Исследование разрушения бетона электрическим взрывом проводников с целью его утилизации

Сварка. Одним из способов повышения качества соединений является импульсная сварка труб с трубными решетками. Она основана на возникновении металлических связей в результате совместных влияний пластических деформаций и нагрева. Механизм электровзрывной сварки отличается от механизма электровзрывной запрессовки тем, что в отверстия трубной решетки вводится конусная разделка, а патрону сообщается большая энергия. Труба, дефорируясь с высокой скоростью, скользит по поверхности конусной разделки, образует сварное соединение на ее части. При косом соударении трубы и решетки образуются волны, способствующие зацеплению металлов. Полученные электровзрывной сваркой соединения имеют высокую герметичность (до 400·105 Па и более), а также прочность на уровне материала трубы.

Прессование металлокерамических деталей. Способ прессования металлических и неметаллических порошков электрическим взрывом проводника позволяет изготавливать металлокерамические детали типа втулок и колец без использования прессового оборудования в бесстержневой и беспуансонной пресс-форме, в которой функцию внутреннего пуансона (сердечника) выполняет промежуточная среда. Такой способ обеспечивает получение малопоритых и высокопрочных изделий, так как процесс можно вести при высокой температуре и с применением связующих металлов, например кобальта, который действует как смазка и обеспечивает текучесть частиц порошка для заполнения пустот и трещин.

Давление, необходимое для прессования порошков, создается в промежуточной среде в результате электрического взрыва проводника, расположенного по оси ее объема. Давление от взрыва проводника передается через промежуточную среду на порошок, расположенный между средой и матрицей. Промежуточную среду выполняют из полиэтилена, воска, вакуумной резины, капрона, каолина и т.п. Механические свойства изделий, спрессованных в условиях импульсного нагружения, значительно повышаются.

Электрогидравлическим установкам, основанным на использовании импульсного высоковольтного разряда в жидкости, присущи некоторые характерные особенности. Это нестабильность и плохая воспроизводимость процесса, низкая эффективность преобразования энергии и существенное влияние на нее параметров жидкости, размеров электродов, их взаимного расположения и др., что обусловлено непроизводительным расходом энергии, запасенной в емкости накопителя, на создание условий для возникновения электрического пробоя рабочего промежутка.

Инициирование разряда взрывающимся проводником позволяет локализовать место пробоя вплоть до обеспечения в ряде случаев заданной геометрии разрядного канала, существенно снизить рабочие напряжения. Кроме того, известно, что введение в разрядный канал элементов I группы периодической таблицы (например, меди) путем ЭВП способствует повышению эффективного показателя адиабаты γэ, который определяет КПД процесса преобразования энергии, запасенной в накопителях, в работу по расширению канала [5].

Преимуществами способа ЭВП являются возможности осуществления электрогидравлических ударов вблизи проводящих объектов и в растворах сильных электролитов, а также в расплавах некоторых металлов и солей. По сравнению со свободным разрядом в жидкости ЭВП обеспечивает более высокую эффективность и стабильность процесса.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Методика проведения экспериментов

Принципиальная схема электрической установки для проведения исследований ЭВП в твердом теле приведена на рисунке 19.

Рисунок 19 - Принципиальная электрическая схема экспериментальной установки:

Д - высоковольтный выпрямитель; L - зарядная индуктивность; ДН1, ДН2 - омические делители напряжения; Т - тройник; ТШ - токовый шунт; Р1 - поджигающий разрядник; Р2 - выходной разрядник, ЭО - электронный осциллограф.

Основными элементами установки являются: генератор импульсных токов (ГИТ), блок осциллографической регистрации разрядного тока и напряжения на взрывающемся проводнике (ВП), разрядная камера и объект исследования.

ГИТ собран на базе шести конденсаторов КМКИ 60-2 емкостью С = 0,16 мкФ. Регулирование выходного напряжения ГИТ осуществлялось зарядным напряжением и изменением расстояния между шарами разрядников. Запуск ГИТ осуществлялся с помощью генератора запускающих импульсов.

Основные технические характеристики ГИТ:

Максимальное выходное напряжение - 70 кВ;

Емкость - 0,96 мкФ;

Индуктивность разрядной цепи - 3,8 мкГ;

Амплитуда запускающего сигнала - 15 кВ.

Регистрация импульсных токов и падения напряжения на ВП осуществлялась с помощью устройств, преобразующих исследуемые сигналы до величины, приемлемой для последующей записи сигнала на электронно-лучевом осциллографе. В качестве преобразовательных устройств использовались омические делители напряжения ДН1, ДН2 по схеме Балыгина и токовый шунт (ТШ), сигналы от которых с помощью коаксиальных кабелей РК-75 передавались к осциллографу типа С8-17. Градуировка ДН и ТШ проводилась согласно ГОСТ 17512-82 «Электрооборудование и электроустановки на напряжение 3 кВ и выше».

При проведении исследований были использованы образцы бетона размером 100×100×100 мм, в которые при их изготовлении помещали медные проволочки диаметром 0,1; 0,25 и 0,4 мм, а также нихромовые и манганиновые проволочки диаметром 0,4 мм. Образцы бетона приготовлялись из бетона марки М200 Томского завода ЖБК.

ЭВП осуществлялся при следующих параметрах: напряжение ГИТ U = 61 кВ, емкость C = 0,96 мкФ, индуктивность разрядной цепи L = 3,8 мкГ, запасаемая энергия W = 1800 Дж.

При взрыве проводника в бетонном образце последний разрушался. Для оценки эффективности разрушения проводился ситовый анализ продуктов разрушения бетона на ситах с модулем √2, по результатам которого находились гранулометрические характеристики.

