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Gegenstand
der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Messung des Fließverhaltens
elektrisch leitfähiger Flüssigkeiten und Stoffgemenge.
Insbesondere wird das Ausbreiten der Flüssigkeit auf einer Platte
oder in einer Rinne gemessen.
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Stand der Technik
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Zur
Messung der Fließeigenschaften von Fluiden, insbesondere
von Gemengen aus einer flüssigen und festen Phase werden
in verschiedenen technischen Bereichen seit Jahrzehnten sogenannte Ausbreitversuche
auf Platten oder in Rinnen durchgeführt. Für Frischbeton
ist dieser Versuch in DIN EN 12350-5, 1999 beschrieben. Hierbei
wird das Prüfgut in eine topfähnliche Form mit
definiertem Durchmesser gefüllt, die auf einer Platte steht.
Anschließend wird die Form abgezogen. Der Frischbeton kann
sich dann ausbreiten, wobei zusätzlich die Platte 15 mal auf
einer Seite angehoben und fallen gelassen wird. Dabei wird auf den
Frischbetonkuchen eine Beschleunigung ausgeübt. Als Maß für
die Konsistenz des Frischbetons wird der Durchmesser des sich ergebenden
Frischbetonhaufens an zwei Stellen auf 10 mm genau mit einem Maßstab
gemessen. Die Fallhöhe des Ausbreittisches ist zwar definiert,
die tatsächlich auftretende Kraft auf den Frischbeton wird nicht
erfasst und ist stark vom Laboranten abhängig. Dieser kann
die Platte zum Beispiel ruckartig oder langsam loslassen. Ein ähnliches
Verfahren findet bei Mörtel für Mauerwerk Anwendung
(DIN EN 1015-3, 2004). Auch hier wird das Prüfgut in eine Form
mit definiertem Volumen und Durchmesser eingefüllt. Dann
wir die Form abgezogen. Der Ausbreittisch wird mittig mittels einer
Hubvorrichtung mehrmals angehoben und wieder fallen gelassen. Auch hier
wird anschließend der Durchmesser des Mörtelhaufens
mit einem Messschieber an zwei Stellen gemessen. Der Messwert ist
auf 1 mm genau anzugeben. Bei dieser Prüfvorrichtung ist
der Einfluss des Laboranten auf die Beschleunigung des Prüfmaterials
zwar geringer, allerdings kann hier mangelhafte Wartung die Fallgeschwindigkeit
und somit die Beschleunigung des Ausbreittisches beeinflussen.
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Für
hydraulisch erhärtende Bodenspachtelmassen ist ebenfalls
ein ähnlicher Versuch in der DIN EN 12706, 1999 beschrieben.
Hier wird das Material in ein Rohr mit definiertem Durchmesser eingefüllt, das
auf einer Glasplatte steht. Das Rohr wird hochgezogen. Nach einer
festen Zeit wird der Durchmesser des ausgelaufenen Materials als
Maß für die Fließfähigkeit bestimmt.
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Das
Auslaufen von Material aus einem Vorratsbehälter in eine
leere Rinne wird ebenfalls zur Beurteilung von Fließeigenschaften
herangezogen (
JP 2004069363 ).
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Für
sehr fließfähige Materialien, wie selbst verdichtender
Beton, werden Ausbreitversuche vorgegeben, bei denen die Zeit bis
zum Erreichen eins vorgegebenen Durchmessers bestimmt werden muss
(Richtlinie SVB des Deutsche Ausschusses für Stahlbeton).
Hier muss der Laborant mit der Stoppuhr eine Zeit registrieren,
die häufig unterhalb von 5 Sekunden liegt. Der Messfehler
ist hier entsprechend groß.
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Da
das Ablesen des Ergebnisses mittels Messschieber oder Maßstab
fehlerbehaftet ist und der Zeitverlauf des Ausbreitens nicht genau
erfasst werden kann, wurden mehrere Verfahren vorgeschlagen, das
Fließen des Prüfgutes automatisch zu erfassen.
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In
JP7280716 wird mit einem
Lichtgitter die horizontale und vertikale Formänderung
des Materials über die Zeit erfasst. Ein Lichtgitter besteht
aus mehreren, nebeneinander oder übereinander angeordneten
Lichtschranken. Da die Anzahl der Lichtschranken, die nebeneinander
angeordnet sind, nicht beliebig erhöht werden kann, ohne
dass sich diese gegenseitig beeinflussen, ist die Auflösung
hier auf diskrete Punkte beschränkt. Außerdem
kann die Optik der Lichtschranken leicht verschmutzen.
