УДАРНО-ВОЛНОВОЙ СПОСОБ ОБРАБОТКИ КОНГЛОМЕРАТНЫХ СРЕД ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ИСКУССТВЕННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2001 года по МПК B28B1/04 

Изобретение относится к технологии производства строительных материалов, в основном формирования структуры бетонов и растворов на минеральных вяжущих веществах для условий заводского производства и для монолитного, дорожного и других видов строительства.

Известны способы 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. общей редакцией проф. Сизова В.Н. М.: Высшая школа, 1972).

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

Известен ударно-вибрационный способ воздействия, включающий операцию силового воздействия на смесь и обеспечивающий 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.

Известен способ создания упругих колебаний в среде с образованием в среде импульса упругих колебаний, образуемых излучателем (авт. св. СССР N 684477, G 01 V 1/13).

Недостаток такого способа - недостаточный для конгломератных структур уровень силового воздействия.

Известен комбинированный способ воздействия с разными частотами в определенном диапазоне (пат. США N 5527175, НКИ 425-135, 1993).

Недостаток такого способа - отсутствие статических давлений при реализации способа.

Известен также принятый заявителем за наиболее близкий аналог способ ударно-волновой обработки импульсным воздействием конгломератных сред (Афанасьев А. А. Технология импульсного уплотнения бетонных смесей. - М.: Стройиздат, 1987, с. 45), включающий импульсное ударно-волновое силовое воздействие на смесь компонентов.

Недостаток известного способа в том, что назначение режима импульсных воздействий по ускорению и амплитуде пульсаций является ограниченным, при этом имеет место наличие узкого спектра частотных характеристик импульсного волнового воздействия и невозможность формирования структуры конгломератных сред на жестких смесях комплексно на различных стадиях - подготовки, укладки и формования с уплотнением, дополнительной обработки.

На фиг. 1 представлено ударно-волновое газодинамическое устройство (УВГУ); на фиг. 2,3 - машина для формирования многопустотных изделий на основе УВГУ; на фиг. 4,5 - схема поверхностного УВГУ (виброштамп); на фиг. 6 - экспериментальная установка УВГУ для формирования структур на жестких бетонных смесях; на фиг. 7 приведены результаты испытания на прочность экспериментальных образцов, полученных с помощью технологии УВГУ,
где 1 - штуцер подачи топливной смеси; 2 - камера смешения; 3 - свеча поджига; 4 - внутренняя труба; 5 - эластичная оболочка; 6 - фланцы; 7 - УВГУ пустотообразователи; 8 - разъемная форма; 9 - бетонная смесь; 10 - детонационная камера; 11 - опорная плита; 12 - система подачи компонентов топливной смеси; 13 - система поджига; 14 - резонансная плита; 15 - упругие элементы; 16 - пригруз; 17 - форкамера; 18 - сопло; 19 - камера сгорания; 20 - штуцеры подачи газовых компонентов; 21 - поршневая группа; 22 - образец, полученный на экспериментальной установке; 23 - разрушение образцов, полученных на экспериментальной установке; 24 - разрушение контрольного образца;
Техническая задача состоит в устранении указанных недостатков, формировании структуры конгломератных сред на жестких смесях комплексно на различных стадиях - подготовки, укладки и формования с уплотнением, дополнительной обработки и интенсификация процесса формирования структуры смесей для получения искусственного камня, преимущественно бетонов, плотных структур из жестких смесей и экономии вяжущего.

Решение технической задачи обеспечивается приложением импульсного волнового воздействия заданных частотно-фазовых характеристик на полном цикле формирования структуры газовой средой продуктов сгорания топливной смеси.

Отличительные признаки.

