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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Anregung der Frühhydratation von Frischbeton eines Betonfertigteils.
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Die chemisch-physikalische Reaktion von Zement mit Wasser wird als Hydratation bezeichnet. Die Hydratation beginnt an der Oberfläche der Zementkörner und dringt zu deren Kern hin vor, solange das für die Reaktion erforderliche Wasser vorhanden ist. Dieser chemisch-physikalische Prozess führt zum Ansteifen, Erstarren und anschließenden Erhärten des Zement-Wasser-Gemisches. Das Erstarren und Erhärten beruht in erster Linie auf der Bildung von kristallwasserhaltigen Verbindungen, so genannten Calcium-Silikat-Hydratphasen.
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Die
DE 691 10 902 T3 offenbart ein Verfahren zum nichtzerstörerischen Trocknen von wassergeschädigten Bauwerkstrukturen, wie zum Beispiel Böden oder Wänden, aus Beton, Stein oder Ziegeln, bei dem Mikrowellenstrahlung auf die wassergeschädigte Bauwerkstruktur gerichtet wird, so dass diese durch Wärme verstärkte Verdunstung entwässert wird. Für die Erwärmung wird Mikrowellenstrahlung in Form einer Vielzahl aufeinander folgender ähnlicher Trocknungsperioden und dazwischen liegender heizungsfreier Pausen in die wassergeschädigte Bauwerkstruktur gerichtet, wobei die Temperatur der wassergeschädigten Bauwerkstruktur während des gesamten Trocknungsprozesses im wesentlichen auf einem gegebenen Niveau gehalten wird. Würde eine solche Mikrowellenbestrahlung, die zur Trocknung des Betons führt, bei einem frischen Betonfertigteil eingesetzt, würde zum einen das für die Hydratation des Betons erforderliche Wasser entzogen und der chemische Vorgang der Erhärtung unterbrochen werden und zum anderen würden durch die schnelle Trocknung Risse in dem Betonteil entstehen.
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Bei der industriellen Herstellung von Betonfertigteilen ist die Erwärmung der Betonprodukte ein weitverbreitetes Verfahren, um die Frühfestigkeit des Betons und somit die Produktivität des Werkes zu erhöhen, indem die Hydratation angeregt wird. Es werden verschiedene Techniken eingesetzt, die im Wesentlichen darauf basieren, den Beton an einer beheizten Kontaktfläche zu erwärmen. Beispielsweise wird während der Produktion von Spannbetonhohlplatten eine Produktionsbahn geheizt, wobei die Produktionsbahn durch heißes Wasser erwärmt wird, das innerhalb der Produktionsbahn verlegte Rohre durchströmt, um Wärme an die auf der Produktionsbahn aufliegenden Hohlplatten abzugeben. Das gleiche Prinzip wird auch bei Stabschalungen oder Kipptischen angewendet. Im Weiteren erfolgt eine Erwärmung des Anmachwassers für Frischbeton mit Öl- bzw. Gasbrennern und/oder eine Erwärmung der Zuschlagsstoffe mit Heizgebläsen und/oder eine Erwärmung des Frischbetons durch Zugabe von Wasserdampf. Darüber hinaus werden Heizstrahler oberhalb der Betonfertigteile angeordnet, um diese zu erwärmen und die Frühfestigkeit zu erhöhen.
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Die eingesetzten Verfahren haben den Nachteil eines relativ hohen Aufwands an in das zu erhärtende Betonteil einzubringender Energie, da das Betonteil nur oberflächig beheizt wird und darüber hinaus relativ viel Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Ein weiterer wesentlicher Nachteil besteht darin, dass der Wärmetransport in dem zu beheizenden Betonfertigteil relativ langsam abläuft und Wärmegradienten entstehen. Die Wärmegradienten bzw. Temperaturdifferenzen, insbesondere über die Dicke des erhärtenden Betonfertigteils können sich negativ auf die Porenstruktur des fertigen Betons auswirken. Austrocknungsvorgänge an den Oberflächen können zudem Rissbildungen im Betonfertigteil verursachen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine Weiterbearbeitung der Betonfertigteile bei einem verhältnismäßig geringen Einsatz von Energie wesentlich beschleunigt.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst.
