CN108955433A - 熔丝爆炸破碎混凝土系统及破碎方法 - Google Patents

Abstract

一种熔丝爆炸破碎混凝土系统及破碎方法。目前房屋建筑的拆除方式主要有三种，分别为人工拆除、机械拆除及爆破拆除。而人工拆除存在效率低、损伤半径小、实现难度大等缺点。一种熔丝爆炸破碎混凝土系统，其组成包括：变频升压控制柜（1）、高压形成块（2）、储能块（3）、高压隔离间隙块（4）、主放电极（5），变频升压控制柜与高压形成块连接，高压形成块与储能块连接，储能块与高压隔离间隙块连接，高压隔离间隙块与主放电极连接，主放电极为主间隙电极，变频升压控制柜内具有变频、稳压控制器（1‑1）、恒压控制器（1‑2）、恒流控制器（1‑3）、过压保护器（1‑4）和中频升压器（1‑5）。本发明应用于破碎混凝土。

Description

熔丝爆炸破碎混凝土系统及破碎方法

技术领域：

本发明涉及一种熔丝爆炸破碎混凝土系统及破碎方法。

背景技术：

当前我国每年城镇建筑竣工约20亿平方米，而拆除约4亿平方米，随着城镇化进程步伐的加快，工程拆除的需求日益增大。但目前房屋建筑的拆除方式主要有三种，分别为人工拆除、机械拆除及爆破拆除。而人工拆除存在效率低、损伤半径小、实现难度大等缺点；机械拆除主要是克服材料压应力做功实现破坏，存在低效率、高能耗、安全性差等缺点；爆破拆除虽速度较快，但存在危险风险高，需要多方协调，环境污染严重等缺点。因此，这三种传统拆除方式均存在一定的技术难题和经济不合理性，且拆除效果并不理想。

发明内容：

本发明的目的是提供一种熔丝爆炸破碎混凝土系统及破碎方法。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

熔丝爆炸破碎混凝土系统，其组成包括：熔丝爆炸放电系统，熔丝爆炸放电系统包括变频升压控制柜、高压形成块、储能块、高压隔离间隙块和主放电极，所述的变频升压控制柜与所述的高压形成块电连接，所述的高压形成块与所述的储能的电连接，所述的储能块与所述的高压隔离间隙块电连接，所述的高压隔离间隙块与所述的主放电极电连接，所述的主放电极为主间隙电极，所述的变频升压控制柜内具有变频、稳压控制器、恒压控制器、恒流控制器、过压保护器和中频升压器，所述的变频、稳压控制器分别与所述的恒压控制器、所述的恒流控制器、所述的中频升压器和所述的过压保护器电连接，所述的过压保护器与所述的恒压控制器电连接，所述的中频升压器和所述的高压形成块电连接。

所述的熔丝爆炸破碎混凝土系统，所述的变频、稳压控制器的电压为220V、电频为50Hz，所述的高压形成块的电压为20kV、电频为20Hz，所述的储能块和所述的高压隔离间隙块的电压为30kv，所述的主放电极的电流为10kA。

所述的熔丝爆炸破碎混凝土系统，所述的熔丝爆炸放电系统与一对电极电连接，所述的一对电极为高压电极和接地电极，所述的高压电极和所述的低压电极之间连接有金属熔丝，所述的高压电极和所述的接地电极分别插入在混凝土中的孔内。

所述的熔丝爆炸破碎混凝土系统，所述的熔丝爆炸放电系统对100 mm×100mm×100 mm的混凝土块体施加5~80µs的脉冲放电。

一种利用所述的熔丝爆炸破碎混凝土系统进行破碎的方法，该方法包括如下步骤；

首先，在预破碎的混凝土中钻孔，首先注意混凝土应力释放的安全性，做好监测，钻孔不能钻穿且待连线稳定后才能堵塞孔眼，以确保电极能够激发熔丝爆炸，然后在孔内放入电解液，其中电解液可以为水或变压器油，然后在装有电解液的孔中安装有一对电极，其中一对电极分别高压电极和接地电极，高压电极和低压电极间连接有金属熔丝，其中金属熔丝可以为铝丝或银铜合金等金属丝，夹在高压电极和低压电极之间的电解液温度升高，由于电解液中放电冲击波具有分散性，直接熔丝爆炸对混凝土电击穿的能量利用效率要高于水中放电的效率，当施加高压脉冲时，放电等离子体均产生在液体介质中，能量聚集在熔丝上，利用熔丝在电解液中瞬间爆炸产生的冲击波、气泡溃灭和压力波等机械力对混凝土进行破碎。

