DE10355867A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung von Verdichtungsprozessen bei der Vibrationsverdichtung von Gemenge - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung von Verdichtungsprozessen bei der Vibrationsverdichtung von Gemenge, bevorzugt von Betongemenge. DOLLAR A Bei einem solchen Verfahren werden Werte von internen Verdichtungskenngrößen, d. h. von den Grad der Verdichtung des Gemenges eindeutig kennzeichnenden, die Verdichtung bewirkenden physikalischen Größen, an einem Betonvolumenelement im Innern des Gemenges ermittelt und dargestellt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung von Verdichtungsprozessen bei der Vibrationsverdichtung von Gemenge, bevorzugt von Betongemenge, und bezieht sich auf das Problem einer qualitativen und – bei Vorliegen einer Referenztabelle – quantitativen Bewertung der Verdichtungsqualität. Die Erfindung betrifft außerdem Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens.
• Zur Verdichtung von Gemengen unterschiedlichster Konsistenz – beispielsweise Betongemengen oder auch körnigen Schüttgütern, wie Sand – sind aus dem Stand der Tech nik zahlreiche Verfahren bekannt. Die Verdichtung wird in der Regel dadurch erreicht, daß das Gemenge in Bewegung versetzt wird. Dadurch werden Reibungs- und Adhäsionskräfte verringert, und es wird ein Fließvorgang induziert, der in Zusammenwirkung mit der Gravitationskraft dazu führt, daß eingeschlossene Luft nach oben entweicht und eine dichtere Anordnung der Bestandteile des Gemenges ermöglicht – bei einer Mischung von Bestandteilen unterschiedlicher Größe beispielsweise werden größere Zwischenräume zwischen Bestandteilen großen Volumens von solchen mit kleinerem Volumen aufgefüllt.
• Insbesondere bei der Verdichtung von Betongemengen kommt es jedoch auf eine gleichmäßige und hohe Dichte des Gemenges an, die für eine hohe Druckfestigkeit und gute Materialqualität unabdingbar ist. Das klassische Verfahren zur Vibrationsverdichtung, welches insbesondere bei der Herstellung von Betonfertigteilen angewandt wird, ist das sogenannte Rütteln. Dabei werden harmonische Schwingungen in das Gemenge in einer Weise übertragen, daß dieses in vertikale, d.h. zur Erdoberfläche senkrechte Schwingungen versetzt wird. Die Frequenzen der in das Gemenge übertragenen Schwingungen liegen dabei etwa zwischen 20 und 200 Hz). Der Schalldruckpegel an den Arbeitsplätzen in ca. 1–2m Abstand zur Vibrationseinrichtung liegt bei neueren Anlagen häufig über 90 dB(A) und ist damit sehr hoch.
• Aus diesem Grund werden in jüngerer Zeit verstärkt Verfahren angewandt, bei denen das Gemenge horizontal in Schwingungen versetzt wird, wobei die Frequenzen bei diesem auch als Schütteln bezeichneten Vibrationsverfahren etwa zwischen 4 Hz und 20 Hz liegen und für das menschliche Gehör nicht wahrnehmbar sind. Sie sind damit niedriger als die beim Rütteln. In bereits existierenden Verdichtungseinrichtungen mit niederfrequenter Vibration wurden Schalldruckpegel am Arbeitsplatz von deutlich kleiner 80 dB(A) gemessen.
• Eine wesentliche Aufgabe bei der Herstellung von Produkten mittels Vibrationseinwirkung besteht in der Überwachung bzw. Messung der Verdichtungswirkung und in der Einstellung günstiger Einwirkungskennwerte.
• Für das Rütteln hat sich die Messung bzw. Überwachung von Bewegungsgrößen insbesondere die Beschleunigung als qualitätsbestimmende Kenngröße erwiesen. Mit der Bestimmung dieser Kenngröße während der Vibrationseinwirkung kann eine Aussage zur erreichbaren Produktqualität gegeben werden.
