DE102013217864B4

DE102013217864B4 - Verfahren zum Aushärten von hydraulisch abbindenden Baustoffgemischen und Behandlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102013217864B4
Application number: DE102013217864.6A
Authority: DE
Inventors: Björn Höhlig; Christian Pfütze; Ulf Trommler; Carsten Rabe; Frank-Dieter Kopinke; Detlef Schmidt; Ulf Roland; Christian Hoyer
Original assignee: Htwk Leipzig Hochschule fur Technik Wirtsch und Kultur Leipzig; Htwk Leipzig Hochschule fur Technik wirtschaft und Kultur Leipzig; Helmholtz Zentrum fuer Umweltforschung GmbH UFZ
Current assignee: Htwk Leipzig Hochschule fur Technik Wirtsch und Kultur Leipzig; Htwk Leipzig Hochschule fur Technik wirtschaft und Kultur Leipzig; Helmholtz Zentrum fuer Umweltforschung GmbH UFZ
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2013-09-06
Publication date: 2018-03-08
Anticipated expiration: 2033-09-07
Also published as: DE102013217864A1

Abstract

Verfahren (30) zur Beschleunigung des Aushärtens von hydraulisch abbindenden Baustoffen, bei dem ein zumindest ein hydraulisch erhärtendes Bindemittel und Wasser enthaltendes Baustoffgemisch in ein Behältnis (2) eingefüllt wird und in das Aufnahmevolumen des Behälters mittels einer Strahlungsquelle elektromagnetische Strahlung (S) mit einer Frequenz zwischen 1 kHz und unter 300 MHz direkt in das Baustoffvolumen emittiert (33) und hierdurch erwärmt wird, wobei die Temperatur (T) des Baustoffgemisches und/oder eine dielektrische Eigenschaft des Baustoffgemisches, welche die im Baustoffgemisch ablaufenden chemischen Reaktionen repräsentieren, mittels Temperatursensoren und/oder Anpassnetzwerk kontinuierlich gemessen und mittels einer Steuereinrichtung (14) zur Steuerung des elektromagnetischen Wechselfeldes die Amplitude und/oder die Frequenz des elektromagnetischen Wechselfeldes in Abhängigkeit von den Messwerten so angepasst wird, dass unter Berücksichtigung der Hydratationswärme der Energieeintrag bei Realisierung eines Aufheizregimes minimiert und eine Überhitzung vermieden wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschleunigung des Aushärtens von hydraulisch abbindenden Baustoffen, beispielsweise Beton, bei dem ein zumindest ein hydraulisch erhärtendes Bindemittel, beispielsweise Zement, und Wasser enthaltendes Baustoffgemisch in ein Behältnis, etwa eine Schalung, eingefüllt und zum Behandeln erwärmt wird, wobei ein Volumen des Baustoffgemisches direkt mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt und hierdurch erwärmt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Behandlungsvorrichtung zur Aushärtung von hydraulisch abbindenden Baustoffgemischen, mit einem geeigneten Behältnis, zum Beispiel eine Schalung, zur Aufnahme eines zumindest ein hydraulisch erhärtendes Bindemittel, beispielsweise Zement, und Wasser enthaltenden und auszuhärtenden Baustoffgemisches, sowie mit einer Strahlungsquelle elektromagnetischer Strahlung, wobei die Strahlungsquelle ausgebildet ist, die Strahlung in das Aufnahmevolumen zu emittieren.
Verfahren zum Behandeln, insbesondere zum thermischen Behandeln, und Behandlungsvorrichtungen für hydraulisch gebundene Baustoffe, beispielsweise Beton, sind allgemein und beispielsweise aus DE 691 08 988 T2 , AT 293 933 B und DE 196 33 897 A1 bekannt und werden verwendet, um derartige Baustoffe thermisch zu behandeln und insbesondere durch Erwärmung schnell zu trocknen bzw. auszuhärten.
Hydraulisch gebundene Baustoffe erhärten durch Anlagerung von Wasser und bilden im Ergebnis dieser Hydratation wasserbeständige Baustoffe. Hydraulisch erhärtende Bindemittel entstehen durch Brennprozesse bei Sintertemperatur aus Rohstoffen, die sogenannte Hydraulefaktoren (Kalkstein, Eisenoxid, Ton, Sande) enthalten. Dazu zählen Zemente (Portlandzementklinker mit oder ohne puzzolanische und/oder latent hydraulische Zumahlstoffe) und hydraulische Kalke. Zukünftig besteht die Tendenz, um den Ausstoß an Kohlendioxid zu verringern, getemperte Tone als Zumahlstoffe zur Bindemittelherstellung zu verwenden. Die Hydratation dieser Bindemittel erzeugt wasserbeständige Baustoffe.
Um das Aushärten der hydraulisch abbindenden Baustoffe zu beschleunigen, wird das Baustoffgemisch erwärmt. Hierzu weisen bekannte Aushärtevorrichtungen beispielsweise eine Wärmequelle auf. Diese Wärmequelle erwärmt das Baustoffgemisch durch Wärmestrahlung oder durch direkten thermischen Kontakt. Dabei erwärmen die bekannten Wärmequellen lediglich eine Oberfläche oder eine an die Wärmequelle angrenzende Grenzfläche des Baustoffgemisches.
Ein an eine solche Ober- oder Grenzfläche angrenzendes Volumen des Baustoffgemisches wird dort nur indirekt durch die bekannten Wärmequellen und insbesondere durch Wärmeleitung innerhalb des Baustoffgemisches erwärmt. Die Erwärmung des Volumens hängt daher entscheidend von der Wärmeleitfähigkeit des Baustoffgemisches ab. Dadurch, dass die Wärmeleitfähigkeit des Baustoffgemisches begrenzt ist, lässt sich das Volumen des Baustoffgemisches nur langsam und ungleichmäßig erwärmen. Hierdurch verlängert sich die Zeit zum Aushärten des Baustoffgemisches, wodurch sich Wartezeiten bei der Herstellung von Elementen aus dem Baustoff ergeben. Wird versucht, das Aushärten des Baustoffgemisches durch die Einbringung von einer höheren Menge von Wärmeenergie, beispielsweise durch Verwendung einer heißeren Wärmequelle, zu beschleunigen, so entstehen im Volumen des Baustoffgemisches große Temperaturgradienten, welche die mechanischen Eigenschaften des aus dem Baustoff gefertigten Elements negativ beeinträchtigen.
Ferner ist bekannt, einen elektrischen Energieeintrag durch eine Wechselspannung unterschiedlicher Frequenz zu verwenden, um derartige Gemische zu erwärmen. Einige dieser Verfahren erfordern einen guten elektrischen Kontakt zwischen dem Material und den Elektroden, was das Anwendungsspektrum einschränkt. In anderen Fällen werden Mikrowellen verwendet, die in feuchte Materialien eine geringe Eindringtiefe besitzen, wodurch ungewünscht große Temperaturgradienten auftreten. Die Lösung, das Material nur in kleinen Portionen zu erwärmen, besitzt deutliche verfahrenstechnische Nachteile und schränkt die Normierbarkeit industrieller Prozesse wie beispielsweise der Herstellung von Tunnelelementen als Betonfertigteile drastisch ein. Die parallele Einstrahlung mehrerer Frequenzen, wie es beispielsweise in EP 2 197 641 B1 oder DE 103 09 686 B3 beschrieben ist, erfordert größeren technischen Aufwand bzw. ist im Kontext vieler technischen Anwendungen zur Konditionierung von Baustoffen nicht praktikabel.
Ein Nachteil der bekannten Verfahren ist es, dass diese nicht energieeffizient sind. Außerdem besteht bei den bekannten Verfahren das Risiko, dass durch die durch chemische Prozesse wie die Hydratation entstehende Wärme zumindest zeitweise unerwünschte Überhitzungen im Material entstehen, welche die Materialqualität beeinträchtigen
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Behandeln, insbesondere zum Aushärten, sowie eine Behandlungs- und insbesondere eine Erwärmungs- oder Aushärtevorrichtung bereitzustellen, mit dem hydraulisch gebundene Baustoffe, beispielsweise Zementbeton, effizienter als bisher ausgehärtet werden können, ohne dass sich mechanische Eigenschaften von aus dem Baustoff gefertigten Elementen durch das Aushärten signifikant verschlechtern. Die Aufgabe kann auch darin bestehen, den zeitlichen Verlauf des Aushärtungsprozesses so zu verändern, dass eine höhere Frühfestigkeit auftritt. Insbesondere soll das erfindungsgemäße Verfahren es ermöglichen, dass das Baustoffgemisch energieeffizient behandelt werden kann.
