Объектом разрушения служат некондиционные железобетонные изделия - брак производства или выбывающие из эксплуатации панели. Целью разрушения ЖБИ является утилизация арматурного металла и бетона. Особенностью электроимпульсного процесса в данном технологическом применении является то, что один из электродов системы является арматура ЖБИ. В тех случаях, когда арматура не обнажена, процесс электрического пробоя облегчен, так как разряд на арматуру может быть осуществлен только путем пробоя слоя бетона. Реальные процесс разрушения ЖБИ означает постепенное обнажение арматуры и может осуществляться только в режиме электроимпульсного пробоя - с внедрением разряда в бетон при наличии и альтернативной возможности перекрытия по поверхности на обнаженную арматуру. При этом не обязательно, чтобы в каждом акте пробоя электрод касался бетона, пробой может быть и комбинированным с частичным прохождением через водную среду.

Технологическая схема разрушения ЖБИ следующая: панель 2 загружается в ванну с водой 3, рабочий электрод 4 с помощью манипулятора постепенно перемещается по ячейкам изделия, при этом система контроля выдает команду для перемещения в новое положение лишь после полного разрушения ячейки. Освободившиеся после разрушения ЖБИ арматура и бетонный шлам по отдельности удаляются из ванны. Как показали опытные работы по разрушению ЖБИ, состояние арматуры позволяет ее повторное использование, так же как и бетона после дополнительного его доизмельчения.

Принципиально имеется два возможных способа разрушения негабаритов электроимпульсным способом - при пробое в системе наложенных электродов и при пробое в системе с предварительно забуренными шпурами. Здесь имеется в виду, что пробиваемые промежутки достигают длины нескольких дециметров и что обеспечивается ввод необходимого количества энергии в канал разряда. Первый способ проще технологически, однако чрезвычайно низка эффективность использования энергии канала разряда. С энергетической точки зрения случай сквозного пробоя из забуренных шпуров более выгоден, однако технологически осложнен операцией забуривания шпура, и его эффективность необходимо оценивать в сравнении с достаточно хорошо отработанной технологией электрогидравлического разрушения негабаритов.

К побочным явлениям электроимпульсного разрушения следует отнести эффекты, обусловленные воздействием на материал и жидкую рабочую среду высоких температур канала разряда, давления проходящей в твердом теле волны, электрических и магнитных полей. Фазовые превращения в материале, изменение поверхностных свойств и т.д. могут выступать не только как факторы, влияющие на эффективность последующих процессов с материалом (например, при обогащении), но и представлять самостоятельный технологический интерес, например, для ускорения химических реакций, синтеза алмазов и т.д. Именно в этой области возникает соприкосновение и взаимопроникновение исследовательских работ по электроимпульсной, электрогидравлической, электронно-ионной технологиям. Примером этому является электроразрядное разупрочнение материала для интенсификации гидрометаллургического процесса, для повышения селективности разрушения руд.

С конца семидесятых годов в НИИ высоких напряжений проводятся работы по созданию техники и технологии электроимпульсной утилизации некондиционного железобетона.

Сущность способа основана на разрушающем действии импульсных электрических разрядов, инициированных непосредственно в толще бетона, между электродами либо между элементами арматуры, либо между внешним электродом и элементами арматуры [5].

В канале пробоя выделяется электрическая энергия, запасенная во внешнем накопителе, обычно емкостном, канал пробоя расширяется подобно поршню и создает переменное во времени и пространстве поле механических напряжений. За счет интенсивной дивергенции волн, их взаимодействия со свободными границами и неоднородностями разрушаемого изделия, это поле носит сложный характер с большим удельным содержанием сдвиговых и растягивающих напряжений. В генеральной картине разрушения преобладают радиальные изломы, распространяющиеся от канала пробоя, присутствует растрескивание по Гопкинсону и концентрические трещины.

Для предотвращения пробоя бетона по поверхности используются специальные изоляционные среды (например, техническая вода), координирование разрядных промежутков с параметрами воздействующего импульса напряжения, формой и местом расположения электродов.

Эффективность разрушения бетона электрическими разрядами по поверхности, а также в окружающей его среде существенно ниже по сравнению с вариантом пробоя в толще бетона.

