ЭЛЕКТРОГИДРОИМПУЛЬСНЫЙ СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПИНЧ-ЭФФЕКТА
ELECTROHYDROIMPULSIVE METHOD FOR DESTRUCTION OF CONCRETE PRODUCTS USING PINCH EFFECT

Изобретение относится к способам переработки старых или бракованных железобетонных изделий (далее - ЖБИ) - дробления и отделения арматуры от бетона. Способ предназначен для разрушения изделий, содержащих внутренние арматурные токопроводящие элементы.
Известны способы механического дробления ЖБИ, заключающиеся в том, что они подвергаются механическому сдавливанию или ударам до отделения бетона от арматуры (Б.В. Гусев, В.А. Загурский. Вторичное использование бетонов. - М.: Стройиздат, 1988). Недостаток этих способов состоит в дороговизне, механической сложности и большой массивности механического оборудования, применяемого для их реализации. Так, агрегат СМЖ-541 с производительностью по бетонным отходам 15 т/ч имеет массу 150 т. Таких установок не может быть много, а к редко расположенным установкам некондиционные или старые ЖБИ приходится подвозить издалека. Транспортные издержки при этом многократно превышают возможные выгоды от утилизации. Способы, использующие щековые механические дробилки, требуют предварительного измельчения отходов до размера, соответствующего размеру входного отверстия дробилки, что удорожает производство. Кроме того, дробилки сильно пылят, забиваются арматурой, рабочие поверхности дробящих деталей быстро изнашиваются. Все известные механические способы сминают арматуру, превращая ее в металлолом. Металлургические заводы принимают арматурный лом только в компактированном виде, а потому установки с механическим дроблением должны дополняться прессом для арматуры. Приемная цена такого лома в несколько раз ниже цены деловой арматуры.
Известен способ разрушения старых ЖБИ, состоящий в том, что в разрушаемом объекте бурятся глухие шпуры, заполняемые водой или иной жидкостью, по очереди в каждый из шпуров вводятся два рабочих электрода, которые обычно соединяются проволочкой, входное отверстие шпура плотно закрывается, и к электродам однократно прикладывается импульс относительно невысокого - до 10 кВ - напряжения с энергией 50…100 кДж (Л.А. Юткин. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. Л.: «Машиностроение», 1986, стр. 161). Высокое давление, развивающееся в шпуре при взрыве проволочки, разрушает изделие. После каждого импульса, если разрушения не произошло, электроды извлекаются из шпура для повторной установки проволочки.
Недостатками способа является высокая стоимость оборудования для его осуществления (цена только конденсаторной батареи на 50…100 кДж составляет 0,7…1,5 млн. рублей), низкая производительность, необходимость бурения шпуров, осложняемого тем, что бур часто попадает в арматуру, а также то, что при его использовании изделие хоть и разрушается, но на немногие части (низкая бризантность), полного отделения бетона от арматуры не происходит. Если вводить электроды в конструктивные полости изделия, например во внутренние каналы железобетонных столбов или пустотелых панелей перекрытия, то разрушения вообще не происходит, так как способ эффективен только при очень малом расстоянии от электродов до стенок полости, глухом дне полости и плотно закрытом отверстии, через которое в полость вводятся электроды. Конструктивные полости железобетонных изделий обычно открыты с обоих концов, края полости часто бывают обломаны и плотное закупоривание полостей, которых во многих изделиях бывает несколько, практически невозможно при разумных затратах времени и сил.
Известен основанный на использовании электрогидравлического эффекта способ дробления железобетонного лома, при котором заранее разделанные на куски сравнительно небольшого размера отходы железобетона помещаются в заполненную водой дробильную камеру с дном в виде подвижной решетки и подвергаются воздействию ударной волны, порождаемой мощным электрическим разрядом между погруженным в воду концом вертикально установленного неподвижного рабочего электрода и решеткой, присоединенным к полюсам генератора высоковольтных импульсов (иногда называемого в литературе также генератором импульсных токов). Разрядные импульсы, следуя с определенной частотой, постепенно разрушают бетон и освобождают арматуру (пат. РФ №2152826, кл. В02С 19/18, 30.11.98). Способ требует больших трудозатрат на предварительную разделку отходов на небольшие куски. При дроблении этим способом арматурные прутья не повреждаются, но поскольку при подготовке отходов к дроблению они многократно перерезаются, возможности их повторного использования очень невелики.
