Инновационная технология активирования бетонов, основанная на явлении кавитации| Найденов Ю.А., Веприняк И.А. | Наука 21 век

Наука 21 век » Инновационная технология активирования бетонов, основанная на явлении кавитации| Найденов Ю.А., Веприняк И.А.





Инновационная технология активирования бетонов, основанная на явлении кавитации| Найденов Ю.А., Веприняк И.А.

Апрель 11th, 2013

Электрический импульсный пробой рабочего тела (водно-цементной суспензии, цементно-песчаного раствора) сопровождается кавитацией. Интерес к этому явлению объясняется способностью кавитации разрушать материалы, оказавшиеся в зоне действия мощных ударных микроволн, возникающих при захлопывании кавитационных пузырьков. С позиции анализа электрогидроэффекта (ЭГЭ) кавитация чрезвычайно полезна тонким измельчением (диспергированием) частиц цементного клинкера (до наноразмера) и эмульгированием цементного раствора (мелкозернистого бетона) в скважине при формировании буронабивной сваи.

В научно-исследовательской лаборатории «Разрядно-импульсных технологий» филиала Военной академии материально-технического обеспечения имени А.В.Хрулева (далее НИЛ РИТ) ведутся разносторонние исследования электрогидроэффекта. Эксперименты проводятся на лабораторном стенде, на испытательном полигоне, в акватории реки Волги, на реальных объектах в процессе создания буронабивных свай по разрядно-импульсной технологии . В данной работе предпринята попытка теоретической интерпретации полученных результатов.

Рядом исследователей установлено, что в реакцию гидратации вступает лишь треть объема цемента, а остальная часть объема играет роль инертного заполнителя. Для рационального и экономного использования «хлеба строительной отрасли» - цемента необходима специальная инновационная технология его активации. 

В НИЛ РИТ разработана следующая модель активации компонентов бетонной смеси: 

- на первом этапе производится предварительная полиимпульсная обработка высоковольтным электрическим разрядом (ВЭР) водно-цементной суспензии (Ц + В) в специальном активаторе;

- на втором этапе вводятся модифицирующая химическая добавка (ХД) и инертные составляющие;

- на третьем этапе цементно-песчаный раствор (мелкозернистый бетон) подвергается воздействию ВЭР в скважине при формировании сваи РИТ.

Основные активирующие процессы первого этапа: насыщение системы ионами и диспергация цементных зерен. Инструментом воздействия на рабочее тело являются импульсные электрические поля ударных и волн сжатия, высокоскоростные струи жидкости, в том числе имеющие кавитационный генезис, акустические излучения, термическое воздействие плазмы разряда, большой ток разряда. 

Установлено, что в операциях тонкого диспергирования (от 15 …20 мкм до наноразмера: 150…200 нм) решающую роль играют послеразрядные явления, связанные с образованием кавитационной полости и порождаемого ею потока жидкости. При этом происходит взрывное во всем объеме вскипание жидкости, приводящее к возникновению больших градиентов напряжения и существенному увеличению вероятности разрушения компонентов рабочего тела. Броуновское движение частиц клинкера в гидродинамическом потоке приводит к их взаимному истиранию, расколу при ударе о стенки камеры активатора.

Образование и дальнейшее расширение плазменного канала порождает гидродинамический поток со скоростями до 103 м/с. Увеличение скорости гидродинамического потока приводит к резкому снижению давления (пропорционально квадрату скорости, в соответствии с законом Бернулли) до давления насыщенного пара; образующиеся кавитационные пузырьки перемещаются с потоком в области с более высоким давлением, захлопываются, излучая ударный импульс, разрушающий взвешенные в суспензии цементные зерна. Кроме того, частицы материала, разгоняемые вместе с потоком до высоких скоростей, измельчаются при ударе о жесткую преграду, устанавливаемую в ближней зоне вокруг разрядного промежутка. Наблюдается сонолюминесценция. Следы ударов кавитационных пузырьков видны на деталях активатора.

Импульс динамического давления можно определить по методу ударных адиабат.

