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Gegenstand
der Erfindung sind Verfahren zum Herstellen von Betonmischung durch
Dosieren und Mischen der Mischkomponenten.
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Es
ist ein Verfahren zum Herstellen von Betonmischung durch Dosieren
und Mischen der Mischkomponenten in einem Mischer, bis die Betonmischung
homogen wird, mit nachfolgendem Einbringen der homogenen Betonmischung
in einen Fahrzeugmischer, in dem während der Transportieren
zur Baustelle gleichzeitig, um das Enthomogenisieren zu vermeiden,
weiter gemischt wird, bekannt. Die Nachteile des erwähnten Verfahrens
sind folgende: 1. Sehr lange Mischzeit mit dem daraus resultierenden
hohen Energieaufwand. 2. Beim Herstellen der hochleistungsfähigen
Betonmischung für Betone mit hoher Festigkeit ist notwendig,
Zemente mit hoher Feinheit (bis 6000 cm2/g
nach Blaine) einzusetzen, was ebenfalls einen noch deutlich höheren Energiebedarf
für das Mahlen von Zement und Betonmischen erfordert.
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Durch
die Druckschrift „Beton" Nr. 12, 2005, S. 614–617 ist
ein Verfahren für die Herstellung der selbst verdichtenden
Betone bekannt, bei dem die Fließfähigkeit der
Betonmischung durch Verwendung der hochwirksamen Fließmitteln,
durch hohen Anteil von feindispersen Bestandteilen (Zement + Füller)
und durch noch längere Mischzeit im Schnitt bis ca. 4 Minuten
erreicht wird. Aufgrund der in Bezug auf den Mehlkorngehalt geringen
Wassergehalte und hohen Zusatzmitteldosierungen wird bei der Herstellung
der selbst verdichteten Betone mehr Energie benötigt. Dies
verringert die Kapazität der Mischanlagen und erhöht
den Energieverbrauch.
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Es
ist ein Verfahren bekannt, das die Kapazität des Betonwerks
durch Verwendung eines „hybriden" Mischvorganges ermöglicht
zu steigern. (Drucksschrift „Beton" Nr. 12, 2005,
S. 617). Sinn des „hybriden" Mischvorganges besteht
in einem stufenweißen Verfahren durch Vormischen und Endmischen.
Beim Vormischen in der Mischanlage werden alle Mischkomponenten
nur kurz (bis 30 s.) vorgemischt. Nachher wird die Mischung in den
Fahrzeugmischer verladen, wo die abschließende Endmischung
bei niedriger Mischintensität erfolgt. Die Nachteile des „hybriden"
Mischvorganges bestehen darin, dass die Kapazität der Mischanlagen trotzdem
niedrig und der Energieverbrauch noch zu hoch bleibt. Die Ursache
liegt daran, dass beim Vormischen alle Mischkomponenten, wie die
feine (Sand, Füller, Zement), so auch die grobe (Kies,
Splitt), auf die der größte Massenanteil (mehr
als 60%) der gesamten Mischkomponenten ankommt, in der Mischanlage
gemischt werden. Beim Herstellen der hochleistungsfähigen
Betonmischung für Betone mit hoher Festigkeit ist außerdem
notwendig, Zemente mit hoher Feinheit (bis 6000 cm2/g
nach Blaine) einzusetzen, was ebenfalls einen noch deutlich höheren
Energiebedarf für das Mahlen von Zement und Betonmischen
erfordert.
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Die
bekannten Verfahrensweisen sind dadurch nachteilig, dass der Energieaufwand
für das Mischen der Betonkomponenten noch zu groß und
dadurch die Durchsatzleistung der Mischanlage noch zu niedrig ist. Die
Leistungsfähigkeiten der nach den bekannten Verfahren hergestellten
Betonmischung und als Folge die bautechnischen Eigenschaften von
Beton, wie Festigkeit, bleiben beim Einsatz der groben Zemente niedrig. Durch
die hohe Mischzeit der Mischkomponenten hat man einen erhöhten
Abrieb des Mischers zur Folge. Die Zementfraktion mit Korngrößen über
80 μm last sich nicht auf 100% hydratieren. Deshalb bleibt
der Kern von groben Zementteilchen im Betonstein als innerter Füller.