本发明的有益效果：

1.本发明利用机械效应产生爆炸作用的新技术，研发熔丝爆炸发生系统，对钢筋混凝土梁、板进行放电破碎试验，考察输出电压、电容等对熔丝爆炸效果的影响，与传统拆除方式不同，熔丝爆炸破碎技术是一项环境友好型的绿色拆除方法，其破碎混凝土原理为：利用纳秒级数十千伏高压脉冲，通过电极连接熔丝，使其内部建立微米径的树枝状熔丝爆炸通道，同时熔丝爆炸放电系统向通道瞬间释放存储的能量，使其剧烈扩展并克服拉应力做功，形成复杂应力波沿裂隙发展，其主要利用混凝土材料耐压不耐拉的性质造成破坏。

本发明具有拆除迅速、省时省力、安全可靠的优点，可实现远程控制、定向塌落。与爆破拆除技术相比，它具有安全度更高、飞石危害小、无爆破冲击、粉尘少等优点。对于高效深度破碎混凝土材料，具有深远意义。

本发明利用熔丝爆炸破碎技术以达到分离钢筋和混凝土的目的，其实质为：将能量在时间维度上进行压缩，以获得高峰值功率在极短时间内输出，使单位体积内具有极高的能量密度，可对混凝土结构进行节能、环保、无爆破冲击，并具有较高的工作效率，为城镇密集环境中建筑物的拆除提供有效手段。在经济方面，熔丝爆炸破碎技术对降低工程拆除成本起到重要作用。因此，该项技术应用前景广阔，是一种安全快捷的环保型拆除技术。

本发明具有能量可控，操作简便，对金属内含物的混凝土破碎具有选择性；拆除迅速、省时省力、安全可靠；除混凝土崩裂声以外，无噪音或振动，无飞石，无化学残留物。

本发明主要利用系统电路的充放电功能，实现较高电压的瞬间释放，在有限的空间内形成强大的能量冲击波，实现混凝土的冲击破碎。熔丝爆炸高压放电破碎拆除的快速施工工艺安全、无污染，其初步的工艺流程为：按设计要求布置钻孔→搭设防护架→清孔，装入电解液→布设电极、连线、堵塞孔眼、覆盖防护垫→通电，放电破碎→断电，吊离防护垫→清理碎块、切割钢筋→渣土吊装外运。

本发明熔丝爆炸破碎混凝土的耗电量为0.1～0.2 kW·h/m3；破碎能力为70～80m3/组。与传统破碎方法相比更节能、整体效率更高，更高效。采用覆盖和洒水的方式可解决扬尘问题，无连续振动和噪声，不扰民、无公害、环境亲和性好。

附图说明：

附图1是本发明的结构示意图。

附图2是熔丝爆炸发生系统技术参数示意图。

附图3是研究方案的技术路线示意图。

附图4是熔丝爆炸高压脉冲的安装示意图。

图中：1、变频升压控制柜，2、高压形成块，3、储能块，4、高压隔离间隙块，5、主放电极，6、高压电极，7、接地电极，8、金属熔丝，9、混凝土，10、水，11、等离子体，1-1、稳压控制器，1-2、恒压控制器，1-3、恒流控制器，1-4、过压保护器，1-5、中频升压器。

具体实施方式：

实施例1：

一种熔丝爆炸破碎混凝土系统，其组成包括：熔丝爆炸放电系统，所述的熔丝爆炸放电系统由变频升压控制柜1、高压形成块2、储能块3、高压隔离间隙块4、主放电极5组成，所述的变频升压控制柜与所述的高压形成块连接，所述的高压形成块与所述的储能块连接，所述的储能块与所述的高压隔离间隙块连接，所述的高压隔离间隙块与所述的主放电极连接，所述的主放电极为主间隙电极，所述的变频升压控制柜内具有变频、稳压控制器1-1、恒压控制器1-2、恒流控制器1-3、过压保护器1-4和中频升压器1-5，所述的变频、稳压控制器分别与所述的恒压控制器、所述的恒流控制器、所述的中频升压器和所述的过压保护器连接，所述的过压保护器与所述的恒压控制器连接，所述的中频升压器和所述的高压形成块连接。