В отличие от известного ударно-волнового способа обработки конгломератных сред при формировании искусственных строительных материалов, включающего операции импульсного ударно-волнового силового воздействия на смесь компонентов, в предложенном решении импульсное ударно-волновое воздействие осуществляют газовой средой продуктов сгорания топливной смеси, с возможностью варьирования амплитуды давления, частоты циклов и собственных частот импульсов, например, образуемой в ударно-волновых газодинамических устройствах процессами детонации газообразных или аэрозольных компонентов, например, с величиной амплитуды давления после прохождения детонационной волны, равной P = (ρ₀D)²/2(γ+1), значение частоты циклов f_ц= 1/τ_з+τ_и, значение собственной частоты импульсов f_с ={[2/(k+1)]^[1/(k-1)] V_кр}/6 L_кр, где ρ₀ - 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 - расход топливной смеси, τ_и = 3 L_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. При этом собственная частота импульсов может приниматься от 1 до 5 кГц, частоту циклов на стадии предварительной обработки конгломератных сред принимают f_ц< 1/τ_p при амплитуде давления от 0,1 до 0,2 МПа; на стадии уплотнения частоту циклов принимают f_ц≥ 1/τ_p при амплитуде давления на от 0,2 до 1,0 МПа, а на стадии дополнительной обработки после уплотнения частоту циклов принимают f_ц≥ 1/τ_p, при амплитуде давления менее 1 кПа, где τ_p - время релаксации среды при волновом воздействии.

Возможно также осуществление комбинированного поличастотного воздействия на среду путем суперпозиции импульсных воздействий продуктов сгорания топливной смеси, получаемых при синхронизированной детонации. Один из вариантов способа - приложение силового воздействия на смесь компонентов через волновод-трансформатор, в частности, через дополнительную поверхность, толкатель или эластичный ковер.

Сущность способа
Решение технической задачи обеспечивается приложением импульсного волнового воздействия заданных частотно-фазовых характеристик на полном цикле формирования структуры газовой средой продуктов сгорания топливной смеси. Импульсные режимы уплотнения в сочетании с силовым воздействием дают возможность получать однородные структуры бетонов из жестких смесей на плотных и пористых заполнителях, достигать снижения расхода цемента и энергии тепловой обработки.

Поля из цилиндрических, сферических и плоских волн позволяют достигать не только быстрый переход конгломератных систем в состояние течения, но и формировать структуру, в частности бетонов, с наиболее плотной упаковкой составляющих.

Ударно-волновой способ обработки конгломератных сред при формировании искусственных строительных материалов, основанный на использовании ударно-волнового импульсного силового воздействия на смесь компонентов газовой средой продуктов сгорания топливной смеси с возможностью варьирования собственных частот импульсов и частоты циклов, обеспечивает изменение во времени параметров воздействия при обработке, например, жестких бетонных смесей.

На стадии формования и уплотнения, при воздействии на многокомпонентные среды со сложной структурой обеспечиваются необходимые параметры, которые обуславливают сложный комплекс различных процессов и сопровождающих их явлений - необратимые деформации, изменение свойств - псевдоожижение, тиксотропное ожижение; миграции составляющих - переукладка, вытеснение газовой составляющей; изменение скорости протекающих физических, химических, тепловых процессов среды за счет возможности создания мощных периодических импульсов с крутым передним фронтом в конгломератных средах. При формировании структуры искусственных строительных материалов генерируются импульсы с широким спектром собственных частот с возможностью формирования ударной волны направленного действия или высоконапорной газовой струи с большим поперечным сечением.

