КЛИНОВАЯ УДАРНО-ВОЛНОВАЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ФОРМОВАНИЯ БЕТОНОВ Российский патент 2001 года по МПК B28B1/10 

Область техники
Клиновая ударно-волновая газодинамическая установка для формования бетонов относится к технологии производства строительных материалов, в основном формирования структуры бетонов и растворов на минеральных вяжущих веществах для условий заводского производства, а также может быть использовано в монолитном, дорожном и других видах строительства.

Уровень техники
Известны способы и устройства обработки конгломератных сред, например, бетонных смесей, при формировании структуры искусственных строительных материалов - бетонов и растворов путем силового воздействия на различных стадиях - подготовки, укладки и формования с уплотнением, дополнительной обработки (Технология бетонных и железобетонных изделий. /Под об. ред. проф. Сизова В.Н. - М.: Высшая школа, 1972).

Недостаток таких способов - отсутствие унифицированных средств силового воздействия на разных стадиях формирования структуры.

Известны ударно-вибрационные устройства воздействия, включающие операцию силового воздействия на смесь и обеспечивающие тиксотропное разжижение смеси с быстрым формированием плотной макроструктуры (Гусев Б.В. и др. Ударно-вибрационная технология уплотнения бетонных смесей. - М.: Стройиздат, 1982).

Недостаток такого способа - отсутствие возможности нормированного воздействия в оптимальном диапазоне параметров на разных стадиях формирования структуры.

Известны установки с возможностью газодинамического воздействия на смесь (А.С. СССР N 1557522, G 01 N 33/24, 1990, Бюл. N 4).

Недостаток известного способа - уплотнение смеси осуществляется в одной плоскости путем создания динамического давления, при этом объектом воздействия являются сыпучие зернистые материалы, существенно отличающиеся по реологическим свойствам от бетонных смесей.

Известна также установка, принятая заявителем в качестве наиболее близкого аналога, для формования бетонов (ЕР 693351, 6 В 28 В 3/08, 1995. ИСМ вып. 23 N 6-98, с.5), включающая корпус формы со стенками и крышкой и клиновой элемент.

Недостаток известного устройства - отсутствие возможности независимого приложения спектра динамических и статических воздействий при формовании изделий или уплотнении бетонной смеси в массивах.

На фиг. 1, 2 показана схема одного из вариантов клиновой ударно-волновой газодинамической установки для формования, где 1 - корпус, 2 - подвижная боковая стенка, 3 - детонационные камеры в боковых донных стенках, 4 - свечи поджига, 5 - фигурная крышка, 6 - мембраны, 7 - бетонная смесь, 8 - детонационная камера над клиновым элементом, 9 - клин, 10 - трубопроводы с клапанами 11, 12- каналы для тепловой обработки продуктами сгорания.

Сущность изобретения
Обеспечение комплекса импульсных воздействий и статических давлений при формовании бетонных и железобетонных изделий и массивов преимущественно из жестких бетонных смесей.

Отличительные признаки
В отличие от известной установки, включающей корпус формы со стенками и крышкой и клиновой элемент, установка выполнена с детонационными камерами, установленными с возможностью ударно-волнового газодинамического воздействия на бетонную смесь, над клиновым элементом из условия обеспечения периода цикла больше времени релаксации смеси в стенках формы, из условия обеспечения периода цикла меньше времени релаксации смеси, по меньшей мере одна из стенок выполнена подвижной, с примыкающей к ней через клиновой элемент неподвижной наклонной стенкой корпуса формы детонационные камеры могут быть установлены как над клиновым элементом, так и в боковых и/или донной стенках формы, при этом детонационные камеры над клиновым элементом могут иметь величину продольного сечения (S_к), например, равной: S_к = (P_д/P_ср)[S_б(tgϕ + f_тр)] , где P_д - амплитуда динамического давления, действующего на бетонную смесь, P_ср - амплитуда давления в детонационной камере после прохождения волны детонации, S_б - площадь поверхности контакта бетонной смеси с подвижной боковой стенкой, ϕ -угол конусности клинового элемента, f_тр - коэффициент трения скольжения при перемещении клинового элемента. Детонационная камера может быть образована, например, полостью между верхней частью клина и крышкой.