• Für das Schütteln sind bisher keine wissenschaftlich fundierten Verfahren bekannt, die eine Überwachung und Bewertung des Verdichtungsprozesses ermöglichen. Die Sicherung einer ausreichenden Verdichtungsqualität erfolgt meistens auf der Basis von Erfahrungswerten, die aus langwierigen und kostenintensiven Erprobungen gewonnen wurden. Für Rüttelverdichtungsprozesse beispielsweise sind im Stand der Technik Verfahren und Anordnungen bekannt, bei denen mittels Beschleunigungssensoren an der Außenseite der Rüttelvorrichtungen der Verdichtungsprozeß kontrolliert und ggf. anhand eines Abgleichs mit gespeicherten Vergleichswerten die eingespeisten Schwingungsfrequenzen geändert werden können.
• Eine solche Anordnung ist beispielsweise in der DE 198 11 344 C2 beschrieben. Auf die Verdichtung mittels horizontaler niederfrequenten Schwingungen von bis zu 20 Hz läßt sich diese Methode jedoch nicht anwenden. Da in vielen Fällen die Verdichtungsqualität nur grob einschätzt werden kann, wird häufig auch unnötig viel Energie in das Gemenge eingetragen. Dies geschieht beispielsweise, indem die Verdichtungszeit verlängert wird oder nach dem Schütteln zusätzlich noch gerüttelt wird, was aber den aus gesundheitlichen Aspekten positiven Effekt der leisen Verdichtung erheblich reduziert. Diese Schätzungen der Verdichtungsqualität erfolgen ausschließlich anhand der Güte der Oberfläche der Fertigteile; eine Kontrolle der Verdichtung im Gemengeinneren findet nicht statt. Alle beim Schütteln eingestellten Maschinenparameter werden zur Zeit empirisch für jedes Produkt separat ermittelt.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zu entwickeln, mit dem der Verdichtungsprozeß bei der Vibrationsverdichtung, insbesondere auch bei der Schüttelverdichtung, besser überwacht werden kann, als dies im Stand der Technik der Fall ist. Darüber hinaus soll ein Gerät entwickelt werden, mit dem das Verfahren auf einfache Weise durchgeführt werden kann.
• Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß Werte von internen Verdichtungskenngrößen, d.h. von den Grad der Verdichtung des Gemenges eindeutig kennzeichnenden, die Verdichtung bewirkenden physikalischen Größen an einem Betonvolumenelement im Innern des Gemenges ermittelt und dargestellt werden. Über den Wert einer solchen Verdichtungsgröße läßt sich direkt auf den Verdichtungszustand des Gemenges schließen. Im einfachsten Fall werden die Ergebnisse auf einem Display angezeigt und eine Person, die die Verdichtungsvorrichtung bedient, kann aufgrund des angezeigten Wertes steuernd in den Verdichtungsprozeß eingreifen, z.B. durch Veränderung
• – der Erregerfrequenz,
• – der Schwingwegamplitude,
• – der Einwirkungszeit der Vibration und/oder
• – der Wirkrichtung(en) der Schwingungen.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, die insbesondere für die automatisierte Fertigung von Betonteilen geeignet ist, wo auf eine bedienende Person verzichtet wird, werden die Werte an eine Steuereinheit übermittelt. In der Steuereinheit wird dann anhand der Werte beurteilt, ob Änderungen an der Einstellung von einer oder mehrerer die Verdichtung beeinflussenden Größen notwendig sind und ggf. diese Änderungen vorgenommen. Die Beurteilung der Werte erfolgt daher zweckmäßig anhand eines Vergleichs mit in einem Speichermedium gespeicherten Referenzwerten. Als solche – in der Regel empirisch ermittelte – Referenzwerte können beispielsweise die Werte der zu untersuchenden Verdichtungskenngrößen für verschiedene Betongemenge bei verschiedenen Schwingungsfrequenzen, Amplituden und unter Umständen auch in Abhängigkeit von der Zeit gespeichert werden.
• Auch eine halbautomatische Steuerung ist denkbar, bei der zwar ermittelt wird, ob Änderungen an den Einflußgrößen notwendig sind, dies aber nur dem Bediener ange zeigt wird. Dies kann auch durch akustische oder optische Alarmsignale unterstützt werden oder an ein anderes Anzeigegerät übertragen werden, so daß sich der Bediener nicht immer in der Nähe der Vorrichtung, die zum Verdichten verwendet wird, aufhalten muß.