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In
JP9218196 sind in den Ausbreittisch
mehrere diskrete Vertiefungen eingebracht. Es wird registriert,
wann das Material in die jeweilige Vertiefungen einläuft.
Auch hier ist die örtliche Auflösung der Messung
auf einzelne Linien beschränkt. Die Vertiefungen beeinflussen
das Fließverhalten des Materials und sind außerdem
schwer zu reinigen.
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Ebenfalls
beschrieben sind technisch aufwändige Verfahren, bei denen
die Formänderung des sich ausbreitenden Materials über
eine Videokamera aufgezeichnet wird. Durch Methoden der Bildverarbeitung
wird die Fläche des Materials über die Zeit als
Kurve ausgewertet (Tsong-Yen; Kuan-Hung-Chen; Chao-Shun-Chang;
Tung-Dju-Lin, Developing a digital photography system for measuring
transient flow of fresh concrete – 6th Internat. Symp.
an Utilization of High Strength/High Performance Concrete, Proc.
*(2002) Seite 1555-1565).
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Auch
in
JP10267921 wird
die Größe des Ausbreitkuchens mit einer Videokamera
bewertet. Wird eine Messeinrichtung mit Kamera an einem sich bewegenden
Ausbreittisch verwendet, muss zusätzlich die Bewegung des
Tisches erfasst werden und diese aus der aufgezeichneten Bewegung
des Prüfmaterials herausgerechnet werden. Wird die Kamera und
die Beleuchtungseinrichtung starr mit dem Messtisch verbunden, entfällt
dieses Problem, die Kameratechnik muss dann aber mechanisch robust
und somit aufwändig ausgeführt werden.
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Es
ist bekannt, dass viele Fluide elektrisch leitfähig sind.
Zum Beispiele ist ist Frischbeton, Zementmörtel oder Zementleim
vor dem Erstarren elektrisch leitfähig, da hier Ionen vorhanden
sind, beziehungsweise während der Hydratation der Klinkerphase
freigesetzt werden (
JP59102148 ).
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In
DE10007612 wird unter anderem
die elektrische Leitfähigkeit des Materials ausgenutzt,
indem das Material in den Ausbreittisch eingebrachte einzelne Kontakte überbrückt
und dadurch einen oder mehrere Stromkreise schließt. Dadurch
kann die Abmessungen des Materialkuchens zwar in verschiedenen Richtungen,
aber nur an einzelnen diskreten Punkten gemessen werden. Eine Fläche
mit elektrischen Kontakten ist nach dem Versuch schwer zu reinigen.
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Außerdem
ist bekannt, dass die Fließgeschwindigkeit in Abhängigkeit
von der Beschleunigung über die Zeit, bei gegebener Masse
des Material zusätzliche Aussagen über die rheologischen
Materialeigenschaften eines Materials liefern kann (Ferraris,
C. F., de Larrard F. – "Modified Slump Test to Measure
the Rheological Parameters of Fresh Concrete" – Cement,
Concrete and Aggregates, CCAGDP, Vol. 20, No. 2, Dec. 1998, pp 241–247).
Dies wird aber bei den aufgeführten Verfahren nicht berücksichtigt.
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Problem
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Der
im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde,
das Fließen des Materials bei Ausbreit- oder Auslaufversuchen
so zu messen, dass die Formänderung des Materials nicht nur
durch diskrete Messpunkte sondern das Fließen des Materials
kontinuierlich erfasst wird, und der Einfluss der Beschleunigung
des Ausbreittisches mitgemessen wird, um den Einfluss des Laboranten
oder der Hubvorrichtung und deren Einfluss auf die Fließgeschwindigkeit
des Materials zu erfassen.
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Lösung
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Dieses
Problem wird gelöst, indem das elektrisch leitfähige
Prüfmaterial, wie zum Beispiel Frischbeton oder Mörtel,
mit einer elektrisch nicht leitfähigen Platte und einer
darunter liegenden elektrisch leitfähigen Platte einen
Plattenkondensator bilden. Diese beiden Platten bilden den Ausbreittisch.