Для жестких бетонных смесей частота циклов детонационной камеры над клиновым элементом может быть установлена из условия, чтобы обеспечивался период цикла больше времени релаксации смеси, который соответствует частоте цикла в пределах 0,5 -20 Гц, а детонационные камеры в боковых донных стенках могут быть выполнены из условия, чтобы обеспечивался период цикла меньше времени релаксации смеси, который соответствует частоте цикла более 50 Гц.

Сущность устройства
Форма, в которую укладывается бетонная смесь 7, включает корпус 1, подвижную боковую стенку 2, которая фиксируется от перемещения в сторону клина, например, уступом в фигурной крышке 5. Как минимум одна из боковых стенок корпуса выполнена наклонной, к ней через клиновой элемент 9 примыкает подвижная боковая стенка 2. В вертикальных боковых и/или донной стенках установлены детонационные камеры 3, например, прямоугольного поперечного сечения, отделенных, например, тонкими мембранами 6 от внутренней полости формы. Полость между верхней частью клина и крышкой образует детонационную камеру 8. Для подвода топливных компонентов в камеры используются трубопроводы 10 с клапанами 11. Инициирование детонации топливной газовой смеси осуществляется с помощью свечей поджига 4. В донной части корпуса и в крышке могут быть выполнены ряд связанных друг с другом каналов 12, в которые могут направляться продукты сгорания из детонационных камер для подогрева бетонной смеси. В крышке предусматривают также отверстия для удаления воздуха из уплотняемой бетонной смеси.

Принцип действия установки основан на способе приложения импульсного волнового воздействия заданных частотно-фазовых характеристик на полном цикле формирования структуры конгломератных сред газовой средой продуктов сгорания топливной смеси с возможностью варьирования амплитуды давления, частоты циклов и собственных частот импульсов. Импульсное волновое воздействие может формироваться, например, процессами детонации газообразных или аэрозольных компонентов с обеспечением величины амплитуды давления после прохождения детонационной волны, равной P_ср= (ρ_oD²)/2(γ+1), значением частоты циклов f_ц= 1/τ_з+τ_и, значением собственной частоты импульсов f_с = {[2/(k+1)] ^[1/(k-1)] · V_кр} /6L_кр, где ρ_o - исходная плотность смеси, величина скорости детонации, γ - показатель адиабаты, Q - тепловой эффект химической реакции на единицу массы топливной смеси, τ_з= V_rc/Q_v - время заполнения камеры сгорания, V_rc - объем камеры сгорания, Q_v- объемный расход топливной смеси, τ_и= 3L_кр/{[2/(k+1)]^[1/(k-1)]V_кр} - время истечения продуктов детонации, L_кр = V_кр/S_кр, S_кр - площадь критического сечения, V_кр - средняя скорость продуктов детонации в критическом сечении.

Устройство работает следующим образом. При заполнении формы смесью подвижная боковая стенка фиксируется в крайнем правом положении, например, уступом в крышке. После заполнения формы и закрепления крышки, включают группу детонационных камер 3, размещенных в боковых донных стенках, которые на первом этапе активируют смесь, а затем обеспечивают виброожижение бетонной смеси.

Детонационная камера над клиновым элементом, мощность которой, как правило, выше суммарной мощности камер в боковых донных стенках, осуществляет силовое воздействие и уплотняет бетонную смесь. При периодических взрывах газового топлива в этой камере на бетонную смесь действуют как импульсные, так и статические нагрузки. Клин, опускаясь вниз, перемещает подвижную стенку и сжимает бетонную смесь. Величина нагрузок при этом определяется объемом камеры над клиновым элементом, углом наклона стенки, составом топливной смеси и может быть подобрана в соответствии с заданными требованиями. Ее можно выполнить также в виде отдельных независимых отсеков (отдельных камер), что позволит изменять нагрузки в процессе уплотнения смеси в более широких пределах (за счет, в частности, изменения величины продольного сечения (площади S_к), определяемой, например, как величина равная: S_к = (P_д/P_ср)[S_б(tgϕ+f_тр)], где P_д - амплитуда динамического давления, действующего на бетонную смесь, P_ср - амплитуда давления в детонационной камере после прохождения волны детонации, S_б - площадь поверхности контакта бетонной смеси с подвижной боковой стенкой, ϕ - угол конусности клинового элемента, f_тр - коэффициент трения скольжения при перемещении клинового элемента.