Diese Aufgabe wird ein Verfahren und eine Behandlungsvorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und 4 gelöst.
Durch die Überwachung und Auswertung insbesondere thermisch relevanter Reaktionen, also endothermer oder exothermer Reaktionen, im Baustoffgemisch kann der Energieeintrag so gesteuert werden, dass gewünschte Temperaturverläufe realisiert und insbesondere bei exothermen Reaktionen materialschädigende Überhitzungen vermieden werden. Zum Beispiel kann hierzu die Temperatur des Baustoffgemisches überwacht und ausgewertet werden. Darüber hinaus kann die durch die exothermen Reaktionen erzeugte Wärme zum Erwärmen des Baustoffgemisches verwendet werden, so dass weniger Strahlung erzeugt werden muss. Hierdurch wird Energie eingespart, was die Energieeffizienz des Verfahrens beziehungsweise der Vorrichtung im Betrieb verbessert. Weiterhin kann auf die unterschiedliche Zusammensetzung des Baustoffgemisches (Bsp.: schwankender Zement- und Klinkergehalt) und damit auf die unterschiedliche Wärmefreisetzung infolge der exothermen Reaktion reagiert werden. Damit ist das System sehr flexibel einsetzbar.
Das Verfahren kann hinsichtlich der Abgrenzung zur Umgebung (isolierende oder nicht isolierende Schichten zu den Elektroden, Offenheit des Systems) so flexibel sein, dass unterschiedliche Baustoffgemische unter Steuerung von Temperatur und Feuchteaustrag behandelt werden können. Bei einer optimalen Realisierung des Verfahrens, insbesondere bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, ist es möglich, den Energieeintrag auf das notwendige Maß zu beschränken, indem die Hydratationswärme oder die Reaktionswärme anderer chemischer Prozesse im Material genutzt wird.
Dadurch, dass ein Volumen des Baustoffgemisches direkt mit elektromagnetischen Wellen bestrahlt und hierdurch das Volumen direkt erwärmt wird, treten innerhalb des Volumens keine oder höchstens geringe Temperaturgradienten auf. Die eingebrachte Wärme braucht nicht im Volumen verteilt zu werden, weshalb das Baustoffgemisch unabhängig von seiner Wärmeleitfähigkeit erwärmt und ausgehärtet werden kann. Trotzdem wird das Baustoffgemisch so erwärmt, dass es schneller aushärtet, als wenn es nicht erwärmt wird. Dadurch, dass die Aushärtevorrichtung die Strahlungsquelle umfasst, kann das Baustoffgemisch, insbesondere Frischbeton, direkt in der Schalung oder einem anderen geeigneten Behältnis bestrahlt und durch die im Volumen erzeugte Erwärmung schneller ausgehärtet werden. Zusätzliche Vorrichtungen zum Aushärten des Baustoffgemisches sind nicht zwingend notwendig, wodurch die Komplexität der erfindungsgemäßen Aushärtevorrichtung verringert ist. Im Folgenden wird zur Vereinfachung der Begriff Schalung für alle geeigneten Behältnisse gebraucht, die das Baustoffgemisch zur Behandlung aufnehmen zu können.
Die erfindungsgemäße Lösung kann durch verschiedene, jeweils für sich vorteilhafte, beliebig miteinander kombinierbare Ausgestaltungen weiter verbessert werden. Auf diese Ausgestaltungsformen und die mit ihnen verbundenen Vorteile wird im Folgenden eingegangen, wobei die konstruktiven Maßnahmen und deren Wirkungen lediglich beispielhaft beschrieben sind.
So kann die Energie verringert werden, wenn die exothermen Reaktionen ausreichen, das Baustoffgemisch weiter zu erwärmen. Insbesondere kann die Energie auf Null reduziert beziehungsweise die Strahlungsquelle abgeschaltet werden, wenn sich das Baustoffgemisch durch die Reaktionen selbsttätig weiter erwärmt. Hierdurch wird die Energieeffizienz maximal verbessert.
Alternativ kann die Energie erhöht werden, wenn exotherme Reaktionen nicht oder noch nicht ausreichen, um das Baustoffgemisch weiter zu erwärmen oder wenn endotherme Reaktionen das Baustoffgemisch abkühlen. Hierdurch kann die Behandlung insbesondere dann beschleunigt werden, wenn das Baustoffgemisch gleichmäßig durch die Strahlung erwärmt wird und sich Materialeigenschaften des Baustoffes hierdurch nicht verschlechtern.
Im Folgenden sind die Reaktionen im Baustoffgemisch exotherme Reaktionen. Jeder Beitrag der Reaktionen an der gesamten Erwärmung des Baustoffgemisches führt zu einer Verbesserung der Energieeffizienz, wenn diese genutzt wird, um eine Verringerung der Strahlungsenergie zu kompensieren. Insbesondere kann die durch die Reaktionen erzeugte Wärme größtenteils und zu wenigstens 50 %, 70 %, 80 % oder gar im Wesentlichen vollständig zur Erwärmung des Baustoffgemisches genutzt werden. Bei einer vollständigen Nutzung der Reaktionswärme wird die Strahlung beispielsweise deutlich verringert. Im Extremfall kann die Strahlungsenergie sogar abgeschaltet werden.
Um ermitteln zu können, ob die Reaktionen ausreichend Reaktionswärme entwickeln, können vorbestimmte und sich bei der Behandlung ändernde Eigenschaften des Baustoffgemisches überwacht werden. Die Eigenschaften repräsentieren die Änderungen des Baustoffgemisches und sind somit ein Indikator für die im Baustoffgemisch ablaufenden Reaktionen. Insbesondere können die Eigenschaften gemessen, also in quantitativer Weise erfasst werden. Dabei kann es sich im einfachsten Fall um die Temperatur im Baustoffgemisch handeln. Bekannte Verfahren lassen hingegen keine Rückschlüsse auf die im Beton ablaufenden Reaktionen zu. Insbesondere kann die einsetzende Hydratation als kritische Prozessphase nicht detektiert werden. Vorzugsweise wird die Eigenschaft ohne direkten Zugang zum Baustoffgemisch ermittelt. Hierdurch kann der Ablauf der im zu behandelnden Material ablaufenden Reaktionen detektiert werden, ohne diese oder die Form des Baustoffes zu beeinträchtigen. Alternativ kann die Eigenschaft auch bei direktem Kontakt mit dem Baustoffgemisch ermittelt werden. Besonders bevorzugt ist es, das Einsetzen der Hydratation anhand der Eigenschaft zu detektieren.
Beispielsweise können dielektrische Eigenschaften des Baustoffgemisches bestimmt und die Energie anhand der bestimmten dielektrischen Eigenschaften geändert werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Temperatur des Baustoffgemisches gemessen werden, beispielsweise wenn die Intensität Reaktionen in Abhängigkeit der Baustoffgemischtemperatur zu- oder abnimmt.
Das Baustoffgemisch kann zunächst in der Schalung durch Bestrahlung erwärmt werden, um danach in ein weiteres Behältnis, beispielsweise eine andere Schalung, zum Aushärten umgefüllt zu werden. Die andere Schalung kann eine erfindungsgemäße Schalung oder eine Schalung nach dem Stand der Technik, insbesondere eine Schalung ohne eine Strahlungsquelle, sein. In der anderen Schalung können die exothermen Reaktionen das Baustoffgemisch ausreichend erwärmen, um die Behandlung fortzusetzen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform kann im Wesentlichen das gesamte Volumen des auszuhärtenden Baustoffgemisches bestrahlt werden. Hierdurch wird das gesamte Baustoffgemisch gleichmäßig schnell erwärmt, so dass ein schnelles Aushärten erreicht wird, ohne dass Temperaturgradienten entstehen, die mechanische Eigenschaften des aus dem Baustoff gefertigten Elements signifikant beeinträchtigen. Das gesamte Volumen an auszuhärtendem Baustoffgemisch ist beispielsweise in der Schalung angeordnet. Die Strahlungsquelle der Aushärtevorrichtung kann also ausgestaltet sein, die Strahlung in das gesamte Aufnahmevolumen und vorzugsweise gleichmäßig in das Aufnahmevolumen zu emittieren.
