CN116648302A - 制造混凝土、尤其具有高早期强度的混凝土的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造混凝土的装置(1)，所述装置包括用于混合水泥悬浮液的水泥预混机(3)，其中水泥预混机(3)为制备水泥悬浮液具有至少一个超声波发生器，尤其是超声波探头(6)；至少一个第一结晶罐(4或5)，尤其是具有第一结晶罐(4或5)的结晶罐装置，用于增加混凝土的早期强度，以及混凝土搅拌机(201)，用于由预混的水泥悬浮液制造混凝土混合物，尤其在添加骨料(206‑208)的情况下，并且还涉及一种用于制造混凝土的方法。

Description

制造混凝土、尤其具有高早期强度的混凝土的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于制造混凝土、尤其是具有高早期强度的混凝土的装置，以及一种生产相应的混凝土的方法。

背景技术

混凝土成分的一个重要特性参量是其早期强度。用于提高混凝土早期强度的可行方案是既定的工艺，如热处理、使用加速的混凝土外加剂，或者混凝土技术措施，如将水泥含量增加到超过设计所需的水平或降低w/c值(水与水泥的比例)。然而，这些变型方案通常是一种妥协，其中以显著增加的制造成本为代价来换取时间因素。此外，由于改变了成分，尽管提高了早期强度，然而整体上也导致了材料特性的不期望的变化(例如收缩裂纹)。

由DE 37 16 438 A1已知了一种装置，具有水泥预混机、混凝土搅拌机和布置在它们之间的罐。在此，水泥和水混合形成水泥浆。该水泥浆被暂时储存，并且随后像常见的那样与骨料混合以制造混凝土。

在混合水泥浆时出现的障碍在于，只有在(极)高的w/c值的情况下才有足够的游离水供使用，以便无误地地混合水泥和水。由于经常有一大部分的水随岩石湿气进入混凝土搅拌机，使预混料可用的水的份额降低。对于中低w/c值(<0.50)来说，则只能在使用高性能增塑剂的条件下制造水泥浆。

此外，高混合速度对于水泥和水的完全溶解是必要的。在E01 DE 37 16 438 A1中通过从属权利要求3和4考虑到了这一点。由于水泥的高磨蚀作用，这些高速搅拌工具磨损很快，而且很容易堵塞(尤其是在含水量低的情况下)。

这种工艺中最大的挑战来自于在整个生产日上提供统一的悬浮液质量。上述文献在此并未提供任何答案。然而，在此必须假定，悬浮液储存在罐(“储存料斗”)中。该罐被排空以用于混凝土搅拌并再次重新填充，其中则必须再次等待预存储时间。因此，搅拌设备的经济运行是不可能的。如果此时填满一个大的罐并逐渐排空，则其中所含的悬浮液会随着时间的推移而老化，由此显著改变了产生的混凝土性能。最终，水泥悬浮液可能会在罐中凝固并且无法进行任何进一步加工。

此外，已知了两阶段混合法，借助于该两阶段混合法提高了早期强度。两阶段混合法的使用尤其还在DE 15 84 305 A或DE 10 2016 003 644 B4中有所描述。在此，混凝土的可加工性和早期强度应借助两阶段的混合过程来改善，即通过1.)在有砂和无砂的情况下对胶凝材料组分进行密集预混合，以及2.)在混凝土搅拌机中进行最终混合。

还已知了使用超声波进行预混合，如已经在DE102007027080A1和尤其是在DE102019120939A1中更详细地描述的那样。

在此所有两阶段的混凝土搅拌工艺都存在障碍，即悬浮液的制造需要提供一定量的(混合)水。混凝土的含水量取决于骨料(Gk)的需水量、w/c值和水泥含量。然而，由于添加的骨料，且尤其是砂永远不会完全干燥(例如，在地下储仓的填充过程中，骨料会被淋水以将灰尘形成保持在最低限度)，所以粘附在骨料上的湿气必须从混合水中去除。这通过或者在称重或运输过程中、或者在混凝土搅拌机中的湿度测量来完成。如果此时存在骨料的中等到高的湿度(3–8M.-％(质量百分比))，则必须相应地从混合水中去除这些湿气。下面以一个预制混凝土厂正在进行的生产中w/c值为0.46的预制混凝土为计算实例进行说明。

表1:混凝土配方w/c-值0.46

扣除骨料中的湿气后，可供用于制造悬浮液的水为106kg/m³，即初始量的2/3左右。此时，对制造悬浮液来说，必须选择0.30的w/c值。为了无误地混合如此低的w/c值，需要更高的减水剂剂量，该高的减水剂剂量使混凝土铺展度可能增加到超过必要水平，且还延迟了水泥的硬化反应。

例子2用于说明：如在例如预应力混凝土构件的生产过程中采用w/c值为0.35，则得到如下计算结果：

表2:混凝土配方w/c-值0.35

在预混过程中可供制造悬浮液使用的水在此仍为67kg/m³，其中因此得到悬浮液的w/c值为0.19，其基于目前可用的技术不再能够无误地进行预混和计量。

已知的方法试图解决这个问题，例如通过在预混机中预处理骨料中湿气含量最高的细小部分(通常是砂)(DE 15 84 305 A或DE 10 2016 003 644 B4)。然而，这是显而易见的，因为因此更多的水供悬浮液混合过程使用。然而在这种方法中，必须考虑到由于研磨砂对搅拌机机构的磨损增加以及已知的“过度混合”问题。在过度混合的情况下，小部分的砂粒被快速旋转的搅拌工具打落，即砂被破碎，由此增加了需水量并损害了可加工性。