Таблица 1 – Результаты расчета динамического давления

Vж,м/с 10 50 100 200 300 400 500 800 900 1000
Рд,ГПа 0,012 0,062 0,12 0,24 0,37 0,48 0,62 0,96 1,1 1,2

Учитывая расчетное сопротивление сжатию известняков (Rсж=45 МПа), можно утверждать, что оптимальной скоростью потока является  Vж = 40…100 м/с (отношение Рд / Rсж составит 1,4…2,7, что вполне достаточно для диспергирования цементного зерна), динамическое давление, превышающее 0,96 ГПа, вызывает интенсивный износ материала изоляторов, может привести к разрушению активатора.

Результаты исследований, выполненных в НИЛ РИТ, позволили сконструировать наиболее эффективную конфигурацию разрядника – основного рабочего органа активатора. В основу был положен принцип гидродинамической кумуляции, реализованный в виде коаксиально-конической геометрии высоковольтного разрядника. На рисунке 1 показаны рассматривавшиеся варианты электродных систем.

В электродной системе с коаксиально-коническим расположением электродов в определенных условиях возможно получение направленных кумулятивных струй. 

                             а)«стержень - стержень»; б) «стержень - плоскость»; в) коаксиальный.
                                                               Рисунок 1 - Электродные системы.

На рисунке 2 показана модель работы коаксиальной электродной системы. Разрядный ток течет по направлению от внутреннего электрода к наружному. При взаимодействии магнитного поля с разрядным током возникает электромагнитная (пондермоторная) сила, перемещающая плазменное образование вдоль электродов.

В таблице 2 приведены результаты экспериментальных исследований влияния геометрии электродов на электродинамические характеристики электродных систем.

 δ - величина межэлектродного промежутка; r2 - внутренний радиус наружного электрода; r1 - радиус внутреннего электрода.

         Рисунок 2 – Модель работы плазменного поршня в коаксиальной электродной системе

Экспериментально установлено: уменьшение площади положительного электрода приводит к существенному увеличению КПД электрогидроэффекта.

Расчеты показали, что электромагнитная сила в разряднике активатора достигает величины 700…820 кН.

Таблица 2 – Результаты исследований электродных систем

Отношение радиусов электродов,
r2⁄r1 
Отношение
длин
электродов,
l2 ⁄ l1 
Разрядный ток,
I, (кА)
Продолжительность
выделения энергии, (мкс)
Скорость
гидро-
динамического потока ,
(м/с)
кпд
разряда,
по
гидропотоку,
ηг
1,75 1 350 89,5 120 0,14
2 1 370 40,0 100 0,2
3 0,75 340 40,0 110 0,25
3 1 320 40,0 85 0,27
5 1 240 93,5 80 0,3

Известны результаты экспериментов с цементами, подвергнутыми домолу на шаровой мельнице. Прочность образцов односуточного возраста составила 140…150 кгс/см2. Эксперименты в НИЛ РИТ с такими же цементами, но подвергнутыми диспергированию по РИТ, дали следующие результаты: 200…220 кгс/см2 в односуточном возрасте, что составляет 67…73% от проектной прочности. Железобетонные конструкции, изготовленные из активированного бетона, могут кантоваться через 8 часов после изготовления, транспортироваться и монтироваться через 1 сутки, нагружаться расчетной нагрузкой через 1,5…2 суток. Разработанная методика приготовления бетонной смеси допускает использование цемента на одну марку ниже проектной, а экономия цемента может достигать 20%.

Экспериментальным путем установлено, что даже незначительное увеличение концентрации цемента в составе суспензии (снижение водоцементного отношения) приводит к уменьшению удельного сопротивления и к увеличению диэлектрической проницаемости смеси, что, как следствие, приводит к увеличению электрического КПД процесса.

При обработке ВЭР бетонной смеси в скважине в процессе формирования сваи РИТ доминирующей, как представляется, является акустическая кавитация, вызванная прохождением волны высокой интенсивности во время полупериода разрежения. При последующем сжатии кавитационные пузырьки захлопываются, порождая ударную волну. В результате происходит своеобразное эмульгирование сформировавшейся коллоидно-пластической массы. При этом наблюдается значительный разогрев раствора (без вскипания). Получив дополнительный импульс, коллоидные частицы новообразования продолжают преодолевать энергетический барьер, повышая интенсивность колебательных движений атомов в решетке, что способствует ослаблению в ней ионных связей.