Dies führt dazu, dass der gesamte Aufwand und vor allen
der eingesetzte Energieaufwand beim Zementherstellen kann als Bindemittel
nicht vollständig wegen der unvollständigen Hydratation
umgesetzt werden. Auf diese Weise kann bis 10% von Zement verloren
gehen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend angegebenen
Nachteile beim Herstellen von Betonmischung zu überwinden.
Durch das Vormischen zuerst der feinkörnigen Bestandteile
der Betonmischung und deren gleichzeitige mechanisch und/oder Ultraschal
bedingte Aktivierung während der stufenweise ablaufenden
Betonmischung mit abschließendem Endmischung gesamter Mischkomponenten
ist es in einzelnen möglich, die Früh- und Endfestigkeit
von Beton besonders beim Einsatz der grob gemahlenen Zemente zu
erhöhen und damit die Herstellung der hochfesten Betone
durch die Benutzung der grob gemahlenen Zemente zu realisieren,
die Leistungsfähigkeit der Betonmischung bzw. die Festigkeit
der Betone zu erhöhen, den Energieaufwand beim Betonmischen
zu senken, die Mischzeit zu verringern und damit die Durchsatzleistung
der Mischanlage zu erhöhen und dennoch die Zement- und
damit Betonqualität zu verbessern sowie den Verschleiß der
Mischerverkleidung und der Rührschaufeln zu senken.
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Durch
die Erfindung ist es unter anderem möglich, für
die Herstellung der hochfesten Betone grob gemahlene Zemente zu
benutzen und dennoch potenzielle Fähigkeit des als Bindemittel
bis 100% zu erhöhen. Die bautechnischen Zement- und Betoneigenschaften
werden verbessert.
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Die
Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß Anspruch
1. Bevorzugte Ausgestaltungsformen sind Gegenstand der Ansprüche
2 bis 8.
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Die
beim Einsatz des neuen Verfahrens vollziehenden Erscheinungen werden
wie folgt erklärt:
Der spätere und besonders
frühere Hydratationsgrad von Zement und damit die Festigkeit
von Beton werden vor allem von der Feinheit des Zementes, einschließlich
seiner hydraulischen und nicht hydraulischen Zusatzstoffe, bestimmt.
Deshalb wird es angestrebt, die Zementfeinheit zu erhöhen.
Die Mahlbarkeit des Zementklinkers ist relativ niedrig, was beim
extremen Feinmahlen bis 6000 cm2/g nach
Blaine und darüber einen sehr hohen Energieaufwand auslöst.
Die Bildung eines wasserundurchlässigen Gels an den Oberflächen
der Zementteilchen nach dem Wasseranmachen minimiert die Energieeffizienz
des Feinmahlens. Maßgebend dafür sind die in den
ersten Minuten nach dem Anmachen mit Wasser ablaufenden Reaktionen.
Dies sind in erster Linie die chemischen Reaktionen des Tricalciumaluminats
im Klinker mit dem als Erstarrungsregler zugesetzten Calciumsulfat
zu Ettringit.
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Die
beim Wasser-Anmachen entstehenden Neubildungen sind extrem weich,
und können deshalb mit minimallem Energieverbrauch von
der Oberfläche der Zementteilchen unter einer entsprechenden
mechanisch und/oder Ultraschal bedingten Einwirkung entfernt werden.
Auf diese Weise können Zementteilchen beim minimalen Energieaufwand
während der Betonmischung nachgemahlen werden.