От этого недостатка свободен основанный на использовании электрогидравлического эффекта известный способ дробления железобетонных изделий, при котором они погружаются в заполненную водой дробильную камеру с решетчатым дном и подвергаются действию электрического разряда между неподвижным рабочим электродом, установленным вертикально, и загрузочной решеткой, причем к железобетонным отходам добавляют камни в количестве от 0,2 до 5 объема отходов (пат. РФ №2193449, кл. В02С 19/18, 05.03.01). Однако производительность этого способа низка, а энергозатраты - велики. Ударная волна действует снаружи изделия, вызывая в них напряжения сжатия, к которым бетон очень стоек. Разрушение происходит медленно и с большими энергозатратами. Кроме того, его осуществление требует дополнительных расходов на доставку камня.
Наиболее близкой к предложенной по технической сущности является установка для разрушения старых или бракованных ЖБИ, содержащая заполненную водой дробильную камеру с плоским дном, на котором установлена решетка, набор рабочих электродов, установленных в ряд вертикально по всей ширине дробильной камеры с возможностью перемещения в направлении, параллельном плоскости, в которой неподвижно лежит разрушаемое изделие, то есть поверхности воды в дробильной камере, и генератор высоковольтных импульсов, соединенный одним полюсом с арматурным каркасом разрушаемого изделия, а другим - с электрически соединенными вместе рабочими электродами. Высоковольтный пробой между концами электродов и арматурой сквозь толщу бетона разрушает его, отделяя от арматуры (Л.А.Гельфонд, Н.Т.Зиновьев, В.Д.Казанцев и др. Электроимпульсная установка ЭСУ-2Т/11 разрушения некондиционного железобетона. - "Электронная обработка материалов", 1990, №6, с.74-75). Недостатком установки является то, что она работоспособна только при очень высоких - порядка 300-400 кВ - напряжениях, что крайне усложняет и удорожает установку, ее эксплуатацию, требует большой площади для размещения высоковольтного оборудования. Параллельное соединение всех электродов не обеспечивает равномерного освобождения арматурного каркаса от бетона, так как с некоторых электродов пробой развивается чаще, а с некоторых - реже. Для полной очистки приходится увеличивать время обработки, что снижает производительность и увеличивает энергозатраты. Данный способ требует для разрушения чрезмерно высокой (свыше 10 кДж) энергии разряда, при которой срок службы электрода до ремонта не превышает 1000…1500 импульсов. В указанном источнике не приводится величина установленной мощности источника питания высоковольтного импульсного генератора, но на фотографии генератора показан трансформатор-выпрямитель ТВТМ 1600/35 с номинальной мощностью 210 кВт. Подключение и обслуживание этого дорогого трансформатора-выпрямителя возможно далеко не везде. Слабые сельские сети просто не в состоянии обеспечить требуемую мощность. Это увеличивает транспортные издержки на сосредоточение железобетонных изделий у таких уникальных установок.
Особенно неэффективны известные способы, использующие электрический разряд, при разрушении железобетонных столбов. В настоящее время во всех странах в связи с расширением сферы кабельного электроснабжения высвобождаются многие миллионы железобетонных столбов. Круглая форма поперечного сечения таких столбов обеспечивает их очень высокую стойкость к воздействию ударной волны. Из-за этого производительность разрушения оказывается настолько низкой, что указанные известные способы неприменимы по экономическим соображениям.
Техническими задачами настоящего предложения является упрощение и ускорение процесса подготовки железобетонных изделий к разрушению, повышение производительности способа, снижение его энергоемкости, обеспечение полного отделения бетона от арматуры, упрощение и удешевление оборудования, осуществляющего разрушение.
Указанные технические задачи решаются тем, что в известный способ разрушения железобетонных изделий вносятся изменения, состоящие в том, что разрушаемое изделие погружается в воду и подвергается воздействию электрического разряда между рабочим электродом и арматурным каркасом, при этом первоначально электроды максимально удаляются друг от друга для усиления пинч-эффекта в арматуре. В процессе разрушения изделия производится перемещение рабочего электрода.