При максимальной величине P_д = 10⁶ Па, средних значениях угла ϕ = 10^o и наиболее характерного значения f_тр ≈ 0,1 значение S_к = [0,28 · 10⁶ · S_б] /P_ср.

После окончания процесса уплотнения можно дополнительно обработать смесь с помощью одной из детонационных камер в боковых и/или донных стенках, при этом продукты сгорания из этой камеры можно направить в каналы донной части корпуса и крышки для нагрева с целью тепловой обработки уплотненной смеси.

Промышленная применимость
Устройство может быть использовано для изделий, изготавливаемых в заводских условиях, или монолитных массивов, укладываемых в жесткую опалубку как прямоугольной, так и сложной конфигурации, определяемой внутренним пространством корпуса.

При применении ударно-волновых газодинамических установок (УВГУ) характер воздействия на объект при обработке конгломератных сред для формировании искусственных строительных материалов, определяется характеристикой изменения давления в камере сгорания. Цикл работы УВГУ включает два основных процесса, определяющих его продолжительность: процесс заполнения камеры сгорания рабочей смесью и процесс истечения через сопло. Критическим из них (наибольшим по времени) является первый процесс. В основе корректного расчета времени заполнения лежат геометрические размеры камеры сгорания и условия подачи газов. После детонации топливной смеси давление увеличивается до величины P_ср, а затем снижается за время τ_c, определяющего собственную частоту импульса (f_с), до исходного уровня. После заполнения камеры сгорания новой порцией топливной смеси цикл повторяется через промежуток времени τ_ц , определяющий частоту следования импульсов или частоту циклов f_ц.

Наибольшую склонность к детонации имеет смесь ацетилена с кислородом, для которых объем порядка 10 куб.см (и более) обеспечивает перехода горения в детонацию.

Клиновая ударно-волновая газодинамическая установка для формования бетонов относится к технологии производства строительных материалов, в основном формирования структуры бетонов и растворов на минеральных вяжущих веществах для условий заводского производства. Устройство состоит из корпуса со стенками и крышкой и клинового элемента. В боковых и/или донных стенках и над клиновым элементом установлены детонационные камеры. Одна из стенок выполнена подвижной с примыкающей к ней через клиновой элемент неподвижной наклонной стенкой корпуса формы. Детонационная камера над клиновым элементом выполнена с величиной продольного сечения, равного S_k = (P_д/P_ср)[S_б(tgϕ+f_тр)], где P_д - амплитуда динамического давления, действующего на бетонную смесь, P_ср - среднее давление в детонационной камере после прохождения волны детонации; S_б - площадь поверхности контакта бетонной смеси с подвижной боковой стенкой; ϕ - угол конусности клинового элемента; f_тр - коэффициент трения скольжения при перемещении клинового элемента. Устройство обеспечивает комплекс импульсных воздействий и статических давлений при формовании бетонных и железобетонных изделий и массивов преимущественно из жестких бетонных смесей. 3 з.п.ф-лы., 2 ил.

1. Клиновая установка для формования бетонов, включающая корпус формы со стенками и крышкой, и клиновой элемент, отличающаяся тем, что установка выполнена с детонационными камерами, установленными над клиновым элементом, с возможностью ударно-волнового газодинамического воздействия на бетонную смесь из условия обеспечения периода цикла больше времени релаксации смеси и/или в стенках формы, из условия обеспечения периода цикла меньше времени релаксации смеси, по меньшей мере одна из стенок выполнена подвижной с примыкающей к ней через клиновой элемент неподвижной наклонной стенкой корпуса формы. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что детонационная камера выполнена с величиной продольного сечения (S_к), равной
S_к = (P_д/P_ср)[S_б(tgϕ+f_тр)],
где P_д - амплитуда динамического давления, действующего на бетонную смесь;
P_ср - среднее давление в детонационной камере после прохождения волны детонации;
S_б - площадь поверхности контакта бетонной смеси с подвижной боковой стенкой;
ϕ - угол конусности клинового элемента;
f_тр - коэффициент трения скольжения при перемещении клинового элемента. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что детонационная камера образована полостью между верхней частью клина и крышкой. 4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что установлены детонационная камера над клиновым элементом с частотой цикла в пределах 0,5 - 20 Гц и детонационные камеры в боковых и/или донной стенках формы с частотой цикла более 50 Гц.