因此，可以将采用两阶段的搅拌工艺存在的问题归纳为：低的w/c值保证了高的早期抗压强度，短的混合时间保证了快速的混凝土浇筑过程，尤其是对于在多步骤中灌注的大型构件来说。部分高的固有湿度减少了可供悬浮液混合过程用的水。

在极端情况下，例如在潮湿天气中，没有足够的水可供用于悬浮液混合过程。目前，这只能通过提高减水剂浓度来补偿，这可能会使混凝土的流动性增大到超出必要的水平，延迟了硬化并增加了混凝土的成本。

发明内容

从这个初步考虑出发，本发明的目的在于，在避免上述问题的条件下提供一种用于制造具有高的早期强度的混凝土的装置和方法。

本发明通过具有权利要求1所述特征的装置和具有权利要求18所述特征的用于制造混凝土的方法实现了该目的。

根据本发明的用于制造混凝土的装置包括

i用于混合水泥悬浮液的水泥预混机；

ii至少一个第一结晶罐以增加混凝土的早期强度，以及

iii混凝土搅拌机，用于由预混的水泥悬浮液制造混凝土混合物，尤其在加入骨料的情况下。

根据本发明的装置尤其具有一个或多个结晶罐，所述结晶罐实现了使单个包含在水泥中的组成部分在它们被添加到混凝土中之前结晶。在本发明的框架内，多个结晶罐可以形成结晶罐装置。在此，结晶罐优选在结晶罐装置中彼此叠置地布置，从而水泥悬浮液可以在重力作用下从上部结晶罐转移到布置在其下的结晶罐中。

所述装置基于这样的认知，即对于水泥和水的反应活化的预混来说，尤其在使用超声波的情况下，存在有利的水与水泥比例(w/c值)。该w/c值取决于水泥类型并且优选在0.50-2.0的范围内。由于较高的固体含量，较低的w/c值导致了较强的颗粒相互作用，这可以促进悬浮液的强烈加热，并且在某些情况下会产生负面影响。

通过尤其是借助于超声波对水泥悬浮液进行预处理产生了亚稳态的结晶核，这些结晶核由于在结晶罐中的储存获得了额外的时间用于生长，并且(随后)作为稳定的结晶核计量加入到混凝土搅拌机中。

该结晶罐优选包括带有搅拌器的搅拌机，该搅拌器在结晶周期期间保持水泥悬浮液以慢速运动。

在此，优选的搅拌速度小于50rpm(转每分)，优选2-25rpm，尤其优选5-20rpm。

由于水泥组成成分开始结晶，对于随后由此制造的混凝土来说，比在没有结晶罐的情况下达到了混凝土的明显更高的早期强度。

在此，并非混凝土中使用的所有水泥都必须经过这种类型的预处理，而是将部分量活化就足够了，这个部分量额外地促进了直接放入混凝土搅拌机中的剩余水泥的结晶。相应地可以有利地优化用于运行水泥预混机和结晶罐的尺寸确定和能量预算。

根据本发明，为制备水泥悬浮液，水泥预混机具有至少一个超声波发生器，尤其是超声波探头。

与DE 37 16 438 A1中不同，在本发明中，不是通过高速混合工具制浆，而是通过使用超声波。

同时，由于只有一小部分具有高含水量(w/c>>1.0)的水泥(例如20％)被预混，因此超声波也较少地衰减，并且由于占整个混凝土悬浮液的比例较小，混凝土被较小程度地加热。

较高的水含量也有利于设备的计量和清洁，尤其是也在安装设备的方法和紧随其后的清洁方法之后。

根据本发明的装置的其它的有利设计方案是从属权利要求的主题。

由DE102019120939 A1已知了一种理想的超声波支持的水泥预混机，在本发明的框架内优选的水泥预混机的结构设计方面全面参考了上述文献。

通过这种水泥预混机不仅实现了水泥和水的纯混合，而且还实现了水泥组成成分和水泥悬浮液的活化，从而也促进了结晶。在此水泥预混机还具有搅拌器，该搅拌器优选以比第一结晶罐中的搅拌器更高的搅拌速度使水泥悬浮液运动。

由于以上述参数和/或搅拌速度进行预混合通常导致在水泥悬浮液中形成气泡，这会对混凝土的最终强度产生负面影响。在水泥悬浮液停留在结晶罐中期间，这些气泡被排出。因此，结晶罐专门与超声波水泥预混机的组合是尤其优选的。

使用结晶罐的另一个优选方面在于，超声波水泥预混机由于其结构类型在一定时间间隔内只能提供少量的水泥悬浮液供使用，因为在较大量的水泥悬浮液的情况下，超声波仅具有有限的穿透深度。在此，结晶罐也可以用来储存水泥悬浮液。