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Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung dar.
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Bei einem Verfahren zur Anregung der Frühhydratation von Frischbeton eines Betonfertigteils, wird das Betonfertigteil direkt nach der Produktion einer Mikrowellenstrahlung ausgesetzt.
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Das als Zement-Wasser-Aggregat-Gemisch vorliegende frisch gegossene und gegebenenfalls verdichtete Betonfertigteil wird für eine relativ kurze Zeit, beispielsweise wenige Minuten, der Mikrowellenstrahlung, die beispielsweise eine Frequenz von ca. 2,45 GHz aufweist, ausgesetzt. Hierbei konnte festgestellt werden, dass das Betonfertigteil über seinen Querschnitt relativ homogen erwärmt wird und durch die kurzzeitige Erwärmung mittels der Mikrowellenstrahlung die Frühhydratation gestartet und beschleunigt wird. Die kurzeitig in das Betonfertigteil eingebrachte Wärme nimmt aufgrund der erwärmten Masse und der entstehenden Hydratationswärme nur sehr langsam ab, so dass der mit der kurzzeitigen Mikrowellenbestrahlung erzielte Effekt über einen verhältnismäßig langen Zeitraum anhält.
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Durch die kontrollierte Energiezufuhr wird das Zement-Wasser-Aggregat-Gemisch oder der Zementleim des Betonfertigteils in kurzer Zeit, beispielsweise wenigen Minuten, erwärmt und der Hydratationsvorgang ist durch die zeitliche Vorverlagerung der Frühhydratation deutlich beschleunigt. Durch die Mikrowellenbestrahlung wird das Betonfertigteil homogen erwärmt und der chemische Prozess der Hydratation unmittelbar nach der Fertigung des Betonfertigteils angeregt. Im Gegensatz zu den konventionellen Wärmehandlungsmethoden entsteht im Betonkörper ein quasi homogenes Temperaturfeld, das zu homogenen Kristallisationsbedingungen führt. Weiterhin werden die sonst üblichen Feuchtetransporte und die thermischen Spannungen deutlich vermindert.
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Die Mikrowelle kann stationär oder verfahrbar zu mindestens einen Betonfertigteil angeordnet sein.
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Bei dem zu bestrahlenden Beton, aus dem das Betonfertigteil gefertigt ist, kann es sich um Beton, Leichtbeton oder Schaumbeton handeln. Sämtliche Werkstoffe werden in der Betonfertigteilindustrie verwendet.
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Das Zement-Wasser-Gemisch des Betonfertigteils wird mittels der Mikrowellenstrahlung um ca. 40°C bis etwa 56°C, bevorzugt um ca. 18°C bis etwa 40°C, erwärmt. Größere Temperaturerhöhungen des Betonfertigteils bis auf 80 bis 90 °C sind denkbar.
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In Ausgestaltung wird eine die Mikrowelle erzeugende Mikrowellenquelle relativ zu mindestens einem Betonfertigteil verfahren. Die Mikrowellenquelle kann zu dem oder den Betonfertigteilen verfahren werden oder die Betonfertigteile werden zur Mikrowellenquelle bewegt. Dies erfolgt in Abhängigkeit von der Fertigungstechnik für die Betonfertigteile. Selbstverständlich ist die Mikrowellenquelle derart abgeschirmt, dass die Umgebung vor einer austretenden Strahlung geschützt ist. Stahl- oder Eisenteile in Form von Bewehrungen oder Spannlitzen innerhalb des Betonfertigteils werden durch die Mikrowellenstrahlung nicht beschädigt. Die von der Mikrowellenquelle emittierte Mikrowellenstrahlung dringt in bekannter Weise in den frischen Beton, also das Zement-Wasser-Aggregat-Gemisch oder den Zementleim, ein, wobei die Energie der Mikrowellenstrahlung absorbiert und in Wärme umgewandelt wird.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von zwei Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
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2 eine schematische Darstellung einer ersten alternativen Vorrichtung nach 1,
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3 eine schematische Darstellung einer zweiten alternativen Vorrichtung nach 1,
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4 eine schematische Darstellung einer dritten alternativen Vorrichtung nach 1 und
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5 eine Darstellung eines Verlaufs der Temperatur in Probekörpern über der Zeit.
