способ и устройство для возведения строительных объектов и их реставрации

Формула изобретения

1. Способ возведения и реставрации строительных объектов с использованием соединений кремния, включающий измельчение сырьевого материала, содержащего песок и/или глину, подачу сырьевого материала в плазменную горелку, формирование в плазменной горелке за счет воздействия плазмы на измельченный сырьевой материал направленного потока оплавленной массы в межопалубочное пространство, заполнение пространства между опалубкой монолитной оплавленной массой сырьевого материала.

2. Горелка по п.1, включающая корпус и трубу для подачи сырьевого материала, внутри корпуса выполнены сектора, составляющие сопло, имеющее кожух, при этом в каждом секторе выполнены электродуговые узлы со штуцером для подачи воздуха, газов и/или аэрозолей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительству и может быть использовано для быстрого и экономного, недорогого и совершенного по большинству параметров жилья.

Технологии монолитного строительства заимствованы у Запада, где в первую очередь просчитывается экономическая выгода того или иного проекта с учетом стоимости материалов и затрат, связанных с возведением самого сооружения. Сборные конструкции западными строительными фирмами применяются крайне редко из-за высокой стоимости, а предпочтение отдается именно монолиту.

Известны методы строительства из монолитного связующего материала (Монолитное строительство: http://www.opalubkastroy.msk.ru/; Скоростное всесезонное монолитное строительство: www.mediaterra.ru/; «Новое в технологии возведения монолитных зданий и сооружений в зимнее время». Справочное и учебное пособие, 2004г.; № 37/2005, «Строительная газета», 20.09.2005, Бетон и железобетон. Возможности совершенствования; ТЕХНОЛОГИИ ПЕНОБЕТОНА XXI века - НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ (http://www.fconcrete.com/), а также и др., например сайт www.remontinfo.ru).

Недостатками методов и устройств для их осуществления является использование относительно дефицитных и дорогих материалов (например, цемент) и довольно длительный срок достижения материалом своих эксплуатационных свойств.

Известны способы формирования массы из силиконовых компаундов и горючих частиц (см. GВ 2257136, кл. С04В 35/66, опубл. 06.01.1993), где огнеупорные частицы смешиваются с горючими веществами и кремнийсодержащими смесями, что создает условия для протекания экзотермических реакций за счет теплоты горючих частиц.

Из уровня техники известны способы, например, температурной подготовки массы для заполнения межопалубочного пространства (или формовочного комплекта), см. RU 2211819 С2, кл. С04В 35/66, опубл. 10.09.2003 и взятого нами в качестве прототипа. В изобретении описан способ ремонта футеровки с помощью оплавленного огнеупора, включающий локальный нагрев с помощью потока низкотемпературной плазмы расплава поверхности огнеупора, ограниченного опалубкой. Затем в эту массу вносят порошок огнеупора и производят проплавление смеси (расплава и порошка огнеупора) до полной гомогенезации и ровного заполнения формовочного комплекта.

Недостатком является использование дорогих материалов и вынужденная локальная ограниченность процесса.

Предлагаемое изобретение устраняет эти недостатки (особенности современных технологий) и использует для строительства основы зданий в качестве главного сырьевого материала лишь песок и/или глину.

Цели достигаются тем, что песок, прошедший стадию предварительной обработки (чаще всего - простое размельчение на самых простых валках), поступает в горелку, где подвергается воздействию очень сильного светового потока и газов в плазмированном состоянии. Прошедшей через горелку монолитной оплавленной массой заполняют пространство между опалубкой.

Суть процесса в том, что реакционная способность аморфного кремния выше, чем кристаллического. Обычный песок представляет из себя почти целиком двуокись кремния SiO₂, которая в размолотом состоянии при создаваемых нами условиях в горелке способна на соединение с азотом, иногда даже с заметной экзотермической реакцией. Истинное направление реакций зависит от многих причин, но главным образом - от примесей металлов в песке (в частности, железа). Однако, в любом случае, песок из разных месторождений (мест добычи) способен внутри горелки к сплавлению в аморфную, пористую массу, которая может быть хорошим заполнителем и способна заменять бетон в монолитном строительстве.

Гораздо больший экономический эффект получается при организации реакции получения нитрида кремния, поскольку реакция идет с выделением тепла и приводит к большему вспучиванию массы, причем прочность получаемого пористого материала много выше прочности самого песка (двуокиси кремния). Масса является, в сущности, пенокерамикой.

В традиционном варианте для получения порошков нитрида кремния используются методы прямого синтеза, основанные на реакции взаимодействия кремния с азотом, что в энергетическом плане весьма разорительно.