Die Schalung weist in der Regel mehrere ein Aufnahmevolumen für das Baustoffgemisch definierende Wände, insbesondere Schalungswände, auf. Um den konstruktiven Aufwand der Aushärtevorrichtung gering zu halten und das Aufnahmevolumen möglichst gleichmäßig bestrahlen zu können, können zwei der Wände ausgebildet sein, im Betrieb der Aushärtevorrichtung die elektromagnetische Strahlung in Form eines elektromagnetischen Wechselfeldes im Aufnahmevolumen hervorzurufen. Insbesondere kann die Strahlungsquelle zwei der Wände aufweisen.
Damit die Wände im Betrieb die elektromagnetische Strahlung erzeugen, können die beiden Wände jeweils eine Elektrode zum Emittieren der elektromagnetischen Strahlung aufweisen. Jede der Wände ist insbesondere mit einer plattenförmigen Elektrode versehen, wobei die beiden Wände beziehungsweise deren plattenförmige Elektroden einander gegenüberliegend angeordnet sind. Zwischen den beiden Elektroden ist das Aufnahmevolumen für den Baustoff angeordnet, sodass die beiden Elektroden Platten eines Kondensators ausbilden. Das zwischen den Elektroden im Aufnahmevolumen angeordnete auszuhärtende Baustoffgemisch kann bei entsprechenden elektrischen Eigenschaften als Dielektrikum des durch die Wände gebildeten Kondensators angesehen werden. Das Aufnahmevolumen kann direkt an die Elektroden angrenzen, so dass im Aufnahmevolumen angeordnetes Baustoffgemisch an den Elektroden anliegt. Die Beziehung zwischen Elektroden und Wänden kann vielgestaltig sein. So können die Wände selbst die beispielsweise metallischen Elektroden darstellen oder die Elektroden können Teil der Wände sein.
Zumindest eine der Elektroden kann wenigstens einen Abschnitt einer der Wände ausbilden und an das Aufnahmevolumen angrenzen. Sollte das Baustoffgemisch jedoch elektrische Eigenschaften aufweisen, die verhindern, dass das Baustoffgemisch dem Verfahren entsprechend als Dielektrikum in der Aushärtevorrichtung verwendet werden kann, können die Elektroden elektrisch isoliert vom Aufnahmevolumen sein. Beispielsweise können die Elektroden eine nicht leitende Schicht, etwa eine Oxidschicht oder eine Kunststoffschicht, aufweisen, durch die die jeweilige Elektrode vom Aufnahmevolumen elektrisch isoliert ist.
Diese Trennung kann auch aus anderen Gründen wie Korrosionsschutz oder ungewünschter Materialbeeinflussung sinnvoll sein und aus diesem Grund realisiert werden.
Mit anderen Worten kann in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ein Teil der Schalung als Elektrode genutzt werden. In weiteren bevorzugten Varianten ist die zumindest eine Elektrode vom zu behandelnden Material elektrisch isoliert. Besonders bevorzugt ist dabei die Beschichtung der Elektrode mit einem Material, das deren Korrosion signifikant verringert und das elektrisch nicht leitfähig ist. Besonders bevorzugt ist hierfür die Verwendung eines temperaturbeständigen Kunststoffes.
Um eine möglichst gleichförmige Bestrahlung des Aufnahmevolumens realisieren zu können, kann die Aushärtevorrichtung mehr als zwei Elektroden aufweisen, die gemäß den geometrischen Anforderungen für das herzustellende Element angeordnet sind. Insbesondere gibt die Schalung der Aushärtevorrichtung die Form des herzustellenden Elementes vor und die Elektroden können so angeordnet oder ausgeformt sein, dass sie das elektromagnetische Wechselfeld gleichmäßig im Aufnahmevolumen erzeugen.
Vorzugsweise kann also die elektromagnetische Strahlung direkt vom Behältnis und insbesondere von der Schalung abgegeben werden.
Zur Erwärmung des Baustoffgemisches kann beispielsweise Mikrowellenstrahlung verwendet werden. Diese dringt im Vergleich beispielsweise zur Infrarotstrahlung in das Volumen des Baustoffgemisches ein und erwärmt insbesondere das im Baustoffgemisch enthaltene Wasser. Die Eindringtiefe der Mikrowellenstrahlung ist jedoch sehr gering, so dass nur kleine Volumina an Baustoffgemisch gleichmäßig erwärmt werden können. Sollen größere Volumina an Baustoffgemisch erwärmt werden, ist Mikrowellenstrahlung ungeeignet, da Mikrowellenstrahlung lediglich einen relativ kleinen Bereich hinter der Oberfläche des Baustoffgemisches erwärmt. Weiter entfernt liegende Bereiche des Baustoffgemischvolumens würden erneut lediglich durch thermische Leitung, also Wärmeleitung, indirekt erwärmt, was jedoch die schädlichen Temperaturgradienten hervorrufen würde.
Für das erfindungsgemäße Verfahren, das auf eine homogene und materialschonende Behandlung abzielt, ist die Verwendung von Mikrowellen insbesondere bei großvolumigen Baustoffgemischen, die nicht gleichmäßig mit Mikrowellenstrahlung erwärmbar sind, unvorteilhaft. Vor allem bei sehr kleinen Volumina im Kubikzentimeter-Bereich, die für die meisten technischen Anwendungen nicht relevant sind, ist die Verwendung von Mikrowellen für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet.
Damit auch größere Elemente, beispielsweise Wände tragender Strukturen eines Gebäudes, erfindungsgemäß ausgehärtet werden können, sind große Volumina gleichmäßig zu erwärmen. Um eine ausreichende Eindringtiefe der Strahlung zu erreichen, wird das Baustoffgemisch mit elektromagnetischer Strahlung mit einer Frequenz zwischen 1 kHz und 300 MHz bestrahlt. Bei der technischen Realisierung werden besonders bevorzugt Frequenzen, so genannte ISM-Frequenzen, des elektromagnetischen Feldes eingesetzt, die für den industriellen, wissenschaftlichen und medizinischen Bereich zugelassen sind.
Um das Baustoffgemisch möglichst effizient aushärten zu können, weist die Aushärtevorrichtung die Steuereinrichtung zur Steuerung des elektromagnetischen Wechselfeldes auf. Die Eigenschaften des Baustoffgemisches ändern sich durch den Aushärtevorgang, beispielsweise in Folge der fortschreitenden Trocknung des Baustoffgemisches, so dass zum effizienten Erwärmen des Baustoffgemisches die Amplitude und/oder die Frequenz des elektromagnetischen Wechselfeldes durch die Steuereinrichtung anzupassen ist. Hierfür wird aufgrund der einfacheren technischen Realisierbarkeit die Änderung der Amplitude des elektrischen Wechselfeldes bevorzugt. Dies erfolgt vorzugsweise durch die Änderung der HF-Spannung.
Es ist in der Regel wünschenswert, die Aufheizung kontrolliert, d.h. nach einem vorgegebenen Temperaturprogramm, durchzuführen. Dies kann am einfachsten realisiert werden, wenn die eingetragene Leistung beziehungsweise Energie und/oder Spannung des elektromagnetischen Feldes, bereitgestellt durch eine entsprechende Spannungsquelle, beispielsweise einen Generator, zeitlich und bevorzugt kontinuierlich geregelt werden.
Um zumindest eine Eigenschaft des Baustoffgemisches während des Aushärtevorgangs bestimmen zu können, kann die Aushärtevorrichtung vorzugsweise wenigstens einen Sensor zur Bestimmung der Eigenschaft des Baustoffgemisches aufweisen. Der Sensor ist als besonders bevorzugte Variante beispielsweise ein Temperatursensor, der als Eigenschaft die Temperatur des im Aufnahmevolumen angeordneten Baustoffgemisches misst. Der Sensor kann Messsignal übertragend mit der Steuereinrichtung verbunden sein, so dass die Steuereinrichtung anhand der bestimmten Baustoffgemischeigenschaft das elektromagnetische Wechselfeld optimal anpassen kann. Der Temperatursensor ist vorzugsweise ein faseroptischer oder ein pyrometrischer Sensor, damit die Messung der Temperatur ohne Beeinflussung durch das elektromagnetische Wechselfeld durchgeführt werden kann. Besonders bevorzugt ist in diesem Zusammenhang die Verwendung einer gegebenenfalls matrix-, netz- oder gitterförmigen Anordnung oder eines Arrays von Sensoren, so dass die zu messende Eigenschaft, die optional als Steuergröße dient, zwei- oder dreidimensional erfasst werden kann.