Рисунок 12 - Схема установки разрушения железобетона: 1 -- щит распределительный; 2 --пульт управления; 3 -- регулятор напряжения; 4 -- трансформатор высоковольтный; 5 -- генератор импульсных напряжений; 6 -- высоковольтная шина; 7 -- станция гидравлическая; 8 -- электродная система; 9 -- поддон; 10 -- разрушаемое изделие; 11-- гидроцилиндры; 12 -- технологическая ванна; 13 -- бункер

Поэтому одной из основных проблем ЭИТ является разработка технических приемов, оборудования и оснастки для создания условий, обеспечивающих высокую вероятность формирования канала сквозной проводимости в бетоне.

Другой проблемой является выбор параметров энергетического пакета в послепробойной стадии процесса, определяющих электрическую мощность, развиваемую в канале, энергию, выделенную в нем, и в конечном счете, параметры поля механических напряжений и эффективность разрушения.

Необходимо отметить, что технология предоставляет возможности для широкой вариации параметров энерговклада путем выбора режима протекания разрядного тока. Основным требованием при этом является согласование режима энерговыделения с характеристиками разрушаемого изделия, вплоть до использования автоматизированных самонастраивающихся систем.

Генератор импульсных напряжения собран по схеме Аркадьева-- Маркса с двухсторонней зарядкой емкостных накопителей. В качестве накопителей используются конденсаторы ИКХ-50-1-УХЛ4. Емкость одной ступени генератора 10~6 Ф, число ступеней--6. Конструкция генератора -- платформенного типа. Изоляционный остав изготовлен на базе опорных изоляторов КО--110/2000. Размещен генератор в отдельном помещении, которое предохраняет электротехническое оборудование от прямых атмосферных воздействий и служит экраном электромагнитного излучения. Генератор работает на шину, которая располагается вдоль технологической ванны.

Электродная система служит для передачи высоковольтных импульсов от генератора к разрушаемому изделию, имеет двадцать два высоковольтных электрода, расположенных в ряд по ширине технологической ванны. Конструктивно электродная система выполнена в виде четырех колонн, собранных из опорных изоляторов КО--110/1250. Колонны размещаются на подвижной тележке, которая перемещается по направляющим вдоль технологической ванны. Вверху колонны связаны между собой металлическими балками. На балках крепится блок электродов. Каждый электрод снабжен индивидуальным пневмоприводом для вертикального перемещения. Электроды имеют два фиксированных и нижнее -- рабочее.

В исходном положении электроды изолированы от высоковольтной шины и друг от друга. В нижнем положении электроды опускаются на разрушаемое изделие, при этом они автоматически подключаются к высоковольтной шине, на которую поступают импульсы от генератора.

Технологическая ванна представляет собой металлическую емкость сварной конструкции 4,5x9,8x2,5 м, заполненную водой. Внутри ванны располагается гидроподъемник с шестью контейнерами. Контейнеры закрыты решетками и служат для наполнителя разрушенного бетона. По мере наполнения контейнеров они вынимаются из ванны и разгружаются. Очищенный от бетона арматурный каркас удаляется с решеток.

Управление и контроль за работой генератора, электродной системы, гидроподъемника осуществляется с пульта управления, расположенного в кабине оператора.

Работа установки осуществляется следующим образом. Изделие мостовым краном и гидроподъемником размещается на решетке контейнеров. Над изделием устанавливается электродная система. Один из электродов опускается на бетон и автоматически подключается к высоковольтной шине. Включается генератор импульсов. Импульсы от генератора через высоковольтную шину и электрод поступают в рабочую зону и производят разрушение бетона. После подачи трех--пяти импульсов бетон под рабочим электродом разрушается, электрод поднимается вверх, а другой опускается на неразрушенную часть изделия. Цикл разрушения повторяется до полного освобождения арматурного каркаса или закладных деталей от бетона, которые сохраняют первоначальную форму и могут использоваться повторно.

Таблица 3 - Фракционный состав дробленого бетона

Размер фракции, мм	Фракционный состав дробленого бетона, %
	После разрушения стеновой панели В 15-26	После ЭИ додрабливания в сите 40мм
0-5	6,3	9,7
5-10	8,4	15,6
10-20	17,3	40,4
20-40	13,5	34,3
40-70	12,0	0
Свыше 70	42,5

Рисунок 14 - Фракционный состав бетона

Технические параметры установки:

Установленная мощность, кВт -- 100

Производительность (время загрузки и выгрузки изделий не учитывается), м3/ч - 3--5

Затраты энергии, кВт * ч/м3:

при переработке изделий с однослойным армированием -- не более 3

при переработке изделий с пространственным армированием -- не более 7

Параметры разрушаемых изделий:

-- размеры, м - 6,3x3,2x0,3

-- масса, т - 10

Габариты установки, м - 12x12x4

Масса установки, т - 25

Второй этап переработки некондиционных железобетонных изделий после извлечения арматуры обеспечивает дробление бетона до фракций, пригодных к повторному использованию в новых конструкциях.