Наиболее эффективным активатором азотирования кремния является железо. Экспериментально показано, что естественные примеси железа в порошке кремния оказывают большее влияние на кинетические характеристики процесса азотирования, чем добавка железа к порошку. Поэтому процесс размола и использования природной двуокиси кремния, уже содержащей некоторые количества железа, является более рентабельным. В этом процессе можно задействовать облучение массы электромагнитными волнами нужного диапазона и необходимых параметров.

Для наших целей (получение строительного материала высокой прочности и низкой стоимости) важно лишь присутствие некоторого количества нитрида кремния в массе, которую мы используем в качестве заполнителя, то есть заменителя бетона. Прочность материала заметно возрастает и превышает таковую в бетоне. Фактически получается пенокерамика с высокой устойчивостью к любым агрессивным средам.

На выходе из горелки пластичная масса хорошо заполняет пространства между опалубкой, быстро затвердевает и не нуждается в дополнительной активации отвердения. Важно также, что последующие наслоения материала на уже остывшие монолиты сопровождаются прочным скреплением слоев пенокерамики, сделанных в разные сроки. Удельный вес пенокерамики много ниже, чем у стандартного бетона.

В итоге мы имеем способ возведения и реставрации строительных объектов с использованием соединений кремния, включающий измельчение сырьевого материала, содержащего песок и/или глину, подачу сырьевого материала в плазменную горелку, формирование в пламенной горелке, за счет воздействия плазмы на измельченный сырьевой материал, направление потока оплавленной массы в межопалубочное пространство, заполнение пространства между опалубкой монолитной оплавленной массой сырьевого материала.

Из уровня техники известны устройства для подачи энергии, например, при химических процессах (см. Плазменная горелка, RU 2074533, кл. Н05Н 1/34, 1/26, опубл. 27.02.1997). Горелка содержит минимум три жестких трубчатых электрода (один из которых вспомогательный), расположенных соосно один в другом. Расстояние между электродами адаптировано к рабочему напряжению так, чтобы при подаче напряжения между электродами возникала искра. Во время работы вспомогательный электрод выводится из зоны плазмы.

Недостатком такой конструкции является применимость горелки только для газов или маловязких реагентов и невозможность использования в строительных технологиях.

В предложенном изобретении процесс передачи энергии на строительный материал производится как газовым плазменным потоком, так и сверхинтенсивным световым потоком, совместно с ультрафиолетовым и инфракрасным облучением. При таком интенсивном воздействии на размолотый песок и глину и при наличии азота воздуха образуется реакционная смесь кремния и азота, способная на реакцию присоединения азота к кремнию. Фактически, мы создаем физико-химический реактор для образования нитридов кремния.

Экономическая выгода такого процесса в том, что используются дешевые материалы, электроэнергии расходуется меньше, чем при искровом разряде, но главное - получается материал с гораздо более высокими прочностными характеристиками и высокой устойчивостью к атмосферным влияниям. Такой материал хорошо штукатурится (легко облицовывается) и долго удерживает поверхностную пленку облицовочного материала.

В кратком выражении устройство можно охарактеризовать следующим образом: горелка, используемая в способе по п.1 (см. формулу), включающая корпус и трубу для подачи сырьевого материала, внутри корпуса выполнены сектора, составляющие сопло, имеющее кожух, при этом в каждом секторе выполнены электродуговые узлы со штуцером для подачи воздуха, газов и/или аэрозолей.

Работать горелка может в нескольких режимах. Один из них включает подачу в сопло сухого или слегка влажного размолотого песка с помощью воздуха или газов и наслоения относительно тонких слоев пенокерамики в межопалубочное пространство. Такой режим также рационален при ремонтных работах, при выравнивании и упрочнении наружных поверхностей строений, при реставрации зданий и так далее.

Другой режим сопряжен с выдавливанием в сопло относительно больших количеств песка шнековыми питателями или другими приспособлениями и способами, что сопровождается оплавлением массы вблизи электродуговых блоков, в то время как остальная масса может оставаться не полностью оплавленной. Такой режим рационален при больших объемах заполнения пространств между опалубкой.

Устройство и его работа поясняются чертежами (фигурами) 1 и 2.

На фигуре 1 представлены варианты выполнения горелки, а на фигуре 2 - один из вариантов интеграции горелки в производственный цикл строительства.