In einer besonders bevorzugten Variante des Verfahrens dient die Temperaturmessung als Eingangsgröße für die Anpassung des Energieeintrages zur optimalen Aufheizung und optimalen Nutzung der inhärenten chemischen Prozesse.
Um die elektromagnetische Strahlung beziehungsweise das elektromagnetische Wechselfeld erzeugen zu können, kann die Aushärtevorrichtung beispielsweise als Spannungsquelle einen Wechselspannungsgenerator aufweisen, der elektrisch leitfähig mit der Strahlungsquelle und insbesondere mit zumindest einer der beiden Schalungswände verbunden sein kann. Beispielsweise kann eine der beiden Elektroden mit dem Wechselspannungsgenerator Wechselspannung übertragend verbunden sein. Die andere der beiden Elektroden kann ebenfalls mit dem Wechselspannungsgenerator oder mit einer elektrischen Masse verbunden sein. Weist die Aushärtevorrichtung mehr als zwei Elektroden auf, kann eine Gruppe von Elektroden mit dem Wechselspannungsgenerator und eine andere Gruppe von Elektroden mit der elektrischen Masse oder ebenfalls mit dem Wechselspannungsgenerator verbunden sein, wobei die beiden Gruppen von Elektroden vorzugsweise einander gegenüberliegend angeordnet sind. In bevorzugten Varianten könnten die Elektroden gegenüber dem zu erwärmenden Material teilweise oder vollständig elektrisch isoliert sein.
Der Wechselspannungsgenerator kann Steuersignal empfangend mit der Steuereinrichtung verbunden sein, falls der Wechselspannungsgenerator ausgebildet ist, in Abhängigkeit des Steuersignals unterschiedliche Wechselspannungen zu generieren.
Zusätzlich zur Steuerung des Wechselspannungsgenerators kann die elektromagnetische Strahlung auch durch ein elektronisches Anpassnetzwerk, eine sogenannte Matchbox, angepasst werden. Mit dem Anpassnetzwerk kann die lastabhängige und von den sich während des Aushärtevorgangs womöglich ändernden Eigenschaften des Baustoffgemisches abhängende Impedanz an den Innenwiderstand des Wechselspannungsgenerators angepasst werden. Das Anpassnetzwerk kann zwischen den Wechselspannungsgenerator und zumindest eine der Elektroden geschaltet und optional Steuersignal empfangend mit der Steuereinrichtung verbunden sein sowie die elektromagnetische Strahlung beispielsweise abhängig vom Steuersignal verändern. Die Steuereinrichtung kann das Steuersignal in Abhängigkeit der ermittelten Baustoffgemischeigenschaft erzeugen. Die elektromagnetische Strahlung beeinflussenden Elemente des Anpassnetzwerkes können insbesondere regelbare Kondensatoren sein. Besonders bevorzugt wird die Matchbox so eingesetzt, dass die von der Last reflektierte Leistung minimal oder Null ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die elektronische Anpassung der Last an den Innenwiderstand des Generators für die Optimierung des Energieeintrages in das Material über die Messung von Impedanz und Phasenwinkel innerhalb der Matchbox und/oder die Variation der Parameter der Bauelemente der Matchbox. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden die Matchboxparameter an einen Computer übermittelt. Diese Parameter können genutzt werden, um Aussagen über den Fortgang des Erwärmungs- und Materialkonditionierungsprozesses zu erhalten. Insbesondere kann so das Einsetzen des Hydratationsprozesses an zementgebundenen Baustoffen detektiert werden. In einer besonders bevorzugten Variante des Verfahrens werden die Parameter des elektronischen Anpassnetzwerkes vorzugsweise mittels einer Software kontinuierlich so modifiziert, dass der Energieeintrag in das zu erwärmende Medium maximal ist. Besonders bevorzugt ist in diesem Zusammenhang die Reduzierung der zum Generator rücklaufenden Leistung auf nahezu Null.
Damit das Baustoffgemisch möglichst energieeffizient erwärmt werden kann, ohne dass Wärmeverlust ein Erwärmen beziehungsweise Warmhalten des Baustoffgemisches beeinträchtigt, können zumindest die beiden Wände mit einem thermischen Isolator zur Verringerung eines Abflusses von Wärme aus dem Aufnahmevolumen versehen sein. Besonders bevorzugt ist die thermische Isolierung so ausgestaltet, dass sie den Wärmefluss durch den größten Teil von Begrenzungsflächen des Aufnahmevolumens signifikant verringert.
Um die Temperatur des erwärmten Baustoffgemisches über einen gewünschten Zeitraum hinweg zumindest konstant halten oder weiter erhöhen zu können, kann das Baustoffgemisch zumindest während einer Periode dieses Zeitraums bestrahlt werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Baustoffgemisch über mehrere Zeiträume bzw. Perioden bestrahlt werden, wobei die Strahlung innerhalb der Zeiträume oder Perioden oder auch unterschiedlicher Zeiträume oder Perioden unterschiedlich ausgestaltet sein kann. Insbesondere kann das Baustoffgemisch zwischen den Bestrahlungszeiträumen ruhen und nicht bestrahlt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die Temperatur im zu erwärmenden Material kontinuierlich verfolgt. Besonders bevorzugt ist die Verwendung mehrerer Temperatursensoren, so dass die Temperaturverteilung im Volumen des Materials in repräsentativer Weise erfasst werden kann. Die vom Generator abgegebene HF-Leistung, die wie vorher beschrieben unter optimalen Bedingungen praktisch der Leistung entspricht, die in das Medium eingetragen wird, kann bei dieser Variante so reduziert werden, dass unter vollständiger Nutzung der chemischen Reaktionswärmen im Volumen die vorgewählte Aufheizkurve erreicht und eine Überhitzung vermieden wird. Diese bevorzugte Variante des Verfahrens in Verbindung mit einer entsprechenden bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung erlaubt es, einerseits ein optimalen Aufheizregimes ohne signifikante Abweichungen zu realisieren und andererseits die Wärmeentwicklung durch chemische Prozesse im Material so zu nutzen, dass der Energieeintrag minimiert wird, was wiederum die Energieeffizienz des Verfahrens gegenüber konventionellen Methoden drastisch erhöht.
Überraschender Weise führt das erfindungsgemäße Verfahren zum Aushärten des Baustoffgemisches zu einer Festigkeit des Baustoffes, die im Vergleich zu mit bekannten Verfahren ausgehärteten Baustoffen höher ist, zumindest, wenn man die selbe Behandlungsdauer, die sich aus Bezahlungszeiten und/oder Ruhezeiten zusammensetzen kann, zugrunde legt. Insbesondere ist eine erhöhte Frühfestigkeit festzustellen. Diese erhöhte Festigkeit kann nicht nur durch die erzeugte Temperaturhomogenität innerhalb des Baustoffgemisches während des Aushärtevorgangs erklärt werden. Es hat sich herausgestellt, dass der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgehärtete Baustoff im Vergleich zu klassisch ausgehärteten Baustoffen eine andere Porengrößenverteilung aufweist. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, das durch die erfindungsgemäße Behandlungsvorrichtung durchführbar ist, erzeugte Verteilung der Porengrößen beeinflusst offenbar die Festigkeit der hergestellten Elemente aus dem Baustoff positiv. Diese Feststellung gilt zumindest für einen zeitlichen Bereich des Aushärtungsvorganges, besonders bevorzugt zum Zeitpunkt des Ausschalens, also der Entfernung aus der Schalung, und/oder nach Abschluss des Aushärtungsprozesses.
Es ist hervorzuheben, dass die genannten positiven Effekte insbesondere dann optimal zum Tragen kommen, wenn eine Überhitzung des Materials, auch wenn diese nur kurzzeitig während der Behandlung erfolgen würde, sicher vermieden werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt dies durch die dem Prozessverlauf angepasste Regelung des Leistungseintrages.