Das Prüfmaterial ist durch eine Elektrode mit einer Kapazitätsmesseinrichtung
verbunden, ebenso die leitfähige Platte. Fließt
das Prüfmaterial auseinander, so vergrößert
sich die Fläche der einen Kondensatorplatte, die das Prüfmaterial
bildet. Da die isolierende Platte eine bekannte Dicke und relative
Dielektrizitätskonstante hat, ist die Kapazität
dieses Kondensators somit ein Maß für Materialfläche
auf dem Ausbreittisch, und wird kontinuierlich durch eine geeignete
Kapazitätsmesseinrichtung aufgezeichnet. Zusätzlich
ist ein Beschleunigungsaufnehmer am Ausbreittisch angebracht, der
gleichzeitig mit der Fläche des Prüfmaterials
die auf das Prüfmaterial wirkende Beschleunigung misst.
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Vorteilhafte Wirkung der Erfindung
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass die Fläche des Prüfgutes auf dem Ausbreittisch über
alle Punkte und nicht nur an einzelnen Stellen aufge zeichnet wird. Vorteilhaft
kann eine vollständig glatte Platte verwendet werden. Diese
beeinflusst das Fließverhalten nicht und ist leicht zu
reinigen. Die Oberflächenrauigkeit und ander Eigenschaften
können völlig frei gewählt werden, solange
die Platte elektrisch nicht leitfähig ist. Die Platte kann
auch leicht gewechselt werden, da durch eine einfach Abgleichprozedur
die absolute Dicke und die Dielektrizitätskonstante der
Platte aus dem Messergebnis herausgerechnet werden können.
Das Messen einer Kapazitätsänderung ist Stand
der Technik und einfach und preiswert zu realisieren.
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Wird
der Eingangswiderstand der Kapazitätsmesseinrichtung sehr
hoch gewählt, so darf der spezifische Leitwert des Prüfmaterials
weniger als 0,01 mS/cm betragen. Bei Mörtel liegt dieser
Wert zum Beispiel bei 1 bis 10 mS/cm
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Die
Messeinrichtung kann so klein ausgeführt werden, dass sie
leicht in den Ausbreittisch eingebaut werden kann. Aufwändige
Rechentechnik wie bei einer Lösung mit Videokamera ist
nicht notwendig. Der Laborant kann unbehindert von einem Kamerastativ
oder einer Beleuchtungseinrichtung arbeiten. Der zusätzlich
verwendete Beschleunigungssensor erlaubt es, die auf das Material
ausgeübte Beschleunigung objektiv zu erfassen. Der Einfluss
des Laboranten oder der Einrichtung wird also vorteilhaft mit aufgezeichnet.
Zusätzlich kann die Fließgeschwindigkeit in Abhängigkeit
von den Beschleunigungskräften auf das Material aufgezeichnet
werden. Daraus können zusätzliche Materialkenngrößen
abgeleitet werden.
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Die
Erfindung ist so einfach gestaltet, dass vorhandene Ausbreittische
leicht nachgerüstet werden können. Es reicht aus,
eine leitfähige Platte (z. B. Metall) und darauf eine nicht
leitfähige Platte (zum Beispiel Glas, Kunststoff oder Keramik)
auf die vorhandene Vorrichtungen aufzulegen, und die leitfähige
Platte mit der Auswerteelektronik zu verbinden. Ist der Ausbreittisch
bereits leitfähig, dann reicht es sogar aus, nur eine nicht
leitfähige Platte aufzulegen. Die Elektrode, die das Prüfmaterial
mit der Auswerteelektronik verbindet, und damit die zweite Platte
des Plattenkondensators bildet, kann aus einem einfachen am Ende
abisolierten Kabel bestehen.
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In
der technischen Praxis werden Kapazitäten häufig
so gemessen, dass der Wert des zu messenden Kondensators und die
Kapazität eines bekannten Vergleichskondensators verglichen
werden. Haben diese beiden Kondensatoren eine gemeinsame Platte,
und bilden diese Kondensatoren eine mechanische räumliche
Einheit, so spricht man von einem Differenzialkondensator. Vorteil
einer solchen engen räumlichen Anordnung ist, dass Störungen
auf beide Kondensatoren gleich einwirken. Da aber nur die Differenz
der beiden Kapazitätsmessungen erfasst wird, werden solche
Gleichtaktstörungen unterdrückt.