В предложенном устройстве для электрогидравлического разрушения железобетонных изделий с применением пинч-эффекта, содержащем рабочий электрод, соединенный с высоковольтным полюсом импульсного генератора, второй, заземленный вывод которого электрически соединен с арматурой изделия, указанные выше недостатки устраняются тем, что пинч-эффект ускоряет процесс отделения арматурных элементов от бетонной основы.
Благодаря погружению изделия в воду и пинч-эффекту ускоряется процесс подготовки изделия к разрушению за счет интенсификации процесса дробления. Даже небольшой слой воды, благодаря своей инерции и почти полной несжимаемости, хорошо выполняет функцию демпфирования ударной волны, порождаемой электрическим разрядом в воде, а пинч-эффект обеспечивает быстрое и эффективное отслоение арматурных элементов от бетонной основы.
Разрушение осуществляется многими импульсами сравнительно небольшой (2…5 кДж) энергии, что позволяет снизить массу и стоимость конденсаторной батареи, используемой во всех электроразрядных способах в качестве накопителя энергии.
Благодаря поступательному перемещению рабочего электрода обеспечивается постепенное полное отделение арматуры от бетона при разрушении протяженных изделий.
Существо предложения поясняется на фиг.1, где изображена схема устройства, осуществляющего предложенный способ в соответствии с независимым пунктом формулы изобретения.
Представленное ниже описание относится как к предложенному способу, так и к устройству для его реализации.
Подлежащее разрушению железобетонное изделие 3, имеющее арматурные токопроводящие элементы, например, железобетонный столб или плиту перекрытия, на тросах или цепях погружают в заполненную водой дробильную камеру и укладывают на ложементы 4. Положительный рабочий электрод 2 выполнен в виде металлического стержня, окруженного изоляцией. Его конец располагают с одной стороны изделия 3 и присоединяют к положительному высоковольтному полюсу генератора высоковольтных импульсов 1. Второй, отрицательный, полюс генератора 6 заземляется. В месте, максимально удаленном от положительного электрода, бетон удаляется до обнажения прутьев арматурного каркаса (арматуры) 5. Отрицательный вывод генератора 6 соединяется с арматурным каркасом 5.
При подаче на рабочий электрод 2 высоковольтных импульсов от генератора 1 между его погруженным в воду концом и арматурным каркасом 5 изделия 3 происходит искровой разряд, порождающий ударную волну, которая разрушает бетон изделия 3. При этом, проходя через токопроводящие элементы арматуры, ток вызывает в токопроводящих элементах пинч-эффект, ускоряющий процесс отслаивания арматуры от бетона. Бетон не является препятствием для прохождения искры и развития разряда при условии, что напряжение генератора 1 достаточно велико. Для железобетонных столбов и панелей перекрытия достаточным является напряжение порядка 50 кВ. При частоте следования разрядных импульсов 2 Гц и средней мощности генератора высоковольтных импульсов от 2 до 8 кВт.
Скорость разрушения составляет около 5 куб.м /ч при указанной мощности генератора и зависит от марки бетона и состояния изделия.
Отделенные от арматурного каркаса обломки бетона падают в систему сортировки и фильтрации, где обломки сортируются по величине фракции и промываются.
По мере освобождения арматурного каркаса 5 от бетона рабочий электрод 2 продвигают вдоль изделия 3. После полного освобождения арматурного каркаса 5 освобожденный каркас на тросах поднимают из воды.
Установка, осуществляющая предложенный способ, может быть размещена на мобильной платформе на базе грузового автомобиля.
Установка совмещается с оборудованием, необходимым для разделения железобетонных изделий на фрагменты требуемых размеров для погрузки в дробильную камеру.
Это позволяет избежать расходов на транспортировку и подготовку изделий и перерабатывать изделия непосредственно на полигонах хранения.
Предложенный способ обладает производительностью, достаточной для большинства случаев. Потребляемая мощность настолько невелика, что питание установки вполне возможно даже от слабых сельских электросетей и автономных генераторов.