为了低能耗和无故障的运行，水泥预混机、结晶罐和混凝土搅拌机优选相对于地球重力场布置为，使得水泥悬浮液能够在重力作用下从水泥预混机流入结晶罐，并从那里流入混凝土搅拌机。在不能使用这种做法的地方，可以使用泵将悬浮液输送到混凝土搅拌机中。

各个罐和混合器之间的连接可以相应地是带有关闭装置(例如闸板阀)的法兰连接。

第一和每个另外的结晶罐具有搅拌工具并且尤其可以具有用于使搅拌工具运动的驱动器。

第一和每个另外的结晶罐可以具有侧壁和优选弯拱的底面。侧壁可以平行于结晶罐的纵轴延伸。搅拌机可以具有能旋转的搅拌附件作为搅拌器。这些构造优选可以是螺旋形的构造。所述构造可以如此设计，使得其在所述底面的至少50％上方能够以小于10cm、优选小于5cm的距离，尤其在0.5-4cm之间的间距，被引导。由此可以使大量的水泥悬浮液，包括沉降的组成部分，进行运动并且优选再次悬浮。

所述构造，尤其在设计方案中为螺旋形的构造，可以朝着底部具有边缘刮板。所述构造优选可以由金属制成，而边缘刮板设计为优选由比所述构造更软的材料形成。边缘刮板优选可以设计成橡胶唇缘和/或PTFE唇缘的形式。

所述装置可以在第一结晶罐和混凝土搅拌机之间具有第二、第三、第四、第五和另外的结晶罐，优选带有单独的搅拌机。由此可以实现增大能储存的水泥悬浮液的体积以用于结晶。尤其在需要大体积时，第二罐是有利的，因为第二罐可以用于计量进入混凝土搅拌机的被活化(预混机)和被预储存(结晶罐I)的悬浮液。由此可以确保，没有悬浮液在没有足够的预储存时间的情况下离开结晶罐。

所述装置也可以有利地设计为无压力运行的系统。开放式或者说无压力运行的系统意味着，在每个容器中，即混合器和/或一个结晶罐或多个结晶罐，压力特性相同，或者在水泥悬浮液的转移过程中出现压力差时，通过打开的阀实现压力平衡。

至少沿着第一和/或第二结晶罐与混凝土搅拌机之间的连接，布置了用于将相应的结晶罐排空和/或部分排空到混凝土搅拌机中的调节机构。该调节机构优选可以设计为阀，尤其是夹管阀。

类似地，相应的调节机构，例如阀，尤其是夹管阀，也可以布置在水泥预混机和第一结晶罐之间和/或在结晶罐之间。

此外同样有利地，所述装置可以具有用于检测用于控制第一和/或每个另外的结晶罐的紧急排空的测量参量的设施。这种设施例如可以是用于可旋转的搅拌机的转矩检测的传感器和/或是在旋转的结晶罐中用于结晶罐的能旋转的滚筒的转矩检测的传感器。这种测量允许间接做出关于水泥悬浮液的硬化状态的判断。

其它的测量参量，例如水泥悬浮液的粘度、密度、反射的超声波信号的声速的与此相关的变化和/或温度也可以用于监测紧急排空。

所述装置还可以具有添加装置，尤其是计量装置，用于尤其是基于检测到的测量参量添加减水剂。由此可以在超过额定值时重新设定水泥悬浮液的成分。

所述装置，尤其是结晶罐中的至少一个，还可以有利地具有用于水泥悬浮液的温度确定的传感器。理想情况下，温度应在25-45℃之间。可以根据确定的温度匹配在自动排空和/或部分排空结晶罐时水泥悬浮液的停留时间的相应的目标值。

优选地，第一和/或第二或每个另外的结晶罐可以设计用于至少2立方米、优选0.5到4立方米的水泥悬浮液的量。这种量对于水泥预混机、尤其是超声波水泥预混机来说不是典型的，因为在较大体积下，尤其是在强超声波的情况下，不能在混合器的体积上足够均匀地进行超声波引入。

强超声波处理可以实现水泥组成成分的活化。与通过超声波、震动或其它方法的超声波引发的振动混合不同，在本方法的优选变型方案中，超声波处理具有以下特征数据，所述特征数据单个地或彼此组合地更详细地表征超声波处理的类型：

超声波探头尤其设计为超声波发生器，且在本方法的框架内，优选在以下范围内工作(值与T＝25℃和常压相关)：

·超声波探头发射的超声波的强度：25-250W/cm²

当将超声波引入介质时，颗粒和介质会发生振动。这种振动传递超声波的动能。强度(I)在此相当于单位面积传输的功率，例如瓦特。单位是每单位面积的功率(例如W/cm²)

·超声波探头发射的超声波的振幅：15-500μm，优选15-120μm。

振幅(u)描述了超声波的偏转(例如以μm为单位)。在频率保持不变的情况下，则较高的振幅导致强度的增加。振幅越大，则在高压周期和低压周期期间的压力差就越大。

·超声波探头发射的超声波的频率：优选10-30kHz

频率(f)描述了在超声波探头的尖端处振动的速率。由于气泡的形成、生长和内爆是一个随时间变化的过程，所以较高的频率导致了较小的空化气泡。

·特定的能量引入(进入介质-水)：优选25-250Ws/ml

上述值的确定例如可以借助于水听器以电声方式在水中进行。

为了将水泥计量加入预混机中，可以在水泥称之后安装导流器，使得水泥既可以计量加入混凝土搅拌机中，也可以计量加入预混机中。然而也可以将自身的计量螺旋输送机引到预混机。