Prinzipiell kann das erfindungsgemäße Verfahren auch in mehreren Schritten und in unterschiedlichen Behältnissen als Teilprozess, beispielsweise getrennt in Strahlungserwärmung und Aushärtung, durchgeführt werden, ohne dass das Grundprinzip der Erfindung dadurch verändert würde. Zur kompakteren Darstellung erfolgt die Beschreibung jedoch im Wesentlichen anhand einer einheitlichen Prozessführung und Anordnung ohne zwischenzeitliche Umfüllung zwischen Behältnissen. Ausdrücklich sei jedoch auf die mögliche Anwendung der Erfindung in mehreren Teilschritten und unter Verwendung von mehr als einem Behältnis verwiesen.
Wird das Baustoffgemisch in einem ersten Behältnis zunächst nur erwärmt, so kann die Behandlungsvorrichtung als eine Erwärmungsvorrichtung bezeichnet werden. Das erwärmte Baustoffgemisch kann beispielsweise, um sich dort weiter zu erwärmen oder zumindest teilweise auszuhärten, in ein anderes Behältnis umgefüllt werden. Wird das Baustoffgemisch in einem Behältnis erwärmt und ausgehärtet, kann die Behandlungsvorrichtung als eine Aushärtevorrichtung bezeichnet werden. Weist die Erwärmungsvorrichtung neben dem Behältnis zum Erwärmen des Baustoffgemisches auch ein Behältnis zum Aushärten des Baustoffgemisches auf, so kann auch diese Erwärmungsvorrichtung als Aushärtevorrichtung bezeichnet werden.
Es ist möglich, das Verfahren sowohl mit offenen als auch mit hermetisch abgeschlossenen Behältnissen zu realisieren. Damit kann gezielt beeinflusst werden, ob und wie viel Wasser während des Trocknungsprozesses aus dem Material ausgetragen werden kann.
Im Folgenden ist die Erfindung beispielhaft anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert. Die unterschiedlichen Merkmale der Ausführungsformen können dabei unabhängig voneinander kombiniert werden, wie es bei den einzelnen vorteilhaften Ausgestaltungen bereits dargelegt wurde.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Behandlungsvorrichtung;
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Aushärten als ein Flussdiagramm;
3 gemessene Baustoffgemischtemperaturen und eingesetzte HF-Leistung vor, während und nach einer versuchsweise durchgeführten Bestrahlung eines Baustoffgemisches ohne Anpassung der HF-Leistung an den Hydratationsprozess;
4 gemessene Baustoffgemischtemperaturen und eingesetzte HF-Leistung vor, während und nach einer kontrollierten Behandlung des Baustoffgemisches zur Realisierung einer vorgewählten Temperaturkennlinie und Ausnutzung der Hydratationswärme; und
5 Korrelation von Einstellungen einer Steuereinrichtung mit der mittleren Temperatur des Baustoffgemisches.
Zunächst sind Aufbau und Funktion einer erfindungsgemäßen Aushärtevorrichtung mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel der 1 beschrieben.
1 zeigt eine Behandlungsvorrichtung 1, beispielsweise eine Erwärmungs- und/oder Aushärtevorrichtung, für hydraulisch gebundene Baustoffgemische. Die Behandlungsvorrichtung 1 weist ein Behältnis 2, beispielsweise eine Schalung 2, auf, die ein Aufnahmevolumen 3 für ein zu behandelndes Baustoffgemisch begrenzt. Die Aushärtevorrichtung 1 weist wenigstens zwei Wände 4, 5, insbesondere Schalungswände 4, 5, auf, die an das Aufnahmevolumen 3 angrenzen. Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 weist die Schalung 2 zwei weitere Wände 6, 7, insbesondere Schalungswände 6, 7, auf, die ebenfalls an das Aufnahmevolumen 3 angrenzen. Die Schalungswände 4, 5, 6, 7 rahmen das Aufnahmevolumen 3 ein. Das Behältnis 2 ist ferner mit einem Boden 8 versehen, der das Aufnahmevolumen 3 zusammen mit den Wänden 4, 5, 6, 7 zumindest einseitig abschließt. Das Behältnis 2 bildet also eine Aufnahme für das zu behandelnde und insbesondere zu härtende Baustoffgemisch aus, wobei das durch die Wände 4, 5, 6, 7 und den Boden 8 definierte Aufnahmevolumen 3 im Wesentlichen von der Form eines aus dem Baustoffgemisch herzustellenden Elements vorgegeben ist. Das Behältnis 2 kann also auch anders als im gezeigten Ausführungsbeispiel ausgeformt sein. Insbesondere kann das Behältnis noch einen nicht gezeigten Deckel aufweisen, der das Aufnahmevolumen 3 begrenzt und der bei Bedarf, etwa um das Baustoffgemisch einzufüllen, entfernt werden kann. Der Deckel und das Gesamtvolumen können luft- und wasserdampfdurchlässig oder hermetisch abgedichtet gestaltet sein. Der Boden 8 kann so gestaltet sein, dass er ganz oder teilweise zu entfernen ist. Hierzu können auch Klappen in den Boden 8 eingebracht sein oder dieser kann insgesamt als Klappe ausgebildet sein. Die einzelnen Wände 4, 5, 6, 7 und insbesondere die Schalungswände 4, 5, 6, 7 können aus mehreren Schichten aufgebaut sein. Insbesondere ist es möglich, dass diese Schichten elektrisch isolierend sind.
Das Behältnis 2 ist im Folgenden als Schalung 2 bezeichnet, in der Baustoffgemisch durch Bestrahlung erwärmt und optional auch ausgehärtet wird. Alternativ kann das Baustoffgemisch auch zunächst in der Schalung 2 durch Bestrahlung erwärmt werden, um danach in ein weiteres Behältnis, beispielsweise eine andere Schalung, zum Aushärten umgefüllt zu werden. Die andere Schalung kann eine erfindungsgemäße Schalung oder eine Schalung aus dem Stand der Technik, insbesondere eine Schalung ohne eine Strahlungsquelle, sein.
Ein Sensor 9 der Behandlungsvorrichtung 1 ist im Ausführungsbeispiel der 1 im Aufnahmevolumen 3 angeordnet dargestellt. Mit einem derartig angeordneten Sensor 9 lassen sich Eigenschaften von in die Schalung 2 eingefüllten Baustoffgemischen vor, während und/oder nach dem Aushärten des Baustoffgemisches bestimmen. Insbesondere kann der Sensor 9 ein eine Temperatur innerhalb des Baustoffgemischs in ein Messsignal wandelnder und ausgebender Temperatursensor sein. Alternativ kann der Sensor 9 auch außerhalb des Aufnahmevolumens 3 angeordnet sein und die Eigenschaft, etwa die Temperatur, des im Aufnahmevolumen 3 angeordneten Baustoffgemisches, zum Beispiel optisch bestimmen. Bevorzugt ist die gleichzeitige Anordnung mehrerer Sensoren, um die Eigenschaften der Füllung räumlich aufgelöst zu erfassen.
Von den beiden sich gegenüberliegend angeordneten Schalungswände 4, 5 geht im Betrieb der Behandlungsvorrichtung 1 ein elektromagnetisches Wechselfeld aus, welches das Aufnahmevolumen 3 in Form von elektromagnetischer Strahlung S zumindest teilweise und vorzugsweise vollständig durchdringt. Die Schalungswände 4, 5 sind vorzugsweise mit einer Elektrode und wenigstens abschnittsweise als Elektrodenplatten eines Kondensators ausgeformt, wobei die Elektrodenplatten eine von der ebenen abweichende Form haben können, um das Aufnahmevolumen 3 entsprechend den Formerfordernissen des herzustellenden Elements ausbilden zu können. Damit das Aufnahmevolumen 3 möglichst gleichmäßig mit Strahlung S gefüllt werden kann, können die Schalungswände 4, 5 jeweils mehr als eine Elektrode zum Hervorrufen des elektromagnetischen Wechselfeldes aufweisen. Die wenigstens eine Elektrode jeder der Schalungswände 4, 5 kann dabei plattenförmig oder auch anders ausgeformt sein. Wenigstens eine Elektrode kann dabei in die jeweilige Schalungswand 4, 5 integriert oder an dieser angebracht sein oder einen Abschnitt der Schalungswand 4, 5 ausbilden. Im Grenzfall stellt die Schalungswand 4,5 selbst die oder eine Elektrode dar.
