Исследование разрушения бетона электрическим взрывом проводников с целью его утилизации

Гидроимпульсный скалолом, разработанный Украинским отделением института Гидропроект им. С. Я. Жука, относится к взрывным шпуровым средствам, и разрушение им является разновидностью гидровзрыва. В пробуренную в бетоне скважину (шпур) диаметром 43 мм и предварительно залитую водой вставляют скалолом, снабженный охотничьим патроном 12-го калибра, который заряжен бездымным порохом марки «Сокол» или «Беркут», а затем производят выстрел. Разрушение бетона скалоломом происходит в режиме воздействия на стенки скважины гидравлического пресса, возникающего при резком расширении пороховых.

Расширение твердых смесей предварительно пробуренных шпурах представляет большой интерес, особенно расширение смеси типа «Бристар» (Япония) и НРС-1, разработанной НПНПстромом.

В массиве бурят шпуры, параметры и расположение которых определяются в зависимости от физико-механических характеристик разрушаемого материала. Глубина шпуров составляет не менее 70 % высоты разрушаемого массива; при этом чем больше диаметр шпура, тем сильнее разрушающее усилие на его стенки. Смесь порошка с водой заливается в пробуренные шпуры до их устья.

Расход порошка, необходимого для приготовления расширяющейся смеси, определяется из расчета 2 г на 1 см3 шпура. Водотвердое отношение по массе должно находиться в пределах 0,30-0,32. Расширяющее усилие увеличивается со временем и за сутки достигает ЗОМПа.

Преимуществами их перед другими средствами являются отсутствие осколков и шума, большое количество одновременно заполняемых шпуров, которые через сутки вызывают растрескивание неограниченных в объеме массивов.

Разрушение массивов из бетона марки 300 и более, а также густоармированных массивов производится с предварительным бурением вертикальных или наклонных шпуров. При этом увеличивается производительность взрывогенератора, которая в зависимости от прочности разрушаемых конструкций составляет 42... 150 м3/ч.

Недостатками взрывогенераторов являются большой разлет осколков, значительный шум (до 108 дБ в радиусе 50 м) и выделение токсичных газов.

При выборе способов разборки и разрушения конструкций одними из основных показателей являются трудоемкость и сроки выполнения работ, однако эффективность применения того или иного способа существенно зависит также от выхода годных к повторному использованию материалов.

Разработка и создание эффективных технологий по переработке строительных отходов при разборке зданий и сооружений направлены на решение актуальных проблем экологической безопасности:

- ликвидация свалок и захоронений строительного мусора и отходов строительного производства;

- повышения чистоты воздушного бассейна от загрязнений в результате сжигания строительного мусора и отходов;

- создание ресурсосберегающих технологий по переработке строительных отходов, позволяющих обеспечивать экономию строительных материалов: щебня, песка, битума, наполнителей, лаков, красок и т.п.

В России успешно работают технологические дробильно-сортировочные комплексы по переработке твердых строительных отходов.

1.3.1 Зарубежный опыт переработки строительных отходов

В мировой практике применяются два основных принципа организации переработки тяжелых строительных отходов и некондиционной продукции стройиндустрии:

-переработка образовавшихся отходов на месте их возникновения (на стройплощадке);

-переработка отходов на специальных комплексах.

Первый вариант не позволяет применять высокопроизводительное оборудование, обеспечивающее получение чистого и фракционированного продукта. Кроме этого, оно требует особых мер экологической защиты близлежащих жилых домов, исключает возможность непрерывной работы дробильной установки.

Второй вариант предусматривает дополнительные транспортные расходы на доставку отходов к месту переработки, которые компенсируются эффективной работой дробильно-сортировочного комплекса большой мощности, возможностью более глубокой переработки, отбором всех посторонних включений, возможностью организации постоянной логистики и маркетинга, относительно простым решением экологических проблем.

Например, в Германии в каждой земле существуют крупные перерабатывающие комплексы. Только в Берлине (где снос построенных во времена ГДР панельных пятиэтажек даже не планируется) их более 20.

Как правило, комплекс состоит из нескольких участков.

Участок приема отходов, где осуществляется их складирование, предварительная сортировка и разделка негабаритных плит или обломков до размеров, которые способна пропустить дробилка. Этот участок обычно обслуживают экскаваторы с гидрокусачками.