在能源和/或技术方面已证明有利的是：仅将制造混凝土所需水泥的一部分混合并预结晶为水泥悬浮液，而将另一部分直接在混凝土搅拌机中例如与骨料一起混合。与现有技术相比，在根据本发明的方法的情况下这是尤其有利的。

为了实现早期强度的改进，不需要对全部水泥量进行预处理，这为预混过程提供了额外的水(悬浮液的w/c值可以选择得更高)，节省了能源并且有利地减小了所需机器的尺寸。

根据本发明还提供一种用于制造混凝土的方法，尤其是使用根据本发明的装置，其中该方法具有以下步骤：

i)在水泥预混机中制备水泥悬浮液

ii)在预定的停留时间段中搅拌结晶罐中的水泥悬浮液，以及

iii)在预定的停留时间段之后，将水泥悬浮液转移到混凝土搅拌机中。

对早期强度的发展至关重要的衡量标准是停留时间。这对应于预混的悬浮液在结晶罐中的逗留时间或结晶时间。

所述停留时间取决于混凝土生产过程(混合时间、每小时混凝土体积、混凝土成分)和追求的强度提升。

结晶罐(或存放罐/逗留罐/储存罐)是一种容器，悬浮液在连续地搅拌/循环的条件下在该容器中储存了事先定义的时间段(0.5-6小时)。停留时间过后，将悬浮液计量加入到混凝土搅拌机中。

停留时间或者说逗留时间在此对应于被活化的悬浮液在连续搅拌或者说循环的条件下保留在结晶罐中的时间.

有利地，第一结晶罐具有出口，该出口通到混凝土搅拌机的入口中或通到第二(或第三、第四...)结晶罐中。所述装置还具有布置在第一结晶罐的出口和/或混凝土搅拌机的入口中的调节机构。所述装置还可以具有第一评估单元和/或控制单元，其被配备用于在水泥悬浮液在第一结晶罐中0.5至6小时的停留时间段之后为了部分或完全排空第一结晶罐而操纵调节机构。

水泥预混机还可以有利地具有带处理空间的处理容器，其中所述至少一个超声波探头至少部分地伸入所述处理空间中并且其中超声波探头发射超声波，其中发射的超声波或者说超声波信号通过例如评估和/或控制单元被设定为，使得其具有25-250W/cm²的强度和15-500μm的振幅。

在制造混凝土时，还可以将第一部分量的水泥添加到水泥预混机中，并将第二部分量的水泥添加到混凝土搅拌机中，这在能源方面是特别有利的。

以此方式预处理的水泥的份额优选占总水泥份额的5-95％，尤其优选10-25％。对水泥悬浮液在结晶罐内的优选停留时间段来说，额定值的控制或者说设定可以有利地基于预定的时间在预定的温度下进行。由于结晶取决于温度，因此这种控制提供了对水泥悬浮液的质量的更好控制。

为了更好和更全面的运输，水泥悬浮液可以分批转移到混凝土搅拌机中。

可以通过传感器和/或传感器装置控制在第一和每个另外的结晶罐中的搅拌速度和/或水泥悬浮液在第一或每个另外的结晶罐中的流入和/或流出。为此优选可以使用一个或多个温度传感器、用于确定超声波传播时间的超声波传感器和/或用于转矩检测的传感器，以便监测水泥悬浮液的质量，并且尤其是其强度。

通过温度调节可以将第一或每个另外的结晶罐中的水泥悬浮液的温度调节至10-45℃之间的温度。至20℃以下，尤其是10-20℃的可调节性实现了更好的储存。

结晶时间或者说停留时间以及紧急排空的时间点可以根据温度和/或上述检测到的测量参量来设定。

优选可以直至经过1至8小时之间的逗留时间之后才将水泥悬浮液加入混凝土搅拌机中。根据预先制定的生产计划将水泥悬浮液转移到混凝土搅拌机中。

水泥悬浮液的水/水泥(w/c)值可以有利地在0.5和2之间。逗留时间的选择取决于水泥的反应速度。给出的时间对于逗留时间的上述规定来说是最佳的。

水泥悬浮液在被转移到混凝土搅拌机中之前的预储存时间可以有利地在1-8小时之间。

然而尤其优选地，上述w/c值也可以与水泥悬浮液的上述超声波处理的静置阶段相结合。

经过超声波预处理的水泥在混凝土中的份额有利地可以在5-95％重量百分比之间，理想地在10-25％重量百分比之间。

可以通过传感器和/或传感器装置来控制在第一和/或第二结晶罐中的搅拌速度和/或水泥悬浮液在第一和/或第二结晶罐中的流入和/或流出。为此优选可以使用一个或多个温度传感器、用于确定超声波传播时间的超声波传感器和/或用于转矩检测的传感器，以便监测水泥悬浮液的质量，并且尤其是其强度。

此外，在本方法的框架内有利的是，提供一种智能控制方法和/或一种控制装置以用于保持限定的悬浮液质量。通过罐中的一系列传感器持续地检查悬浮液的特性(尤其是温度、粘度、密度、电导率、超声波传输时间)，对其进行评估，并根据传感器测量数据采取措施，例如添加新悬浮液和排出旧悬浮液。