Отсутствие металла в бетоне позволяет применять технологии, аналогичные используемым для получения естественных заполнителей, обычные механические дробильные установки (для переработки природного камня в карьерах), а также электроимпульсные дробилки, которые в отличие от традиционных позволяют в определенных пределах регулировать гранулометрический состав готового продукта путем подбора параметров источника импульсов.

Процентное содержание состава бетона по фракциям после додрабливания электроимпульсным способом приведено также в таблице 4. Наибольший процент составляет фракция 10--20 мм, которая соответствует размерам природного крупного заполнителя.

Результаты сравнительных испытаний образцов бетона, заполненного гравийным щебнем природного происхождения и фракцией 1.0-- 20 мм, приведены в табл. 4

Таблица 4 - Результаты сравнительных испытаний образцов бетона

Марка бетона	Тип заполнителя	Прочность при сжатии,МПа	Плотность,кг/м3
М 300	Извлеченный из готового изделия электроимпульсным способом (включая стадию додрабливания)	26,1	2240
М 300	природный	25,5	2340

Таким образом, утилизация железобетона электроимпульсным способом имеет следующие особенности:

-- извлечение арматурных каркасов и закладных элементов производится без их деформации;

-- при додрабливании высвобождается природный заполнитель.

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.

Возможность повторного использования арматуры и природного заполнителя в производстве железобетонных изделий, щебня (в дорожных покрытиях, для отсыпки откосов, отработанной жидкости), для приготовления бетонных смесей со снижением расхода вяжущих материалов, делают электроимпульсную технологию не только ресурсосберегающей, безотходной, но и экологически благоприятной.

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.

Преимущества технологии:

* безотходность - возможноcть повторного использования недеформированной арматуры, природного заполнителя, щебня, отработанной жидкости;

* экологическая целесообразность и безопасность;

* износостойкость рабочего инструмента.

1.5 Электрический взрыв проводников

Электрическим взрывом проводников (ЭВП) называют явление взрывообразного разрушения металлического проводника при прохождении через него импульса тока большой плотности. Явление это сопровождается яркой вспышкой света, резким звуком, ударной волной, распространяющейся в окружающей проводник среде. Продуктами разрушения проводника являются пары и мельчайшие частицы металла, которые в определенных условиях могут взаимодействовать с окружающей средой, образуя различные химические соединения.

Рисунок 15 - LC-контур установки для электровзрывного получения УДП



Рисунок 16 - Типичные осциллограммы тока (I) и напряжения (U) в LC- контуре

Процесс электрического взрыва проводников делится на следующие стадии:

1. Емкостной накопитель энергии С заряжается от источника питания до напряжения U₀. При замыкании цепи разрядником Р ток вначале определяется волновым сопротивлением контура, поскольку сопротивление проводника мало. Проводник нагревается джоулевым теплом, плавится в точке t₁ (см. рис. 16).

2. Дальше проводник нагревается в жидком состоянии до момента t₂, характеризующего бурное испарение жидкого металла. При этом вещество расширяется, теряет металлическую проводимость, его сопротивление возрастает на несколько порядков, а ток в контуре уменьшается.

3. В момент t₃ ток прекращается, наступает пауза. Во время паузы напряжение конденсатора приложено к продуктам взрыва.

4. В момент t₄ осуществляется пробой газообразных продуктов взрыва, наступает дуговая стадия разряда.

К основным направлениям использования явления ЭВП в науке и технике относятся следующие:

· получение высокодисперсных порошков,

· напыление тонких пленок для нужд микроэлектроники,

· создание мощных импульсных источников излучения для фотографирования скоростных процессов,

· оптическая накачка газовых лазеров,

· получение активных сред для лазеров на парах металлов,

· создание импульсных источников нейтронов и электромагнитного излучения ультрафиолетового и рентгеновского диапазонов,

· ускорение микрочастиц,

· создание быстродействующих электровзрывных размыкателей тока для высоковольтных и сильноточных электрических цепей,

· сварка металлов,

· развальцовка труб,

· разрушение горных пород,

· моделирование атомных взрывов,

· дефектоскопия и др.

