалов на растяжение, сжатие и изгиб. Общие технические требования.
Согласно результатам выполненных исследований, все образцы щебня относятся к марке М1400, т. е. являются сверхпрочными.
Истинную плотность зерен щебня определяли пикнометрическим методом путем измерения массы единицы объема измельченного высушенного материала.
Согласно проведенному испытанию, все образцы щебня имеют одинаковую и достаточно высокую истинную плотность, что подтверждает их высокое качество.
Насыпную плотность изучали путем взвешивания определенного объема щебня в состоянии естественной влажности с использованием платформенных весов и мерного цилиндра.
Насыпная плотность образцов щебня, так же, как и истинная, достаточно высокая, однако у щебня карьера «Песчанка» несколько ниже, чем у остальных.
При анализе образцов на пустотность самый хороший результат показали образцы щебня с химико-металлургического завода. Этот показатель определяли расчетным путем на основании предварительно установленных значений средней плотности зерен и насыпной плотности щебня.
Метод Роквелла является наиболее распространенным для определения твердости.
Как показали исследования, твердость у всех образцов щебня примерно одинаковая, однако у щебня карьера «Песчанка» этот показатель несколько ниже.
Щебень карьеров «Песчанка», ХМЗ, ГЩК и Березовского карьера имеет твердость 65-70 НИВ.
Электроизоляционные свойства щебня находили по удельной электрической проводимости насыщенного раствора, получаемого при перемешивании размельченного щебня с дистиллированной водой.
Удельная электрическая проницаемость не должна превышать 0,06 см/м. Все образцы щебня прошли испытания. Данные исследования показали, что удельная электрическая проницаемость изучаемых проб составила 0,01382-0,0263 см/м, т. е. по этому показателю все образцы удовлетворяют требованиям стандарта.
Устойчивость структуры щебня против всех видов распадов определяют путем выдержки щебня в дистиллированной воде в течение 30 сут (сульфидный и железистый распады) и последующего испытания в закрытом сосуде (по принципу автоклава) при давлении 2 атм. в среде насыщенного пара (силикатный и известковый распады).
В целом, полученные данные свидетельствуют о том, что изучаемые образцы не удовлетворяют требованиям ГОСТ 32703-2014, но в настоящее время существует множество технологий, благодаря которым можно исправить этот недостаток. Например: технология Х1ТЯЛСК - укрепление балласта двухкомпонентной полиуретановой системой, технология БупаШапе - капсу-лирование рельса с помощью молдингов из микроячеистого полиуретана, технология Тепах - георешетки с суббалластом, технология БС88Р - эффект охлаждения щебня защитным склоном, использование системы оценки устойчивости, на основе технических, экономических и экологических факторов, использование смарт-геосинтетических достижений, обеспечивающих долгосрочные возможности мониторинга [8-15].
Полный химический анализ выполняли на последовательном волнодис-персионном рентгенофлуоресцентном спектрометре Lab Center XRF-1800. Результаты представлены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты полного хиического анализа
Элементы Образцы
Химико-металлургический завод Громадский щебеночный карьер Карьер Березовский Карьер «Песчанка»
O 51,65 50,89 50,38 50,26
Ca 28,74 2,05 2,75 3,22
C 18,13 3,47 4,41 5,03
Si 0,71 28,32 27,26 25,93
Mg 0,22 0,90 0,94 1,21
Al 0,22 6,19 6,09 6,16
Na 0,12 3,56 3,45 3,39
Cl 0,01 - 0,01 0,01
S 0,01 0,01 0,01 0,02
Ti 0,01 0,21 0,22 0,24
Mn 0,005 0,07 0,03 0,07
Cr 0,01 0,01 0,01 0,01
Ni 0,003 0,01 0,004 0,005
Cu 0,002 0,003 0,002 0,003
Y - 0,002 0,0021 0,002
Ga - 0,0013 0,0012 0,0014
Nb - - - 0,0003
Fe 0,11 2,35 2,38 2,65
K 0,03 1,8 1,82 1,61
P 0,02 0,07 0,08 0,08
Sr 0,02 0,02 0,03 0,03
Ba 0,01 0,04 0,04 0,04
Zn 0,001 0,005 0,005 0,01
Zr - 0,02 0,02 0,02
La - - - 0,01
Rb - 0,005 0,01 0,01
Pb - 0,001 0,003 0,002
Как видно из данных таблицы, количество радиоактивных элементов во всех образцах незначительно, в то же время не наблюдается промышленно значимых содержаний и по другим элементам.