罐中的温度是影响悬浮液质量(＝反应性)的一个特别重要的因素。这可以有利地通过冷却装置和加热装置始终保持在期望的范围内，因此例如通过形成双壁式的容器壁部作为第一和/或第二结晶罐的一部分，或通过在结晶罐上或结晶罐中的热交换器。

尤其可以对位于第一和/或第二结晶罐中的水泥悬浮液的、取决于材料的物理测量参量进行感测。

之后优选可以根据通过感测确定的测量值执行对流入量和/或流出量、搅拌速度和/或温度的控制。

附图说明

下面借助附图根据实施例更详细地解释根据本发明的用于制造混凝土的装置。在此，附图包含多个特征，所述特征单独来看可以以显而易见的方式与未示出的其它实施例组合。在此，实施例的整体不应理解为对本发明的保护范围的限制。附图示出：

图1示出了包括根据本发明的装置的水泥预混机以及第一和第二结晶罐的实施例的侧视图；

图2示出了图1的实施例的透视图；

图3示出了沿结晶罐的纵轴的剖视图；

图4示出了根据传统方法制造混凝土的示意图；

图5示出了本发明的实施方式的制造混凝土的示意图；

图6示出了放热率的图表；

图7示出了第一混凝土混合物的成分；

图8示出了第二混凝土混合物的成分；

图9示出了水泥悬浮液和水的混合比例；

图10示出了固化开始与预储存时间之间的关系图表；

图11示出了经超声波处理的水泥砂浆的预储存时间关于坍落度和铺展度的图表；以及

图12示出了关于混凝土龄期的抗压强度图表。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的装置1，包括水泥预混机3和两个结晶罐4和5。

水泥预混机3上方设有进入开口7。

水泥预混机3与两个结晶罐4、5通过机架2彼此连接。

水泥预混机3具有超声波探头6，所述超声波探头穿过水泥预混机的壁部延伸到内部空间中。

在水泥预混机3与两个罐4、5之间设有输送管线。输送管线可以具有调节机构，例如阀门装置。罐5具有出口10。

每个结晶罐4、5以及水泥预混机3都具有搅拌机7-9。

图2示出了图1的装置的透视图。可以看到支承平面A、B和C，沿着所述支承平面支承上述各个容器。

图3中公开了更多的细节。因此，结晶罐4具有搅拌机8，该搅拌机具有杆15以及螺旋状卷绕的搅拌叶片13。结晶罐具有圆柱形的外壳部段11和设计为拱形的底部区域12。

传感器元件17布置在结晶罐4的上部区域中。这例如可以是温度传感器。结晶罐4具有汇入输送管线20的出口18。此外，结晶罐4具有紧急排放管线16，经由该紧急排放管线例如在上覆泥悬浮液的情况下可以将罐4紧急排空。

结晶罐5的构造类似。可以看到传感器元件27和搅拌机9。在底部区域22中有两个排放管接头26和28，所述排放管接头分别具有法兰端部24。两个排放管接头中的一个再次用于紧急排空，而另一个用于实现转移到混凝土搅拌机中。

图4示出了制造混凝土的传统方法100。其中水103、水泥104和105、掺合料102，以及必要时胶凝材料和外加剂，与石106、107或砂108在混凝土搅拌机101中混合。

混凝土的本领域技术人员知道胶凝材料是无机或有机物质，它们可以在塑性状态下加工，并在一定时间后硬化，并且同时使其它材料，例如骨料牢固地彼此连接。在混凝土工业中使用的胶凝材料是矿物来源的，并且除了少数例外情况，都是通过燃烧从某些岩石中获取并研磨成细粉。与水搅拌首先产胶凝材料胶。通过化学反应，部分地也通过物理表面力，胶凝材料胶可以固化成类似石块的状态，其中可以使任意填料彼此粘结在一起。

此外，混凝土的本领域技术人员知道外加剂或混凝土外加剂的概念。在此涉及以精细分布的形式，例如液态、粉末状或者也作为颗粒或作为糊状物，少量地添加到混凝土中的材料，以便通过化学或物理作用影响新拌混凝土或硬化混凝土的特定特性。典型的外加剂是混凝土增塑剂、减水剂、引气剂、密封剂、缓凝剂、促进剂、灌浆助剂和/或稳定剂。

此外，混凝土的本领域技术人员知道掺合料或混凝土掺合料的概念。在此涉及精细分布的材料，它们用在混凝土中，以便改善或实现特定特性。这种材料在混凝土成分中作为体积组成部分以比外加剂大得多的量存在。因此它们也被称为填料。根据DIN EN 206-1和DIN 1045-2，区分了两种类型的无机掺合料。I类掺合料是几乎非活性掺合料，如岩石粉末、骨料或着色剂。II类掺合料是凝硬性的或潜在水硬性的掺合料，如火山灰、粉煤灰或硅酸盐粉尘。