An der wenigstens einen Elektrode der Schalung 4 liegt ein erstes elektrisches Potential und an der wenigstens einen Elektrode der Schalung 5 liegt ein zweites elektrischen Potential an, wobei sich das erste und das zweite elektrische Potential zumindest zweitweise voneinander unterscheiden.
Zumindest eines der Potentiale kann zeitlich variiert werden, um das Wechselfeld und somit die Strahlung S hervorzurufen. Im Ausführungsbeispiel der 1 verbindet eine Hochfrequenzleitung 12 die Schalungswand 5 mit einem beispielsweise als Hochfrequenzspannungsquelle ausgebildeten Wechselspannungsgenerator 13, so dass sich im Betrieb der Behandlungsvorrichtung 1 ein elektromagnetisches Wechselfeld von der Schalungswand 5 durch das Aufnahmevolumen 3 zur Schalungswand 4 erstreckt. Die Elektrode der Schalungswand 4 ist im Ausführungsbeispiel der 1 über eine Masseleitung 10 mit einer Masse 11 elektrisch leitfähig verbunden.
Die Hochfrequenzleitung 12 ist vorzugsweise als eine Bandleitung, insbesondere aus einem Kupferband, ausgeformt. Auch die Masseleitung 10 ist bevorzugt als eine Bandleitung und beispielsweise als eine Leitung aus einem Kupferband ausgebildet.
Der Wechselspannungsgenerator 13 ist vorzugsweise in der Lage, Spannungen mit einer Frequenz zwischen 1 kHz und 1000 MHz, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 100 kHz und 500 MHz, beispielsweise in einem Bereich von 500 kHz bis 100 MHz oder im Bereich von 1 MHz bis 50 MHz oder zum Beispiel im Bereich von 1 MHz bis 30 MHz zu erzeugen. Dabei kann der Wechselspannungsgenerator 13 die Strahlung S mit einer Leistung von bis zu 100 kW oder mehr erzeugen. Im Ausführungsbeispiel der 1 erzeugt der Wechselspannungsgenerator 13 eine elektrische Spannung mit einer Frequenz von 13,56 MHz und mit einer Maximalleistung von 5 kW.
Die Auswertevorrichtung 1 kann eine Steuereinrichtung 14 aufweisen, die ausgangsseitig über eine Steuerleitung 15 mit dem Wechselspannungsgenerator 13 verbunden ist. Der Steuereinrichtung 14 kann ein vom Sensor 9 erzeugtes Messsignal über eine Signalleitung 16 zugeführt sein. Abhängig von der mit dem Sensor 9 bestimmten Eigenschaft des Baustoffgemisches kann die Steuereinrichtung 14 beispielsweise die Leistung oder die Frequenz der durch den Wechselspannungsgenerator 13 erzeugten Strahlung S verändern, um das Baustoffgemisch auf eine gewünschte Temperatur zu temperieren.
Alternativ oder zusätzlich kann die Strahlung S im Aufnahmevolumen 3 mit einem elektronischen Anpassnetzwerk 17, das auch als Matchbox bezeichnet werden kann, geändert werden. Während des Aushärtevorgangs ändern sich nämlich in der Regel die elektrischen Eigenschaften des Baustoffgemisches. Dies ermöglicht Rückschlüsse auf den Zustand des Baustoffgemisches und den Fortgang des jeweiligen Konditionierungsprozesses. Um das Baustoffgemisch während des gesamten Aushärtevorgangs optimal mit der elektromagnetischen Strahlung S erwärmen zu können, kann die Behandlungsvorrichtung 1 also das elektronische Anpassnetzwerk 17 aufweisen. Das Anpassnetzwerk 17 ist vorzugsweise mit wenigstens einem einstellbaren Kondensator versehen, der die lastabhängige Impedanz des aushärtenden Baustoffgemisches an den Innenwiderstand des Generators 13 durch Veränderungen des Kondensators anpasst. Das Anpassnetzwerk 17 ist im Ausführungsbeispiel der 1 über eine weitere Steuerleitung 18 mit der Steuereinrichtung 14 Steuersignal übertragend verbunden. Somit kann das Anpassnetzwerk 17 die Strahlung S abhängig vom Messsignal anpassen. Dem Anpassnetzwerk 17 ist das vom Wechselspannungsgenerator 13 erzeugte elektrische Potential über eine Spannungsleitung 19, beispielsweise eine Koaxialkabel, zugeführt.
Die Schalungswand 5 kann über die Hochfrequenzleitung 12 mit dem Anpassnetzwerk 17 verbunden sein. Die Masseleitung 10 kann die Schalungswand 4 ebenfalls mit dem Anpassnetzwerk 17 verbinden. Das Anpassungsnetzwerk 17 kann die Masse 11 für die Schalungswand 4 oder ein anderes, gegebenenfalls zeitlich variiertes Potential, bereitstellen beziehungsweise der Schalungswand 4 zuleiten.
Prinzipiell kann eine erfindungsgemäße Anordnung auch mehrere Wechselspannungsgeneratoren 13, beispielsweise Spannungsquellen, und/oder elektronische Anpassungsnetzwerke17 aufweisen, die dann wie oben beschrieben mit den Elektroden beziehungsweise mit den Schalungswänden 4, 5 verbunden sein können.
Die Schalungswände 4, 5 sind im Ausführungsbeispiel der 1 an ihren vom Aufnahmevolumen 3 weg weisenden Außenseiten 20, 21 mit thermischen Isolatoren 22, 23 versehen, um zu verhindern, dass durch die Bestrahlung im Baustoffgemisch erzeugte Wärme ungewollt aus dem Baustoffgemisch entweicht. Auch die anderen Schalungswände 6, 7 und/oder der Boden 8 sowie ggf. der Deckel können insbesondere an ihren vom Aufnahmevolumen 3 weg weisenden Seiten mit thermischen Isolatoren versehen sein. Es ist jedoch auch möglich, die thermischen Isolatoren (z.B. Dämmmaterialien) an der Innenseite im Bezug auf das Aufnahmevolumen 3 anzuordnen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind der Generator 13, die Matchbox 17 und der Sensor 9 bzw. die Sensoren 9 direkt oder indirekt mit einer Auswerteeinheit (nicht dargestellt) verbunden. Diese Auswerteeinheit kann ein Computer sein, der mit einer entsprechenden Software ausgestattet ist. Die Auswerteeinheit erfüllt gleichzeitig die Funktion eines Mittels zur Steuerung des Energieeintrages in das Medium in Abhängigkeit von den im Material thermisch relevanten Prozessen wie beispielsweise den Hydratationsprozess. Sie stellt damit ein Mittel dar, um über eine gezielte Steuerung des Generators die abgegebene Leistung in das Material so zu steuern, dass die vorgewählten Aufheizregimes genau eingehalten werden, Überhitzungen vermieden werden und die Energieeffizienz optimal ist.
2 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren 30 schematisch als ein Ablaufdiagramm.
In einem ersten Verfahrensschritt 31 startet das Verfahren. Beispielsweise wird im Schritt 31 das zu behandelnde Baustoffgemisch in die Schalung 2 eingefüllt.
In einem optionalen und auf den ersten Verfahrensschritt 31 folgenden Verfahrensschritt 32 wird das Baustoffgemisch für die Behandlung vorbereitet und beispielsweise in der Schalung 2 durch Vibrieren oder Rütteln verdichtet.
Im nun folgenden Verfahrensschritt 33 wird ein Volumen und vorzugsweise das gesamte Volumen des zu behandelnden Baustoffgemisches mit elektromagnetischen Wellen bestrahlt und hierdurch gleichzeitig erwärmt. Beispielsweise wird das Baustoffgemisch durch eine durch ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugte Strahlung S mit einer Frequenz von 13,56 MHz und einer Leistung von 2 kW bestrahlt.
Während der Bestrahlung oder nach einer vorgegebenen Bestrahlungsperiode wird die Eigenschaft des Baustoffgemisches, zum Beispiel dessen Temperatur, im Verfahrensschritt 34 gemessen.