Механические воздействия, вызываемые захлопыванием кавитационных пузырьков активизируют, как представляется, процесс структурообразования, т.е. частичное разрушение коллоидных ассоциаций, способствующее сближению частиц вяжущей дисперсии и увеличению площади контакта между ними. 

Особая роль – водоредуцирующая – принадлежит введенному химическому модификатору. Установлено, что наиболее эффективны модификаторы С-3 и РСТ. Введение соли электролита увеличивает диссоциацию воды и поставляет в систему новые ионы. На кинетике набора прочности, после введения электролита, также сказывается высокая температура рабочего тела (в соответствии с законом Аррениуса). Ионы электролита увеличивают электрохимическую активность системы возле поверхности твердых частиц, приводят к увеличению количества гидратирующих цементных зерен. Связывание жидкости и перевод ее в кристаллогидратные формы сопровождается увеличением удельного объема твердой фазы и уплотнением цементных гелей, что приводит к заполнению микропорового пространства и обеспечивает создание уже в ранние сроки гидратации структуры с высокой плотностью и прочностью при сжатии.

В НИЛ РИТ установлено, что физико-механическими свойствами активированного цементного камня можно управлять, изменяя состав исходной сырьевой смеси и параметры разрядного контура. Например, добавляя тонкомолотую доломитовую муку (до 80 кг на 1 м3 раствора), можно увеличить общее содержание гидратных фаз, способствующих формированию быстротвердеющего высокопрочного искусственного камня.

В качестве вывода: комплексная обработка (активирование) мелкозернистого бетона свай РИТ улучшает все его параметры:

-усадка уменьшается на 20…25%;
-водонепроницаемость повышается на 3 – 4 ступени;
-морозостойкость увеличивается на 90…100%.

В исследованиях НИЛ РИТ установлено, что ЭГЭ приводит к активации и других компонентов бетонной смеси. Щебень из плотных горных пород дополнительно измельчается, тем самым повышается реакционная способность его поверхности, что далее способствует ускоренному формированию контакта «вяжущее – заполнитель» на ранних стадиях твердения бетона и обеспечивает высокие прочностные показатели в поздние сроки. Электроимпульсная активация химических добавок улучшает их технологические свойства, что приводит к экономии цемента и самих добавок, повышает пластичность бетонной смеси.

Таким образом, несмотря на то, что в процессах разрушения (дробления, измельчения, тонкого диспергирования) участвуют все явления, возникающие при электрическом пробое электролита: генерируемая каналом разряда ударная волна, пульсирующая послеразрядная парогазовая полость, высокая температура плазмы канала разряда, световое излучение канала разряда, импульсные электромагнитные поля и др., в РИТ сверхтонкого (до наноразмера) измельчения цементного зерна кавитационные явления – вполне самостоятельный инструмент основного процесса.

Авторы:

Найденов Юрий Анатольевич – научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Разрядно-импульсных технологий» филиала Военной академии материально-технического обеспечения. Кандидат технических наук доцент. Полковник в отставке. Автор более 120 опубликованных работ, 15 изобретений. Родился в 1950 г. В г. Воркуте. В 1972 г. Окончил Днепропетровский институт инженеров железнодорожного транспорта, факультет «Мосты и тоннели». В 1977 г. закончил Военную академию тыла и транспорта, в 1985 г. Ленинградский электротехнический институт. В 1986 г. защитил кандидатскую диссертацию. Руководил кафедрой «Строительства мостов и тоннелей» ВАТТ.

 

Веприняк Иван Алексеевич - заведующий кафедрой «Общенаучных и общетехнических дисциплин» Военного института (ЖДВ и ВОСО) Военной академии Материально-технического обеспечения, доктор технических наук, профессор, академик ПАНИ, полковник запаса. Автор более 100 опубликованных работ, 50 изобретений. Родился в 1957 году. В 1978 г. окончил Ленинградское высшее военное училища ЖДВ и ВОСО им. М.В. Фрунз. В 1993 закончил Военную академию Тыла и транспорта. В 1996 г. защитил кандидатскую диссертацию. В 2006 защитил докторскую диссертацию. Занимал командные и инженерно-технические должности. С 1990 г. особое внимание уделяет научно-практическому исследованию разрядно-импульсных технологий.







Повышение квалификации. Основы интеллектуальной собственности