При электрическом взрыве проводников потребляемая электроэнергия преобразуется в работу по нагреву материала проводника в конденсированном состоянии, плавлению, испарению металла, ионизации, образованию новых поверхностей с разрывом химических связей - распаду металла на кластеры, разлету продуктов взрыва в окружающую среду. Процесс энерговыделения можно охарактеризовать следующими характеристиками: разрядным током i, падением напряжения на взрывающемся проводнике u, его активным сопротивлением r, мощностью N, энергией W, введенной в проводник к данному моменту времени t.

Введенная в проводник энергия является одной из важнейших характеристик взрыва, определяющих величину и скорость изменения сопротивления, термодинамическое состояние проводника, скорость расширения продуктов взрыва, размеры образующихся частиц и др. При анализе ЭВП пользуются также такими понятиями как объемная плотность энергии е, равная отношению величины введенной в проводник энергии к начальному объему проводника, и достигаемый перегрев или энергосодержание е/е_с - отношение объемной плотности энергии к энергии сублимации материала проводника е_с.

Определение энергетических характеристик ЭВП обычно производят из совместной обработки осциллограмм тока и напряжения. Для RLC-контура выражение для расчета энергии W имеет следующий вид:

,

где - уменьшение заряда конденсатора, определяемое графическим интегрированием осциллограммы тока; U₀ - начальное напряжение на конденсаторе; С - емкость конденсатора. Индуктивность L и активное сопротивление контура R_к находятся из осциллограмм тока короткого замыкания по формулам:

,

где Т - период затухающих колебаний контура, lnД - логарифмический декремент затухания колебаний тока в контуре, Д - отношение соседних амплитудных значений тока одной полярности.

Выражение представляет собой разность между запасаемой энергией и оставшейся в накопителе, в магнитном поле контура и энергией, рассеиваемой на R_K.

Удельное энергосодержание определяется по формуле

,

где l и S - длина и сечение взрываемого проводника.

Ударные волны при ЭВП

Явление ЭВП сопровождается генерацией ударных волн в окружающей среде. Ударные волны, инициируемые электрически взрываемым проводником в газах и особенно в конденсированных средах, находят все более широкое применение в технике и технологии благодаря возможности целенаправленно изменять их характеристики в широких диапазонах путем изменения размеров и материала проводника.

На начальной стадии ЭВП джоулев нагрев проводника сопровождается его линейным расширением, происходящим с относительно малой скоростью ~ (1-3)10² см/с. На стадии собственно взрыва, в процессе интенсивного испарения с внешней поверхности проводника после достижения темепратуры кипения, расширение вещества проводника происходит со скоростью (1-5)10³ м/с и вызывает в окружающей среде возмущения, формирующие первичную ударную волну. Вторичные ударные волны обусловлены развитием сильноточного разряда в продуктах ЭВП или окружающей среде вследствие резкого возрастания вводимой в разрядный канал энергии и быстрого расширения образующейся плазмы. В характерных условиях на фронте ударных волн температура достигает 10⁴ К, а давление - нескольких сот мегапаскалей (тысяч атмосфер).



Рисунок 17 - Осциллограмма потока (a), напряжение (b), и ударная волна (c) при электрическом взрыве медного проводника в воздухе, d = 0,15 мм

Возникающий при разлете образующихся в процессе ЭВП паров реактивный импульс отдачи может возбудить в неиспарившейся части проводника внутреннюю сходящуюся ударную волну. За фронтом этой ударной волны и в центральной части образуется область с пониженной плотностью, в которой может произойти пробой, приводящий к формированию периферийного дугового разряда.

При ЭВП в жидких средах ударные волны возбуждаются в момент, близкий к моменту прекращения тока, и при возникновении плазменного канала разряда. Энергия первичных ударных волн при взрыве тонких проводников обычно мала по сравнению с энергией вторичных ударных волн. Однако с увеличением диаметра (площади поперечного сечения) взрываемых проводников происходит перераспределение энергии между этими группами ударных волн.

Еще одна особенность ударных волн в жидкостях - это достижение высоких значений температуры и давления в канале разряда и образование пульсирующей во времени газовой полости. К моменту максимального расширения этой полости выделившаяся в процессе ЭВП энергия распределяется примерно следующим образом:

· энергия ударных волн ~ 60 %,

· энергия теплового излучения ~ 10 %,

· энергия, затрачиваемая на образование полости ~ 30 %.