Необходимые частотные характеристики обеспечиваются, например, для бетонных смесей, являющихся основным представителем конгломератных сред, газовой струей продуктов сгорания, образованных в ударно-волновых газодинамических устройствах процессами детонации газообразных компонентов с величиной давления на фронте детонационной волны. равной: P_ф= (2ρ₀D²)/(γ+1), где ρ₀- исходная плотность смеси, γ - показатель адиабаты, - величина скорости детонации, Q - тепловой эффект химической реакции на единицу массы топливной смеси, что обеспечит варьирование собственных частот импульсов (f_с) и частоты циклов (f_ц). Давление на фронте детонационной волны P_ф обеспечивает амплитуду давления после прохождения детонационной волны P = (ρ_oD²)/2(γ+1).
Прохождение волн через различные среды сопровождается диссоциацией и поглощением волновой энергии с выделением тепла. Доля поглощения энергии зависит от коэффициента затухания воли, возрастающего с увеличением частоты. В средах с большим коэффициентом затухания, например в бетонных смесях, значительная часть волновой энергии переходит в тепловую уже на расстоянии 0,5- 1,0 м, при частоте порядка 1,0 кГц. Кроме того, используется выделяющаяся тепловая энергия газовой среды продуктов сгорания.

На стадии предварительной обработки смеси до формования и уплотнения частота следования импульсов равна 50-100 Гц при собственной частоте до 500 Гц, на стадии дополнительной обработки после уплотнения частота следования импульсов должна составлять до 50 Гц при собственной частоте импульса 0,2-5 кГц.

На стадии предварительной обработки смеси до формования и уплотнения для активации смеси частота следования импульсов должна составлять 50-100 Гц при собственной частоте до 500 Гц.

Промышленная применимость (с примером реализации).

Для реализации способа могут быть применены, например, ударно-волновые газодинамические устройства (УВГУ).

Газообразные компоненты топливной смеси (фиг. 1) подаются через штуцеры подачи 1 в камеру смешения 2. Детонация топливной смеси происходит с помощью свечи 3. Волна давления распространяется в кольцевом зазоре между внутренней трубой 4 и эластичной оболочкой 5, установленной в скрепляющих фланцах 6. Силовые импульсы через эластичную стенку будут передаваться в бетонную смесь.

На основе УВГУ-пустотообразователя (фиг. 1) могут быть созданы машины для формирования многопустотных изделий на основе ударно-волновой технологии (УВТ). Конструктивная схема такой машины представлена на фиг. 2,3.

УВГУ-пустотообразователи 7 расположены в разъемной форме 8, заполненной бетонной смесью 9. Динамическое воздействие на бетонную смесь осуществляется за счет периодической детонации (с низкой частотой) топливной смеси в УВГУ-пустотообразователях, а тиксотропное сжижение бетонной смеси осуществляется за счет работы детонационных камер 10, расположенных на опорной плите 11. Детонационные камеры снабжены системой подачи компонентов топливной смеси 12 и системой поджига 13. Как видно из чертежа, внутренний объем детонационных камер конструктивно образован опорной плитой 11 и резонансной плитой 14, которые механически развязаны. Резонансная и опорная плиты связаны между собой упругими элементами 15. При этом резонансная плита в технологическом процессе может выполнять роль пригруза. Отработанные газы в данной схеме также могут быть использованы для тепловой обработки бетонных изделий.

Преимуществом данной конструктивной схемы, реализующей способ, в сравнении с применяемыми в настоящее время является не только возможность в широких пределах регулировать частоту и амплитуду динамического давления, но и воздействовать на бетонную смесь изнутри, что является наиболее эффективным при формировании бетонных и железобетонных изделий.

Возможности применения УВТ в построечных условиях могут быть продемонстрированы конструктивной схемой поверхностного УВГУ (фиг. 4,5). Подобная схема может найти применение в качестве скользящего виброштампа или части более сложного бетоноукладочного комплекса при укладке дорожных покрытий, изготовлении аэродромных плит, плит крепления откосов и др. На опорной плите 11, располагающейся на обрабатываемой бетонной смеси, на упругих элементах 15 располагаются детонационные камеры 10, объем которых образован с одной стороны резонансной плитой 14, а с другой пригрузом - 16, которые связаны упругими элементами 15 и имеют возможность перемещаться относительно друг друга. Детонационные камеры также снабжены системой подачи компонентов топливной смеси 12 и системой поджига 13. Детонационные камеры могут работать как синхронно, так и со сдвигом по фазе или отдельными группами. Это дает возможность в широком диапазоне изменять частоту воздействия и динамическую нагрузку в процессе выполнения технологического цикла.

