Импульсно-частотная ударно-волновая технология обработки и уплотнения бетонных смесей

Зеленов К. Попов Л. Импульсно-частотная ударно-волновая технология обработки и уплотнения бетонных смесей // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2002. №5. C.28-29

Импульсно-частотная технология представляет собой воздействие и рассеяние волновой энергии в материале за счет импульсных газодинамических режимов, чем отличается от традиционного понятия ударной технологии, реализующего воздействие ударов конструктивных элементов оснастки и оборудования на уплотнение смеси.

УВТ - это группа технологий, объединенных общим принципом целенаправленного ударно-вол нового воздействия на объект (материалы, среды, механические системы с использованием ударно-волновых газодинамических устройств (УВГУ), которые работают на основе периодического сжигания (взрыва, детонации) порций газообразной (аэрозольной)топливной смеси, характеризующегося широким спектром импульсно-частотных характеристик. УВТ решают задачи передачи и преобразования энергии для изменения свойств (характеристик) материалов или сред под влиянием ударно-волнового воздействия. Условия технологического процесса определяют: собственную частоту импульсов УВГУ, частоту следования импульсов, амплитуду давления (усилия), энергию импульсов, интенсивность волнового излучения, тепловую и волновую мощность, время воздействия, характер изменения режима воздействия. Все это позволяет эффективно уплотнять жесткие и сверхжесткие бетонные смеси, что является, практически, неразрешимой проблемой при применении традиционных технологий.

Этап уплотнения бетонных смесей принято подразделять на три стадии (рис.1). На всех стадиях процесса необходимо обеспечить условия псевдоожижения смеси, заключающееся в том, что период колебаний должен быть меньше времени ее релаксации, которое возрастает с увеличением жесткости обрабатываемой среды. Для подвижных смесей этому условию отвечает минимальная частота воздействия на уровне нескольких Гц, для жестких смесей частота существенно возрастает.




На первой стадии уплотнения (переукладка составляющих смеси, вытеснение газовых пузырей) оптимальная частота гармонической динамической нагрузки составляет для подвижной бетонной смеси 15-25 Гц, что связывают с резонансной частотой крупных частиц заполнителя. Известно, что переход от гармонических колебаний к импульсным (ударным) и от моночастотных к поличастотным повышает эффективность уплотнения смеси. Это может быть объяснено выходом на резонансные частоты мелких частиц заполнителя и пузырьков воздуха (сотни герц и более), что сопоставимо с собственными частотами импульсов (fc) ударных вибраторов. Амплитуда динамического давления должна быть выше некоторого минимального уровня (предположительно порядка 0,1 МПа). На второй стадии уплотнения (сближение составляющих) требуемый эффект достигается, главным образом, путем увеличения амплитуды динамического давления (примерно до 0,3 МПа), а также статического давления (примерно до 0,1 МПа) за счет дополнительной внешней нагрузки. Для удаления мелких пузырьков воздуха желательно также дальнейшее повышение частоты динамического воздействия. Высказывались даже предположения (не проверенные на практике) о перспективности перехода к ультразвуковому частотному диапазону. Однако верхняя допустимая граница частотного диапазона вряд ли может выходить за пределы 1 -5 кГц из-за сильного затухания высокочастотных волн в бетонной смеси.

На третьей стадии уплотнения (компрессия смеси) динамическую и статическую составляющие амплитуды давления целесообразно довести примерно до 1 МПа (дальнейшее увеличение заметного эффекта практически не дает). Требования по частоте динамического воздействия должны ограничиваться, по видимому, обеспечением условия псевдоожижения смеси.

Экспериментальные данные по предлагаемой технологии и сопоставление их с ударной технологией приведены в таблице.



Экспериментальные данные по уплотнению жестких бетонных смесей на УВГУ с воздушно-водородной смесью

Частоты следования импульсов, Гц

N? серии испытаний

Количеств импульсов (ударов) в серии

1,0

0,75

0,5

Плотность (кг/м3)/Предел в возрасте 28 суток нормального твердения (МПа)

1

2310/15,4

2305/15,1

2320/15,6

4

2

2290/15,1

2310/15,3

2280/15,0

22

3

2320/15,2

2330/15,1

2325/15,1

90

4*

1690/11,2

-

* Контрольная серия. Виброуплотнение, периодический сигнал с частотой 50 Гц, 2 мин.

С учетом изложенных закономерностей можно представить возможный характер изменения во времени параметров воздействий при уплотнении, например, жестких бетонных смесей (рис. 2) с использованием ударно-волнового устройства, имеющего регулируемый уровень собственной частоты (fc) и амплитуды давления (Р), а также частоты следования импульсов или частоты (циклов fц). Величина (fц)min соответствует нижнему пределу частотного диапазона, при котором обеспечивается условие псевдоожижения смеси. Статическое напряжение в начальный момент времени определяется собственным давлением в слое бетонной смеси (на графике принято условное значение - 0,02 МПа). Возрастание напряжения со временем создается с помощью внешней нагрузки.




Ни одна из существующих технологий не в состоянии обеспечить необходимое регулируемое изменение режимов обработки бетонной смеси как показано на рис.1.

Еще большие проблемы возникают при уплотнении бетонной смеси на строительной площадке, так как устройства должны быть передвижными и иметь при этом возможность подключения к источнику энергоснабжения.

Аналитические и расчетно-экспериментальные проработки позволяют предполагать, что рассматриваемые задачи могут быть успешно решены с помощью газодинамической ударно-волновой технологии, где регламентировано рассеяние волновой энергии в материале и создание в этих средах знакопеременных напряжений сжатия-растяжения в импульсном режиме с различными амплитудно-частотными характеристиками.

В УВГУ, использующих процессы детонации газообразных или аэрозольных компонентов, мощные варьируемые периодические импульсы с крутым передним фронтом в средах и с широким спектром частотных характеристик, ударная волна направленного действия, высоконапорная газовая струя с большим поперечным сечением активно воздействуют на сложный комплекс различных процессов и сопровождающих их явлений (необратимые деформации, изменение свойств - псевдоожижение, тиксотропное ожижение; миграции составляющих - переукладка, вытеснение газовой составляющей в укладываемой смеси; изменение скорости протекающих физических, химических, тепловых процессов среды).

На рис. 3 показана схема одного из возможных вариантов УВГУ детонационного типа, работающего с непрерывной подачей газовых компонентов топлива в камеру сгорания.




Это устройство работает на газообразном топливе с частотой циклов до 100 Гц. Горючее и окислитель подаются по коллекторам 1-4, проходящим через холодильники 12 в форкамеру 5, переходник 6, конус 7 и камеру сгорания 8. После заполнения их горючей смесью датчик 9 с помощью блока синхронизации 10 подает сигнал на под-жиг горючей смеси в форкамере 5, осуществляемой свечой поджига 11. Горючая смесь воспламеняется, дефлаграционный режим горения переходит в детонационный с возникновением скачка давления, превышающего давление газов в коллекторах, что приводит к прерыванию подачи топливных компонентов. После истечения продуктов сгорания из камеры давление в ней и коллекторах падает и процесс повторяется.

Проведенные экспериментальные исследования с целью проверки принципиальной возможности воздействия с помощью УВГУ, работающего на воздушно-водород ной смеси показали, что полученные характеристики уплотнения обычных тяжелых бетонов на жестких смесях подтверждают теоретически обоснованные данные по эффективности воздействия, при этом структура бетонов получается классической. Плотность образцов и прочностные показатели при прочих условиях выше на 15-20%, чем у образцов, полученных традиционными методами.