实施例2：

根据实施例1所述的熔丝爆炸破碎混凝土系统，所述的变频、稳压控制器的电压为220V、电频为50Hz，所述的高压形成块的电压为20kv、电频为20Hz，所述的储能块和所述的高压隔离间隙块的电压为30kv，所述的主放电极的电流为10kA。

实施例3：

根据实施例1或2所述的熔丝爆炸破碎混凝土系统，所述的熔丝爆炸放电系统与一对电极连接，所述的一对电极为高压电极7和接地电极8，所述的高压电极和所述的低压电极之间连接有金属熔丝，所述的高压电极和所述的接地电极分别插入在混凝土中的孔内。

实施例4：

根据实施例1或2所述的熔丝爆炸破碎混凝土系统，所述的熔丝爆炸放电系统对100 mm×100mm×100 mm的混凝土块体施加5~80µs的脉冲放电。

实施例5：

一种利用实施例1—4之一所述的熔丝爆炸破碎混凝土系统进行爆破的方法，该方法包括如下步骤；

首先，在预破碎的混凝土中钻孔，首先注意破碎混凝土应力释放的安全性，做好监测，钻孔不能钻穿且待连线稳定后才能堵塞孔眼，以确保电极能够激发熔丝爆炸，然后在孔内放入电解液，其中电解液可以为水或变压器油，然后在装有电解液的孔中安装有一对电极，其中一对电极分别高压电极和接地电极，高压电极和低压电极间连接有金属熔丝，其中金属熔丝可以为铝丝或银铜合金等金属丝，夹在高压电极和低压电极之间的电解液温度升高，由于电解液中放电冲击波具有分散性，直接熔丝爆炸对混凝土电击穿的能量利用效率要高于水中放电的效率，当施加高压脉冲时，放电等离子体均产生在液体介质中，能量聚集在熔丝上，利用熔丝在电解液中瞬间爆炸产生的冲击波、气泡溃灭和压力波等机械力对混凝土进行破碎。

通过对熔丝爆炸发生系统、破碎技术设计、拆除过程中各关键参数间的数学表达、安全防范措施研究以及过程监测与控制研究，形成完备的结构拆除应用报告：

（1）水平构件设计如下：

梁：

截面宽度取内隔墙宽度200mm，截面高度按照梁跨度的1/10且不小于300mm。梁为C30混凝土浇筑而成，长度取1.5m，共设计3根矩形梁。

（2）荷载标准值：

200mm厚C30混凝土梁

20mm厚双侧混合砂浆抹面

板：C30钢筋混凝土现浇板，板内分布筋与负弯矩筋选择HRB400钢筋，板厚为120mm，板上侧为20mm厚1:3干硬性水泥砂浆，下侧（天棚）为20mm厚1:1:6混合砂浆，板尺寸为1.5m×1.5m。共设计3块现浇板。

（3）恒荷载标准值：

20mm厚1:3水泥砂浆

120mm厚钢筋混凝土结构层

20mm1:1:6水泥砂浆。

为了保证“强柱弱梁,强剪弱弯,强节点弱构件”的抗震设计理念，往往将水平构件的极限抗弯承载力设计得相对较低。故在拆除过程中，水平构件成为了结构的薄弱环节，若操作有误，极易引起建筑物的部分坍塌甚至导致连续倒塌。因此，为处理好水平构件的拆除问题，应采用避免剧烈扰动的破碎技术拆除水平构件，能够为后续竖向构件的顺利拆除提供基本保障。鉴于此，在水平构件拆除中，有必要发展熔丝爆炸破碎混凝土技术，以及深入探究熔丝爆炸破碎技术各参数对拆除效果的影响，应该具有重要的经济效益、社会效益和生态效益。