Участок подготовленного материала, где работают фронтальные погрузчики с емкостью ковша 4 - 5 м3 способные обеспечить непрерывную работу высокопроизводительной дробилки.

Перерабатывающая установка, включающая приемный бункер, дробильный агрегат, магнитный сепаратор и сортировочный узел. На крупных перерабатывающих предприятиях в состав установки входят также дробилка вторичного дробления, более полный набор грохотов, система воздушной сепарации легких частиц (остатки утеплителя, обоев, линолеума и др.), а иногда и установка для мойки вторичного щебня.

Склад готовой продукции может быть укомплектован поворотными конвейерами, отсыпающими щебень разных фракций в конические отвалы, или автоматизированными силосными складами, где в силосах хранится щебень, распределяемый по фракциям и по прочности, откуда он автоматически отгружается заказчику в заданном процентном соотношении.

Обычно комплексы оборудованы автомобильными весами для взвешивания поступающего материала и отпускаемой продукции.

В качестве первичных дробильных агрегатов чаще всего используют щековые дробилки, а также роторные агрегаты ударно-отражательного действия, причем последние часто не требуют установки дробилки второй ступени.

Работающие за рубежом комплексы не только выполняют важную экологическую и экономическую задачи государственного значения, но также являются высокорентабельными предприятиями. Их доходы складываются из платы за приемку материала на переработку (поставщик экономит транспортные расходы на доставку к месту свалки и плату за свалку) и доходов от продажи вторичного щебня, который дешевле природного и ему обеспечен сбыт. Производительность комплексов в зависимости от их комплектации и загрузки составляет 100-800 тыс. т в год.

1.4. Электроразрядные технологии

1.4.1 Электрогидравлический эффект

Наряду с общеизвестными средствами разрушения в последние годы все более широкое применение находят для разрушения железобетонных и других конструкций такие шпуровые средства, как установки электрогидравлического эффекта (ЭГЭ), гидроклиновой раскалыватель, гидропороховой скалолом, расширяющиеся смеси, а также взрыво-генераторные установки.

Принцип действия электрогидравлических установок (ЭГУ) основан на применении электрогидравлического эффекта Л.А. Юткина, который представляет собой высоковольтный импульсный разряд электрического тока в жидкости, сопровождающийся выделением энергии в виде ударных и акустических волн и др. В электрогидравлическом эффекте (ЭГЭ) используется энергия, накопленная в конденсаторной батарее. В результате электрического разряда, происходящего в жидкой среде, формируется канал, представляющий собой парогазовую полость, расширение которой сопровождается волнами давления и скоростным потоком, образующим электрогидравлический удар, который разрушает материал разбираемой конструкции. Искровой разряд происходит в жидкости, залитой в шпур глубиной 0,3-0,5 м и диаметром 25-42 мм, пробуренный в теле конструкции.

В настоящее время для разрушения строительных конструкций (бетона и железобетона) применяют ЭГУ типа «Вулкан», ЭГУРН, «Базальт» и др.

В технологический комплекс по разрушению железобетонных конструкций ЭГЭ входят: установка ЭГУРН, источник электроэнергий напряжением 380/220 В установленной мощностью 20кВА, источник сжатого воздуха производительностью 5 м3/мин, источник технической воды (водопровод, емкость), аппаратура для резки арматуры (газо- или электросварка), средства бурения шпуров (перфораторы, шланги, буровые штанги), средства разборки бетона (клинья, ломы, пневмомолотки), подъемно-транспортные средства для погрузки и удаления бетонного боя и кусков арматуры.

Электрогидравлический способ подразделяется на электрогидравлический клин и электрогидравлические установки. Первый из них является инвентарным инструментом, основанный на действии гидравлического удара. Разрушаемая конструкция предварительно «подрезается» системой горизонтальных щелей (для разрезки арматуры) и вертикальных шпуров для размещения в них специального устройства «клина». Схемы шпуров и щелей при разрушении конструкций представлены на рисунке 7.