Горелка (фиг.1-А) представляет из себя трубу 1, внутри которой выполнены сектора 2, составляющие в общей сборке сопло 3, заканчивающееся кожухом 4. В каждом секторе выполнены электродуговые узлы (блоки) 5 со штуцером 6 для подачи воздуха, газов и/или аэрозолей. Совместно с электродуговыми блоками в некоторых вариантах выполнены электромагнитные излучатели (не показаны) с необходимыми параметрами излучения. Штуцер 7 связывает пространство между внешней трубой и секторами с магистралью подачи воздуха (не показана) для охлаждения горелки во время работы и создания направленного потока выходящей из горелки массы. Труба 8 является узким местом сопла и служит для подачи размолотого песка в горелку.

На фигуре 1-Б показан один из вариантов расположения электродуговых блоков, например в форме звезды.

Работает горелка следующим образом. Вначале зажигают электродуговые блоки 5 и подают газовую смесь (воздух) через штуцер 6 и включают охлаждение подачей воздуха через штуцер 7. Затем начинается подача песка в трубу 8 в самую узкую часть сопла 3. По мере продвижения материала через сопло 3, он подвергается агрессивному воздействию разных факторов от электродуговых блоков 5 и электромагнитных излучателей (не показаны). Воздух, поступающий через штуцер 7, охлаждает горелку 1, кожух 4, электродуговые блоки 5 и способствует формированию направленного потока оплавленного песка и/или глины в межопалубочное пространство.

Интеграция предложенной горелки в процесс строительства производится, например, по следующей схеме (фиг.2). Выбранный строительный материал (песок) отмывается в любой мешалке или центрифуге (не показаны), загружается в размолочное приспособление 9, выталкивается в уплотнитель или обезвоживатель 10, из которого с помощью любого приспособления (например, шнекового питателя) подается в шланг 11 для выдавливания его в сопло горелки. Подача плазмированного воздуха в горелку осуществляется через соответствующий шланг 12 насосом 13. Энергообеспечение выполнено кабелем 14 от щита 15.

Примеры использования

Пример 1. Использование изобретения для реставрации кирпичной стены старого здания в г. Новосибирске (Академгородок), 1988-89 гг.

Проведена опытная реставрация стены полуразвалившейся церквушки по схеме: отмывка стены от грязи и пыли сильной струей воды подготовка песчано-глинистой сухой смеси (размол на мельнице ударно-отражательного действия (Краматорского завода) примерно до фракции 120-150 мкм) подача пыли в электродуговую горелку обычным воздухом через камеру с коронным разрядом при напряжении тока 18-20 тысяч вольт и при скорости подачи около 1л в секунду.

В электродуговой горелке использовались простые угольные (дуговые) электроды, а сама горелка содержала 6 электродуговых узлов на каждой стороне квадрата (для горелки использовался квадратный по сечению профиль) и подвергалась охлаждению обычным воздухом со скоростью подачи в электродуговую горелку около 1 л в секунду. Горелка была смонтирована на обычной строительной тачке.

Песчано-глиняная смесь содержала около 70-80% песка и около 20-30% сухой глины. Состав песка: диоксида кремния около 83%, оксида алюминия около 7%, оксида железа около 1,5%, суммарное количество окислов калия и натрия - около 5%. Химический состав глины не определялся.

Выходивший из квадратного сопла материал сваливался на деревянный поддон и оттуда лопатами и мастерками наносился в дефекты стены. При прохождении времени в пределах 5-10 секунд материал еще подвергался целенаправленной деформации, а затем твердел. Выгорание деревянного поддона было умеренно медленным. Цвет покрытия желто-коричневый, похожий на керамику.

Пример 2. Использование изобретения при возведении коттеджа в г. Новосибирске (Академгородок), 1989 г.

Той же горелкой, описанной в примере 1, было проведено заполнение участка тыльной стены при строительстве коттеджа для научных сотрудников Института цитологии и генетики СОАН СССР.

В качестве строительного материала использовался только песок с приблизительно такими же характеристиками по химическому составу. Использовалось то же самое оборудование (камера для получения коронного разряда и те же электродуговые узлы). Отличие было в крупности помола: частицы песка были не менее 200 мкм. Фракция 200 мкм составляла около 15% смеси.

Скорость подачи строительной смеси (пыли песка) составляла 0,5 л в секунду и выполнялась шнековым питателем (самодельным), а скорость прохождения воздуха через электродуговые узлы оставалась прежней (1 л/сек). Выходившая из сопла горелки пористая масса сразу направлялась в межопалубочное пространство. Масса слегка трамбовалась деревянной толкушкой.

Результат показал, что пористая масса имеет хорошее сцепление с железными предметами в межопалубочном пространстве (железная труба для кабелей), имеет высокую пористость, плотность более единицы (примерно 1,4) и может использоваться для заполнения пространства между опалубкой.