Таким образом, по результатам испытаний щебень карьеров ХМЗ и ГЩК по всем показателям удовлетворяет требованиям ГОСТ 32703-2014. Этот материал рекомендуется использовать для создания монолитного подрельсового основания и строительства оснований автомобильных дорог.
В условиях воздействия больших нагрузок материал сможет обеспечить перераспределение напряженного состояния, снижение напряжений в покрытии и давления на нижележащие дополнительные слои и грунт земляного полотна. Основания должны быть жесткими, плотными и достаточно сдвиго-устойчивыми.
При строительстве покрытий автомобильных дорог, требования к которым значительно ниже, чем к основаниям, можно использовать щебень Березовского карьера и карьера «Песчанка».
Библиографический список
1. Вайсберг, Л.А. Исследование физико-механических свойств строительных горных пород, влияющих на их дезинтеграцию и качество конечной товарной продукции (Плак-синские чтения 2013) : материалы Международного совещания (16-19 сентября 2013 г.) / Л.А. Вайсберг. - Томск, 2014. - 535 с.
2. Лангер, ВХ. Строительные материалы: щебень, песок и гравий / В.Х. Лангер // Энциклопедия материалов: наука и техника. - 2-е изд., 2001. - С. 1537-1545.
3. Импорт и экспорт щебня: Импорт щебня в РФ за 12 месяцев 2015 года // Gementinfo [официальный сайт]. - Условия доступа : http://gruz.ru/node/2814#Import
4. Джозеф, П. Устойчивые нерудные строительные материалы / П. Джозеф, С. Третьяко-ва-Макналли // Устойчивость. - 2010. - № 2. - P. 400-427.
5. Производство щебня: Производство щебня в РФ за 2015 год // ГИПРОНЕРУД [официальный сайт]. - Условия доступа : http://gipronerud.ru/itogi-2015-goda/
6. О щебне: Анализ импорта нерудных материалов // Щебень России [официальный сайт]. - Условия доступа : http://brokenstone.ru/Material.aspx? id=1533
7. Строительные материалы: Программы максимум и минимум для нерудных строительных материалов // Строительство. га - Всероссийский отраслевой интернет-журнал [официальный сайт]. - Условия доступа : http://www.rcmm.ru/stroitelnye-materialy/22050-programmy-maksimum-i-minimum-dlya-nerudnyh-stroitelnyh-materialov.html
8. Постановления правительства: О введении лицензирования импорта гравия и щебня // Правительство России [официальный сайт]. - Условия доступа : http://government.ru/ docs/19188/
9. О полиуритановых системах и компонентах: двухкомпонентная полиуретановая система // Химический концерн «Dow Chemical». - Условия доступа : http://www.dow-izolan.com/ru/company/
10. Полиуретановые технологии: полиуретановые инновации в железнодорожном строительстве // Dow Polyurethanes [официальный сайт]. - Условия доступа : http://www.dow.com/ en-US/polyurethane
11. Дорожные конструкции: Георешетки Tenax // ООО «Геокомплекс» [официальный сайт]. - Условия доступа : http://www.geotekstil.ru/production/georeshetka/tenax
12. Молдинги из микроячеистого полиуретана: Технология Dynathane // Дау Изолан [официальный сайт]. - Условия доступа : http://www.dow-izolan.com/ru/products/
13. Исследование вопроса дизайна и оптимизации слоя щебня с затемнением борта, размещенного на железнодорожной насыпи в условиях вечной мерзлоты/ Ли Гуоу, Ли Нинг, К. Жиамей, Н. Фуджун, У. Венбинг, С. Леи, Б. Гуикуан // Наука и техника холодных регионов. - 2008. - № 54. - С. 36-43.