Рисунок 7 - Устройство шпуров в бетонных массивах:

1-фундамент; 2-вертикальный шпур; 3-горизонтальный шпур для «подрезки» арматуры; 4-стержни армокаркаса

Само устройство для электрогидравлического разрушения бетона представляет собой электрогидравлический клин ЭКГ-4 и электрогидравлический взрыватель ЭГВ-10. В разрушаемом изделии в предварительно образованный шпур устанавливается приспособление ЭКГ-4. При этом клин (6) и поршень (5) занимают верхнее положение. В полость (4) заливается вода и электровзрыватель (2) подсоединяется к силовой установке. Импульсный разряд электрогидравлического взрывателя вызывает динамический удар клина, который перемещаясь посредством разрезной втулки (7), вниз «разрывает» железобетонную конструкцию по ослабленному шпурами сечению.

Рисунок 8 - Электрогидравлический клин ЭКГ-4:

1 - корпус клина; 2 - взрыватель; 3 - электрод разрядника; 4 - полость клина с водой; 5 - поршень; 6 - клин; 7 - разъемная втулка; 8 - косынки крепления подвесок; 9 - подвески втулки.

Силовая установка электрогидравлического клина, монтируемая на шасси автомашины типа ЗИЛ, состоит из следующих узлов: повысительно-выпрямительного устройства; импульсного конденсатора; разрядного устройства; пульта управления.

Рисунок 9 - Автомашина ЗИЛ

Повысительно-выпрямительное устройство предназначено для повышения сетевого напряжения 220/380 В до напряжения 15000 В. Импульсные конденсаторы большой емкости являются накопителями энергии для очередного взрыва.

Разрядное устройство передает импульсный разряд на электроды (3). Энергия импульсного разряда, достигающая 300 кДж, позволяет этим способом разрушать практически любую массивную монолитную конструкцию. Разница в применяемых методах заключается в мощности импульсного разряда. Установки подобного типа за счет значительной энергии, накопленной в батареях импульсных конденсаторов, обеспечивают давление в камере 10 разряда порядка 102-103 МПа, что превышает конструктивную прочность разрушаемого массива. Это позволяет разрушать габаритные фундаменты под каркас, под технологическое оборудование. Схема установки приведена на рисунке 10.

Рисунок 10 - Схема для установки для разрушения строительных конструкций электрогидравлическим способом:

1 - платформа автомобиля: 2 - выключатель; 3 - высоковольтный трансформатор; 4 - выпрямитель; 5 - батарея конденсаторов; 6 - управляемый разрядник; 7 - кабель; 8 - «шпур»; 9 - разрушаемый массив; 10 - вода; 11 - искровой промежуток

Таблица 2 - Технические характеристики электрогидравлических установок.

1.4.2 Электроимпульсная технология

Важнейшей особенностью электроимпульсной технологии является высокая селективность разрушения материала, проявляющаяся в лучшем раскрытии зерен полезных минералов и лучшей их сохранности от разрушения.

Рабочим инструментом при электроимпульсном разрушении является искра, не возникает проблемы с загрязнением продукта измельчения аппаратурным железом, материалом мелющих тел, свойственным механическим способом измельчения материалов.

Электроимпульсное измельчение материалов, как правило, проводят в воде. Применение диэлектрических жидкостей часто бывает просто исключено из-за их воздействия на поверхностные свойства измельченных минеральных частиц. А с другой стороны, геометрия электродов такова, что формирование импульсов напряжения с требуемыми параметрами (амплитудой и длительностью фронта) не представляет особых затруднений, даже если используется техническая вода. Для повышения сопротивления нагрузки имеется возможность максимально изолировать электроды, разделить конструкцию на параллельно работающие секции.

Данное технологическое применение электроимпульсного способа разрушения осуществляется по схеме, представленной на рисунке 11.

Рисунок 11 - Технологическая схема ЭИ - установки для утилизации железобетонных изделий.

Объектом разрушения служат некондиционные железобетонные изделия - брак производства или выбывающие из эксплуатации панели. Целью разрушения ЖБИ является утилизация арматурного металла и бетона. Особенностью электроимпульсного процесса в данном технологическом применении является то, что один из электродов системы является арматура ЖБИ. В тех случаях, когда арматура не обнажена, процесс электрического пробоя облегчен, так как разряд на арматуру может быть осуществлен только путем пробоя слоя бетона. Реальные процесс разрушения ЖБИ означает постепенное обнажение арматуры и может осуществляться только в режиме электроимпульсного пробоя - с внедрением разряда в бетон при наличии и альтернативной возможности перекрытия по поверхности на обнаженную арматуру. При этом не обязательно, чтобы в каждом акте пробоя электрод касался бетона, пробой может быть и комбинированным с частичным прохождением через водную среду.

