Гравий

Гравием называют каменные обломки пород крупностью от 5 (иногда от 3) до 70 мм (иногда более). Преобладающими породами, из которых состоят зерна гравия, являются граниты, гнейсы, диабазы, известняки, песчаники.
Стандарт предусматривает следующие марки гравия по показателю дробимости, которым ориентировочно соответствуют интервалы пределов прочности при сжатии горных пород.
Наиболее окатанными обычно бывают зерна гравия в руслах рек и на побережьях морей (галька) — до формы яйца или овального диска — с гладкой поверхностью, с которой цементный камень в бетоне имеет плохое сцепление. Из-за недостаточного сцепления гравий, как правило, не применяется в бетонах с пределом прочности выше 30 МПа. Крупные фракции гравия используют для дробления на щебень.
В ряде случаев гравий благодаря округлой форме зерен предпочтительнее щебня, например, если по условиям производства работ необходимо получить подвижную, наиболее удобоукладыва-емую бетонную смесь.
Технические требования. Гравий должен применяться в виде следующих фракций, раздельно дозируемых при приготовлении бетона: 5 ... 10; 10 ... 20; 20 ... 40; 40 ... 70 мм. Допускается использование гравия фракций 3 ... 10 мм, а для гидротехнического бетона также 40 ... 80 и 80 ... 120 мм. Кроме того, допускается поставка гравия в виде смеси двух фракций, например 5 ...20 мм.
Зерновой состав фракций должен находиться в пределах области, показанной на рис. 5.9. В отдельных случаях предъявляются более жесткие требования. Так, для фракций гравия с наименьшим размером зерен 5(3) мм содержание более мелких примесей (запесоченность) ограничивается 5%. В гравии, предназначенном для бетонирования тонкостенных конструкций, разрешается содержание примеси зерен крупнее наибольшего номинального размера данной фракции не более 5%. Поскольку зерна гравия состоят, как правило, из обломков различных горных пород и неоднородны по прочности, вышеперечисленные интервалы пределов прочности можно отнести к средним показателям. Дополнительно стандарты устанавливают ограничения по содержанию в гравии зерен слабых пород. Слабыми считаются породы с пределом прочности при сжатии в насыщенном водой состоянии менее 20 МПа.
Содержание слабых зерен в гравии определяют посредством [разборки средней пробы с визуальной оценкой, проверкой прочности зерен легкими ударами молотка или проверкой твердости верен царапанием их стальной (для изверженных и метаморфических пород) или алюминиевой (для осадочных карбонатных пород) иглой. На слабых зернах игла оставляет царапину, на прочных — нет.
Отобранные из пробы гравия зерна слабых пород взвешивают определяют их массовую долю (%): 100, где тсл — масса зерен слабых пород; т — общая масса пробы гравия.
Для выявления слабых зерен в крупном заполнителе можно использовать также механический индикатор, фиксирующий усилие при «откусывании» кусочка от каждого зерна. Содержание зерен слабых пород в гравии марок Др8, Др12 и Др16 допускается не более 10%, в гравии марки Др24 — не более 15%.
Для бетона транспортных сооружений, рассчитываемых на выносливость, применение гравия не допускается. Подобные ограничения предусмотрены и для ряда других конструкций и изделий. Зерен пластинчатой (лещадной) или игловатой формы (когда один из размеров зерна может превышать другой в 3 раза и более) в гравии допускается не более 35% (по массе). Это требование вызвано главным образом тем, что подобные зерна ухудшают удобоукладываемость бетонных смесей. Для бетонов специального назначения могут вводиться дополнительные ограничения.
Содержание в гравии отмучиваемых пылевидных, илистых и глинистых частиц не должно превышать 1%. Особенно опасна глина, обволакивающая зерна гравия, и в виде комков, которых не должно быть более 0,25%.
Ограничения по содержанию органических примесей, определяемому колориметрической пробой, аналогичны установленным для песка и описанным выше. Это же относится и к ограничениям по содержанию рудных минералов, сернокислых и сернистых соединений, аморфных разновидностей кремнезема. Последние в гравии могут быть представлены в большем разнообразии, чем в песке. Необходимо, в частности, обратить внимание на зерна гравия из кремня, опоки, а также песчаника, поскольку в нем часто содержится реакционноспособный опаловый или халцедоновый «цемент». Взаимодействуя со щелочами в бетоне, активный кремнезем может оказаться очень опасным.
Добыча и фракционирование. Гравий чаще всего добывают вместе с песком при разработке песчано-гравийных месторождений. Массовая доля гравия в песчано-гравийных смесях составляет в среднем 30 ... 40%.
Основные принципы организации карьеров и добычи песчано-гравийной смеси мало отличаются от описанных выше способов разработки месторождений песка.
При разработке месторождений добытая песчано-гравийная смесь подвергается сортировке с отделением песка и разделением гравия по крупности зерен на предусмотренные стандартом фракции.