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Ein als eine vorgespannte Betonhohlplatte 1 ausgebildetes Betonfertigteil 2 wird in einem Betonfertigteilwerk auf einer relativ langen Produktionsbahn 3, die beispielsweise 120 bis 180 m lang ist, mittels Gleitfertiger 8 oder Extruder hergestellt. Durch die gemäß 1 nach der Produktion der Betonhohlplatte 1 über die Produktionsbahn 3 geführte Mikrowellenquelle 4 werden gezielt Mikrowellen auf den frisch entschalten Beton des Betonfertigteils 2 geleitet. Durch die kontrollierte Energiezufuhr wird der Beton in relativ kurzer Zeit, beispielsweise in wenigen Minuten, erwärmt und somit der Hydratationsvorgang deutlich beschleunigt. Die Mikrowellenstrahlung mit einer Wellenlänge von insbesondere 2,45 GHz bewirkt, dass der Beton durchdrungen und die Energie der Mikrowellenstrahlung absorbiert und in Wärme umgewandelt wird, wodurch eine Frühhydratation wesentlich früher beginnt als es bei einem konventionell hergestellten Betonfertigteil der Fall ist.
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Die Hydratation bzw. die damit verbundene Wärmeentwicklung tritt in Abhängigkeit des eingesetzten Zementes ohne eine zusätzliche Energiezufuhr nach etwa 1 bis 2 Stunden ein. Durch die Mikrowellenbestrahlung wird das Betonfertigteil 2 homogen erwärmt und der chemische Prozess unmittelbar nach der Fertigung angeregt. Im Gegensatz zu den konventionellen Wärmehandlungsmethoden entsteht im Betonfertigteil 2 ein quasi homogenes Temperaturfeld, das zu homogenen Kristallisationsbedingungen führt. Im Weiteren werden die bei der Hydratation üblichen Feuchtetransporte und thermischen Spannungen, gegenüber einer Bearbeitung ohne eine zusätzliche Energiezufuhr vermindert.
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Die chemisch-mineralogische Reaktion des Zements mit dem Wasser, also die Hydratation, wird durch die Energiezufuhr durch die Mikrowellenbestrahlung beschleunigt. Insbesondere die Bildung von Ettringit, das für die Frühfestigkeit des Betonfertigteils 2 im Wesentlichen verantwortlich ist, wird positiv beeinflusst. Das gleiche Prinzip kann gemäß 2 bei einer Fertigung des Betonfertigteils 2 auf einem Kipptisch 5 erfolgen, wobei die Mikrowellenquelle 4 über den Kipptisch 5 gefahren wird, um das Betonfertigteil 2 zu erwärmen.
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Analog zu den zuvor erläuterten Vorrichtungen und Verfahren ist es gemäß den 3 und 4 auch möglich, die Mikrowellenquelle 4 stationär zu platzieren und das Betonfertigteil 2 unter der Mikrowellenquelle 4 durch zu bewegen. Dies kann sowohl mittels einer Palettenumlaufanlage 6 nach 3, als auch in Zusammenhang mit einem Förderband 7 gemäß 4 erfolgen.
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Zur Durchführung der experimentellen Versuche wird eine Industriemikrowelle benutzt, um eine möglichst gleichmäßige und homogene Verteilung der Mikrowellen zu erreichen, mit dem Ziel die Betonprobe möglichst komplett aufzuheizen. Die Mikrowellenquelle 4 wird mit einer Wellenlänge von 2,45 GHz und einer Leistung von 12 × 500 Watt betrieben.
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Die Betonproben werden mit einem Wasserzementwert (w/z-Wert) von 0,5 hergestellt. Im Weiteren wird für die Herstellung 0/8 mm Estrichsand und ein Portland CEM II, 42,5 Zement verwendet. Die Probenbehälter zur Aufnahme des Betons bestehen aus Polypropylen.