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Das
nach bekanten Verfahren geführte Zusammenmischen aller
Betonbestandteile von Anfang an führt zu einem enormen
Energieaufwand und Senkung der Energieeffizienz. Die Zementteilchen
können dabei nicht gezielt ausreichend effektiv behandelt,
um damit die eckigen Kanten der Zementteilchen abzureiben und die
noch weiter zu zerkleinern. Gerade der effiziente Ablauf der erwähnten
Erscheinungen kann durch verbesserte Zementteilchenverpackung die
Verflüssigung der feinen Betonbestandteile und damit die
Homogenisierung beschleunigen sowie den Wasserverbrauch von Betonmischung
senken.
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Aus
oben beschriebenen Darstellungen ist es zu erwarten, dass eben die
Homogenisierung der feinen Bestandteile der Betonmischung die Mischzeit
maßgebend bestimmt. Aus diesen Gründen ist es
zweckmäßig, nur Zement mit Füller, Fließmittel
und einem Anteil von feinen Komponenten der Betonmischung, wie Sand
zu behandeln. Die zum Wasser innert bleibenden Körner von
Sand und Füller können als abrasives Material
die Abreibung der Neubildungen von der Oberfläche der Zementteilchen
selbstverständlich maßgebend beschleunigen. Dies
ist unter einer intensiven mechanisch und Ultraschal bedingten Wirkung
möglich.
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Nach
dem derzeit bekannten Wissenstand ist diese Erscheinung wie folgt
zu erklären: Durch ein separat aktiviertes Mischen des
feinen Anteils der Betonmischung wird die Menge des für
die Anfangshydratation erforderlichen chemisch bedingten Wasserbedarfs
erhöht aber die in den die Zementpartikel überziehenden elektrischen
Doppelschichtumhüllungen physikalisch eingebundene Wassermenge
und für die Verflüssigung notwendige freie Wassermenge
hingegen vermindert. Der gesamte Wasserbedarf nimmt damit ab. Dabei
ist denkbar, dass die Konzentration von hochwertigen Ionen, wie
Ca+2, Al+3, Fe+3 in den die Zementpartikel überziehenden
elektrischen Doppelschichtumhüllungen deutlich erhöht
wird. Dies hat eine Verringerung der Diffusionsschichtdicke der
elektrischen Doppelschicht zur Folge, was eine erste Verminderung
der physikalisch bedingten Wassermenge auslöst. Eine weitere
Abnahme der physikalisch bedingten Wassermenge wird durch die daraus
resultierende beschleunigte Etringitbildung fortgesetzt.
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Das
ist wie folgt zu erklären: Bekanntermaßen können
durch die Bildung eines besonders quellbaren Gels aus Etringit die
Zementteilchen für Wasser vorübergehend undurchlässig
werden. Auf diese Weise kann die frühe Hydratation nicht
nur von der Feinmahlung des Klinkers einschließlich seiner
hydraulischen und nicht hydraulischen Zusatzstoffe bestimmt werden,
sondern auch von der Möglichkeit der Bildung eines wasserundurchlässigen,
schwerlösbaren Gels an den Oberflächen der Zementteilchen.
Dabei verhalten sich die hydratierten Zementteilchen vorübergehend
wie ein chemisch innerter Füller.
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Durch
eine rapide Minimierung der Stärke der elektrischen Doppelschicht
kann dabei der Abstand zwischen Zementteilchen vermindert werden,
so dass die Zementpartikel enger aneinander gelagert, und die Hohlräume
zwischen den Teilchen verringert werden. Daraus resultieren eine
entsprechende Zunahme der chemisch bedingten und eine rasche Abnahme
der in den Diffusionsschichten physikalisch eingebundenen Wassermenge
sowie Verringerung der notwendigen für Verflüssigung
freien Wassermenge. Damit wird der gesamte Wasserbedarf des Zementes
verringert.