最后，混凝土混合物包含很大份额的骨料，例如石和砂，其颗粒度和其份额可以基于根据混凝土类型的颗粒度变化。这些骨料有时也与其它材料一起归类在上位概念集料之下。

在此，本发明的核心是提供一种解决这些技术障碍并且仍然保证具有例如超声波预混阶段的混凝土的高早期强度的方法。

在此，水泥209、水210和掺合料211在水泥预混机212中混合并超声波活化。然后将水泥悬浮液转移到结晶罐213中并从那里转移到混凝土搅拌机201。在根据本发明的方法200的框架内，进一步地在混凝土搅拌机201中可以将外加剂202、水203、水泥204和205以及石206、207和砂208加入到混凝土搅拌机中。

本发明基于这样的事实，即存在对水泥悬浮液的制造有利的w/c值或者说有利的w/c范围，在该范围中悬浮液可以被良好地均质化和活化(例如借助于超声波)。该有利的w/c值取决于水泥类型和所用的外加剂，并且在0.5和2之间。本发明还基于这样的事实，即不必将所有份额的水泥和水都预混合并且活化以带来早期强度的显着增加。

在本发明的一种优选的变型方案中，在水泥预混机中提供的水泥悬浮液由水泥、水和必要时作为可选组分的外加剂制成。与此相反，在水泥悬浮液中不设置集料。

这意味着，水泥的一部分被计量加入到预混机中用于活化，而水泥的一部分被计量加入到混凝土搅拌机中。这可以或者通过在预混机上的自身的计量装置(料斗+螺旋输送机)进行，或者在现有的混凝土搅拌设备上通过水泥秤上的分配器和从水泥秤到预混机的螺旋输送机来完成。

此外，根据本发明的方法的一部分，不是在混合结束后立即将预混的和活化的水泥悬浮液计量加入到混凝土搅拌机中，而是将其输送至处于悬浮液搅拌机之后的静置罐或者说结晶罐中。在此，结晶罐具有约为一小时混凝土生产所需的悬浮液量的体积。

与使用全部份额的水泥和水(以及必要时还有砂)进行预处理的变型方案相比，这样做的优点是减小预混机所需的体积。悬浮液的制造和活化以及随后在结晶罐中的后续储存的优点还在于，在足够的结晶时间后，可以根据需要任意快速地取出或者说计量悬浮液，并进而还可以选择进一步缩短的混合时间。静置或者说结晶时间导致早期强度显著增加，即使与其中计算出供使用的全部的水泥量和水量被预混合和活化的变型方案相比也是如此。没有静置阶段就无法实现这种潜力。如果在预混合阶段采用超声波用于活化，则再次显著提高早期强度。理想情况下，该静置阶段应持续1-8小时，具体取决于水泥类型和悬浮液的成分。

在生产过程中，悬浮混合工艺的混合时间应非常短，以便实现短的总混合时间。尤其在水泥悬浮液的活化中，例如通过超声波，并不总能保证这一点。在生产大型混凝土构件(例如桥梁桁架)时，必须在短时间内生产较大量的混凝土，以便快速制成混凝土构件。这也对在超声波预混机中的水泥悬浮液的预混合提出了特殊的要求，因为为了有效的超声波应用，混合室被限制在一定的结构尺寸。通过生产“存储”悬浮液，还可以在不相应增加混凝土搅拌时间的情况下制造这些构件。

与现有技术相比，此处介绍的方法的特征在于以下新颖的措施：

·仅对最佳的强度发展所需份额的水泥悬浮液进行预混合和活化，理想情况下在水泥份额的10-25％之间。

·预混合和活化的水泥悬浮液被输送到静置罐或者说结晶罐中存储，并在那里逗留一定时间，理想情况是1-8小时，并且以低剪切率连续混合或通过泵进行循环。

·在预储存时间之后连续地进行从结晶罐中取出，其中不延长混凝土搅拌时间。

因此可以有效地解决骨料中高湿度的问题。

不延长混凝土搅拌过程的搅拌时间。

在混凝土成分相同的情况下，显著增加早期强度。

在给结晶罐补充其它相同尺寸的罐的情况下，甚至能够以活化的水泥悬浮液无误地制造极大的混凝土体积(例如预拌混凝土生产)

下面描述在结晶罐中最佳的预储存时间：

图6示出了以J/gh为单位的热交换率的时间曲线。在此涉及波特兰水泥的热传导量热测量，这在图中标为CEM I 52.5R，伴随有和没有超声波处理，在图中标为PUS。

识别出加速阶段的开始明显提前，并且在大约4-5小时后热量发展达到最大值。

水泥与水的反应遵循特定的动力学路径。对于0.5的典型水灰值来说，热释放率的曲线如图6所示。

专利申请DE 10 2020 132 015.9中提出使用活化的水泥悬浮液的预储存，这不干扰混凝土制造过程，却增加了早期抗压强度。

目前深入的研究表明，在某些情况下明显增加悬浮液的水含量和/或预储存时间提供了工艺技术上的优点。

具体而言，这意味着，悬浮液的添加时间点与热释放率相关联，并且仅当曲线已经历1-3小时之间的静置阶段并显示热释放重新增加时(＝化学反应)，才计量加入悬浮液。

该时间点随所用材料(水泥类型和减水剂类型以及水含量)而强烈变化并且应事先确定。

在此，水泥悬浮液的优选的参数为：

-水/水泥(w/c)值＝0.5-2

-预存储时间＝1–8小时

-预处理水泥的份额5-95％，理想情况为10-25％

w/c值必须选择为，使得曲线的上升(所谓的“加速阶段”)不持续太长时间(w/c值较低)，然而也使得，在预存储期间不出现材料的固化(w/c值较高)。非常适合于此的w/c值在1.0±0.25左右，具体取决于水泥类型以及减水剂类型和减水剂量。

