CC BY
318
Технические науки
сти, начальные распределения температуры для нестационарных задач, а также граничные условия, определяющие теплообмен на границе стенка-поток [4].
Выводы
1. Для исследования конвективного переноса теплоты в защитном пакете в системе дифференциальных уравнений произведён учёт подъемной силы, возникающей при свободном движении потока.
2. Для решения системы дифференциальных уравнений необходимо использовать условия однозначности конкретного случая теплообмена, позволяющие определить коэффициенты теплоотдачи и величины тепловых потоков.
Литература
1. Патент на изобретение № 2495609 от 07.02.2012. Костюм боевой одежды спасателей, действующих в условиях горящих объектов при наличии летящих и падающих предметов разрушающегося объекта / Алюбов М.Н., Прищепов Д.З., Кочетов О.С. [и др.]. - Опубл. 20.10.2013.
2. Мухамедиева Л.Н., Марданов Р.Г., Новиков Д.З. Огнетушащие газы: вопросы безопасности для человека // Системы безопасности. - 2007. - № 5. - С. 150-151.
3. Оценка опасности токсического воздействия огнетушащих газов и аэрозолей, применяемых для объемного пожаротушения: метод. пособие / МЧС РФ, ВНИИПО. - М., 2005.
4. Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники: справ. - М.: Атомиздат, 1968. - 484 с.
УДК 624.92 И.О. Егорушкин, Я.А. Кунгс,
А.И. Орленко, А.В. Юрьев
ЭЛЕКТРОГИДРОИМПУЛЬСНЫЙ СПОСОБ РЕЦИКЛИНГА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Предлагается способ разрушения (измельчения) железобетонных изделий с помощью установки, использующей электрогидравлический эффект. Отмечаются преимущества предлагаемой технологии по сравнению с механическими способами.
Ключевые слова: электрогидроимпульсный способ, рециклинг, электрогидроэффект, утилизация, железобетонные изделия.
I.O. Egorushkin, Ya. A. Kungs, A.I. Orlenko, A.V. Yuriev
THE ELECTRO-HYDROIMPULSIVE METHOD OF THE FERROCONCRETE STRUCTURE RECYCLING
The destruction method for the ferroconcrete products with the help of the device using the electrohydraulic effectis offered. The advantages of the proposed technology in comparison with the mechanical methods are noted.
Key words: electro-hydroimpulsive method, recycling, electro-hydraulic effect, utilization, ferroconcrete products.
Введение. Проблема утилизации бетонных и железобетонных (ЖБ) конструкций остро стоит во всем цивилизованном мире. По данным международной организации RILEM, в странах ЕС, США и Японии в 2000 г. ежегодный объем только бетонного лома составил более 360 млн т. Начиная с
78
ВестникКрасГАУ. 2015. №6
70-х годов прошлого века во многих странах ведутся широкомасштабные исследования в области переработки бетонных и железобетонных отходов, изучения технико-экономических, социальных и экологических аспектов использования получаемых вторичных продуктов.
В бывшем СССР внимание к этому вопросу было привлечено в конце 70-х годов. Тогда считалось, что утилизация имеющихся отходов позволила бы вовлечь в хозяйственный оборот около 40 млн тонн бетонного лома и около 1,2 млн тонн металла. Однако реальных мер для решения этой проблемы принято не было.
В настоящее время основными методами утилизации железобетонных изделий (ЖБИ) являются метод рециклинга (разрушение с последующим вторичным использованием продуктов разрушения) и захоронение на полигонах.
К сожалению, рециклинг в нашей стране на сегодняшний день занимает менее 1%, в то время как в развитых странах рециклинг занимает более 90 % (в Германии 100%).
В то же время правильно переработанные и отслужившие свой срок ЖБИ представляют собой вторичное сырье, использование которого после переработки на вторичный щебень может снизить затраты на новое строительство объектов промышленного, гражданского и сельскохозяйственного строительства и одновременно позволит уменьшить нагрузку на городские и сельские полигоны, исключить образование несанкционированных свалок. Вторичный щебень из бетона оказывается значительно дешевле природного, так как энергозатраты на его производство в 8 раз меньше, а себестоимость бетона с ним снижается на 25 %. Извлеченная арматура может идти на переплавку либо во вторичное производство изделий (после реставрации). Таким образом, переработка ЖБ отходов, создание системы рециклинга становится перспективным и высокорентабельным производством, решающим важнейшую экологическую и экономическую задачу.
