Исследование разрушения бетона электрическим взрывом проводников с целью его утилизации (стр. 7 из 12)

Технологическая ванна представляет собой металлическую емкость сварной конструкции 4,5x9,8x2,5 м, заполненную водой. Внутри ванны располагается гидроподъемник с шестью контейнерами. Контейнеры закрыты решетками и служат для наполнителя разрушенного бетона. По мере наполнения контейнеров они вынимаются из ванны и разгружаются. Очищенный от бетона арматурный каркас удаляется с решеток.

Управление и контроль за работой генератора, электродной системы, гидроподъемника осуществляется с пульта управления, расположенного в кабине оператора.

Работа установки осуществляется следующим образом. Изделие мостовым краном и гидроподъемником размещается на решетке контейнеров. Над изделием устанавливается электродная система. Один из электродов опускается на бетон и автоматически подключается к высоковольтной шине. Включается генератор импульсов. Импульсы от генератора через высоковольтную шину и электрод поступают в рабочую зону и производят разрушение бетона. После подачи трех—пяти импульсов бетон под рабочим электродом разрушается, электрод поднимается вверх, а другой опускается на неразрушенную часть изделия. Цикл разрушения повторяется до полного освобождения арматурного каркаса или закладных деталей от бетона, которые сохраняют первоначальную форму и могут использоваться повторно.

Таблица 3 - Фракционный состав дробленого бетона

Размер фракции,мм	Фракционный состав дробленого бетона, %
	После разрушения стеновой панели В 15-26	После ЭИ додрабливанияв сите 40мм
0-5	6,3	9,7
5-10	8,4	15,6
10-20	17,3	40,4
20-40	13,5	34,3
40-70	12,0	0
Свыше 70	42,5

Рисунок 14 - Фракционный состав бетона

Технические параметры установки:

Установленная мощность, кВт — 100

Производительность (время загрузки и выгрузки изделий не учитывается), м3/ч - 3—5

Затраты энергии, кВт • ч/м3:

при переработке изделий с однослойным армированием — не более 3

при переработке изделий с пространственным армированием — не более 7

Параметры разрушаемых изделий:

— размеры, м - 6,3x3,2x0,3

— масса, т - 10

Габариты установки, м - 12x12x4

Масса установки, т - 25

Второй этап переработки некондиционных железобетонных изделий после извлечения арматуры обеспечивает дробление бетона до фракций, пригодных к повторному использованию в новых конструкциях.

Отсутствие металла в бетоне позволяет применять технологии, аналогичные используемым для получения естественных заполнителей, обычные механические дробильные установки (для переработки природного камня в карьерах), а также электроимпульсные дробилки, которые в отличие от традиционных позволяют в определенных пределах регулировать гранулометрический состав готового продукта путем подбора параметров источника импульсов.

Процентное содержание состава бетона по фракциям после додрабливания электроимпульсным способом приведено также в таблице 4. Наибольший процент составляет фракция 10—20 мм, которая соответствует размерам природного крупного заполнителя.

Результаты сравнительных испытаний образцов бетона, заполненного гравийным щебнем природного происхождения и фракцией 1.0— 20 мм, приведены в табл. 4

Таблица 4 - Результаты сравнительных испытаний образцов бетона

Марка бетона	Тип заполнителя	Прочность при сжатии,МПа	Плотность,кг/м3
М 300	Извлеченный из готового изделия электроимпульсным способом (включая стадию додрабливания)	26,1	2240
М 300	природный	25,5	2340

Таким образом, утилизация железобетона электроимпульсным способом имеет следующие особенности:

— извлечение арматурных каркасов и закладных элементов производится без их деформации;

— при додрабливании высвобождается природный заполнитель.

Преимущество предлагаемой технологии перед механическими способами состоит еще и в том, что срок службы породоразрушающего инструмента на несколько порядков выше, разупрочнение металла и бетона происходит эффективней.

Возможность повторного использования арматуры и природного заполнителя в производстве железобетонных изделий, щебня (в дорожных покрытиях, для отсыпки откосов, отработанной жидкости), для приготовления бетонных смесей со снижением расхода вяжущих материалов, делают электроимпульсную технологию не только ресурсосберегающей, безотходной, но и экологически благоприятной.