В настоящее время добываемые песчано-гравийные смеси не всегда сортируют. Нередко их используют непосредственно для приготовления бетона. Это проще, дешевле и может быть признан) в некоторых случаях целесообразным, если зерновой состав песчано-гравитюй смеси близок к оптимальному для бетона и не подвержен значительным колебаниям. Однако в большинстве случаев использование несортированной песчано-гравийной смеси ведет к ухудшению качества бетона, его неоднородности и перерасходу цемента. Песчано-гравийные смеси более, чем песок и гравий в отдельности, склонны к расслоению. Поэтому они всегда неоднородны. Если, как указано выше, признано целесообразным фракционировать песок, то к песчано-гравийным смесям это относится в большей степени.
Для сортировки песчано-гравийной смеси используют грохоты, а процесс разделения сыпучей смеси по крупности зерен называют грохочением. Для грохочения необходимо движение смеси по ситу. Иногда это достигается установкой грохотов под углом, превышающим угол естественного откоса смеси. В этом случае смесь движется самотеком. Такие грохоты называют неподвижными. В большинстве случаев используют подвижные грохоты, на которых процесс сортировки интенсифицируется. Просеивающая поверхность грохотов может быть колосниковой, штампованной или плетеной. В колосниковых грохотах она собирается из отдельных линейных элементов колосников — стержней, специальных профилей, причем часть сортируемой смеси проваливается в щели между колосниками. Штампованные решета изготовляют из листовой стали с круглыми или щелевыми отверстиями. Тканые проволочные сита с квадратными или щелевыми отверстиями выпускают из стальной проволоки простого переплетения или со штампованием (каннелированием) для выравнивания просеивающей поверхности и предотвращения раздвигания проволоки. Важным параметром просеивающих поверхностей является живое сечение, или отношение площади просветов (отверстий) ко всей площади сита или решета. Наибольшим живым сечением, а следовательно, и производительностью отличаются проволочные плетеные сита, однако их недостаток в сравнительно быстром износе.
Размеры отверстий в ситах и решетах задают с таким расчетом, чтобы зерна, которые требуется отсеять из смеси, свободно проходили через них, а это зависит от скорости движения зерен по решету, его уклона и толщины. Например, если нужно отсеять зерна до 40 мм, то размер квадратных отверстий можно принять при горизонтальном расположении грохота 42 мм, а при наклоном (20°) — 45 мм и т. д. Чем больше размер отверстий, тем вероятнее, что все зерна мельче заданного предела пройдут сквозь сито и не останутся в крупной фракции. Но при этом возможно засорение мелкой фракции. Выбирают оптимальный вариант, но на полное разделение смеси рассчитывать нельзя. Этим и вызваны допуски в стандартах: в песке допускается до 5 или 10% гравия, а в гравии — до 10% песка. На практике уложиться в эти пределы не всегда удается. Для сортировки гравия используют подвижные грохоты различной конструкции. Наибольшее применение нашли плоские грохоты, которые по характеру движения делятся на две группы: качающиеся и вибрационные.
Качающиеся отличаются тем, что решета в них совершают определенное принудительное движение благодаря жесткой кинематической связи с движущим кривошипным механизмом (эксцентриком).
Вибрационные грохоты, называемые также инерционными, получают колебательное движение от расположенного на них вибратора—вала с дебалансами. Амплитуда колебаний и траектории точек решета зависят от сил инерции дебалансов, а также от упругости пружин, массы грохота и степени его загрузки материалом.
Гирационные и виброгрохоты устанавливают на фундаменты с пружинами или подвешивают к балкам перекрытия на стальных тросах с пружинными амортизаторами. Решета обычно устанавливают наклонно, однако возможно и горизонтальное их расположение при направленных колебаниях, обеспечивающих перемещение сортируемого материала.
В грохотах может быть по одному, по два решета (сита) и более. Крепятся они к раме грохота параллельно: сверху сито с более крупными отверстиями, под ним с более мелкими. С каждого сита получают определенную фракцию сортируемого материала. Кроме плоских грохотов, распространены барабанные, в которых сортировка происходит при сравнительно медленном равномерном вращении цилиндрического решета вокруг наклонной оси. Если решета имеют коническую форму, то ось барабана может быть горизонтальной.
Барабанные грохоты состоят из секций с отверстиями различных размеров, причем материал движется от мелкого решета к крупному. Иногда используют барабанные грохоты с двумя или тремя концентрическими решетами, расположенными одно в другом. В этом случае сортировка происходит от крупного к мелкому, как на плоских грохотах.
В последнее время при сортировке нерудных строительных материалов нашли эффективное применение резиновые сита струнного типа на плоских грохотах. Они представляют собой набор параллельных шнуров из износостойкой резины диаметром 6,5 ... 15 мм, натянутых на стальной раме с промежуточными поддерживающими планками. Используют также штампованные сита из резины или синтетических полимеров. Исследование показало преимущества таких сит: прирост производительности, более чистый рассев, уменьшение шума и, главное, высокая износостойкость. Материал, прошедший через решето грохота, называют подрешетным продуктом (нижний класс), материал, не прошедший через решето, — надрешетным продуктом (верхний класс).