При этом КПД преобразования энергии, запасаемой в первичном накопителе, в энергию гидромеханического импульса, составляет ~ 30ч40 %.

Для достижения высокой эффективности передачи энергии из накопителя в проводник на стадии собственно взрыва и получения ударных волн с максимальными параметрами необходимо согласование параметров электрической цепи, размеров и физических свойств материала проводника. Как было отмечено ранее, при увеличении площади поперечного сечения проводников S (или диаметра) выделяющаяся в них энергия возрастает, а энергия дуговой стадии уменьшается. При этом возрастает и скорость головной ударной волны, что имеет место до некоторого оптимального сечения S_опт, которое смещается в область больших значений при увеличении зарядного напряжения. Анализ соответствующих осциллограмм показал, что S_опт соответствует токам, близким к максимальным в данной разрядной цепи. При S > S_опт скорость ударной волны уменьшается даже при увеличении энергии, приходящейся на единицу длины. Это свидетельствует о том, что преимущественное влияние на гидродинамические характеристики ударных волн при ЭВП имеет объемная плотность выделяющейся в проводнике энергии, более высокие значения которой можно получить на стадии собственно взрыва проводников, параметры которых должны быть согласованы с параметрами накопителя энергии.

Технологическое применение ЭВП

Разрядно - импульсные технологии

При импульсном электрическом разряде в жидкости вокруг зоны его образования возникают ударные волны и потоки жидкости, способные совершать полезную работу. Высокие концентрации энергии и скорости обработки определяют области применения электрогидравлических установок: высокоскоростное деформирование металлов, разрушение и дробление хрупких материалов, очистка металлических деталей от формовочных смесей и окалины, эхолокация водоемов и т.п.

Электрогидравлическая штамповка листовых материалов. Схема процесса электрогидравлической штамповки с применением взрывающейся проволочки приведена на рисунке 18.

Рисунок 18 - Схема электрогидравлической штамповки листовых материалов.

Заготовка 1 установлена над матрицей 2. Рабочая полость в матрице, как правило, вакуумируется. Отражатель 4 с электродной системой 3 заполнен водой. После пробоя рабочего промежутка в жидкости формируется волна давления. Взаимодействуя с заготовкой, волна передает ей свою энергию и производит работу деформации.

Параметры разрядного контура устройств электрогидравлической штамповки обычно выбираются так, чтобы получить необходимое качество штампуемых деталей при максимальной производительности процесса. Использование взрывающегося проводника позволяет снизить напряжение накопителя до U = 4ч5 кВ. При этом обеспечивается значение энергии в разряде от 0,5 до 50 кДж.

Сварка. Одним из способов повышения качества соединений является импульсная сварка труб с трубными решетками. Она основана на возникновении металлических связей в результате совместных влияний пластических деформаций и нагрева. Механизм электровзрывной сварки отличается от механизма электровзрывной запрессовки тем, что в отверстия трубной решетки вводится конусная разделка, а патрону сообщается большая энергия. Труба, дефорируясь с высокой скоростью, скользит по поверхности конусной разделки, образует сварное соединение на ее части. При косом соударении трубы и решетки образуются волны, способствующие зацеплению металлов. Полученные электровзрывной сваркой соединения имеют высокую герметичность (до 400·105 Па и более), а также прочность на уровне материала трубы.

Прессование металлокерамических деталей. Способ прессования металлических и неметаллических порошков электрическим взрывом проводника позволяет изготавливать металлокерамические детали типа втулок и колец без использования прессового оборудования в бесстержневой и беспуансонной пресс-форме, в которой функцию внутреннего пуансона (сердечника) выполняет промежуточная среда. Такой способ обеспечивает получение малопоритых и высокопрочных изделий, так как процесс можно вести при высокой температуре и с применением связующих металлов, например кобальта, который действует как смазка и обеспечивает текучесть частиц порошка для заполнения пустот и трещин.

Давление, необходимое для прессования порошков, создается в промежуточной среде в результате электрического взрыва проводника, расположенного по оси ее объема. Давление от взрыва проводника передается через промежуточную среду на порошок, расположенный между средой и матрицей. Промежуточную среду выполняют из полиэтилена, воска, вакуумной резины, капрона, каолина и т.п. Механические свойства изделий, спрессованных в условиях импульсного нагружения, значительно повышаются.

