Электрогидроимпульсный способ рециклинга железобетонных конструкций

Введение. Проблема утилизации бетонных и железобетонных (ЖБ) конструкций остро стоит во всем цивилизованном мире. По данным международной организации RILEM, в странах ЕС, США и Японии в 2000 г. ежегодный объем только бетонного лома составил более 360 млн т. Начиная с

70-х годов прошлого века во многих странах ведутся широкомасштабные исследования в области переработки бетонных и железобетонных отходов, изучения технико-экономических, социальных и экологических аспектов использования получаемых вторичных продуктов.

В бывшем СССР внимание к этому вопросу было привлечено в конце 70-х годов. Тогда считалось, что утилизация имеющихся отходов позволила бы вовлечь в хозяйственный оборот около 40 млн тонн бетонного лома и около 1,2 млн тонн металла. Однако реальных мер для решения этой проблемы принято не было.

В настоящее время основными методами утилизации железобетонных изделий (ЖБИ) являются метод рециклинга (разрушение с последующим вторичным использованием продуктов разрушения) и захоронение на полигонах.

К сожалению, рециклинг в нашей стране на сегодняшний день занимает менее 1%, в то время как в развитых странах рециклинг занимает более 90 % (в Германии 100%).

В то же время правильно переработанные и отслужившие свой срок ЖБИ представляют собой вторичное сырье, использование которого после переработки на вторичный щебень может снизить затраты на новое строительство объектов промышленного, гражданского и сельскохозяйственного строительства и одновременно позволит уменьшить нагрузку на городские и сельские полигоны, исключить образование несанкционированных свалок. Вторичный щебень из бетона оказывается значительно дешевле природного, так как энергозатраты на его производство в 8 раз меньше, а себестоимость бетона с ним снижается на 25 %. Извлеченная арматура может идти на переплавку либо во вторичное производство изделий (после реставрации). Таким образом, переработка ЖБ отходов, создание системы рециклинга становится перспективным и высокорентабельным производством, решающим важнейшую экологическую и экономическую задачу.

Перерабатываемость для вторичного использования у железобетона весьма высокая. Арматурная сталь и закладные детали идут в переплавку, а отходы бетона практически полностью могут быть применены повторно в качестве заполнителя для ординарных бетонов или как балласт в дорожно-транспортном строительстве. Кроме строительства, дробленый бетон применяют при рекультивации земель для засыпки выработок в грунте.

Несмотря на большие объемы переработки, на сегодняшний день широко не утвердилась высокоэффективная технология для этого процесса. Сегодня в основном находят применение такие технологии разрушения ЖБИ, как статические (раскалывание, резка и расширение) и динамические (ударный, вибрационный, взрывной), при этом удельные энергетические затраты более низкие при динамических методах. В настоящее время наибольшие результаты достигнуты в совершенствовании технологии разрушения строительных конструкций ударными методами – раскалыванием, дроблением и статическими – резкой и расширением, с последующим высвобождением от арматуры и доведением разрушенного бетона до необходимой фракционности в дробилках. Основные недостатки данных технологий – большой вес оборудования, необходимость в площадке большой площади, высокая стоимость обслуживания установки, высокий процент ручного труда, разрушение ЖБИ определенных геометрических пропорций, производительность, шумность и наличие пыли. Поэтому целью наших исследований является разработка такой технологии разрушения ЖБИ, которая могла бы позволить:

• -    снизить затраты на разрушение;

• -    увеличить производительность труда и уменьшить применение физического труда;

• -    увеличить срок службы используемого оборудования.

Электрогидравлический эффект . Наряду с общеизвестными средствами разрушения в последние годы пробивают себе дорогу и находят применение для разрушения железобетонных и других конструкций такие средства, как установки электрогидравлического эффекта (ЭГЭ).

Принцип действия электрогидравлических установок (ЭГУ) основан на применении электро-гидравлического эффекта Л.А. Юткина [1], который представляет собой высоковольтный импульсный разряд электрического тока в жидкости, сопровождающийся выделением энергии в виде ударных и акустических волн.

Суть электрогидравлического эффекта состоит в том, что электрическая энергия в сформированном особым образом импульсном электрическом разряде внутри плотной среды превращается в механическую без промежуточных звеньев [2]. Поэтому КПД метода велик. Мощность ЭГ-удара за микросекунды достигает сотен тысяч киловатт. ЭГЭ не только создает в среде вокруг зоны разряда высокие и сверхвысокие давления, но и сопровождается целым комплексом физико-химических явлений. Это и резонансные явления, и инфра- и ультразвуковые колебания большой интенсивности. Такая встряска способна не только измельчать твердые материалы, но и разрывать химические связи в молекулах. Образовавшиеся осколки – радикалы – затем вновь соединяются, но частично по-новому, образуя новые вещества. Например, растворенный в обычной поливной воде биологически инертный азот превращается в оксиды ЭГ-ударом, здесь резко возрастает содержание ионов NO 2 и NO 3 , гидроксильные ионы превращаются в перекись водорода, которая тут же распадается на Н 2 О и О. Атомарный кислород энергично окисляет «пассивные» соли плодородного слоя.