При добыче песчано-гравийной смеси гидромеханизированным способом пульпу (гидросмесь) направляют в конический гидрогрохот для разделения гравия и песка. Конический гидрогрохот имеет внутри вмонтированное коническое решето, в которое тангенциально подается исходная гидросмесь со скоростью 2,5 ... 5 м/с. Разделение песчаной пульпы и гравия происходит под действием центробежной силы и давления верхних слоев гидросмеси.
При внутреннем диаметре цилиндрической части корпуса,1... 3 м средняя производительность гидрогрохотов составляет 20... 400 и 200... 4000 м3/ч соответственно по твердому продукту (гравию) и гидросмеси (воде с песком).
Последняя направляется в гидравлические классификаторы, а гравий дальнейшим грохочением разделяют на фракции по крупности зерен.
Промывка. При гидромеханизированной добыче промывка гравия и удаление пылевидных, глинистых частиц осуществляется попутно.
Барабанные грохоты, используемые для одновременной промывки гравия, называются гравиемойками. Их применяют при небольшой загрязненности гравия главным образом пылевидными примесями.
Однако в ряде случаев гравий содержит трудноотмываемые глинистые примеси, для удаления которых необходима не только промывка водой, но и интенсивное механическое воздействие в специальных машинах. Например, в скруббер-бутаре крупный гравий обрабатывается при вращении барабана, облицованного изнутри стальными листами с шипами, в результате чего намокающая глинистая пленка сдирается с поверхности зерен. В корытной мойке, представляющей собой наклонное корыто с одним или двумя шнеками (вращающиеся валы с лопастями), это происходит при перемешивании гравия в водной среде. Корытные мойки получили широкое распространение на заводах нерудных строительных материалов. В серийно изготавливаемых корытных мойках К-12 и К-14 производительностью соответственно 70 и llOO м3/ч промывают материал крупностью до 40 мм. Время промывки 2 ... 3 мин, а расход воды 2,5 ... 3 м3/т.
В последнее время внедряются эффективные вибрационные промывочные машины с рабочими органами в виде труб, желобов или плоскостей. Вибромойки применяют преимущественно для промывки материала крупностью 20 ... 120 мм с содержанием средне- и труднопромывистых включений до 10 ... 12%. Производительность вибромоек - 30 ... 70 м3/ч, расход воды 40 ... 100 м3/ч. Промывка гравия осуществляется в перфорированных слегка наклонных желобах. Под действием вибрации гравий в желобах разрыхляется и, совершая винтообразное движение, перемещается к разгрузочному концу. При орошении сверху водой и взаимном трении зерен глинистые примеси смываются.
Исследования показали, что в некоторых случаях в промывочную воду целесообразно вводить синтетические юющие средства. Эти поверхностно-активные вещества улучшают качество промывки заполнителей и уменьшает их остаточную влажность (по данным Ю. Р. Певзнера и А. В. Кучина в 215 раза), что важно в зимнее время, когда необходимо предотвратить смерзание зерен.
Простейшим приемом обогащения с использованием различия сил трения отдельных зерен является применение наклонных плоскостей, устанавливаемых несколько круче угла естественного откоса обогащаемого материала. В зависимости от скорости движения по наклонной плоскости зерна попадают в определенный бункер.
К гравитационным методам относятся отсадка и обогащение в яжелых средах. Принцип отсадки состоит в следующем. Если слой неоднородного материала встряхивать, то постепенно произойдет его расслоение — тяжелые зерна окажутся внизу, легкие — вверху. Это неизбежно, поскольку с расслоением центр ряжести системы перемещается вниз, т. е. ола теряет потенциальную энергию. Действительно, если, например, смесь состоит из равного числа тяжелых и легких зерен одинаковой крупности, то после достаточно энергичного и многократного стряхивания линия расслоения окажется посередине высоты — на уровне первоначального положения центра тяжести. Новое же положение центра тяжести тем ниже, чем Дольше различие в плотности зерен нижнего и верхнего слоев.
В промышленных установках отсадка производится главным образом в водной среде. Отсадочные машины бывают с неподвижным или подвижным решетом.
Аналогичным образом происходит обогащение в отсадочных машинах с подвижным решетом, только в этом случае относительное движение воды и обогащаемого материала создается пульсацией решета с помощью кривошипно-шатунного механизма.
Разделение в тяжелых средах еще проще и надежнее. Оно заключается в следующем. Если неоднородный по плотности зерен материал поместить в жидкость, плотность которой больше плотности легких зерен обогащаемого материала и меньше плотности через лоток. Суспензия непрерывно поступает в барабан и сливается вместе с всплывшими зернами.
Важным этапом такой технологии является регенерация тяжелой суспензии. Если утяжелитель обладает магнитными свойствами (магнетит, ферросилиций), то его извлекают из сливающейся суспензии, а также и из воды после промывки продуктов обогащения с помощью магнитной сепарации, затем разводят водой до требуемой плотности и используют снова.