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In
der Erfindung kann der Vergleichskondensator in gleicher Baugröße
als ein weiteres Paar aus leitfähiger Platte und Dielektrikum
direkt unter dem Messkondensator angebracht werden und mit diesem
eine räumliche Einheit bilden. Wird eine kleine Baugröße
angestrebt, kann dieser Referenzkondensator aber auch als handelsübliches
Bauelement in die Kapazitätsmesseinrichtung eingebaut werden. Ebenso
ist es möglich, bekannte direkt messende Kapazitätsmessverfahren
zu verwenden, die keinen Referenzkondensator benötigen.
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Ebenso
kann ein Beschleunigungsaufnehmer leicht nachgerüstet werden.
Der Beschleunigungssensor kann bei Ausbreittischen, die bewegt werden,
vorteilhaft als Bewegungssensor die Aufzeichnung der Messdaten automatisch
starten, die Anzahl der Hübe mitzählen, und die
Messung nach dem letzten vorgegeben Hub auch automatisch beenden.
Ein Bewegungssensor, der waagrecht zur Erdoberfläche liegt
und vom Erdmittelpunkt weg misst, zeigt einen Wert von 1 g entsprechend
der mittleren Erdbeschleunigung an. Ist der Ausbreittisch nicht
korrekt waagrecht ausgerichtet, wie in den meisten Prüfnormen
vorgeschrieben, so weicht der Wert des Beschleunigunssensors von
1 g ab. Der Beschleunigungssensor kann also vorteilhaft auch zum Ausrichten
des Ausbreittisches verwendet werden.
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Darstellung der Erfindung und ihrer möglichen
Varianten:
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird im Folgenden als elektronisches Ausbreitmaß beschrieben.
Es zeigen 1 das elektronische Ausbreitmaß als
Schnitt in Seitenansicht, 2 als Draufsicht.
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Das
elektronische Ausbreitmaß besteht, wie ein bekanntes Ausbreitmaß,
aus einer Platte (1) Auf dieser Platte (1) wird
das Prüfmaterial (2) in eine Form (9)
gefüllt. Die Form (9) wird dann entfernt und das
Prüfmaterial (2) breitet sich auf der Platte (1)
aus. Gleichzeitig kann der Ausbreittisch mit einer geigneten Vorrichtung
(10) hochgehoben und fallengelassen werden. Dies ist Stand
der Technik. Beim elektronischen Ausbreitmaß ist die Platte
(1) nun aus einem elektrisch nicht leitfähigen
Material ausgeführt. Unter der Platte (1) sitzt
eine weitere Platte (3), die aus einem elektrisch leitfähigen
Material ausgeführt ist. Eine Elektrode (8) taucht
von oben oder von der Seite in das elektrisch leitfähige
Prüfmaterial (2) ein, wobei die Spitze der Elektrode
elektrisch leitfähig mit dem Prüfmaterial verbunden
ist, der Rest dieses Kabels ist außen isoliert. Die Platte
(3) und das elektrisch leitfähige Prüfmaterial
(2) bilden mit dem Dielektrikum (1) einen Plattenkondensator,
hier Messkondensator genannt. Die beiden Platten dieses Kondensators
sind mit einem Kabel (11) und der Elektrode (8) mit
einer Kapazitätsmess- und Registriereinrichtung (5)
verbunden. Platte (7) und Platte (3) sind elektrisch leitfähig.
Zusammen mit der elektrisch nicht leitfähigen Platte (6)
bilden sie eine zweiten Plattenkondensator, hier Referenzkondensator
genannt. Dieser ist mit Kabel (11) und (12) ebenfalls
mit der Kapazitätsmesseinrichtung (5) verbunden.
Der Messkondensator, bestehend aus (2), (1) und
(3) und der Referenzkondensator, bestehend aus (3),
(6) und (7), bilden zusammen einen Differenzialkondensator.
Am Ausbreittisch, zum Beispiel an Platte (7), ist zusätzlich
ein Beschleunigungsaufnehmer angebracht, der in Richtung der durch
die Vorrichtung (10) gegebenen Bewegung arbeitet.
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Dieser
ist über ein Kabel (15) mit der Registriereinrichtung
(5) verbunden, und die Beschleunigungssignale werden dort aufgezeichnet.
Diese Mess- und Registriereinrichtung ist nach Stand der Technik
mit einer Anzeigeeinrichtung (13) einer mobilen Datenspeichereinrichtung,
einer Computer- oder Netzwerkschnittstelle (14), sowie
einer drahtlosen Schnittstelle ausgestattet.