В данной конструктивной схеме реализуется принцип резонансной плиты, причем все элементы конструкции детонационной камеры представляют собой единую колебательную систему. Частота следования импульсов давления в детонационных камерах может быть в кратное число раз ниже собственной частоты колебаний резонансной плиты. Это даст возможность изменять частоту силовых воздействий на бетонную смесь при неизменной частоте работы детонационных камер.

Проведенные экспериментальные исследования с целью проверки принципиальной возможности воздействия с помощью УВГУ, работающего на воздушно-водородной смеси (фиг. 6), показали, что при уплотнении обычных тяжелых бетонов на жестких смесях подтверждаются обоснованные теоретически данные об эффективности воздействия, при этом структура бетонов получается классическая. Плотность образцов и прочностные показатели (фиг. 7) при прочих условиях выше на 15-20%, чем у образцов, полученных традиционными методами с виброуплотнением по стандартным параметрам.

Ударно-волновой способ обработки конгломератных сред при формировании искусственных строительных материалов относится к технологии производства строительных материалов, для формирования структуры бетонов и растворов на минеральных вяжущих веществах. Импульсное волновое воздействие заданных частотно-фазовых характеристик на полном цикле формирования структуры конгломератных сред осуществляется газовой средой продуктов сгорания топливной смеси с возможностью варьирования амплитуды давления, частоты циклов и собственных частот импульсов, на различных стадиях обработки конгломератных сред. Технический результат: формирование структуры конгломератных сред из жестких бетонных смесей. 4 з.п.ф-лы, 7 ил. .

1. Ударно-волновой способ обработки конгломератных сред при формировании искусственных строительных материалов, включающий операции импульсного ударно-волнового силового воздействия на смесь компонентов, отличающийся тем, что импульсное ударно-волновое воздействие осуществляют газовой средой продуктов сгорания топливной смеси с возможностью варьирования амплитуды давления, частоты циклов и собственных частот импульсов, для формирования структуры жестких смесей на различных стадиях. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что газовая среда продуктов сгорания образуется в ударно-волновых газодинамических устройствах процессами детонации газообразных или аэрозольных компонентов с величиной амплитуды давления после прохождения детонационной волны, равной P = (ρ₀D)²/2(γ+1), значение частоты циклов f_ц= 1/τ_з+τ_и, значение собственной частоты импульсов
fc = {[2/(k + 1)]^[1/(k-1)] V_kp}/6L_кр,
где ρ₀ - исходная плотность смеси;
D = 2Q(γ²+1) - величина скорости детонации, м/с;
γ - показатель адиабаты, Дж/кг;
Q - тепловой эффект химической реакции на единицу массы топливной смеси;
τ_з = V_гс/Q_v - время заполнения камеры сгорания;
V_гс - объем камеры сгорания, м³;
Q_v - объемный расход топливной смеси, м³/с;
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, м²;
V_кр - средняя скорость продуктов детонации в критическом сечении, м/с. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что собственная частота импульсов принимается от 0,2 до 5 кГц, на стадии предварительной обработки конгломератных сред частоту циклов принимают f_ц< 1/τ_p, амплитуду давления от 0,1 до 0,2 МПа, на стадии уплотнения частоту циклов принимают f_ц< 1/τ_p, амплитуду давления от 0,2 до 1,0 МПА, на стадии дополнительной обработки после уплотнения частоту циклов принимают f_ц≥ 1/τ_p, амплитуду давления менее 1 кПа, где τ_p - время релаксации среды при волновом воздействии. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют комбинированное поличастотное воздействие на среду путем суперпозиции импульсных воздействий продуктов сгорания топливной смеси, получаемых при синхронизированной детонации. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что силовое воздействие на смесь компонентов осуществляют через волновод-трансформатор, в частности, через дополнительную поверхность или эластичный ковер.