Электрогидравлическим установкам, основанным на использовании импульсного высоковольтного разряда в жидкости, присущи некоторые характерные особенности. Это нестабильность и плохая воспроизводимость процесса, низкая эффективность преобразования энергии и существенное влияние на нее параметров жидкости, размеров электродов, их взаимного расположения и др., что обусловлено непроизводительным расходом энергии, запасенной в емкости накопителя, на создание условий для возникновения электрического пробоя рабочего промежутка.

Инициирование разряда взрывающимся проводником позволяет локализовать место пробоя вплоть до обеспечения в ряде случаев заданной геометрии разрядного канала, существенно снизить рабочие напряжения. Кроме того, известно, что введение в разрядный канал элементов I группы периодической таблицы (например, меди) путем ЭВП способствует повышению эффективного показателя адиабаты г_э, который определяет КПД процесса преобразования энергии, запасенной в накопителях, в работу по расширению канала [5].

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 100Ч100Ч100 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 v2, 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 S_вн и их средний диаметр D_ср. При нахождении S_вн расчетной формулой для элементарного класса крупности являлась:

dS = 6dP/xс₀,

где dP - весовой выход элементарного класса крупности, х - средний размер класса крупности, с₀ - плотность бетона.

Исчисление среднего рамера кусков бетона производилось по формуле:

D = УdP/УdP/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 S и 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 с=0,0172*10^-6 Ом*м.

Манганин - МНМц-3-12 (80%Cu, 3%Ni, 12%Mn). Достаточно дешевый сплав, отличающийся высоким удельным сопротивлением с=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 с=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.

Результаты - в таблицах 8,9 и на рисунках 23,24.

Таблица 8 - Суммарные характеристики крупности продуктов разрушения бетона при ЭВ различных проводников d=0,4 мм, %.

X,мм	медный	нихром.	манганинов.
2,8	100	100	100
3,77	99,9	99,9	99,9
5,33	99,8	99,8	99,8
7,54	99,5	99,5	99,5
10,67	99	97,5	97
15,09	98	96	95
21,34	95	92	93,5
30,18	94	89	90,5
42,68	91	84	86
60,36	89,5	71	68,5

Рисунок 23 - Суммарные гранулометрические характеристики продуктов разрушения бетона при взрыве проводников из разных материалов

Таблица 9 - Частные характеристики крупности продуктов разрушения бетона в области от 2,2 до 45мм при ЭВ различных проводников, %.

X,мм	медные	нихром.	манганин.
2,8	0,2	0,1	0,05
3,77	0,05	0,2	0,1
5,33	0,1	0,3	0,2
7,54	0,2	0,6	0,5
10,67	0,7	2	1,5
15,09	2,8	3,4	3
21,34	1,2	3,6	3,9
30,18	2,8	4,3	4,5
42,68	1,8	9,2	17,5

Рисунок 24 - Частные гранулометрические характеристики продуктов разрушения бетона при взрыве проводников из разных материалов

Как видно из рисунков 23, 24 и таблиц 8, 9, степень разрушения бетона зависит от материала взрываемого проводника. Для образцов с нихромовым и манганиновым проводниками характеристики имеют примерно одинаковый вид, с меньшей эффективностью разрушены кубики бетона с медным проводником диаметром 0,4 мм. Это подтверждают и результаты расчета вновь образованной поверхности S и среднего размера осколков D, приведенные в таблице.

Таблица 10 - Результаты расчета разрушения бетона с различным материалом взрываемого проводника.

Материал проводника	Диаметр проводника, мм	S, см2	Dср, см
медь	0,4	443	5,4
нихром		707	4,0
манганин		828	4,1

Выводы:

Приведены результаты экспериментальных исследований характера разрушения бетона при ЭВ медных, нихромовых и манганиновых проводников, размещенных в толще модельных образцов бетона.

Показано, что степень разрушения бетона, оцененная по гранулометрическим характеристикам продуктов разрушения, зависит от диаметра проводников. В режиме взрыва, используемого в опытах, эффективность разрушения бетона растет с уменьшением диаметра проводников.

Установлено, что степень разрушения бетона при взрыве проводников из высокоомных материалов выше, чем при взрыве медных проводников.

Эффективность дробления образцов с проводниками из высокоомных материалов (нихром, манганин) выше, чем при использовании медных проводников.

3. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗРУШЕНИЯ БЕТОНА ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ВЗРЫВОМ ПРОВОДНИКОВ

Разработка новых современных технологий разрушения бетонных изделий с помощью ЭВП связана с теоретическими и экспериментальными исследованиями. Для хорошей технической подготовки инженеров-экологов лабораторное оборудование на кафедре должно соответствовать сегодняшним техническим достижениям. Целью выполнения работы является определение эффективности разрушения бетонных изделий с помощью ЭВП.

Для разработки лабораторных работ необходимо проведение технико-экономического обоснования. Это связано с необходимостью оценки объема работ и материальных вложений для реализации всего плана исследовательских работ, включающих в себя теоретическую проработку темы и проведение экспериментов.

3.1 Планирование работ

На первом этапе составляется календарный план, который устанавливает распределение ресурсов, наиболее эффективную расстановку кадров, сроки выполнения работ.

Перед тем как составить календарный план, необходимо определить перечень и последовательность отдельных операций, их вероятную трудоемкость.

Для того чтобы составить перечень выполняемых операций, необходимо установить оптимальное количество этапов разработки.

Задачей планирования работ является оптимальное распределение использования времени и ресурсов, обеспечивающее выполнение работ в срок при наименьших затратах средств.

Планирование работ заключается в следующем составление перечня работ назначение команды исполнителей установление продолжительности работ.

Необходимый штат для проведения данного проекта: научный руководитель, инженер-эколог.

Перечень проведенных работ и их продолжительность представлены в таблице 12.

Таблица 12 - Сроки выполнения работы

№ этапа	Наименование этапов	Количество исполнителей	Длительность выполнения, дни
1	Получение задания	И	2
2	Изучение литературы	И	15
3	Изучение методик	И	7
4	Изготовление объекта исследования	И	5
5	Настройка оборудования	П+И	2
6	Проведение экспериментов	П+И	3
7	Построение графиков	И	3
8	Обработка результата	И	3
9	Оформление графической части	И	3
10	Оформление работы	И	11
	Итого:		54дня

Условные обозначения:

И - инженер;

П - профессор.

На основании Таблицы 12 строим график занятости исполнителей.



Рисунок 21 - График занятости исполнителей

3.2 Затраты на проведение работ

К_пр = U_з/пл +U_с.н +U_ам +U_пр + U_н+ U_мат

U_з/пл - затраты на оплату труда;

U_с.н - отчисление на социальные нужды (единый социальный налог);

U_ам - амортизационные отчисления;

U_пр - прочие затраты;

U_н - накладные расходы;

U_мат - материальные затраты.

3.2.1 Материальные затраты

Материальные затраты включают в себя стоимость приобретенных со стороны сырья и материалов, которые являются необходимыми для проведения разработки.

Таблица 16 - Смета затрат на исследование разрушения бетона электрическим взрывом проводников

№ п/п	Оборудование	Кол-во,шт.	Стоимость, руб.
1	бетонные блоки М200	10	2450
2	сито для разделения частиц	1	300
3	часы (секундомер)	1	200
4	проводники медные,нихром,манган.	6	1000
5	канцелярские товары	5	580
	Итого:		4530

U_мат = 4530 руб.

3.2.2 Затраты на оплату труда

Для выполнения данной работы назначается основной штат работающих, состоящий из нижеперечисленных

1. руководитель работы - профессор;

2. инженер.

1) Руководитель работы - профессор

Определим месячную з/плату:

U_{з/пл мес} = (ЗП х k₁+k₂) х k₃+k₄

где: ЗП- оклад; k₁- доплата за отпуск; k₂- за степень; k₃- районный коэффициент;

k₄- доплата за ученый совет ТПУ.

U_{з/пл мес} = (12600 х 1,16+7000) х 1,3+5000 = 33100,80 руб.

Определим з/плату за отработанное время:

U_з/пл = U_{з/пл мес}/21 х n,

где n - количество отработанных дней

U_{з/пл(Р.П.)} = 33100,80 /21 х 5= 7880 руб.

2) Инженер:

Определим месячную з/плату:

U_{з/пл мес} = (ЗП х k₁) х k₂

где ЗП - оклад; k₁ -доплата за отпуск; k₂ - районный коэффициент.

U_{з/пл мес} = (8000 х 1,1) х 1,3 = 11440 руб.

Определим з/плату за отработанное время:

U_з/пл = U_{з/пл мес}/21 х n, где n - количество отработанных дней

U_з/пл(И) = 11440/21 х 54= 29417 руб.