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Die
Platte (1) ist so ausgestaltet, dass sie sich zum Reinigen
leicht von Platte (3) lösen lässt. Auch
die Elektrode (8) ist flexibel ausgestaltet und kann so
leicht gereinigt werden.
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Der
Ablauf einer Messung mit dem erfindungsgemäßen
elektronischen Ausbreitmaß erfolgt auf nachstehende Weise:
Das
zu vermessende Prüfgut (2), das elektrisch leitfähig
ist, wird in eine Form (9) eingefüllt, die auf
der nicht leitfähigen Platte (1) steht. Zusätzlich
wird das Prüfgut mit der Elektrode (8) verbunden.
Die Kapazitäts-, Mess- und Registriereinrichtung (5)
wird gestartet und zeichnet nun die Kapazität des Messkondensators
gebildet aus Prüfgut (9), Dielektrikum (1)
und Platte (3), auf.
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Da
die Dicke der Platte (1) und deren Dielektrizitätskonstante
konstant ist, ist die gemessene Kapazität ein Maß für
die Fläche, die das Prüfgut auf der Platte (1)
einnimmt. Da die Grundfläche der Form (9) und
damit die Ausgangsfläche bekannt ist, kann der Ausgangskapazität
ein Flächenmaß zugeordnet werden.
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Die
Form (9) wird nun entfernt, wobei die Elektrode (8)
mit dem Prüfmaterial verbunden bleibt. Das fließfähige
Material (2) breitet sich nun auf der Platte (1)
aus. Hierdurch vergrößert sich die Kontaktfläche
des Prüfmaterials (2) zur Platte (1)
und damit die Kapazität des Messkondensators aus (2),
(1) und (3). Verdoppelt sich die Kapazität
im Verhältnis zur Ausgangskapazität, so hat sich
auch die Fläche des Prüfmaterials (2)
auf Platte (1) im Verhältnis zur Ausgangsfläche
verdoppelt. Dabei wird der sich verändernde Kapazitätswert
des Messkondensators mit dem konstantem Wert des Referenzkondensators, gebildet
aus den Platten (3) und (7) und dem Dielektrikum
(6), verglichen. Dadurch werden Störungen zum
Beispiel auf den Zuleitungen (8), (11) und (12) kompensiert.
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Das
Fließen des Materials (2) kann durch Hub- oder
Kippbewegungen durch Vorrichtung (10) beeinflusst werden.
Dabei wird die tatsächlich auftretende Beschleunigung durch
den Beschleunigungsaufnehmer (4) gemessen, und gleichzeitig
zur Kapazitätsänderung in der Registriereinrichtung
(5) gespeichert. Diese berechnet aus der vorher einzugebenden
Ausgangsfläche und der gemessenen Ausgangskapazität
und aus dem aktuellen Kapazitätswert den aktuellen Flächenwert.
Unter der Annahme, dass sich das Prüfgut kreisförmig
ausbreitet, wird der Durchmesser des Ausbreitkuchens errechnet.
Fläche, Durchmesser, sowie Beschleunigung werden auf der
Anzeigeeinheit (13) der Registriereinrichtung (5)
numerisch und grafisch dargestellt. Die Daten werden auf einer Speichereinheit
abgelegt. Zur Weiterverarbeitung kann man die Daten über
die vorhandenen Schnittstellen (14) auslesen.
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Ist
die Messung beendet, kann die Platte (1) entfernt und somit
leicht gereinigt werden. Dies gilt ebenfalls für die Elektrode
(8) und die Form (9).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2004069363 [0004]
- - JP 7280716 [0007]
- - JP 9218196 [0008]
- - JP 10267921 [0010]
- - JP 59102148 [0011]
- - DE 10007612 [0012]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Tsong-Yen;
Kuan-Hung-Chen; Chao-Shun-Chang; Tung-Dju-Lin, Developing a digital
photography system for measuring transient flow of fresh concrete – 6th
Internat. Symp. an Utilization of High Strength/High Performance Concrete,
Proc. *(2002) Seite 1555-1565 [0009]
- - Ferraris, C. F., de Larrard F. – "Modified Slump Test
to Measure the Rheological Parameters of Fresh Concrete" – Cement,
Concrete and Aggregates, CCAGDP, Vol. 20, No. 2, Dec. 1998, pp 241–247 [0013]