Патент на изобретение №2164204
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) УДАРНО-ВОЛНОВОЙ СПОСОБ ОБРАБОТКИ КОНГЛОМЕРАТНЫХ СРЕД ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ИСКУССТВЕННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
(57) Реферат: 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. . 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 = ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 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: Pф= (2 ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 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. Формула изобретения
![]() ![]() ![]() ![]() fc = {[2/(k + 1)][1/(k-1)] Vkp}/6Lкр, где ![]() D = 2Q( ![]() ![]() Q – тепловой эффект химической реакции на единицу массы топливной смеси; ![]() Vгс – объем камеры сгорания, м3; Qv – объемный расход топливной смеси, м3/с; ![]() Lкр = Vкр/Sкр; Sкр – площадь критического сечения, м2; Vкр – 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 fц< 1/ ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() РИСУНКИ
|
||||||||||||||||||||||||||