14. Использование динамики систем для надлежащего ухода и утилизации агрегатов для стабильного строительства дорог / Р.Б. Маллик, М.Ж. Радзики, М. Зауманис, Р. Франк // Ресурсы, сохранение и утилизация отходов. - 2014. - № 86. - С. 61-73.
15. Кристофер, Б.Р. Геотекстиль, используемый в укреплении асфальтированных грунтовых дорог и железных дорог / Б.Р. Кристофер // Геотекстиль. - 2014. - С. 305-335.
References
1. Vaisberg L.A. Issledovanie fiziko-mekhanicheskikh svoistv stroitel'nykh gomykh porod, vliyay-ushchikh na ikh dezintegratsiyu i kachestvo konechnoi tovarnoi produktsii [Investigation of me-chanical-and-physical properties of rocks affecting their disintegration and the quality of end products]. Proc. Sci. Conf. 'Plaksinskie chteniya 2013'. Tomsk: TPU Publ., 2014. 535 p. (rus)
2. Langer W.H. Construction materials: crushed stone, sand and gravel. Encyclopedia of materials: science and technology (second edition). Budapest: Facta Universitatis, 2001. Pp. 1537-1545.
3. Import i eksport shchebnya. Import shchebnya v RF za 12 mesyatsev 2015 goda [Import and export of crushed stone in Russia in 2015]. Available at: http://gruz.ru/node/2814#Import/ (rus)
4. Joseph P., Tretsiakova-McNally S. Sustainable non-metallic building materials. Sustainability. 2010. No. 2. Pp. 400-427.
5. Proizvodstvo shchebnya. Proizvodstvo shchebnya v RF za 2015 god [Crushed stone production in Russia in 2015]. Available at: http://gipronerud.ru/itogi-2015-goda/ (rus)
6. O shchebne. Analiz importa nerudnykh materialov [About crushed stone. The analysis of nonmetallic materials import]. Available at: http://brokenstone.ru/Material.aspx?id=1533/ (rus)
7. Stroitel'nye materialy. Programmy maksimum i minimum dlya nerudnykh stroitel'nykh materialov [Construction materials. Minimum and maximum programs for nonmetallic building materials]. Available at: www.rcmm.ru/content/topics/481_print.html/ (rus)
8. Postanovleniyapravitel'stva 'O vvedenii litsenzirovaniya importa graviya i shchebnya' [Government decee on introduction of import licensing for gravel and crushed stone]. Available at: http://government.ru/docs/19188/ (rus)
9. O poliuretanovykh sistemakh i komponentakh. Dvukhkomponentnaya poliuretanovaya sistema [Polyurethane systems and components. Two-component polyurethane system]. Available at: www.dow-izolan.com/ru/company/ (rus)
10. Poliuretanovye tekhnologii. Poliuretanovye innovatsii v zheleznodorozhnom stroitel'stve [Polyurethane technologies. Polyurethane innovations in railway construction]. Available at: www.dow.com/en-US/polyurethane/ (rus)
11. Dorozhnye konstruktsii. Georeshetki Tenax [Road structures. Tenax geogrids]. Available at: www.geotekstil.ru/production/georeshetka/tenax/ (rus)
12. Moldingi iz mikroyacheistogo poliuretana. Tekhnologiya Dynathane [Microcellular polyurethane moldings. Dynathane technology]. Available at: www.dow-izolan.com/ru/products/ (rus)
13. Guoyu Li., Ning K., Jiamei N., Fujun Y., Wenbing S., Guiquan Lei B. Study on design optimization of a crushed stone layer with shading board placed on a railway embankment on warm permafrost. Regions Science and Technology. 2008. No. 54. Pp. 36-43.
14. Mallick R., Radzicki M.J., Zaumanis M. Frank R. Use of system dynamics for proper conservation and recycling of aggregates for sustainable road construction. Resources, Conservation and Recycling. 2014. No. 86. Pp. 61-73.
15. ChristopherB.R. Geotextiles used in reinforcing paved and unpaved roads and railroads. Geo-textiles. 2014. Pp. 305-335.