Вместе с тем при применении данной технологии требуется принять меры против отрицательных экологических факторов, вносимых при работе высоковольтных генераторов, входящих в состав устройств: волн звукового и радиодиапазонов, электрических полей высокой напряженности. Однако традиционные приемы (эффективное электрическое заземление, использование замкнутого вне земли рабочего контура для протекания импульсных токов, использование противошумных и радиозащитных экранов) приводят к локализации указанных факторов в области, непосредственно прилегающей к установкам, и сводят их к уровню, не превышающему требований стандартов.

Преимущества технологии:

• безотходность - возможноcть повторного использования недеформированной арматуры, природного заполнителя, щебня, отработанной жидкости;

• экологическая целесообразность и безопасность;

• износостойкость рабочего инструмента.

1.5 Электрический взрыв проводников

Электрическим взрывом проводников (ЭВП) называют явление взрывообразного разрушения металлического проводника при прохождении через него импульса тока большой плотности. Явление это сопровождается яркой вспышкой света, резким звуком, ударной волной, распространяющейся в окружающей проводник среде. Продуктами разрушения проводника являются пары и мельчайшие частицы металла, которые в определенных условиях могут взаимодействовать с окружающей средой, образуя различные химические соединения.

Рисунок 15 - LC-контур установки для электровзрывного получения УДП

Рисунок 16 - Типичные осциллограммы тока (I) и напряжения (U) в LC- контуре

Процесс электрического взрыва проводников делится на следующие стадии:

1. Емкостной накопитель энергии С заряжается от источника питания до напряжения U₀. При замыкании цепи разрядником Р ток вначале определяется волновым сопротивлением контура, поскольку сопротивление проводника мало. Проводник нагревается джоулевым теплом, плавится в точке t₁ (см. рис. 16).

2. Дальше проводник нагревается в жидком состоянии до момента t₂, характеризующего бурное испарение жидкого металла. При этом вещество расширяется, теряет металлическую проводимость, его сопротивление возрастает на несколько порядков, а ток в контуре уменьшается.

3. В момент t₃ ток прекращается, наступает пауза. Во время паузы напряжение конденсатора приложено к продуктам взрыва.

4. В момент t₄ осуществляется пробой газообразных продуктов взрыва, наступает дуговая стадия разряда.

К основным направлениям использования явления ЭВП в науке и технике относятся следующие:

· получение высокодисперсных порошков,

· напыление тонких пленок для нужд микроэлектроники,

· создание мощных импульсных источников излучения для фотографирования скоростных процессов,

· оптическая накачка газовых лазеров,

· получение активных сред для лазеров на парах металлов,

· создание импульсных источников нейтронов и электромагнитного излучения ультрафиолетового и рентгеновского диапазонов,

· ускорение микрочастиц,

· создание быстродействующих электровзрывных размыкателей тока для высоковольтных и сильноточных электрических цепей,

· сварка металлов,

· развальцовка труб,

· разрушение горных пород,

· моделирование атомных взрывов,

· дефектоскопия и др.

При электрическом взрыве проводников потребляемая электроэнергия преобразуется в работу по нагреву материала проводника в конденсированном состоянии, плавлению, испарению металла, ионизации, образованию новых поверхностей с разрывом химических связей - распаду металла на кластеры, разлету продуктов взрыва в окружающую среду. Процесс энерговыделения можно охарактеризовать следующими характеристиками: разрядным током i, падением напряжения на взрывающемся проводнике u, его активным сопротивлением r, мощностью N, энергией W, введенной в проводник к данному моменту времени t.

Введенная в проводник энергия является одной из важнейших характеристик взрыва, определяющих величину и скорость изменения сопротивления, термодинамическое состояние проводника, скорость расширения продуктов взрыва, размеры образующихся частиц и др. При анализе ЭВП пользуются также такими понятиями как объемная плотность энергии е, равная отношению величины введенной в проводник энергии к начальному объему проводника, и достигаемый перегрев или энергосодержание е/е_с – отношение объемной плотности энергии к энергии сублимации материала проводника е_с.

Определение энергетических характеристик ЭВП обычно производят из совместной обработки осциллограмм тока и напряжения. Для RLC-контура выражение для расчета энергии W имеет следующий вид: