Хотя процессы, происходящие в различных средах при прохождении таких волн, изучены достаточно подробно и изложены в многочисленных монографиях и специальной литературе, необходимо отметить, что прохождение волн через среды сопровождается диссипацией и поглощением волновой энергии с выделением тепла. Доля поглощаемой энергии зависит от коэффициента затухания волн (характеризуемого коэффициентами фильтрации различных (собственных) частот), возрастающего с увеличением их частоты. В средах с большим коэффициентом затухания, а к ним относятся бетонные смеси, значительная часть волновой энергии может переориентировать компоненты и/или переходить в тепло.

Наиболее перспективными для создания комплекса импульсного воздействия на объекты являются ударно-волновые газодинамические устройства (УВГУ) с внутренней детонацией. Основная часть энергии продуктов детонации передается через волны давления с практически неограниченной амплитудой. Частотные характеристики ударно-волновых газодинамических устройств зависят от их конструктивных особенностей, состава топливной смеси, ее единичного объема, принципиально обладают широким спектром легко регулируемых частотных характеристик и статических воздействий.

В зависимости от значений амплитудно-частотных характеристик импульсные воздействия вызывают различные эффекты в материалах (средах или объектах) и они связаны, в первую очередь, с ударными или упругими волнами, вызываемыми импульсными эффектами. При этом, чем короче импульс, тем шире его спектр.

Для экспериментальной проверки ударно-волновой технологии, защищенной патентами, создана лабораторная установка (рис.2).

Рис.2. Экспериментальная ударно-волновая газодинамическая установка

Установка обеспечивает ударно-волновые воздействия при уплотнении бетонной смеси в форме. На поверхности бетонной смеси размещается поршневая группа (7) для передачи ударно-волновых волновых воздействий, формируемых в камере сгорания (2) и сопле 3. Водород и воздух через штуцера (5) и (4) подаются в форкамеру (1) для перемешивания и осуществления поджига свечей (6). Давление импульса передается на бетонную смесь (11) через индентер-боек (8) и рабочую пластину (10), где установлен датчик пьезоакселерометра (9). Поджиг осуществляется с частотой следования импульсов с помощью электронного блока (на схеме не показано).

На рис.3 представлена спектральная характеристика установки.

Рис.3. Спектральная характеристика взрывогенератора

Экспериментальные испытания проводились на мелкозернистых бетонах с максимальным размером зерна крупного заполнителя 5-7 мм при соотношении 1: 3: 5 и В/Ц = 0,32. Смесь жесткая, с показателем удобоукладываемости 20 с, портландцемент Подольского завода марки 400, песок Тучковского карьера. Вода для затворения - питьевая водопроводная, с отстоем 1 сутки

Для исследования закономерностей формирования структуры, оцениваемой по прочностным показателям и показателям формирования плотности изготавливались образцы-кубы размером 150х150х50мм. Объем бетонной смеси для каждого замеса принимался равным 11 литрам из расчета на одну форму из трех ячеек.

Перемешивание осуществлялось в два этапа. Первый этап заключался в перемешивании сухой смеси в течение 3-х минут, второй этап - с добавлением воды - 5 мин, что обеспечивало равномерность перемешивания.

Хранение образцов осуществлялось в течение первых 242 часов в формах без крышки во влажной среде стандартной камеры с гидравлическим затвором. Через 24 часа хранения формы распалубливали и образцы помещали в водную среду камеры хранения при температуре 203 С.

Испытания образцов по пределу прочности при сжатии проводили на универсальном прессе с нормированной скоростью нарастания усилия.

Основные исследования образцов проводились в возрасте 7-ми суток нормального твердения, поскольку для мелкозернистого бетона из жестких смесей и принятых влажностных условий этот срок - вполне достаточен для установления существенного влияния на прочность.

Для оценки деформативных свойств бетонов изготавливались образцы-балочки размером 7х7х28 см.

Для исследования влияния ударно-волновой технологии на некоторые свойства цементных систем, для режимов уплотнения 4 и 22 импульса изготавливались образцы из цементного теста нормальной густоты (экспериментальные и контрольные).

При планировании эксперимента по выбору режимов обработки за базовое среднее значение принят режим, соответствующий по показателю воздействия стандартному вибровоздействию с частотой 50Гц и временем уплотнения 2 мин (120с.), соответственно * = 0,25. Относительно этого режима назначены режимы в положительную (плюс - увеличение интенсивности воздействия) и отрицательную (минус - уменьшение интенсивности воздействия) по ряду простых числе 3; 5; 7, с промежуточной точкой с коэффициентом-множителем 1,5. В связи с дискретным характером воздействий фактические режимы несущественно в рамках совокупности режимов отличаются от назначенных (табл.1).

Таблица 1

Планирование эксперимента по значению относительного показателя импульсного воздействия *

За относительный показатель импульсного воздействия принято произведение полного времени обработки бетонной смеси на собственную частоту импульса (=Т_цхf_с) или частное полного времени обработки бетонной смеси Т_ц в серии ко времени действия импульса (=Т_ц/_с).

Полное время обработки Т_ц рассчитывается как отношение количества импульсов N в серии к частоте следования импульсов.

Приняв за единичный относительный показатель ₀ величину относительного показателя импульсного воздействия для времени соответствующему воздействию равному 120 секунд при частоте следования импульсов 1Гц, рассчитывается относительный показатель импульсного воздействия ^*=/₀.

При обычном вибрационном воздействии с частотой 50Гц для стандартного времени воздействия 120с относительный показатель ^* = 0,25.

Принятый относительный показатель импульсного воздействия включает параметры, косвенно учитывающие скважность импульсов, что отражает период времени в течении которого отсутствуют динамическое воздействие. Последнее согласуется с проблемой учета релаксационных процессов в бетонной смеси при оптимизации упаковки компонентов в процессе уплотнения.

Для каждой выбранной частоты следования импульсов 1,0; 0,75; 0,5 Гц принято по три режима обработки - 4, 22, 90 импульсов в серии. В каждой серии изготавливалось и обрабатывалось по 9 образцов и контрольная серия с уплотнением традиционной вибрацией с частотой 50 Гц в течение 2-х минут.

На полученных по указанным режимам образцах мелкозернистых бетонов, образцах, полученных по вибрационной технологии со стандартными режимами, исследовались физико-механические характеристики (предел прочности при сжатии, плотность, усадочные деформации) бетона и оценивались структура цементного камня по результатам анализа данных рентгенограмм и термограмм. Дополнительно была разработана методика оценки микроструктуры камня и бетонов методом сканирующей зондовой микроскопии и получены дополнительные результаты по оценке исследуемого материала.

Образцы бетона, полученные с использованием УВГУ, оказались существенно более прочными, чем образцы с виброуплотнением (табл.2.)

Как отмечалось выше, за интегральную характеристику был принят относительный показатель импульсного воздействия (условное количество импульсов воздействия), характеризующий совокупность параметров воздействий.

Таблица 2

Экспериментальные данные по прочности при уплотнении смесей на УВГУ

Из графика, представленного на рис.4, видно, что исследуемые образцы имеют прирост прочности до 40% по сравнению с образцами, изготовленными по традиционной технологии.

Рис.4. Зависимость прироста предела прочности бетонов при сжатии от значения относительного показателя импульсного воздействия *

Однако зависимость от относительного показателя импульсного воздействия носит колебательный характер, при этом, как видно из графиков, для эффективного воздействия имеет значение не только суммарное воздействие импульсов, но и параметры единичного импульса и время его приложения.

Существенное увеличение прочности при относительно небольших воздействиях и дальнейшая тенденция снижения прочностных показателей со стабилизацией при значении относительного показателя импульсного воздействия больше единицы, подтверждает правильность теоретических положений о необходимости приоритетного предпочтения импульсным источникам с изменяемыми частотными характеристиками.

В таблице 3 представлены показатели плотности образцов, полученных по разным режимам уплотнения. Из этих данных и графической зависимости рис.5, видно, что характер изменения средней плотности бетонных образцов от относительного показателя импульсного воздействия * носит экспоненциальный характер и имеет место увеличение плотности с увеличением количества импульсов. При этом существенным является частота следования импульсов. Наиболее гладкой является тенденция для частоты 0,75Гц, где не наблюдается существенных снижений показателей плотности.

Процесс уплотнения на первом этапе проходит очень интенсивно при первых 4-5 воздействиях. Данный этап характеризуется в основном активной переукладкой и сближением составляющих смеси, при этом максимальный эффект проявляется на относительно низких частотах следования импульсов, так как процессы проходят, в основном, на макро-уровне, а при большей частоте часть частиц не успевает удалиться и переориентироваться.

Таблица 3

Экспериментальные данные по плотности бетонных образцов при уплотнении смесей на УВГУ на воздушно-водородных компонентах

Рис.5. Зависимость средней плотности от количества импульсов воздействия при частоте следования импульсов: 1,0Гц, 0,75Гц, 0,5Гц

Значительный интерес представляет диапазон с относительным показателем *= (0,237-0,262), близким к значению относительного показателя для виброуплотнения (*=0,25). При значениях * = 0,244 (частота следования импульсов 0,75Гц при числе импульсов 22), тенденция увеличения плотности при возрастании относительного показателя * сохраняется. Данный этап характеризует дальнейшую упорядоченность системы по активному формированию структуры и сопровождается сложными переходными процессами от макро - к микроуровню. С одной стороны на этом этапе требуется повышение частоты следования импульсов и увеличение статического давления для формирования структуры на микроуровне, а с другой - необходимо сохранение режимов уплотнения на макро-уровне.

Дальнейшая обработка бетонной смеси в различных режимах показывает, что с увеличением * плотность увеличивается, а величина конечного постоянного значения * определяется исходным значением сформированной структуры бетонной смеси на втором этапе и временем воздействия на третьем этапе. Необходимо отметить, что для оптимального режима второго этапа (*=0,244) режим третьего этапа по дальнейшему формированию структуры также оптимален (показатель отношения значения плотности ко времени обработки минимален).

Третий этап характеризуется достаточно большими статическими воздействиями. Вместе с тем, изложенные выше результаты свидетельствуют о том, что при условии обеспечения достаточных упругих деформативных качеств уплотняемой системы дальнейшее формирование структуры проходит активно с помощью динамических волновых воздействий.

Представленные зависимости полностью подтверждают ранее высказанные теоретические предположения о необходимости рассмотрения трех процессов при уплотнении бетонных смесей. Нелинейность характеристик объясняется сложными релаксационными явлениями в смеси при силовых воздействиях с широким спектром частотных характеристик.

Сигналы импульсного воздействия и сигналы отклика в виде время зависимого от интенсивности воздействия параметра - прочности, в дискретные моменты времени были разложены по периодическим функциям. Сопоставление характеристик сигналов воздействия и отклика соответствующих гармоник позволяет оценить значения коэффициентов фильтрации соответствующих частот в рассматриваемом временном интервале и назначить оптимальный режим импульсного воздействия. Одновременно по значениям коэффициентов фильтрации был откорректирован импульсный сигнал воздействия.

Ниже представлены результаты спектрального анализа импульсно-волнового источника воздействия и полного импульсного воздействия временнтго ряда прироста прочности бетонных образцов при испытании по пределу прочности при сжатии (табл.4)

Из данных таблиц видно, что амплитудо-фазовая характеристика импульсного источника изменяется плавно и корреляционная функция будет плавно затухать при увеличении запаздывания. Соответствующий спектр принимает большие значения на низких частотах и малые - на высоких частотах, следовательно, большая часть мощности сосредоточена на низких частотах. При приложении источника к объекту, ряд осциллирует и спектр отклика принимает разные значения на различных частотах, что отражается на значениях коэффициентов фильтрации выделенных гармоник.

Среднее значение мощности с увеличением импульсного воздействия снижается, одновременно (в весовом отношении) повышается роль основной гармоники собственных частот (низкого диапазона). Вторая гармоника имеет экстремум в средней части временнтго ряда и ее роль в этот период повышается, а высокочастотные гармоники имеют экстремумы при минимальных и максимальных воздействиях.

Таблица 4

Спектральный анализ импульсно-волнового источника воздействия и полного импульсного воздействия временнтго ряда прироста прочности при сжатии бетонных образцов

Полный анализ спектральных данных показал, что коэффициент фильтрации первых трех гармоник (малые и средние собственные частоты f_с) имеет максимумы при f_ц =0,75 Гц при длительном воздействии, на высоких собственных частотах максимум коэффициента фильтрации смещается в область f_ц = 0,5 Гц, при этом абсолютные значения коэффициентов фильтрации существенно меньше коэффициента фильтрации среднего.

При 4-х импульсном воздействии (с доминирующей ролью переориентации частиц в бетонной смеси) максимальный коэффициент фильтрации на 4 и 5-й высокочастотных гармониках (2,30 и 2,35 соответственно).

При 22-х импульсном воздействии (с доминирующей ролью процесса сближения частиц) максимальный коэффициент фильтрации смещается в область второй гармоники (2, 20) при пониженном коэффициенте фильтрации высокочастотных составляющих (0,7; 0,6) при частоте цикла f_ц = 1,0 Гц.

При 90 импульсном воздействии (характеризующий переход к доминирующей роли декомпрессии) возрастает коэффициент фильтрации основной (низкочастотной) гармоники (1,17), при этом минимум коэффициента фильтрации высокочастотных составляющих (0,4; 0,11) наблюдается при частоте цикла f_ц = 1,0 Гц., однако, учитывая суммарное значение первой и второй гармоник (1,18+1,58 в табл.5) на частое 0,5 Гц, целесообразнее для этого этапа применить частоту f_ц =0,5 Гц.

Изложенное подтверждает, что оптимальным цикл уплотнения по длительности цикла и времени воздействия будет при следующем режиме: 0,75Гц (5,32с) +1Гц (22с) +0,5Гц (4с).

Таким образом, эффективность воздействия по коэффициенту фильтрации подтверждает, что оптимизация режима изменения f_ц в процессе уплотнения должна обеспечивать первоначальное увеличение частоты f_ц с последующим снижением до уровня ниже первоначального на стадии компрессионного сжатия, при этом режим назначения f_ц во времени может быть скорректирован по итоговым расчетным корреляционными зависимостям по функции минимизации (Sri max) при:

Sri = А₀*Кф₀i+А₁*Кф₁i*Cos (1*2*р*ri/n+ц?₁) +А₂*Кф₂i*Cos (2*2р* ri/n+ц?₂) + А₃*Кф₃i * Cos (3*2*р*ri/n+ц?₃) + А₄*Кф₄i*Cos (4*2*р*ri/n+ц?4) + А₅*Кф₅i*Cos (5*2*р*ri/n+ц?₅),

где i - индекс 1,2,3 для частоты цикла соответственно 1; 0,75; и 0,5 Гц для соответствующей корреляционной зависимости; Кфi - коэффициенты фильтрации i-х гармоник;t = Д* ri (с) - время дискретного значения при заданном Д (с), ri = 1,2 …n

Для использованного источника единичное импульсное воздействие характеризуется зависимостью:

S₀ = 0,359+0,39*Cos (р*r/5+69?) + 0,2*Cos (2р*r/5+17?) +0,15*Cos (3р*r/5-27?) +0,11*Cos (4р*r/5-71?) +0,11*Cos (р*r+71?)

В соответствии с полученными экспериментальными данными локальный прирост прочности при постоянстве частоты цикла составляет ДR_min = 3,9 МПа. Анализируя данные по отклику на разных этапах уплотнения расчетный суммарный прирост прочности составит ДR= 5,06МПа, что выше среднего локального прироста прочности при постоянных частотах цикла на 19,2%.

Необходимо отметить, что полученное в расчетах отрицательное значение ДR₃ (отклик третьего этапа) подтверждает необходимость применения компрессионных воздействий на третьем этапе уплотнения.

Линейные деформации (рис.6) усадки бетонных образцов определялись как среднеарифметическое из измерений трех образцов-близнецов на консольном приборе с помощью индикатора часового типа с ценой деления 0,01 мм.

Из полученных данных видно, что величина усадки образцов, полученных по ударно-волновой технологии во все сроки ниже образцов традиционной технологии. Минимальные деформации наблюдаются при частоте цикла 0,75 Гц, что подтверждает наличие на второй стадии уплотнения процессов, связанных со сближение частиц.

Рис.6. Относительные деформации бетона: 1 - традиционная технология, 2,3,4 - УВ технология (2 - fц = 1Гц, 3 - fц = 0,5 Гц, 4 - fц = 0,75 Гц)

Максимальные деформации при частоте цикла 1Гц подтверждают, что первая стадия (перекомпоновка) уплотнения является предварительной (подготовительной) стадией для формирования плотных структур. Данные в различные сроки для режима уплотнения при частоте 0,5 Гц свидетельствуют о необходимости назначения в процессе уплотнения переменных частот цикла для оптимизации структуры.

Для изучения кинетики процессов гидратации проводились дифференциально-термический (рис.7) и рентгеноструктурный качественный и количественный анализы.

Результаты анализа показали, что для всех исследуемых режимов характерны три основные эндотермических эффекта портландцементного камня нормального твердения.

Рис. 7. Термограммы цементного камня: 1 - вибротехнология, 2,3 - УВ технология для частот 1,0 и 0,75Гц

Вместе с тем некоторое смещение эндотермических эффектов в область более высоких температур, увеличение степени гидратации алита свидетельствуют о качественных изменениях в структуре камня, уплотняемого по рассматриваемой технологии.

Для подтверждения эффективности принятых режимов, объяснения качественных и количественных изменений в структуре полученных бетонов предложен и привлечен к исследованию не традиционный метод сканирующей зондовой микроскопии.

Сущность метода заключается в том, что на специально подготовленном образце сканируется поле размером 100х100 микрон с разрешающей способностью 0,4 микрон. В результате сканирования может быть получено плоскостное изображение рельефа, объемное изображение сканируемого поля, изменение жесткости и другие параметры.

На рис.8 представлены результаты сканирования и характеристики структуры контактной зоны кварцевого зерна в образцах, полученных по ударно-волновой технологии (рис.8 а, б) и традиционной технологии (рис.8 в, г). На рис.8 а, в - объемное трехмерное изображение сканируемого поля, на рис.8 б, г - результаты измерения изменения жесткости по двухмерному плоскостному изображению рельефа.

Как видно, структура контактной зоны образцов, полученных по традиционной технологии менее однородна, чем у образцов, полученных по УВТ, что подтверждается величиной максимального перепада рельефа 4000 и 2500 нанометров соответственно.

Рис.8. Структура контактной зоны кварцевого зерна

Результаты по изменению жесткости системы зерно-контактная зона-цементный камень (при постоянстве жесткости зерна заполнителя) показывают, что разность в жесткости зерна и цементного камня в образцах полученных по УВТ технологии в 2,5-3 раза меньше, чем в образцах, полученных по традиционной технологии. Эти данные, как и показатель однородности, подтверждают и в определенной степени объясняют положительные эффекты ударно-волновых воздействий на микроуровне.

Рассмотренные основные теоретические, результаты проведенных экспериментальных работ и их обработка методами спектрального анализа позволяют рекомендовать к практическому использованию ударно-волновые газодинамические установки детонационного типа для уплотнении смесей, в первую очередь мелкозернистых цементных бетонов.

Выпуск первой промышленной партии осуществлен в 2005 году на предприятии Очаковский завод ЖБИ ОАО "ДСК №2", позволил на предприятии ООО "СтройПрестиж" в 2006 году осуществить выпуск трех партий в объеме 6200 изделий - тротуарных плит, на технологической линии по производству тротуарных плит с использованием УВГУ для уплотнения.

Было выпущено и испытано пять партий изделий - три партии (№№ 46, 47,48) по 2050 штук каждая для изделий 1К5, 1К6 и 1К8 соответственно, изготовленных по УВТ технологии и две партии (№№ 49,50) по 500 штук каждая для изделий 1К5 и 1К8 соответственно, изготовленных по заводской технологии методом прессования.

По каждой партии УВТ были приняты режимы уплотнения с различными циклами по их частоте, исходя из данных ранее выполненных экспериментальных исследований и полученных корреляционных зависимостей по приросту прочности.

Состав бетонной смеси принят заводской, подобранный в соответствии с ГОСТ 27006. В технологической схеме производства параллельно с традиционной технологией уплотнения прессованием осуществлялся выпуск изделий с УВТ уплотнением.