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Die
Tatsache, dass die Verflüssigung der Betonmischung bei
einer Aktivierung durch intensive Mischung einen geringen Wasseranspruch
aufweist sowie die Verflüssigung während des Mischen
schlagartig abläuft, zeigt, dass die vorstehenden Überlegungen
richtig sind.
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Großtechnisch
wird die Betonmischung in zwei Vorgängen wie folgt hergestellt:
- – Beim ersten Vorgang des Betonmischens
wird ein homogener und aktivierter zementhältiger Leim
mit dem Füller und einem Sandanteilhergestellt.
- – Im zweiten Vorgang wird eine Mörtel- oder
Betonmischung aus aktiviertem zementhaltigem Leim mit entsprechenden
Gesteinkörnungen gefertigt.
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Beim
ersten Vorgang werden mit Wasser nur die feinsten Komponenten der
Betonmischung und zwar Zement Füller und ein Sandanteil
zusammengemischt. Um besonders den grob gemahlenen Zement effektiv zu
Aktivieren muss das Wasserzementwert im Bereich 0,10 und 0,30 liegen.
Bei solchem niedrigen Wassergehalt wird die Reibung zwischen den
grob gemahlenen Zementpartikelchen, einerseits, sowie zwischen den Zementpartikelchen
und dem Füller und Sand, anderseits, besonders groß.
Die notwendige Fließfähigkeit des Zement-Leimes
kann durch Verwendung von hochwirksamen Fließmitteln und
durch das Einbringen in die Mischung einer bestimmten Verflüssigungsenergie
erreicht werden. Diese Verflüssigungsenergie wird in den konventionellen
Mischern durch eine verlängerte Mischzeit in die Mischung
eingebracht. Dies kann in einer deutlich kürzeren Zeit
mit einer deutlich stärkeren Energieeffizienz in Mischern
mit hoher Geschwindigkeit und/oder mit der Ultraschalbehandlung
erreicht werden.
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Bei
einem kurzen mit hoher Geschwindigkeit ablaufenden Durchmischen
des Zement-Leimes werden die angefeuchteten Zementkörnchen
dünn zerrieben. Dass erhöht seine hydraulische
Aktivität. Besonders große Effektivität
des Mischens wird bei Verwendung von grob gemahlenen Zementen erreicht.
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Beim
zweitem Vorgang werden der aktivierte zementhaltige Leim mit den
groben Gesteinskörnungen der Mörtel- oder Betonmischung,
dass heißt mit dem Sandrest und dem Kies (Splitt) zusammengemischt.
Da beim ersten Vorgang der Herstellung des aktivierten zementhältigen
Leims ein sehr gutes Durchmischen zwischen den Zement, Füller
und eingesetztem Sandanteil mit dem Wasser und Fließmittel
erreicht wird, ist beim zweiten Vorgang nach der Zugabe des Sandrestes
und der groben Gesteinkörnungen (Kies, Splitt) für
die Homogenität der Mörtel- oder Betonmischung
in den konventionellen Mischer eine relativ kurze Zeit von 15–20
s notwendig.
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Das
neue Verfahren kann in den Beton- und Fertigteilwerken realisiert
werden durch Einbauen in die Betonmischanlage eines kleinen Zementaktivators
(ein Mischer mit hoher Geschwindigkeit und/oder ein Ultraschalgenerator),
aus dem der aktivierte zementhältige Leim gleichzeitig
mit den Gesteinkörnungen in den Mischer der Betonmischanlage
eingeladen werden.
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Bei
Transportbetonwerken kann das neue Verfahren ohne Betonmischer der
Mischanlage realisiert werden. Die nötige Menge von Gesteinkörnungen
(feine und grobe) und der akti vierte zementhältige Leim
werden direkt in den Fahrzeugmischer eingeladen. Das langsames,
aber langes Mischen beim Transportieren zur Baustelle mit vor der
Ausladung intensivem Mische mindestens innerhalb 5 min garantiert
ein homogenes durchmischen der Gesteinkörnungen mit dem
zementhältigem Leim.