高压脉冲破碎技术主要为液电效应和熔丝爆炸两种主要形式。由于液电效应的研究历史较早，理论相对成熟，且在拆除过程中，水平构件属于薄弱环节。因此，本申请主要研究熔丝爆炸破碎技术在水平构件拆除中的应用。

本申请主要研发熔丝爆炸破碎混凝土系统，对钢筋混凝土梁、板结构进行熔丝爆炸破坏试验，考察输出电压、电容等对熔丝爆炸效果的影响，确定放电电极的合理布置位置。建立构件破坏程度与输出电压、电容、电极间距、熔丝直径等关键参数间的数学表达。以实现熔丝爆炸破碎混凝土系统在混凝土水平构件中拆除效果可控制为目标，通过对熔丝爆炸条件和电爆炸在混凝土材料中放电条件的理论分析，论证的可行性；通过研究熔丝爆炸破碎混凝土系统原理，结合得到的冲击波波形参数，设计并制作出满足试验条件的熔丝爆炸破碎混凝土系统，搭建试验平台，构建熔丝爆炸破碎混凝土系统对混凝土材料放电破坏的控制系统，实现破坏效果可控；进行熔丝爆炸破碎混凝土材料试验，采集分析试验数据；通过对比理论、试验结果，总结出熔丝爆炸破碎混凝土系统在混凝土材料中的放电破坏规律，实现熔丝爆炸破碎混凝土系统在混凝土材料中的放电破坏效果可控。

Claims (5)

1.一种熔丝爆炸破碎混凝土系统，其组成包括：熔丝爆炸放电系统，其特征是：熔丝爆炸放电系统包括变频升压控制柜、高压形成块、储能块、高压隔离间隙块和主放电极，所述的变频升压控制柜与所述的高压形成块电连接，所述的高压形成块与所述的储能的电连接，所述的储能块与所述的高压隔离间隙块电连接，所述的高压隔离间隙块与所述的主放电极电连接，所述的主放电极为主间隙电极，所述的变频升压控制柜内具有变频、稳压控制器、恒压控制器、恒流控制器、过压保护器和中频升压器，所述的变频、稳压控制器分别与所述的恒压控制器、所述的恒流控制器、所述的中频升压器和所述的过压保护器电连接，所述的过压保护器与所述的恒压控制器电连接，所述的中频升压器和所述的高压形成块电连接。

2.根据权利要求1所述的熔丝爆炸破碎混凝土系统，其特征是：所述的变频、稳压控制器的电压为220V、电频为50Hz，所述的高压形成块的电压为20kV、电频为20Hz，所述的储能块和所述的高压隔离间隙块的电压为30kv，所述的主放电极的电流为10kA。

3.根据权利要求1或2所述的熔丝爆炸破碎混凝土系统，其特征是：所述的熔丝爆炸放电系统与一对电极电连接，所述的一对电极为高压电极和接地电极，所述的高压电极和所述的低压电极之间连接有金属熔丝，所述的高压电极和所述的接地电极分别插入在混凝土中的孔内。

4.根据权利要求1或2或3所述的熔丝爆炸破碎混凝土系统，其特征是：所述的熔丝爆炸放电系统对100 mm×100mm×100 mm的混凝土块体施加5~80µs的脉冲放电。

5.一种利用权利要求1—4之一所述的熔丝爆炸破碎混凝土系统进行破碎的方法，其特征是：该方法包括如下步骤；

首先，在预破碎的混凝土中钻孔，首先注意混凝土应力释放的安全性，做好监测，钻孔不能钻穿且待连线稳定后才能堵塞孔眼，以确保电极能够激发熔丝爆炸，然后在孔内放入电解液，其中电解液可以为水或变压器油，然后在装有电解液的孔中安装有一对电极，其中一对电极分别高压电极和接地电极，高压电极和低压电极间连接有金属熔丝，其中金属熔丝可以为铝丝或银铜合金等金属丝，夹在高压电极和低压电极之间的电解液温度升高，由于电解液中放电冲击波具有分散性，直接熔丝爆炸对混凝土电击穿的能量利用效率要高于水中放电的效率，当施加高压脉冲时，放电等离子体均产生在液体介质中，能量聚集在熔丝上，利用熔丝在电解液中瞬间爆炸产生的冲击波、气泡溃灭和压力波等机械力对混凝土进行破碎。