УДАРНО-ВОЛНОВАЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ФОРМОВАНИЯ БЕТОННЫХ ОБЪЕКТОВ С ПУСТОТАМИ Российский патент 2001 года по МПК B28B1/08 

Изобретение 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 других видах строительного производства.

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

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

Известны ударно-вибрационные устройства воздействия, содержащие элементы 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 таких устройств - отсутствие возможности нормированного воздействия в оптимальном диапазоне параметров на разных стадиях формирования структуры.

Известна установка для формования пустотных объектов с пустотообразователями (JP 6002325, В 28 В 7/34, 1986, ИСМ вып 23, N 8/96, с.3).

Недостатком известной установки является пассивный характер устройств, не оказывающих воздействия при уплотнении смеси в процессе формования объектов с пустотами.

Известна также, принятое заявителем за наиболее близкий аналог, установка для формования бетонных объектов с пустотами (WO 9641706, 6 В 28 В 1/08, 1995, ИСМ вып. 23, N 3/98, с. 14), включающая внешние ограждающие конструкции, внутренние формы-пустотобразователи (скользящая форма), выполненные с возможностью подачи газового компонента под давлением внутрь формы-пустотобразователя.

Недостатком установки является отсутствие возможности независимого приложения спектра динамических и статических воздействий при формовании бетонных объектов с пустотами.

На фиг. 1 представлена схема ударно-волнового газодинамического пустотообразователя (УВГП), на фиг. 2, 3 - сxемa ударно-волновой газодинамической установки (УВГУ) для формования бетонных объектов с пустотами, где 1 - штуцер подачи компонентов топливной смеси в детонационную камеру пустотообразователя; 2 - камера смешения детонационной камеры пустотообразователя; 3 - свеча поджига камеры пустотообразователя; 4 - внутренняя труба детонационной камеры пустотообразователя; 5 - эластичная оболочка пустотообразователя; 6 - скрепляющие фланцы, 7 - пустотообразователи (скользящая форма) УВГУ, 8 - разъемная форма (внешние ограждающие конструкции), 9 - бетонная смесь, 10 - внешняя детонационная камера, 11 - опорная плита, 12 - система подачи компонентов топливной смеси во внешнюю детонационную камеру, 13 - свечи поджига внешней детонационной камеры, 14 - резонансная плита, 15 - упругие элементы.

Техническая задача состоит в устранении указанных недостатков и обеспечения комплекса импульсных воздействий и статических давлений при формовании бетонных объектов с пустотами.

Ударно-волновая газодинамическая установка для формования бетонных объектов с пустотами, включающая внешние ограждающие конструкции, внутренние формы-пустотобразователи, выполненные с возможностью подачи газового компонента под давлением внутрь формы-пустотобразователя, отличается от известной тем, что внутренние формы-пустотообразователи выполнены в виде детонационной камеры, установка снабжена внешними детонационными камерами, при этом детонационные камеры внутренней формы-пустотообразователя могут быть образованы пространством между внутренней трубой пустотообразователя и эластичной оболочкой пустотообразователя и выполнены из условия обеспечения периода цикла больше времени релаксации смеси, который соответствует для жестких бетонных смесей частоте цикла в пределах 0,5 -20 Гц, а внешние детонационные камеры образованы пространством между опорной и резонансной плитами, соединенными упругими элементами, например пружинами, и выполнены из условия обеспечения периода цикла меньше времени релаксации смеси, который соответствует для жестких бетонных смесей частоте цикла более 50 Гц, значение частоты вибрации резонансной плиты равно где (M_р.п - масса резонансной плиты, a - суммарный коэффициент упругости элементов назначают из условия f_b>1/τ_p, τ_p - время релаксации бетонной смеси при импульсном воздействии, частоту циклов детонационной камеры назначают из условия f_ц=f_b/n, где n = 1-10.

Основным элементом такого устройства является ударно-волновой газодинамический пустотообразователь (УВГП) (фиг. 1). Газообразные компоненты топливной смеси подаются через штуцеры подачи 1 в камеру смешения 2. Детонация топливной смеси происходит с помощью свечи поджига 3. Волна давления распространяется в детонационной камере пустотообразователя - пространстве (кольцевом зазоре) между внутренней трубой 4 и эластичной оболочкой 5, установленной в скрепляющих фланцах 6. Силовые импульсы через эластичную стенку передаются в бетонную смесь.