Ситовой анализ измельченных материалов основан на механическом разделении частиц по крупности. Материал загружается на сито с ячейками известного размера и путем встряхивания, постукивания, вибрации или другими способами разделяется на две части - остаток и проход. Просеивая материал через набор различных сит, можно разделить пробу на несколько фракций. Размеры частиц этих фракций ограничены размерами отверстий используемых в анализе сит.

Под размером сита обычно понимают длину стороны квадратной ячейки. Отношение размера ячеек сита к размеру (ширине) отверстия последующего более мелкого сита является постоянной величиной и называется модулем набора сит.

Достоинствами ситового анализа является простота и одновременное получение нескольких фракций. Погрешность измерения составляет 1-2 %. Недостаток - длительное время просеивания.

По найденным гранулометрическим характеристикам определялась поверхность образовавшихся осколков бетона Sвн и их средний диаметр Dср. При нахождении Sвн расчетной формулой для элементарного класса крупности являлась:

dS = 6dP/xρ0,

где dP - весовой выход элементарного класса крупности, х - средний размер класса крупности, ρ0 - плотность бетона.

Исчисление среднего рамера кусков бетона производилось по формуле:

D = ΣdP/ΣdP/x.

2.2 Анализ гранулометрических характеристик продуктов электрического взрыва проводников разного диаметра

В первой серии экспериментов для исследования влияния диаметра взрываемого проводника на характер разрушения бетона использовались медные проводники диаметром 0,1; 0,25 и 0,4 мм.

На осциллограммах тока и напряжения наблюдается различие во времени начала и длительности взрыва проводников разного диаметра. В качестве примера на рисунке 20 приведены осциллограммы тока и напряжения при взрыве медных проводников в бетоне.

Рисунок 20 - Осциллограммы тока и напряжения при взрыве медных проводников в бетоне

Определенные по результатам ситового анализа гранулометрические характеристики продуктов разрушения для различных диаметров представлены в таблицах 5 и 6. Х, мм - средний размер класса крупности

На рисунке 21 представлены суммарные характеристики крупности образцов бетона, показывающие долю частиц, размер которых больше данного класса крупности.

Таблица 5 - Суммарные характеристики крупности продуктов разрушения бетона при ЭВ медных проводников, %

Рисунок 21 - Суммарные гранулометрические характеристики продуктов разрушения бетона при взрыве медных проводников разных диаметров

Для образцов с медными проводниками диаметром 0,1 и 0,25 мм характеристики имеют примерно одинаковый вид, с меньшей эффективностью разрушены кубики бетона с проводниками 0,4 мм. Это подтверждают и результаты расчета вновь образованной поверхности S и среднего размера осколков D, приведенные в таблице.

Таблица 6 - Площадь вновь образованной поверхности и средний размер кусков бетона

На рисунке 22 представлены частные характеристики крупности образцов бетона, показывающие долю частиц, приходящихся на каждый класс крупности.

Таблица 7 - Частные характеристики крупности разрушения бетона в области от 2,2 до 45мм при ЭВ медных проводников, %.

Рисунок 22 - Частные гранулометрические характеристики продуктов разрушения бетона при взрыве медных проводников разных диаметров

На частной гранулометрической характеристике (рис. 22) наблюдается локальный максимум в области фракций 10-25 мм. Этот максимум объясняется исходными размерами крупного заполнителя (10-25 мм) - щебня, использованного при изготовлении модельных образцов. Крупный заполнитель является наиболее прочным компонентом в бетонных образцах и при взрыве он освобождается от скрепляющей песчано-цементной смеси.

При разрушении бетона вероятность выхода фракций, соответствующих размерам исходных частиц заполнителя больше вероятности появления вновь образовавшихся частиц.

2.3 Анализ гранулометрических характеристик продуктов электрического взрыва проводников из разных металлов

Во второй серии экспериментов исследовалось влияние материала проводников на характер разрушения бетона. В опытах использовались медные, нихромовые и манганиновые проводники диаметром 0,4 мм. Параметры ГИТ не изменялись.

 Характеристики металлов:

Медь - мягкий, ковкий металл красного цвета, в изломе розовый, при просвечивании в тонких слоях зеленовато-голубой. Удельное электрическое сопротивление ρ=0,0172*10-6 Ом*м.

Манганин - МНМц-3-12 (80%Cu, 3%Ni, 12%Mn). Достаточно дешевый сплав, отличающийся высоким удельным сопротивлением ρ=0,43 -0,51*10-6 Ом*м.

Манганин основной материал для электроизмерительных приборов и образцовых сопротивлений - эталонов магазинов, мостовых схем, шунтов, дополнительных сопротивлений приборов высокого класса точности.

Нихром - общее название группы сплавов <#"1.files/image028.gif">

Рисунок 23 - Суммарные гранулометрические характеристики продуктов разрушения бетона при взрыве проводников из разных материалов

Таблица 9 - Частные характеристики крупности продуктов разрушения бетона в области от 2,2 до 45мм при ЭВ различных проводников, %.

Рисунок 24 - Частные гранулометрические характеристики продуктов разрушения бетона при взрыве проводников из разных материалов

Как видно из рисунков 23, 24 и таблиц 8, 9, степень разрушения бетона зависит от материала взрываемого проводника. Для образцов с нихромовым и манганиновым проводниками характеристики имеют примерно одинаковый вид, с меньшей эффективностью разрушены кубики бетона с медным проводником диаметром 0,4 мм. Это подтверждают и результаты расчета вновь образованной поверхности S и среднего размера осколков D, приведенные в таблице.

Таблица 10 - Результаты расчета разрушения бетона с различным материалом взрываемого проводника.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6