Перерабатываемость для вторичного использования у железобетона весьма высокая. Арматурная сталь и закладные детали идут в переплавку, а отходы бетона практически полностью могут быть применены повторно в качестве заполнителя для ординарных бетонов или как балласт в дорожно-транспортном строительстве. Кроме строительства, дробленый бетон применяют при рекультивации земель для засыпки выработок в грунте.
Несмотря на большие объемы переработки, на сегодняшний день широко не утвердилась высокоэффективная технология для этого процесса. Сегодня в основном находят применение такие технологии разрушения ЖБИ, как статические (раскалывание, резка и расширение) и динамические (ударный, вибрационный, взрывной), при этом удельные энергетические затраты более низкие при динамических методах. В настоящее время наибольшие результаты достигнуты в совершенствовании технологии разрушения строительных конструкций ударными методами - раскалыванием, дроблением и статическими - резкой и расширением, с последующим высвобождением от арматуры и доведением разрушенного бетона до необходимой фракционности в дробилках. Основные недостатки данных технологий - большой вес оборудования, необходимость в площадке большой площади, высокая стоимость обслуживания установки, высокий процент ручного труда, разрушение ЖБИ определенных геометрических пропорций, производительность, шумность и наличие пыли. Поэтому целью наших исследований является разработка такой технологии разрушения ЖБИ, которая могла бы позволить:
- снизить затраты на разрушение;
- увеличить производительность труда и уменьшить применение физического труда;
- увеличить срок службы используемого оборудования.
Электрогидравлический эффект. Наряду с общеизвестными средствами разрушения в последние годы пробивают себе дорогу и находят применение для разрушения железобетонных и других конструкций такие средства, как установки электрогидравлического эффекта (ЭГЭ).
Принцип действия электрогидравлических установок (ЭГУ) основан на применении электрогидравлического эффекта Л.А. Юткина [1], который представляет собой высоковольтный импульсный разряд электрического тока в жидкости, сопровождающийся выделением энергии в виде ударных и акустических волн.
79
Технические науки
Суть электрогидравлического эффекта состоит в том, что электрическая энергия в сформированном особым образом импульсном электрическом разряде внутри плотной среды превращается в механическую без промежуточных звеньев [2]. Поэтому КПД метода велик. Мощность ЭГ-удара за микросекунды достигает сотен тысяч киловатт. ЭГЭ не только создает в среде вокруг зоны разряда высокие и сверхвысокие давления, но и сопровождается целым комплексом физико-химических явлений. Это и резонансные явления, и инфра- и ультразвуковые колебания большой интенсивности. Такая встряска способна не только измельчать твердые материалы, но и разрывать химические связи в молекулах. Образовавшиеся осколки - радикалы - затем вновь соединяются, но частично по-новому, образуя новые вещества. Например, растворенный в обычной поливной воде биологически инертный азот превращается в оксиды ЭГ-ударом, здесь резко возрастает содержание ионов NO2 и NO3, гидроксильные ионы превращаются в перекись водорода, которая тут же распадается на Н2О и О. Атомарный кислород энергично окисляет «пассивные» соли плодородного слоя.
Теоретически эффект Юткина можно обосновать следующим образом [2]. Создается относительно медленное накопление энергии конденсатора (от долей секунды до нескольких десятков секунд) и быстрый (около 10-4 секунды, т.е. десятки микросекунд) сброс в гидросреду накопленной энергии и, как следствие, получение высоких мощностей (единицы и десятки мегаватт). Таким образом, регулируя амплитуду заряда конденсатора, легко управлять выделяемой в разряднике мощности.
Из курса физики известно, что
E
C
CU2 P = E
2 ’ t
где Ес - энергия, запасенная в конденсаторе, Дж; С - емкость конденсатора, фарад; U - напряжение, В; Р - мощность разряда, ватт; t - время, с. Последняя формула объясняет, почему при малых промежутках времени получается высокая мощность разряда.