Ударно-волновой газодинамический пустотообразователь 7 размещается, например, в разъемной форме 8, заполненной бетонной смесью 9 (фиг. 2). Внешние детонационные камеры 10 образованы пространством между опорной 11 и резонансной 14 плитами, соединенными упругими элементами, например пружинами 15, внешние детонационные камеры снабжены системой подачи компонентов топливной смеси 12 и свечами поджига 13.

Принцип действия установки основан на способе приложения импульсного волнового воздействия с заданными частотно-фазовыми характеристиками 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}/6 L_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 = 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.

Устройство работает следующим образом. Динамическое воздействие на бетонную смесь осуществляется за счет периодической детонации (с низкой частотой) топливной смеси в ударно-волновом газодинамическом пустотообразователе, а тиксотропное сжижение бетонной смеси осуществляется за счет работы детонационных камер 10, расположенных между опорной плитой 11 и резонансной плитой 14. Резонансная плита в технологическом процессе может выполнить роль пригруза. Отработанные газы в данной схеме также могут быть использованы для последующей тепловой обработки бетонных изделий.

Амплитуда динамического давления, воздействующего изнутри на бетонную смесь, будет равна давлению в продуктах сгорания после прохождения детонационной волны и может достигать ≈ 10⁶ Па. Частоту циклов пустотообразователя выбирают из условия, чтобы период цикла был больше времени релаксации смеси при импульсном воздействии.

Устройство может быть использовано к изделиям или монолитным массивам, имеющим как прямоугольную, так и сложную форму, определяемую конфигурацией внутреннего пространства корпуса или опалубки.

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 см³ (и более) обеспечивает переход горения в детонацию.

Ударно-волновая газодинамическая установка для формования бетонных объектов с пустотами относится к производству строительных материалов, формированию структуры бетонов и растворов на минеральных вяжущих веществах для условий заводского производства, а также может быть использована в других видах строительного производства. Установка состоит из внешней ограждающей конструкции, внутренней формы-пустотообразователя, размещаемого в бетонной смеси, снабженных детонационными камерами. Детонационные камеры внутренней формы-пустотообразователя образованы пространством между внутренней трубой пустотообразователя и его эластичной оболочкой, внешние детонационные камеры образованы пространством между опорной и резонансной плитами, соединенными упругими элементами, например пружинами, значение частоты вибрации резонансной плиты равно где M_р.п - масса резонансной плиты, а - суммарный коэффициент упругости элементов, из условия f_b > 1/τ_p, τ_p - время релаксации бетонной смеси при импульсном воздействии, частоту циклов детонационной камеры назначают из условия f_ц = f_b/n, где n = 1 - 10. Детонационные камеры внутренней формы-пустотообразователя выполнены из условия обеспечения периода цикла больше времени релаксации смеси, который соответствует для жестких бетонных смесей частоте цикла в пределах 0,5-20,0 Гц, внешние детонационные камеры установлены из условия обеспечения периода цикла меньше времени релаксации смеси, который соответствует для жестких бетонных смесей частоте цикла более 50 Гц. Установка обеспечивает комплекс импульсных воздействий и статических давлений при формовании бетонных объектов с пустотами. 3 з.п. ф-лы. 3 ил.

1. Ударно-волновая газодинамическая установка для формования бетонных объектов с пустотами, включающая внешние ограждающие конструкции, внутренние формы-пустотообразователи, выполненные с возможностью подачи газового компонента под давлением внутрь формы-пустотообразователя, отличающаяся тем, что внутренние формы-пустотообразователи выполнены в виде детонационной камеры, установка снабжена внешними детонационными камерами. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что детонационные камеры внутренней формы-пустотобразователя образованы пространством между внутренней трубой пустотообразователя и эластичной оболочкой пустотообразователя. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что внешние детонационные камеры образованы пространством между опорной и резонансной плитами, соединенными упругими элементами, например пружинами, значение частоты вибрации резонансной плиты равно
где M_р.п - масса резонансной плиты, а - суммарный коэффициент упругости элементов, из условия f_b > 1/τ_p, τ_p - время релаксации бетонной смеси при импульсном воздействии, частоту циклов детонационной камеры назначают из условия f_ц = f_b/n, где n = 1 - 10. 4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что детонационные камеры внутренней формы-пустотообразователя выполнены из условия обеспечения периода цикла больше времени релаксации смеси, который соответствует для жестких бетонных смесей частоте цикла в пределах 0,5 - 20,0 Гц, внешние детонационные камеры установлены из условия обеспечения периода цикла меньше времени релаксации смеси, который соответствует для жестких бетонных смесей частоте цикла более 50 Гц.