预储存时间则取决于所选的w/c值和水泥的反应性。为了保持与预存储相关的工艺技术上的花费低，目标是最长4小时的预存储时间。

采用这种方法，可以再次显著提高早期强度，并且可以减少必须预混合和活化的水泥的份额。

在示例性的工艺流程中，水泥的一部分与水预混合，进行超声波处理，以及随后储存较长的时间段。在储存后，将水泥悬浮液计量加入到混凝土搅拌机中。如上文已经描述的，通过超声波处理进行超声波活化。这在超声波的25-250W/cm²的强度和15-500μm的振幅下进行。

悬浮液中形成水合物核，所述水合物核对混凝土的早期强度有显著影响。此外，这可以通过显微图像来证明。

由于计算出的用于预混合过程的水往往不足，因此减少了待预混合的水泥的份额。

在具有干燥的骨料的混凝土中，如图7所示，分布着3个主要组分。

在这种情况下，水含量低但对于预混合过程足够，因为在使用减水剂的情况下仍然可以制造和计量出可流动的悬浮液。

如果骨料潮湿，则增加骨料在材料空间计算中的份额，并且将水的份额减少了与骨料结合的湿气的份额。参见图8。图7和8分别示出了相应组分的计量。在图8的情况下的骨料与图7相比更潮湿，并且因此包含更多的水。附图中利用“H2O”栏仅仅说明了除了骨料之外要计量加入的水的量。“H”和“H2O”在附图中应理解为同义词。

目前仅仍有极少量的水供搅拌过程使用，并且预混合过程非常难以应用(如果有的话)。在超声波处理的情况下，高的固体浓度通常会导致不良的副作用，例如减水剂与水泥的负面相互作用、强烈的加热以及在计量/排空预混合容器时的问题。

此外，为了保证利用超声波的预混合过程的优点，研发了预混合和储存方案。在此的核心在于，仅使用供使用的水泥的一部分量，参见图9。

由于以这种方式制造的悬浮液的固体含量非常低，因此与其中预混合了所有水泥的变型方案相比，简化了制造过程。

然而，由此可以形成的水合物核的数量受限于水泥的量。这导致了这样的概念：如此长地储存或者说结晶悬浮液，直到形成了对加速水合来说足够量的水合物核。水合物相的数量随着预储存时间而增加。接着为此示出了测量固化开始，即硬化过程进展到无法进一步加工混凝土的时间点。

图10中能看到具有以下参数的水泥砂浆的固化开始：

-砂浆w/c值＝0.50

-预储存的悬浮液的w/c值＝1.0

-预处理的水泥的份额＝25％

-以20kHz和60秒/升的速度对悬浮液进行超声波处理

在图10中可以看出，固化开始(Y轴)随着预储存持续时间(X轴)的增加而降低。这种特性在经过超声波处理的悬浮液中尤为明显(交叉阴影线)。在未进行超声波处理的情况下，固化时间的减少并不那么明显(阴影线)。

通常，预储存也影响可加工性。这是借助于坍落度和铺展度在水泥处确定的。图11中示出了具有不同时间长度预储存的水泥悬浮液的、已经结合图10解释的水泥砂浆的坍落度和铺展度。在此测量了，在没有晃动的情况下(坍落度)以及在15次冲击的情况下(铺展度)砂浆在桌面上流动的距离。在此可以看出，无论是坍落度还是铺展度都会随着预储存时间的增加而降低。也就是说，砂浆的可加工性降低。然而，在前240分钟内，减少幅度很小，这意味着混凝土没有显著变化。240分钟后出现了较大的下降。

从这些结果可以得出结论，对被观察的砂浆来说，理想储存时间约为240分钟。此时，可加工性的变化很小，同时早期强度显著增加。

对于混凝土标尺，可以用以下数据说明效果：

使用波特兰水泥(CEM I 52.5R)和0.47的w/c值制造混凝土。混凝土利用减水剂(类型：聚羧酸)与预储存了240分钟且超声波处理的悬浮液(w/c＝1.0)以及在体积为0.3m³的情况下搅拌。

图12中能看到与传统制造的混凝土相比，按照根据本发明的方法制造的混凝土在最初24小时内的抗压强度发展。此处可以清楚地看出，按照根据本发明的方法，具有预储存的悬浮液的混凝土样品在所有测量的时间点都具有明显更高的抗压强度。

附图标记列表

1 装置

2 机架

3 水泥预混机

4 结晶罐

5 结晶罐

6 超声波探头

7 搅拌机

8 搅拌机

9 搅拌机

10 出口

11 外壳部段

12 底部区域

13 搅拌叶片

14 -

15 杆

16 紧急排放管线

17 传感器元件

18 出口

19 -

20 输送管线

21 -

22 底部区域

23 -

24 法兰端部

25 -

26 排放管接头

27 传感器元件

28 排放管接头

100 方法

101 混凝土搅拌机

102 掺合料

103 水

104 水泥

105 水泥

106 石

107 石

108 砂

201 混凝土搅拌机

202 外加剂

203 水

204 水泥

205 水泥

206 石

207 石

208 砂

209 水泥

210 水

211掺合料

212 水泥预混机

213 结晶罐

Claims (27)