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Das
neue Verfahren läst zu, die energieeffiziente Verwendung
besonders der grob gemahlene Zemente für die Mörtel-
und Betonmischungen zu gewähren.
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Zudem
ist ein Abreiben der ersten Hydratphasen im Beton vorstellbar, wodurch
neue Reaktionsflächen entstehen. Diese Vorgänge
haben eine fortschreitende Erhöhung der Oberfläche
und somit eine Erhöhung des Wasser- und Fließmittelanspruchs
zur Folge und führen zu einem Abfall der Fließfähigkeit.
Bei Rüttelbetonen stellte man fest, dass die Verfeinerung
des Zements infolge langen Mischens den Zementleim sämiger
und klebriger macht und schließlich zu einer Erhöhung
der Festigkeit des Betons führt.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind nach dem Anspruch 1 unter dargestellt und werden
im Folgenden näher beschrieben:
Als Bindemittel für
die Versuche wurden CEM I 32.5 R und zum Vergleich CEM I 52,5 R
verwendet.
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Damit
die Ergebnisse des neuen Verfahrens mit den bekannten Verfahren
verglichen werden können, wurden Referenzbetonmischungen
nach dem konventionellen Verfahren in einem konventionellen Betonmischer
vorbereitet, bei denen alle Bestandteile durch einstufiges Mischen
während 5 min homogenisiert wurden. Auf diese Weise wurde
ein konventionelles Verfahren simuliert.
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Für
das neue Verfahren wurde zweistufiges Mischen, aus Vormischstufe
und Endmischstufe bestehend, verwendet. In der Vormischstufe wurden
entsprechend den berechneten Massenverhältnissen die feinkörnigen
Betonkomponenten, Zement, Mickrosilika und Fließmittel
auf 100% mit einem Anteil des Sandes von 10% gemeinsam in einem
Schnellmischer durch das extrem intensive Mischen beim Gang III
während 3 min aktiviert. Auf diese Weise wird in der Mischung
nur bis 20–30% des Massenanteils der gesamten Betonmischung
in das Mischen einbezogen. Dies macht möglich, den Energieaufwand
in der Vormischstufe bis 70–80% einzusparen.
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Die
Homogenisierung der gesamten Komponenten der Betonmischung in der
Endmischstufe wurde in einem konventionellen Betonmischer nach berechneten
Massenverhältnissen bei einer kurzen Mischzeit von 30 s
für Beton und 60 s für Mörtel erreicht.
Damit läst sich die gesamte Mischzeit von 5 min auf bis
3,5 min, d. h. um bis 1,5 min verkürzen. Dies bedeutet wiederum
einen zusätzlichen Energieaufwand um bis 19% niedriger.
Beim Herstellen von Transportbeton die Endmischstufe kann bis 15
s verkürzt werden. Damit ist möglich, den Energieaufwand
noch einzusparen. Die Qualität der hergestellten Betonmischungen
wurde nach der Druckfestigkeit beurteilt.
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1. Versuche mit Betonmischungen:
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Um
das neue Verfahren zu prüfen, wurden in der Vormischstufe
Zement CEM I 32.5 R, Sand in einer Menge von 10% des gesamten Sandanteils
in der Betonmischung, was einem Sand/Zement-Verhältnis
von 1:5 entspricht, und ein Fließmittel in einem Schnellmischer
beim Gang 3 währen 3 min intensiv gemischt. In der Endmischstufe
wurde die Mischung mit dem Rest des Sandes dem Kiessand und Kies
der Betonmischung bei konventioneller Intensität während
noch 30 s fortgesetzt.
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Nach
dem bekannten Verfahren wurden alle Betonkomponenten in voller Menge
eingesetzt.