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Zum Vergleich der Auswirkungen der Mikrowellenbehandlung wird eine unbehandelte Blindprobe NB1 hergestellt und unter Umgebungstemperatur aufbewahrt. Die Proben NB 2 und NB 3 werden mit speziellen Temperaturfühlern am Rand und in der Mitte der Probe ausgerüstet, um während des Aufheizvorganges die Temperatur zu kontrollieren, die Eindringtiefe der Mikrowellen sowie die Wärmeverteilung innerhalb der Probe bestimmen zu können.
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Die Proben werden mittels eines Förderbandes in den Bereich der Mikrowellenquelle 4 eingebracht und nach Erreichen der voreingestellten Temperatur wieder ausgefahren.
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Die Probe NB 2 wird auf 56°C (ΔT = 40°C) und die Probe NB3 auf 34 °C (ΔT = 18°C) innerhalb weniger Minuten erhitzt. Die Mikrowellenerwärmung wird nur einmal durchgeführt. Nach der Mikrowellenbehandlung werden in regelmäßigen Abständen die Innentemperaturen aller drei Proben mittels eines Stechthermometers bestimmt.
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Im Vergleich zu der Rückstellprobe NB1 fällt bei der optischen Beurteilung deutlich auf, dass die wärmebehandelten Proben schon direkt nach der Entnahme eine Betonhaut bilden, während die Probe NB1 an ihrer Oberfläche feucht glänzt. Nach bereits wenigen Minuten fühlt sich insbesondere die höher aufgeheizte Probe NB 2 deutlich fester als die beiden Proben NB3 und NB1 an.
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Die Temperaturkurven über der Zeit gemäß 5 zeigen deutlich die Temperaturerhöhung der Proben NB2 und NB3 durch die Mikrowellenbestrahlung und das relativ langsame Abkühlen der wärmebehandelten Proben NB2 und NB3. Während bei der Rückstellprobe NB 1 nach ca. 3 Stunden eine Temperaturerhöhung aufgrund der Hydratationswärme zu erkennen ist, ist bei den mikrowellenbehandelten Proben NB 2 und NB 3 die Temperaturerhöhung der stattfindenden Hydratation von der eingeführten Wärme durch die Mikrowellenbestrahlung überlagert. Es zeigt sich, dass es bis zu 3 Stunden dauert, bis die Temperatur der behandelten Proben NB 2 und NB 3 auf die der Rückstellprobe NB 1 fällt.
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Es ist zudem durch Vergleich der inneren und äußeren Temperaturen in den Probekörpern nachzuweisen, dass die Eindringtiefe der Mikrowellen groß genug war, um die Proben NB 2 und NB 3 nahezu homogen zu erwärmen.
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Die früh einsetzende Festigkeit konnte direkt an den Proben NB1, NB 2 und NB 3 abgelesen werden. So war es bereits nach wenigem Minuten bereits schwierig in Probe NB 2 das Stechthermometer einzustecken, während bei der Rückstellprobe NB1 dies ohne Probleme möglich war.
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Die Fragestellung, ob die Wärmebehandlung den Betonproben hinsichtlich der Endfestigkeit geschadet hat, wurde 12 Tage nach der Herstellung und Behandlung der Proben im Baustofflabor untersucht. Die Proben NB1 (Rückstellprobe) und NB 3 (mikrowellenbehandelt) werden auf ihre Druckfestigkeit nach
DIN EN 12390-3 untersucht. Die Ergebnisse sind nachfolgend dargestellt:
| Parameter / Probe | NB1 | NB3 |
| Masse (kg) | 3,86 | 3,98 |
| Volumen (dm3) | 1,896 | 1,933 |
| Rohdichte (kg/m3) | 2,040 | 2,060 |
| Bruchlast Fu (kN) | 374,7 | 407,1 |
| Druckfestigkeit fci (N/mm2) | 20,0 | 21,7 |
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Der Bruchtest zeigt, dass die mikrowellenbehandelte Probe NB 3 keine negativen Auswirkungen hinsichtlich der Festigkeit erfahren hat. Im Gegenteil ist eine leicht erhöhte Festigkeit gegenüber der Probe NB1 zu erkennen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Betonhohlplatte
- 2
- Betonfertigteil
- 3
- Produktionsbahn
- 4
- Mikrowellenquelle
- 5
- Kipptisch
- 6
- Förderband
- 7
- Temperaturkurve
- 8
- Gleitfertiger
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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