Итого, затраты на оплату труда основного штата составили:

U_{з/пл общ.} =U_з/пл(И) + U_{з/пл(Н.Р.)}

U_{з/пл общ.} =7880 + 29417=37297 руб.

3.2.3 Отчисления на социальные нужды

В этом пункте необходимо отобразить обязательные отчисления по нормам, установленным законодательством

· Органам государственного социального страхования

· Пенсионному фонду

· Государственному фонду медицинского страхования, от элемента «Затраты на оплату труда».

Единый социальный налог составляет 26 от оплаты труда.

U_с.н.0,26 х U_{з/пл общ} , руб.

U_с.н.0,26 х 372979698 руб.

3.2.4 Амортизационные отчисления

Для амортизационных отчислений необходимо знать стоимость оборудования.

В процессе работы используется компьютер Intel Pentium Dual, принтер, электрическая установка для проведения исследования, общая стоимость которых составляет 636000 руб.

Таблица 13 - Необходимое оборудование

Наименование оборудования	Количество	Сумма, руб.
Компьютер Intel Pentium Dual	1	31000
Принтер	1	5000
Эл. установка	1	600000
Итого:	3	636000

Амортизационные отчисления за период пользования данной техникой вычисляются по формуле:

U_ам =Тисп./Т х Н_а х Ф_{осн. ,}

где Т_исл. - время использования техникой, Т_сл. = 20 дней

Т_год. - количество дней в году, Т_год= 365 дней

Н_а - норма амортизации, Н_а = 1/ Т = 1 /5 = 0,2

Ф_осн. - основные средства, Ф_осн=636000 руб.

U_ам = (20 / 365) x 0,2 x 636000 = 6970 руб.

3.2.5 Прочие затраты

Прочие затраты включают в себя затраты, которые заранее спланировать невозможно.

U_пр = 0,1 х (U_мат. + U_з/пл.. + U_{с. н} + U_ам)

U_пр. = 0,1 х (4530+37297+9698+6970) = 5850 руб.

3.2.6 Накладные расходы

Накладные расходы включают в себя: оплату за электрическую энергию, отопление, воду, телефон, содержание администрации.

Накладные расходы принимаются в размере 140% от затрат на оплату труда.

U_н = 1,4 х 37297= 52216 руб.

3.2.7 Цена проекта

U_{проекта} = U_мат. + U_з/пл. + U_{с. н} + U_ам. + U_пр. + U_н

U_{проекта} =4530+37297+9698+6970+52216+5850=116561 руб.

Таблица 14 - Смета затрат

№	Наименование элемента затрат	Сумма текущих затрат, руб.
1	Затраты на оплату труда	37297
2	Единый социальный налог	9698
3	Амортизация	6970
4	Прочие расходы	5850
5	Накладные расходы	52216
6	Цена проекта	116561

4. ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

Безопасность жизнедеятельности - это широкая система законодательных актов и соответствующих им правовых, социально-экономических, гигиенических и организационных мероприятий, направленных на создание здоровых и безопасных условий в процессе трудовой деятельности человека.

При этом задачей является снижение производственного травматизма и количества профессиональных заболеваний с одновременным обеспечением комфортных условий труда.

4.1 Введение

В данном разделе рассматриваются вопросы безопасности и экологичности при проведении исследования по разрушению бетона ЭВП. Объектом разрушения является бетонный блок размером 100*100*100мм. Исследование по разрушению бетона ЭВП проводились на электрической установке в учебно-исследовательском центре НИИ высоких напряжений при ТПУ.

4.2 Анализ опасных и вредных факторов

В лаборатории, где проводилось исследование имеют место следующие опасные факторы:

* опасность поражения электрическим током.

К вредным факторам относятся:

· отклонение микроклимата от допустимых значений;

· шум;

· вибрация;

· недостаточная освещенность рабочего места;

· пылеобразование.

4.3 Электробезопасность

Лаборатория по классу опасности относится к помещению без повышенной опасности, характеризуется отсутствием условий, создающих повышенную или особую опасность.

Основные причины несчастных случаев от электрического тока:

* контакт с токоведущими частями, оказавшимися под напряжением;

* появление напряжения на металлических нетоковедущих частях электроустановок, находящихся под напряжением, замыкание фазы на землю; появление напряжения на отключенных токоведущих частях;