Anhand der gemessenen Eigenschaft kann beispielsweise die Spannung bzw. Leistung oder die Frequenz der verwendeten Strahlung S im Verfahrensschritt 35 geändert werden, um das Baustoffgemisch energieeffizient temperieren zu können. Dies ist durch die Pfeile 36, 37 angedeutet, die sich vom Messschritt 34 zum Anpassungsschritt 35 bzw. vom Anpassungsschritt 35 zum Bestrahlungsschritt 33 erstrecken. Insbesondere ist die Prozedur geeignet, um die intern entstehende Wärme durch chemische Prozesse zu nutzen und damit die eingestrahlte Leistung definiert zu reduzieren.
Es kann vorteilhaft sein, wenn das zu behandelnde Baustoffgemisch intervallweise bestrahlt und zwischen den Bestrahlungsintervallen nicht oder mit einer geringen Stärke bestrahlt wird. Ein solcher Schritt ist der Verfahrensschritt 38, in dem das Baustoffgemisch nicht oder weniger bestrahlt wird und beispielsweise ruht.
Wird das Baustoffgemisch weniger oder nicht bestrahlt, kann sich dessen Temperatur durch im Baustoffgemisch ablaufende exotherme Reaktionen weiter erhöhen. Diese Reaktionswärme kann zum Erreichen einer Zieltemperatur oder eines gewünschten Temperaturverlaufs des Baustoffgemisches berücksichtigt werden. Insbesondere kann die eingestrahlte Leistung derart verringert werden, dass die Strahlungs- und die Reaktionswärmen zusammen das Baustoffgemisch wie gewünscht erwärmen.
Nachdem das Baustoffgemisch weniger stark bestrahlt wurde oder geruht hat, kann dessen Eigenschaft, etwa dessen Temperatur, optional erneut gemessen werden, was durch den gestrichelten Pfeil 39 dargestellt ist. Selbstverständlich kann die Eigenschaft des Baustoffgemisches auch während des Schrittes 38 fortlaufend oder wiederholt bestimmt werden. Auf den Schritt 38 kann der Anpassungsschritt 35 und danach erneut der Bestrahlungsschritt 33 folgen, was durch den Pfeil 40 angedeutet ist.
Das Verfahren endet mit dem Verfahrensschritt 41. Im Verfahrensschritt 41 kann das Baustoffgemisch weiter ruhen und zum Beispiel, sobald eine notwendige Frühfestigkeit des Baustoffgemisches erreicht ist, kann die Schalung entfernt werden.
Vor dem Verfahrensschritt 41 kann das erwärmte Baustoffgemisch zum Aushärten in eine andere Schalung eingebracht werden.
3 zeigt in einem Diagramm 50 beispielhaft den Temperaturverlauf eines versuchsweise nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bestrahlten Baustoffgemisches, wobei auf einer Abszissenachse 51 der zeitliche Verlauf, einer ersten Ordinatenachse 52 die Temperatur T des Baustoffgemisches in Grad Celsius und an einer zweiten Ordinatenachse 53 die Leistung L des Wechselspannungsgenerators 13 oder der elektromagnetischen Strahlung aufgetragen sind.
Zunächst wird das Baustoffgemisch in einem ersten Bestrahlungsintervall T1 bestrahlt, vorzugsweise durch ein elektromagnetisches Wechselfeld, insbesondere mit einer Frequenz von 13,56 MHz und einer Leistung von 2 kW. Die Dauer des ersten Bestrahlungsintervalls T1 beträgt zum Beispiel 20 Minuten. Während des ersten Bestrahlungsintervalls T1 wird die Temperatur des Baustoffgemisches von etwa 22°C auf 30°C erhöht.
Auf das erste Bestrahlungsintervall T1 folgt eine Ruhephase P1, in der sich das Baustoffgemisch durch eine exotherme Reaktion des Baustoffgemisches, insbesondere Hydratation, weiter erwärmt. Die Länge der Ruhephase P1 beträgt im Ausführungsbeispiel der 3 etwa 40 Minuten.
Im Anschluss an die Ruhephase P1 folgt ein zweites Bestrahlungsintervall T2, in dem das Baustoffgemisch während eines Zeitraumes von etwa 60 Minuten erneut mit einer Leistung von 2 kW bei einer Frequenz von 13,56 MHz bestrahlt wird. Während des zweiten Bestrahlungsintervalls T2 ändert sich die Temperatur des Baustoffgemisches gemäß dem dargestellten Beispiel von ca. 30°C auf mehr als 60°C. Es handelt sich in diesem Beispiel jeweils um Temperaturen, die im Zentrum des Behandlungsvolumens gemessen wurden.
Auf das zweite Bestrahlungsintervall T2 folgt eine weitere Ruhephase P2, die eine beispielhafte Länge von etwa 380 Minuten hat. Während der zweiten Ruhephase P2 erwärmt sich das Baustoffgemisch zunächst in Folge von Hydratationsprozessen innerhalb des Baustoffgemisches, um zum Ende der Ruhephase P2 hin abzukühlen. An diesem Beispiel zeigt sich, dass durch die Hydratationswärme des Prozesses eine ungewünschte Temperaturerhöhung auftritt, so dass die Temperatur T Werte von beispielsweise deutlich über 60°C annimmt, die über einer Solltemperatur T_soll liegen. Der Verlauf der Temperatur T weicht stark von einem Verlauf der Solltemperatur T_soll ab. Dies kann zu Schädigungen im Material führen. Außerdem wird bei dieser konventionellen Vorgehensweise stets die volle HF-Energie während der Bestrahlungsintervalle eingesetzt, ohne die Hydratationswärme in die Steuerung einzubeziehen.
Etwa 24 Stunden nach dem Start des ersten Bestrahlungsintervalls T1 wurde die Härte des bestrahlten und mittlerweile zumindest teilweise ausgehärteten Baustoffgemisches bestimmt und mit einer 24 Stunden ohne Bestrahlung ausgehärteten Baustoffgemischprobe verglichen. Es stellte sich heraus, dass die Härte des bestrahlten Baustoffgemisches trotz der ungewünschten Temperaturerhöhung etwa doppelt so hoch war wie die Härte des unbestrahlten Baustoffgemisches. Insbesondere wies das bestrahlte Baustoffgemisch eine Druckfestigkeit von 24 N/mm² auf, wohingegen die unbestrahlte Probe eine Druckfestigkeit von lediglich 12 N/mm² besaß.
Nach sieben Tagen wurden die Messungen der Härte bzw. der Druckfestigkeit wiederholt. Die bestrahlte Probe hatte eine Druckfestigkeit von etwa 26 N/mm² und das unbestrahlte Baustoffgemisch eine Druckfestigkeit von lediglich 20 N/mm². 28 Tage nach dem Beginn des ersten Bestrahlungsintervalls T1 wurde die Druckfestigkeit der Baustoffgemische erneut gemessen. Es stellte sich heraus, dass zu diesem Zeitpunkt das bestrahlte Baustoffgemisch eine geringfügig höhere Druckfestigkeit (30 N/mm²) als das unbestrahlte Baustoffgemisch (lediglich 29 N/mm²) aufwies.
4 und 5 zeigen beispielhaft den Temperaturverlauf eines versuchsweise nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bestrahlten Baustoffgemisches, wobei im Diagramm 54 der 4 auf einer Abszissenachse 51 der zeitliche Verlauf, einer ersten Ordinatenachse 52 die Temperatur T des Baustoffgemisches in Grad Celsius und an einer zweiten Ordinatenachse 53 die Leistung L des Wechselspannungsgenerators 13 in Watt oder der elektromagnetischen Strahlung aufgetragen sind. 5 zeigt ein Diagramm 55, auf dessen Abszissenachse 51 der zeitliche Verlauf und auf einer Ordinatenachse 52 die Temperatur T des Baustoffgemisches in Grad Celsius aufgetragen sind. Eine weitere Ordinatenachse 56 stellt Einstellungsänderungen von Kapazitäten von Matchboxkondensatoren C-Load CL und C-Tune CT dar.
