Исследование разрушения бетона электрическим взрывом проводников с целью его утилизации (стр. 9 из 12)
Преимуществами способа ЭВП являются возможности осуществления электрогидравлических ударов вблизи проводящих объектов и в растворах сильных электролитов, а также в расплавах некоторых металлов и солей. По сравнению со свободным разрядом в жидкости ЭВП обеспечивает более высокую эффективность и стабильность процесса.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1 Методика проведения экспериментов
Принципиальная схема электрической установки для проведения исследований ЭВП в твердом теле приведена на рисунке 19.
Рисунок 19 - Принципиальная электрическая схема экспериментальной установки:
Д – высоковольтный выпрямитель; L– зарядная индуктивность; ДН1, ДН2 – омические делители напряжения; Т – тройник; ТШ – токовый шунт; Р1 – поджигающий разрядник; Р2 – выходной разрядник, ЭО – электронный осциллограф.
Основными элементами установки являются: генератор импульсных токов (ГИТ), блок осциллографической регистрации разрядного тока и напряжения на взрывающемся проводнике (ВП), разрядная камера и объект исследования.
ГИТ собран на базе шести конденсаторов КМКИ 60-2 емкостью С = 0,16 мкФ. Регулирование выходного напряжения ГИТ осуществлялось зарядным напряжением и изменением расстояния между шарами разрядников. Запуск ГИТ осуществлялся с помощью генератора запускающих импульсов.
Основные технические характеристики ГИТ:
Максимальное выходное напряжение – 70 кВ;
Емкость – 0,96 мкФ;
Индуктивность разрядной цепи – 3,8 мкГ;
Амплитуда запускающего сигнала – 15 кВ.
Регистрация импульсных токов и падения напряжения на ВП осуществлялась с помощью устройств, преобразующих исследуемые сигналы до величины, приемлемой для последующей записи сигнала на электронно-лучевом осциллографе. В качестве преобразовательных устройств использовались омические делители напряжения ДН1, ДН2 по схеме Балыгина и токовый шунт (ТШ), сигналы от которых с помощью коаксиальных кабелей РК-75 передавались к осциллографу типа С8-17. Градуировка ДН и ТШ проводилась согласно ГОСТ 17512-82 «Электрооборудование и электроустановки на напряжение 3 кВ и выше».
При проведении исследований были использованы образцы бетона размером 100×100×100 мм, в которые при их изготовлении помещали медные проволочки диаметром 0,1; 0,25 и 0,4 мм, а также нихромовые и манганиновые проволочки диаметром 0,4 мм. Образцы бетона приготовлялись из бетона марки М200 Томского завода ЖБК.
ЭВП осуществлялся при следующих параметрах: напряжение ГИТ U= 61 кВ, емкость C= 0,96 мкФ, индуктивность разрядной цепи L= 3,8 мкГ, запасаемая энергия W= 1800 Дж.
При взрыве проводника в бетонном образце последний разрушался. Для оценки эффективности разрушения проводился ситовый анализ продуктов разрушения бетона на ситах с модулем √2, по результатам которого находились гранулометрические характеристики.
Ситовой анализ измельченных материалов основан на механическом разделении частиц по крупности. Материал загружается на сито с ячейками известного размера и путем встряхивания, постукивания, вибрации или другими способами разделяется на две части – остаток и проход. Просеивая материал через набор различных сит, можно разделить пробу на несколько фракций. Размеры частиц этих фракций ограничены размерами отверстий используемых в анализе сит.
Под размером сита обычно понимают длину стороны квадратной ячейки. Отношение размера ячеек сита к размеру (ширине) отверстия последующего более мелкого сита является постоянной величиной и называется модулем набора сит.
Достоинствами ситового анализа является простота и одновременное получение нескольких фракций. Погрешность измерения составляет 1–2 %. Недостаток – длительное время просеивания.
По найденным гранулометрическим характеристикам определялась поверхность образовавшихся осколков бетона Sвн и их средний диаметр Dср. При нахождении Sвн расчетной формулой для элементарного класса крупности являлась:
dS= 6dP/xρ0,
где dP– весовой выход элементарного класса крупности, х – средний размер класса крупности, ρ0 – плотность бетона.
Исчисление среднего рамера кусков бетона производилось по формуле:
D= ΣdP/ΣdP/x.
2.2 Анализ гранулометрических характеристик продуктов электрического взрыва проводников разного диаметра
В первой серии экспериментов для исследования влияния диаметра взрываемого проводника на характер разрушения бетона использовались медные проводники диаметром 0,1; 0,25 и 0,4 мм.
На осциллограммах тока и напряжения наблюдается различие во времени начала и длительности взрыва проводников разного диаметра. В качестве примера на рисунке 20 приведены осциллограммы тока и напряжения при взрыве медных проводников в бетоне.