Методика исследований. Учитывая сложившуюся ситуацию в необходимости утилизации ЖБ опор и изучив методы разрушения, наш коллектив провел серию масштабных экспериментов по разрушению ЖБИ электрогидроимпульсным (ЭГИ) методом [3, 4] с целью оценки эффективности и практической применимости данного метода.
Как отмечалось выше, электроимпульсный способ разрушения диэлектрических и полупроводящих материалов используется для дробления и измельчения материалов, резания блочного камня, разрушения некондиционных железобетонных изделий и т.д.
Нами исследовались методы косвенного разрушения (элетроразряд производился между контактами специального разрядника вблизи ЖБИ) и разрушения через «тело» бетона (элетрораз-ряд производился между арматурой бетона и электродом специальной формы). Сразу отметим, метод косвенного разрушения для данной задачи неприемлем из-за его низкой эффективности (кроме задач дезинтеграции, которые невозможно решить другими методами).
Предлагается способ утилизации ЖБИ, в котором одним электродом является арматура бетона. С помощью электроразряда в толще железобетонного изделия, погруженного в ванну с технической водой, формируются сквозные цилиндрические каналы. После заполнения каналов водой повторные электроразряды вызывают в тех же каналах взрывное повышение температуры и давления, что сопровождается генерацией цилиндрических ударных волн, нагружающих бетон с образованием радиальных трещин и отколом бетона под действием растягивающих напряжений, возникающих при отражении ударных волн от обнаженных поверхностей разрушаемого изделия. При электрическом разряде через микротрещины слоя бетона между арматурой и положительным электродом возникают силы. Данные силы генерируют ударные волны, нагружающие бетон с образованием радиальных и осевых трещин с отколом бетона под действием растягивающих напряжений, а также происходит отслаивание его от металлической арматуры. Описанная операция осуществляется без образования взрывной волны и разброса осколков, что является принципиальным фактором при производстве работ в местах с выделением пыли или вероятным появлением газа.
80
ВестникКрасГАУ. 2015. №6
Этот метод совершенно безопасен для работающих вблизи людей и установленного оборудования, поэтому он может с успехом применяться не только на открытых площадках стройки, но также и внутри производственных помещений.
Состав использованного оборудования:
- рабочая ванна с водой для проведения экспериментов 4 х 0,8 х 0,8 м;
- генератор импульсных токов с максимальной энергией 0,8 КДж, частотой повторения 1 Гц и массой 150 кг;
- высоковольтный кабель с положительным электродом;
- заземляющая шина.
Выводы
Проведенные эксперименты показали:
1. Применение установки с использованием электрогидравлического эффекта для разрушения железобетонных изделий позволяет:
- затраты на разрушение 1 куб. м ЖБИ составляют не более 5 кВт/час;
- в разы увеличить производительность труда (от 3 до 5 куб. м/час);
- резко уменьшить применение физического труда на указанных работах.
2. Извлечение арматурных каркасов и закладных элементов производится без их деформации.
3. Преимущество предлагаемой технологии перед механическими способами состоит еще и в том, что срок службы породоразрушающего инструмента на несколько порядков выше, разупрочнение металла и бетона происходит эффективней.
4. Вместе с тем при применении данной технологии требуется принять меры против отрицательных экологических факторов, вносимых при работе высоковольтных генераторов, входящих в состав устройств: волн звукового и радиодиапазонов, электрических полей высокой напряженности. Однако традиционные приемы (эффективное электрическое заземление, использование замкнутого вне земли рабочего контура для протекания импульсных токов, использование противошумных и радиозащитных экранов) приводят к локализации указанных факторов в области, непосредственно прилегающей к установкам, и сводят их к уровню, не превышающему требований стандартов.
Литература
1. Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. - Л.: Машиностроение, 1986. - 252 с.
2. О применении электрогидродинамического эффекта в сельском хозяйстве / И.О. Егорушкин, Я.А. Кунгс, А.И. Орленко [и др.] // Вестник КрасГАУ. - 2013. - № 1. - С. 143-146.
3. О применении эффекта Юткина в сельском хозяйстве / И.О. Егорушкин, А.И. Орленко,
Н.В. Цугленок [и др.] // Проблемы развития АПК Саяно-Алтая: мат-лы науч. конф. - Абакан, 2013. - С. 300-302.
4. URL: http://tesla.zabotavdome.ru/books/hydro_effect.djvu.
81