Технологическая схема разрушения ЖБИ следующая: панель 2 загружается в ванну с водой 3, рабочий электрод 4 с помощью манипулятора постепенно перемещается по ячейкам изделия, при этом система контроля выдает команду для перемещения в новое положение лишь после полного разрушения ячейки. Освободившиеся после разрушения ЖБИ арматура и бетонный шлам по отдельности удаляются из ванны. Как показали опытные работы по разрушению ЖБИ, состояние арматуры позволяет ее повторное использование, так же как и бетона после дополнительного его доизмельчения.

Принципиально имеется два возможных способа разрушения негабаритов электроимпульсным способом - при пробое в системе наложенных электродов и при пробое в системе с предварительно забуренными шпурами. Здесь имеется в виду, что пробиваемые промежутки достигают длины нескольких дециметров и что обеспечивается ввод необходимого количества энергии в канал разряда. Первый способ проще технологически, однако чрезвычайно низка эффективность использования энергии канала разряда. С энергетической точки зрения случай сквозного пробоя из забуренных шпуров более выгоден, однако технологически осложнен операцией забуривания шпура, и его эффективность необходимо оценивать в сравнении с достаточно хорошо отработанной технологией электрогидравлического разрушения негабаритов.

К побочным явлениям электроимпульсного разрушения следует отнести эффекты, обусловленные воздействием на материал и жидкую рабочую среду высоких температур канала разряда, давления проходящей в твердом теле волны, электрических и магнитных полей. Фазовые превращения в материале, изменение поверхностных свойств и т.д. могут выступать не только как факторы, влияющие на эффективность последующих процессов с материалом (например, при обогащении), но и представлять самостоятельный технологический интерес, например, для ускорения химических реакций, синтеза алмазов и т.д. Именно в этой области возникает соприкосновение и взаимопроникновение исследовательских работ по электроимпульсной, электрогидравлической, электронно-ионной технологиям. Примером этому является электроразрядное разупрочнение материала для интенсификации гидрометаллургического процесса, для повышения селективности разрушения руд.

С конца семидесятых годов в НИИ высоких напряжений проводятся работы по созданию техники и технологии электроимпульсной утилизации некондиционного железобетона.

Сущность способа основана на разрушающем действии импульсных электрических разрядов, инициированных непосредственно в толще бетона, между электродами либо между элементами арматуры, либо между внешним электродом и элементами арматуры [5].

В канале пробоя выделяется электрическая энергия, запасенная во внешнем накопителе, обычно емкостном, канал пробоя расширяется подобно поршню и создает переменное во времени и пространстве поле механических напряжений. За счет интенсивной дивергенции волн, их взаимодействия со свободными границами и неоднородностями разрушаемого изделия, это поле носит сложный характер с большим удельным содержанием сдвиговых и растягивающих напряжений. В генеральной картине разрушения преобладают радиальные изломы, распространяющиеся от канала пробоя, присутствует растрескивание по Гопкинсону и концентрические трещины.

Для предотвращения пробоя бетона по поверхности используются специальные изоляционные среды (например, техническая вода), координирование разрядных промежутков с параметрами воздействующего импульса напряжения, формой и местом расположения электродов.

Эффективность разрушения бетона электрическими разрядами по поверхности, а также в окружающей его среде существенно ниже по сравнению с вариантом пробоя в толще бетона.

Рисунок 12 - Схема установки разрушения железобетона: 1 - щит распределительный; 2 -пульт управления; 3 - регулятор напряжения; 4 - трансформатор высоковольтный; 5 - генератор импульсных напряжений; 6 - высоковольтная шина; 7 - станция гидравлическая; 8 - электродная система; 9 - поддон; 10 - разрушаемое изделие; 11- гидроцилиндры; 12 - технологическая ванна; 13 - бункер

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6