Теоретически эффект Юткина можно обосновать следующим образом [2]. Создается относительно медленное накопление энергии конденсатора (от долей секунды до нескольких десятков секунд) и быстрый (около 10-4 секунды, т.е. десятки микросекунд) сброс в гидросреду накопленной энергии и, как следствие, получение высоких мощностей (единицы и десятки мегаватт). Таким образом, регулируя амплитуду заряда конденсатора, легко управлять выделяемой в разряднике мощности.

Из курса физики известно, что

E

C

^{CU 2} P = ^E

2 ,         t

где Е С – энергия, запасенная в конденсаторе, Дж; С – емкость конденсатора, фарад; U – напряжение, В; Р – мощность разряда, ватт; t – время, с. Последняя формула объясняет, почему при малых промежутках времени получается высокая мощность разряда.

Методика исследований. Учитывая сложившуюся ситуацию в необходимости утилизации ЖБ опор и изучив методы разрушения, наш коллектив провел серию масштабных экспериментов по разрушению ЖБИ электрогидроимпульсным (ЭГИ) методом [3, 4] с целью оценки эффективности и практической применимости данного метода.

Как отмечалось выше, электроимпульсный способ разрушения диэлектрических и полупроводящих материалов используется для дробления и измельчения материалов, резания блочного камня, разрушения некондиционных железобетонных изделий и т.д.

Нами исследовались методы косвенного разрушения (элетроразряд производился между контактами специального разрядника вблизи ЖБИ) и разрушения через «тело» бетона (элетрораз-ряд производился между арматурой бетона и электродом специальной формы). Сразу отметим, метод косвенного разрушения для данной задачи неприемлем из-за его низкой эффективности (кроме задач дезинтеграции, которые невозможно решить другими методами).

Предлагается способ утилизации ЖБИ, в котором одним электродом является арматура бетона. С помощью электроразряда в толще железобетонного изделия, погруженного в ванну с технической водой, формируются сквозные цилиндрические каналы. После заполнения каналов водой повторные электроразряды вызывают в тех же каналах взрывное повышение температуры и давления, что сопровождается генерацией цилиндрических ударных волн, нагружающих бетон с образованием радиальных трещин и отколом бетона под действием растягивающих напряжений, возникающих при отражении ударных волн от обнаженных поверхностей разрушаемого изделия. При электрическом разряде через микротрещины слоя бетона между арматурой и положительным электродом возникают силы. Данные силы генерируют ударные волны, нагружающие бетон с образованием радиальных и осевых трещин с отколом бетона под действием растягивающих напряжений, а также происходит отслаивание его от металлической арматуры. Описанная операция осуществляется без образования взрывной волны и разброса осколков, что является принципиальным фактором при производстве работ в местах с выделением пыли или вероятным появлением газа.

Этот метод совершенно безопасен для работающих вблизи людей и установленного оборудования, поэтому он может с успехом применяться не только на открытых площадках стройки, но также и внутри производственных помещений.

Состав использованного оборудования:

• -    рабочая ванна с водой для проведения экспериментов 4 х 0,8 х 0,8 м;

• -    генератор импульсных токов с максимальной энергией 0,8 КДж, частотой повторения 1 Гц и массой 150 кг;

• -    высоковольтный кабель с положительным электродом;

• -    заземляющая шина.

Выводы

Проведенные эксперименты показали:

• 1.    Применение установки с использованием электрогидравлического эффекта для разрушения железобетонных изделий позволяет:

• -    затраты на разрушение 1 куб. м ЖБИ составляют не более 5 кВт/час;

• -    в разы увеличить производительность труда (от 3 до 5 куб. м/час);

• -    резко уменьшить применение физического труда на указанных работах.

• 2.    Извлечение арматурных каркасов и закладных элементов производится без их деформации.

• 3.    Преимущество предлагаемой технологии перед механическими способами состоит еще и в том, что срок службы породоразрушающего инструмента на несколько порядков выше, разупрочнение металла и бетона происходит эффективней.

• 4.    Вместе с тем при применении данной технологии требуется принять меры против отрицательных экологических факторов, вносимых при работе высоковольтных генераторов, входящих в состав устройств: волн звукового и радиодиапазонов, электрических полей высокой напряженности. Однако традиционные приемы (эффективное электрическое заземление, использование замкнутого вне земли рабочего контура для протекания импульсных токов, использование противошумных и радиозащитных экранов) приводят к локализации указанных факторов в области, непосредственно прилегающей к установкам, и сводят их к уровню, не превышающему требований стандартов.