Im Ausführungsbeispiel der 4 wurde die zu 3 erläuterte Vorgehensweise etwas variiert. Hier wurde ein analoges Aufheizprogramm gewählt, allerdings betrug die Plateautemperatur bei diesem Versuch 80°C und nicht 60°C. Die dargestellte Solltemperatur T_soll wurde durch die HF-Erwärmung im Volumen exakt realisiert, ohne dass signifikante Überhitzungen wie in 3 eintrafen. Ursache hierfür ist die temporäre Reduzierung bzw. die kontinuierliche Anpassung der eingebrachten HF-Leistung L an die aktuell gemessene Temperatur innerhalb des Baustoffgemisches. Die Erwärmung in der ersten Phase T1 erforderte eine sich mit der Zeit leicht erhöhende HF-Leistung L. Nach der Ruhephase P1 ohne HF-Bestrahlung erfolgte eine erneute Aufheizung mit einer geregelten HF-leistung L in der Phase T2. Nach ca. 180 min setzte der Hydratationsprozess ein, was zu einer zusätzlichen Wärmeentwicklung im Volumen führte. Diesem Umstand wurde durch die Reduzierung der HF-Leistung im Zuge der Prozesssteuerung Rechnung getragen. Die zweite wesentlichen positiven Effekte des neuartigen Verfahrens konnten im Zuge dieses Versuches exemplarisch nachgewiesen werden: Erstens konnte die insgesamt eingesetzte HF-Energie im Vergleich zu einem Versuch ohne Regelung deutlich reduziert werden. Zweitens wurden materialschädigende Überhitzungen über die Zieltemperatur vermieden.
Beispielsweise anhand der Parameter des elektronischen Anpassnetzwerkes konnte das Einsetzen der Strukturänderungen (Hydratation) in Übereinstimmung mit dem thermischen Effekt detektiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Temperatur des Baustoffgemisches zur Erkennung der Eigenschaftsänderung des Baustoffgemisches herangezogen werden. Die Hydratation ist ein chemisch-physikalischer Prozess, der aufgrund der Lösungs- und Bindungsprozesse besonders in den ersten Stunden hinsichtlich seines Ausmaßes großen Veränderungen ausgesetzt ist. Diese Änderungen, welche sich in veränderten dielektrischen Eigenschaften hydraulisch gebundener Baustoffe niederschlagen, können bei der Erwärmung mit dem hier genannten Verfahren erfasst und für die Prozesssteuerung berücksichtigt werden. Anhand der Daten der Impedanzanpassung (Matchboxparameter) kann dargestellt werden, wie dieser Prozess zeitlich abläuft. Als charakteristischer Aspekt ist hier das Maximum der Hydratationswärmefreisetzung zu nennen, welcher in direkter Verbindung zur erforderlichen Impedanzanpassung steht. Zudem kann eine Temperaturabhängigkeit der Änderungen der Matchboxparameter beobachtet werden, so dass bei höheren (niedrigeren) Wärmebehandlungstemperaturen auch eine zeitigere (spätere) Impedanzanpassung stattfindet. Die Geschwindigkeit des Hydratationsprozesses wird somit indirekt über die Matchboxparameter bestimmbar, was damit auch auf die Geschwindigkeit der Festigkeitsentwicklung schließen lässt. In 5 ist dies exemplarisch für die Kapazitäten der Matchboxkondensatoren C-Load CL und C-Tune CT dargestellt.
Die in den 3 und 4 dargestellten exemplarischen Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Vorteil des Verfahrens grundsätzlich auch in der Erhöhung der Frühfestigkeit liegt. Der zeitliche Gewinn durch die früher mögliche Ausschalung sowie die verbesserte Energieeffizienz bedingen starke positive ökonomische Effekte durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Da mit dem erfindungsgemäßen Verfahren das Baustoffgemisch zum Aushärten nahezu beliebig und ohne störende Temperaturgradienten hervorzurufen auf gewünschte Temperaturen erwärmt werden kann, wurde ferner untersucht, wie sich die Höhe der erreichten Temperatur auf die mittlere Druckfestigkeit acht Stunden nach dem Start des Bestrahlungsintervalls T1 auswirkt. Bei einer erreichten Temperatur von 40°C hat das Baustoffgemisch nach acht Stunden eine Druckfestigkeit von 7,65 N/mm². Wird das Baustoffgemisch auf 60°C erwärmt, so hat es nach acht Stunden eine Druckfestigkeit von über 10 N/mm². Sogar eine Erwärmung auf 80°C ist möglich, wobei das derart stark erwärmte Baustoffgemisch nach acht Stunden eine Druckfestigkeit von über 13,5 N/mm² aufweist.
Im Vergleich zu alternativen Verfahren bietet der Einsatz von dielektrischen Erwärmungsverfahren mit einer gezielten Steuerung wie in der Erfindung beschrieben eine stark verbesserte Möglichkeit, den Erwärmungsprozess zu steuern und den Temperaturverlauf und Erhaltung der verfahrenstechnischen Flexibilität (offene oder hermetisch abgeschlossene Systeme, elektrisch isolierte oder direkt angrenzende Elektroden) zu kontrollieren. Damit können baustoffspezifisch optimale Prozessparameter, die zu optimalen Eigenschaften während des Aushärtungsprozesses und nach seinem Abschluss führen, eingestellt werden.

Claims

Verfahren (30) zur Beschleunigung des Aushärtens von hydraulisch abbindenden Baustoffen, bei dem ein zumindest ein hydraulisch erhärtendes Bindemittel und Wasser enthaltendes Baustoffgemisch in ein Behältnis (2) eingefüllt wird und in das Aufnahmevolumen des Behälters mittels einer Strahlungsquelle elektromagnetische Strahlung (S) mit einer Frequenz zwischen 1 kHz und unter 300 MHz direkt in das Baustoffvolumen emittiert (33) und hierdurch erwärmt wird, wobei die Temperatur (T) des Baustoffgemisches und/oder eine dielektrische Eigenschaft des Baustoffgemisches, welche die im Baustoffgemisch ablaufenden chemischen Reaktionen repräsentieren, mittels Temperatursensoren und/oder Anpassnetzwerk kontinuierlich gemessen und mittels einer Steuereinrichtung (14) zur Steuerung des elektromagnetischen Wechselfeldes die Amplitude und/oder die Frequenz des elektromagnetischen Wechselfeldes in Abhängigkeit von den Messwerten so angepasst wird, dass unter Berücksichtigung der Hydratationswärme der Energieeintrag bei Realisierung eines Aufheizregimes minimiert und eine Überhitzung vermieden wird.
Verfahren (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie verringert wird, wenn die Reaktionen exotherme Reaktionen sind und ausreichen, das Baustoffgemisch weiter zu erwärmen.
Verfahren (30) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung (S) von zumindest einem Teil des Behältnisses (2) abgegeben wird.
Behandlungsvorrichtung (1) zur Aushärtung von hydraulisch abbindenden Baustoffgemischen, mit einem Behältnis (2) zur Aufnahme eines zumindest ein hydraulisch erhärtendes Bindemittel und Wasser enthaltenden und auszuhärtenden Baustoffgemisches, und mit einer Strahlungsquelle elektromagnetischer Strahlung (S), wobei die Strahlungsquelle ausgebildet ist, die Strahlung (S) mit einer Frequenz zwischen 1 kHz und 300 MHz in das Aufnahmevolumen (3) zu emittieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungsvorrichtung (1) eine Steuereinrichtung (14) zur Steuerung der Strahlungsquelle aufweist, wobei die Steuereinrichtung (14) ausgebildet ist, die Strahlungsenergie der Strahlungsquelle in Abhängigkeit von chemischen Reaktionen innerhalb des Baustoffgemisches zu ändern, und die Behandlungsvorrichtung (1) ein Anpassnetzwerk und/oder Temperatursensoren aufweist und ausgebildet ist, die die chemischen Reaktionen repräsentierende Temperatur (T) des Baustoffgemisches und/oder eine die chemischen Reaktionen repräsentierende dielektrische Eigenschaft des Baustoffgemisches zu messen.
Behandlungsvorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis (2) mehrere ein Aufnahmevolumen (3) für das Baustoffgemisch definierende Wände (4, 5, 6, 7) aufweist, wobei zwei der Wände (4, 5) ausgebildet sind, im Betrieb der Behandlungsvorrichtung (1) die elektromagnetische Strahlung (S) in Form eines elektromagnetischen Wechselfeldes im Aufnahmevolumen (3) hervorzurufen.
Behandlungsvorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Wände (4, 5) jeweils zumindest abschnittsweise als eine Elektrode zum Emittieren der elektromagnetischen Strahlung (S) ausgestaltet sind.