По всем пяти партиям проведены заводские стандартные испытания изделий с объемом выборки для исследования свойств бетона по 50 шт изделий из каждой партии. Заводские испытания по прочности, плотности, водонепроницаемости, водонасыщению, морозостойкости и истираемости проведены в соответствии с требованиями ГОСТ 17608 на плиты тротуарные (табл.5), при этом испытания по морозостойкости проведены ускоренным методом по ГОСТ 10060 с насыщением образцов бетона изделия перед испытанием 5% -ным водным раствором хлорида натрия.

Особо следует отметить, что увеличение толщины изделия положительно сказывается на прочностных показателях при УВТ обработке. В соответствии с заводской технологией для увеличения прочности изделий (марки 1К5 и 1К8, партий 49 и 50 соответственно) увеличивается расход цемента при прочих равных условиях (жесткость смеси при этом практически не изменяется). Для УВТ обработки при одинаковом расходе цемента (марки 1К5 и 1К6 партий 46 и 47) прочность возрастает. Кроме того, если для "тонких" изделий (партии 46 и 49) прочность увеличивается на 10%, то для утолщенных изделий (партии 48 и 50) прочность увеличивается на 15%.

Диаграммы испытаний "плит тротуарных", изготовленных на предприятии ООО "Стройпрестиж" и оценка в относительных единицах результатов испытаний (табл.6) представлены на рис.9.

В целом по комплексу показателей эффективность воздействия снижается с увеличением времени воздействия, при этом показатели для стандартной заводской технологии (ф=30с) существенно ниже по всему спектру воздействий. Рассматривая показатели по УВТ воздействиям, следует отметить, что для каждого из показателей оптимальным является разное время воздействия - для прочности это 5 с, для плотности 10с., для морозостойкости 7,2с., т.е. увеличение плотности с увеличением времени воздействия не увеличивает прочностных показателей, при этом оптимальное значение по морозостойкости находится в середине рассмотренного диапазона. Сказанное подтверждает ранее высказанную гипотезу о сложных механо-химических процесса, проходящих в системе при уплотнении. Здесь следует отметить, что повышение жесткости контактной зоны (по материалам предыдущих исследований) вызывает относительное снижение морозостойкости.

Таблица 5

Таблица испытаний "плиты тротуарной", изготовленной на предприятии ООО "Стройпрестиж"

Таблица 6

Прочность, плотность и морозостойкость изделий

Рис.9. Оценка результатов испытаний изделия - плита тротуарная

Таким образом, импульсное ударно-волновое воздействие детонационного типа является эффективным средством уплотнения, а оптимальное воздействие может быть реализовано только переменным во времени частоты следования импульсов, рекомендованных по результатам предыдущих исследований.

Разработаны схемные решения для промышленного применения, защищенные патентами; для заводских условий "Клиновая ударно-волновой газодинамическая установке", для пустотных изделий "Вибровкладыш-пустотообразователь" для создания дорожных покрытий в условиях строительной площадки, устройства креплений "Поверхностный виброуплотнитель".

Основной эффект предлагаемой технологии состоит в возможности перехода к жестким смесям, при этом имеет место упрощение конструкции и весогабаритных размеров системы уплотнения при повышенном КПД преобразования энергии и удельная масса взрывной камеры на единицу тепловой мощности составляет 0,05-0,1 кг/кВт. (Удельная масса электродвигателя на единицу электрической мощности достигает 1-2 кг/кВт.)

УВГУ работают на дешевом топливе, например, на сжиженном газе. Если коммерческая цена сжиженного газа составляет 5 рубкг, то, в том же масштабе действующих цен, стоимость электрической энергии составляет 1 руб/кВт•ч. При сгорании 1кг топлива в воздухе выделяется 45 МДж тепловой энергии. Таким образом, стоимость единицы тепловой энергии или мощности, выделяемой УВГУ, в 3 раза ниже стоимости эквивалентной электроэнергии. Экономический эффект от применения ударно-волнового уплотнения при производстве тротуарных плит на предприятии ООО "СтройПрестиж" составляет 140 руб/м³.

Общие выводы