Рисунок 20 - Осциллограммы тока и напряжения при взрыве медных проводников в бетоне
Определенные по результатам ситового анализа гранулометрические характеристики продуктов разрушения для различных диаметров представлены в таблицах 5 и 6. Х, мм – средний размер класса крупности
На рисунке 21 представлены суммарные характеристики крупности образцов бетона, показывающие долю частиц, размер которых больше данного класса крупности.
Таблица 5 - Суммарные характеристики крупности продуктов разрушения бетона при ЭВ медных проводников, %
| Диаметр ВП, мм | ||||
| X, мм | 0, 1 | 0,25 | 0,4 | |
| 2,8 | 99,9 | 99,9 | 100 | |
| 3,77 | 99,8 | 99,8 | 100 | |
| 5,33 | 99,6 | 99,5 | 100 | |
| 7,54 | 99 | 98,5 | 100 | |
| 10,67 | 97,5 | 97,5 | 99,9 | |
| 15,09 | 93 | 95,5 | 99,9 | |
| 21,34 | 87 | 89,5 | 96,5 | |
| 30,18 | 82 | 83 | 95 | |
| 42,68 | 80 | 76 | 92 | |
| 60,36 | 70 | 64 | 90 | |
Рисунок 21 - Суммарные гранулометрические характеристики продуктов разрушения бетона при взрыве медных проводников разных диаметров
Для образцов с медными проводниками диаметром 0,1 и 0,25 мм характеристики имеют примерно одинаковый вид, с меньшей эффективностью разрушены кубики бетона с проводниками 0,4 мм. Это подтверждают и результаты расчета вновь образованной поверхности Sи среднего размера осколков D, приведенные в таблице.
Таблица 6 - Площадь вновь образованной поверхности и средний размер кусков бетона
| Материал проводника | Диаметр проводника, мм | S, см2 | Dср, см |
| медь | 0,1 | 1217 | 3,3 |
| 0,25 | 1044 | 3,4 | |
| 0,4 | 443 | 5,4 |
На рисунке 22 представлены частные характеристики крупности образцов бетона, показывающие долю частиц, приходящихся на каждый класс крупности.
Таблица 7 - Частные характеристики крупности разрушения бетона в области от 2,2 до 45мм при ЭВ медных проводников, %.
| Диаметр ВП, мм | |||
| X,мм | 0, 1 | 0,25 | 0,4 |
| 2,8 | 0,1 | 0,2 | 0,1 |
| 3,77 | 0,2 | 0,3 | 0,1 |
| 5,33 | 0,5 | 0,7 | 0,2 |
| 7,54 | 1,8 | 0,9 | 0,6 |
| 10,67 | 2,1 | 1,8 | 0,7 |
| 15,09 | 6,2 | 3,9 | 2,8 |
| 21,34 | 4,2 | 6,7 | 1,2 |
| 30,18 | 2,5 | 5 | 2,9 |
| 42,68 | 9,6 | 13 | 1,8 |
Рисунок 22 - Частные гранулометрические характеристики продуктов разрушения бетона при взрыве медных проводников разных диаметров
На частной гранулометрической характеристике (рис. 22) наблюдается локальный максимум в области фракций 10–25 мм. Этот максимум объясняется исходными размерами крупного заполнителя (10–25 мм) – щебня, использованного при изготовлении модельных образцов. Крупный заполнитель является наиболее прочным компонентом в бетонных образцах и при взрыве он освобождается от скрепляющей песчано-цементной смеси.
При разрушении бетона вероятность выхода фракций, соответствующих размерам исходных частиц заполнителя больше вероятности появления вновь образовавшихся частиц.
2.3 Анализ гранулометрических характеристик продуктов электрического взрыва проводников из разных металлов
Во второй серии экспериментов исследовалось влияние материала проводников на характер разрушения бетона. В опытах использовались медные, нихромовые и манганиновые проводники диаметром 0,4 мм. Параметры ГИТ не изменялись.
Характеристики металлов:
Медь - мягкий, ковкий металл красного цвета, в изломе розовый, при просвечивании в тонких слоях зеленовато-голубой. Удельное электрическое сопротивление ρ=0,0172*10-6 Ом*м.
Манганин - МНМц-3-12 (80%Cu, 3%Ni, 12%Mn). Достаточно дешевый сплав, отличающийся высоким удельным сопротивлением ρ=0,43 -0,51*10-6 Ом*м.
Манганин основной материал для электроизмерительных приборов и образцовых сопротивлений — эталонов магазинов, мостовых схем, шунтов, дополнительных сопротивлений приборов высокого класса точности.
Нихром - общее название группы сплавов, состоящих, в зависимости от марки сплава, из 55—78 % никеля, 15—23 % хрома, с добавками марганца, кремния, железа, алюминия. Удельное электрическое сопротивление ρ=1,05-1,4*10-6 Ом*м.
На осциллограммах тока и напряжения наблюдается различие во времени начала взрыва проводников из разных материалов. Взрыв проводников из нихрома и манганина происходит в первом полупериоде разрядного тока, в то время как медный проводник взрывается во втором полупериоде.