СТЕНД ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОГО СПОСОБА РАЗРУШЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Утилизация бетонных и железобетонных изделий (ЖБИ), как строительного мусора, является экологической проблемой требующей должного внимания. Решение находится в переработке и повторном использовании строительных отходов, что позволит разгрузить полигоны и улучшить экологическую ситуацию [4]. Одним из перспективных направлений решения проблемы является применение импульсных электрических разрядов в конденсированных диэлектриках – электроразрядный (ЭР) способ разрушения.

ЭР способ разрушения основан на эффекте инверсии электрической прочности твердых и жидких диэлектриков при воздействии импульсного напряжения: электрическая прочность горных пород и бетона при временах воздействия менее 10^-6с становится ниже электрической прочности диэлектрической жидкости, а при временах менее 10^-7с ниже прочности технической воды [3, с. 116].

Этот эффект, открытый в Томском политехническом университете группой ученых под руководством профессора А.А. Воробьева, было предложено использовать для развития электроразрядных (электроимпульсных) способов разрушения горных пород и искусственных материалов, в том числе ЖБИ [6, с. 7]. Для разрушения ЖБИ нужен только высоковольтный электрод, так как заземленная арматура является вторым электродом, что облегчает инициирование и развитие разрядного канала (рисунок 1).

Рисунок 1. Принципиальная схема ЭР разрушения железобетонных изделий: 1 – высоковольтный электрод, 2 – заземленный электрод (арматура), 3– бетон, 4– разрядный канал

Для реализации ЭР технологии разрушения ЖБИ в 80-90х годах в НИИ высоких напряжений Томского политехнического института были спроектированы и изготовлены опытные образцы установок, проведены их испытания, выявлены достоинства и недостатки технологии [2, с. 236; 3, с. 240]. В настоящее время действующий макет установки по переработке ЖБИ находится в ТПУ [5].

Интерес к ЭР способу обусловлен слабой зависимостью пробивного напряжения от марки бетона, высоким процентом освобождения арматуры (без деформации), минимальный износом рабочего инструмента и снижением удельных энергозатрат.

Выбор режимов разрушения конкретного типа ЖБИ необходимо проводить с учетом влияние различных факторов: амплитуда и энергия импульса, форма и количество высоковольтных электродов, расположение электродов относительно арматуры и др. Для этого желательно использовать небольшой, по сравнению с опытными установками, лабораторный стенд на котором возможно проводить исследования в любое время года.

В работе описан лабораторный стенд, смонтированный в высоковольтном зале Томского политехнического университета, предназначенный для исследования ЭР разрушения твердых диэлектриков при их импульсном пробое. Стенд состоит из генератора импульсных напряжений (ГИН) (1), разрядной камеры (2) и оборудован системой регистрации тока (3) и напряжения (4) (рисунок 2).

Генератор импульсных напряжений собран по схеме Маркса с двухсторонней зарядкой (рисунок 3) [1, с. 81]. ГИН имеет лестничную конструкцию, состоит из 5 ступеней, на каждой из которых размещены конденсаторы ИК-100/0,25 (рисунок 3). Разрядная емкость ГИН 25нФ, индуктивность разрядного контура 15,4 мкГн, активное сопротивление разрядного контура 1,9 Ом.

Рисунок 2. Внешний вид экспериментального стенда

Рисунок 3. Электрическая схема ГИН: T–регулировочный трансформатор; ВТ– высоковольтный трансформатор ИОМ-100/25, R – защитные резисторы; D–диоды; L – зарядные индуктивности; C– конденсаторы ИК-100/0,25; P–шаровые разрядники; R_ш– шунт; R₁,R₂– делитель напряжения

Разрядная камера изготовлена из полиэтилена, и имеет размеры 930×730×530мм. На дне расположена заземленная пластина размерами 600×600мм. Максимальный размер разрушаемого ЖБИ 730×530×300 мм. Бак (1) установлен внутри металлической рамы (2) с электродной системой. Высоковольтный электрод (4) закреплен на диэлектрической площадке (3) с возможностью перемещения вдоль рамы (рисунок 4а). Высоковольтный электрод представляет собой кабель без экрана с диаметром изоляции 45 мм и медной жилой диаметром 5мм, к которой прикреплён наконечник из стали. Наконечник имеет ромбовидную форму, с наибольшим диаметром в центре – 65 мм; высота 70 мм (рисунок.4б). Общая длина электрода 1800мм.

а)    б)   

Рисунок 4. Внешний вид разрядной камеры (а) и высоковольтного электрода (б)

Для регистрации импульсного напряжения и тока на стенде установлены высоковольтный омический делитель напряжения и шунт, с которых преобразованный сигнал передается на осциллограф TDS-2022В. Коэффициент преобразования напряжения K_u=19,8кВ/В, тока K_I= 0,084 кА/В.

Для проверки работоспособности стенда был проведен эксперимент по разрушению железобетонного блока. Типичные осциллограммы тока и напряжения при пробое показаны на рисунке 5, внешний вид образца до и после эксперимента представлены на рисунке 6.

Рисунок 5. Осциллограммы тока (1) и напряжения (2) при пробое бетона

а)       б)   

Рисунок 6. Образец до (а) и после (б) эксперимента

Заключение

В работе описан лабораторный стенд, предназначенный для исследований электроразрядного разрушения непроводящих материалов с возможностью регистрации импульсных тока и напряжения. Размеры разрушаемых образцов до 730х530х300 мм; рабочее напряжение ГИН до 500 кВ, запасаемая энергия до 3,2 кДж.

Работа выполнена в рамках проекта РФФИ №16-48-700278 "Электроразрядное разрушение бетонных и железобетонных изделий для их переработки и утилизации" 2016-2018 гг.

Список литературы:

1. Блум Х. Схемотехника и применение мощных импульсных устройств. – М.: Додээка-ХХI, 2008. – 352 с.
2. Важов В.Ф., Зиновьев Н.Т., Ушаков В.Я. Электроразрядная технология бурения скважин и разрушения железобетонных изделий: монография. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2016. – 312 с.
3. Воробьев А.А., Воробьев Г.А., Завадовская Е.К. и др. Импульсный пробой и разрушение диэлектриков и горных пород. – Томск: Изд-во Томского ун-та, 1971. – 255 с.
4. Макаева А.А., Шевцова Т.И. Вторичное использование отходов ЖБИ // Вестник ОГУ. – 2001 – С. 91-93.
5. Оборудование и технология электроразрядной утилизации железобетонных конструкций [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://inno.tpu.ru/ru/prodcuts-and-services/geology/electric-discharge-recycling.html (дата обращения: 10.05.2017)
6. Семкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И. Основы электроимпульсного разрушение материалов. – СПб.: Наука, 1995. – 276 с.