1.一种用于制造混凝土的装置(1)，包括

i用于混合水泥悬浮液的水泥预混机(3)，其中所述水泥预混机(3)为制备水泥悬浮液具有至少一个超声波发生器，尤其是超声波探头(6)，

ii至少一个第一结晶罐(4或5)，尤其是带有第一结晶罐(4或5)的结晶罐装置，用于增加所述混凝土的早期强度，以及

iii混凝土搅拌机(201)，用于由预混合的水泥悬浮液制造混凝土混合物，尤其在添加骨料(206-208)的情况下。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述水泥预混机(3)、结晶罐(4或5)和混凝土搅拌机(201)相对于地球重力场布置为，使得所述水泥悬浮液能够在重力作用下从所述水泥预混机(3)流入到所述结晶罐(4或5)中，并且从那里流入到所述混凝土搅拌机(201)中。

3.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一结晶罐(4或5)具有搅拌机(8、9)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一结晶罐(4或5)具有侧壁(11)和优选弯拱的底面(12)，其中所述搅拌机(8或9)具有能旋转的搅拌附件，所述搅拌附件带有构造，优选螺旋形的构造，所述构造设计成，所述构造在所述底面(12)的至少50％上方能够以小于10cm、优选小于5cm的距离被引导。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述构造，尤其在螺旋形构造的设计方案中，朝着底部具有边缘刮板，优选为橡胶唇缘和/或PTFE唇缘的形式。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置(1)在所述第一结晶罐(4)和所述混凝土搅拌机(201)之间具有第二结晶罐(5)，所述第二结晶罐优选具有单独的搅拌机(9)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置(1)设计为无压力运行的系统。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，在所述结晶罐(4、5)之间的输送管线(20)中，调节机构设计为阀，尤其是夹管阀。

9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置(1)，尤其是至少一个结晶罐(4或5)，具有用于检测测量参量的设施(17、27)，所述测量参量尤其是用于控制所述第一和/或所述第二结晶罐(4、5)的紧急排空。

10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置具有添加装置，尤其是计量装置，以用于添加减水剂，尤其是基于检测到的测量参量。

11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置(1)具有用于所述水泥悬浮液的温度确定的传感器。

12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一和/或第二结晶罐(4、5)设计用于至少2立方米、优选1.5-4立方米的水泥悬浮液的量。

13.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一和/或所述第二结晶罐(4、5)具有热交换器装置，尤其是双壁区段，用于沿着所述结晶罐(4、5)的所述壁部进行所述水泥悬浮液的控温。

14.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置(1)具有水泥储存料斗，所述水泥储存料斗具有通到所述水泥预混机(212)的水泥的第一部分进料管线以及通到所述混凝土搅拌机(201)的水泥的第二部分进料管线。

15.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置具有水泥秤，用于将水泥的第一部分量计量加入到所述水泥预混机(212)以及将水泥的第二部分量计量加入到所述混凝土搅拌机(201)。

16.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一和/或所述第二结晶罐(4、5)包括用于确定处在所述结晶罐中的所述水泥悬浮液的质量的传感器元件，尤其是温度传感器，转矩传感器(粘度)、用于确定热导率或电导率的传导性能传感器、用于确定超声波传播时间和超声波速度的传感器和/或密度传感器。

17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述装置(1)具有控制和/或评估单元，用于基于通过所述传感器元件确定的测量值控制致动器，尤其是控温装置，入口阀和/或出口阀。

18.一种用于制造混凝土的方法，尤其是使用根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于以下步骤：

i)在使用超声波的情况下在水泥预混器(212)中制造水泥悬浮液；

ii)在预定的停留时间段中搅拌在结晶罐(213)中的水泥悬浮液，以及

iii)在预定的停留时间段之后将所述水泥悬浮液转移至混凝土搅拌机(201)中。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述水泥预混机(212)具有处理室，其中所述至少一个超声波探头(6)至少部分地伸入所述处理室中，以及

其中所述超声波探头(6)发射超声波，其中发射的所述超声波具有25-250W/cm2的强度以及15-500μm的振幅。

20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述停留时间段的控制基于预定的时间在预定的温度下进行。

21.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一和/或第二结晶罐(4、5)的紧急排空的控制基于预定的时间在预定的温度下进行和/或根据确定的测量值，尤其是确定的转矩进行。

22.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述悬浮液的所述逗留时间基于先前确定的热释放。

23.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述水泥悬浮液中所述水/水泥(w/c)值在0.5-2之间。

24.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述水泥悬浮液在被转移到所述混凝土搅拌机(201)之前的预储存时间为1至8小时。

25.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述混凝土中预处理的水泥的份额为5-95％重量百分比，理想地为10-25％重量百分比。

26.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对位于所述第一和/或第二结晶罐(4、5)中的所述水泥悬浮液的取决于材料的物理的测量参量进行传感检测。

27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，流入量和/或流出量、搅拌速度和/或温度的控制基于通过所述传感检测确定的测量值来进行。