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Die
Massenanteile der gesamten Betonmischung sind in Tabelle 1 dargestellt.
| Einwaagemengen
der Betonmischung in kg/m3 | Fließmittelgehalt in % | W/Z-Wert | Zement | Verfahren | Druckfestigkeit nach 7 Tagen in N/mm2 |
| Zement | Sand 0/2 | Kiessand 2/8 | Kies 8/16 | Kies 16/32 |
| 350 | 632 | 472 | 401 | 310 | 0,9 | 0,36 | CEM
I 32,5 R | Bekanntes | 52 |
| 350 | 632 | 472 | 401 | 310 | 0,9 | 0,36 | CEM
I 52,5 R | Bekanntes | 84 |
| 350 | 632 | 472 | 401 | 310 | 0,9 | 0,36 | CEM
I 32,5 R | Neues | 81 |
Tabelle 1: Massenanteile der Betonmischung
und Ergebnisse der Druckfestigkeit nach den neuen und bekannten
Verfahren.
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Aus
der Tabelle 1 folgt, dass die Verhältnisse zwischen Betonkomponenten
in allen Mischungen identisch sind. Die hergestellten Betonmischungen
unterscheiden sich in Verfahren, nach denen sie gefertigt wurden.
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Die
dargestellten Ergebnisse zeigen, dass nach dem neuen Verfahren durch
das Vormischen der feinkörnigen Betonkomponente der Festigkeit
deutlich zunimmt und der Energiebedarf bis über 70% sinkt.
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2 Versuche mit Mörtelmischungen.
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Um
das neue Verfahren für die Mörtelherstellung zu
prüfen, wurden in der Vormischstufe Zement CEM I 32.5 R,
Sand bei einem Sand/Zement-Verhältnis von 1:5 und ein Fließmittel
mit Hilfe eines Schnellmischers beim Gang 3 währen 3 min
intensiv gemischt. In der End mischstufe wurde die Mischung mit dem
Rest des Sandes der Mörtelmischung während noch
60 s fortgesetzt.
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Nach
dem bekannten Verfahren wurden alle Mörtelkomponenten in
voller Menge für einstufige Mischung während 6
min eingesetzt.
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Die
Massenanteile der gesamten Mörtelmischung sind in Tabelle
2 dargestellt.
| Einwaagemengen
der Betonmischung in kg/m3 | Fließmittelgehalt in % | W/Z-Wert | Zement | Verfahren | Druckfestigkeit nach 1 Tag in N/mm2 |
| Zement | Sand
0/2 |
| 450 | 1420 | 2,5 | 0,2 | CEM
I 32,5 R | Bekanntes | 19,5 |
| 450 | 1420 | 2,5 | 0,2 | CEM
I 32,5 R | Neues | 30,1 |
Tabelle
2: Die Massenverhältnisse der Komponente in vorbereiteten
Mörtelmischungen.
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Aus
der Tabelle 2 ist zu entnehmen, dass die Verhältnisse zwischen
Komponenten in gegenübergestellten Mischungen identisch
sind. Die hergestellten Mörtelmischungen unterscheiden
sich nur in Verfahren, nach denen sie gefertigt werden.
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Die
dargestellten Ergebnisse zeigen, dass nach dem neuen Verfahren durch
das Vormischen der feinkörnigen Betonkomponente der Festigkeit
erheblich zunimmt und der Energiebedarf bis über 70% sinkt.
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Das
neue Verfahren kann besonders effektiv sein, falls das Vormischen
der feinen Betonbestandteile in einem Mischer mit Ultraschalbehandlung
durchgeführt wird.
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Die
erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile bzw.
Verfahrensschritte unterliegen in ihrer Größe und
Formgestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeption bzw.
ihren Verfahrensbedingungen keinen besonderen Ausnahmebedingungen,
so dass die in dem jeweiligen Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien
uneingeschränkt Anwendung finden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - „Beton"
Nr. 12, 2005, S. 614–617 [0003]
- - „Beton" Nr. 12, 2005, S. 617 [0004]