• In einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird als eine erste interne Verdichtungskenngröße die dynamische Druckänderung im Gemenge sowie ihre zeitliche Variation ermittelt. Der Gesamtdruck im Gemenge setzt sich aus dem statischen Druck p₁, der durch das Gewicht der Gemengesäule wirkt, und dem dynamischen Druck p ^₂·sin(Ω·t), der sich in den Druckwellen durch das Gemenge und im Staudruck in Vibrationsrichtung ausbreitet, zusammen. Ω=2πf ergibt sich aus der Frequenz f, mit der das Gemenge schwingt. Die dynamische Druckänderung ergibt sich dann zu p₂(t) = p ^₂sin(Ωt)·f(t), wobei f(t) eine langsame zeitliche Änderung des Verdichtungsprozesses beschreibt. f(t) ist eine dimensionslose zeitabhängige Größe. Wenn f(t)=const., ist ein quasistationärer Zustand der Vibrationseinwirkung erreicht und die Verdichtungswirkung auf das Gemenge ist abgeschlossen.
• Gemessen und aufgezeichnet wird sowohl der statische Druck p₁ wie auch der dynamische Druck p ^₂·sin(Ω·t).
• Diese dynamische Druckänderung wird an einer oder mehreren Stellen im Gemenge ermittelt. Im niederfrequenten Bereich von Frequenzen bis zu 20 Hz verhält sich diese Druckänderung proportional zur Verdichtungsqualität bzw. zu den an diesen Stellen erreichten Festbeton-Rohdichten des fertigen Betonbauteil, wie in zahlreichen Versuchen ermittelt wurde. Prinzipiell ist die Festbeton-Rohdichte um so höher zu erwarten, je größer die dynamische Druckänderung bei der Verdichtung gemessen wird.
• Auf diese Weise lassen sich eventuelle Dichteunterschiede, wenn man an mehreren Stellen mißt, in einem Bauteil bereits bei der Herstellung prognostizieren bzw. die Gleichmäßigkeit der Verdichtung bei großflächigen bzw. dickwandigen Betonfertigteilen überprüfen. Außerdem ist es möglich, die Realisierung eines gleichbleibenden Verdichtungsergebnisses bei der Serien- oder Massenfertigung identischer oder geometrisch ähnlicher Betonfertigteile mit gleicher Gemengezusammensetzung zu überwachen und Unregelmäßigkeiten bereits während des Verdichtungsprozesses zu erkennen und rechtzeitig entsprechende Maßnahmen zur Beseitigung dieser Unregelmäßigkeiten einzuleiten.
• In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird als eine zweite Verdichtungskenngröße die Dämpfung bei der Übertragung von in das Gemenge eingeleiteten Schwingungen durch das Gemenge ermittelt. Während der Vibration kommt es im Gemenge zu Partikelumordnungen und lokalen Verflüssigungserscheinungen, wobei jedoch der Beton nach und nach dichter wird, so daß sich das Verhalten bei der Übertragung von Schwingungen durch das Gemenge zeitlich verändert. Die eingeleiteten Schwingungen haben höhere Frequenzen als die Vibrationsschwingungen, beispielsweise 400 Hz. Allgemein kann ein Frequenzbereich von ca. 200 Hz bis etwa 2 kHz genutzt werden.
• Grundsätzlich gilt, daß die Dämpfung der übertragenen Schwingungen um so höher ist, je geringer die Rohdichte des Betons ist. Bei zunehmender Verdichtung wird daher die Dämpfung abnehmen. Sollte die Dämpfung nach einem gewissen Zeitraum immer noch sehr hoch sein, so kann beispielsweise die Erregerfrequenz erhöht werden, um eine bessere Verdichtung zu erreichen.
• Die beiden eben genannten Verdichtungskenngrößen können sowohl einzeln als auch zusammen ermittelt werden. Da die dynamische Druckänderung immer nur einen lokalen Ausschnitt des Betongemenges beschreibt, die Messung der Dämpfung aber den über die ganze Ausdehnung des Gemenges gemittelten Verdichtungszustand, ergänzen sich die Messungen beider Kenngrößen. Eine weitere Verdichtungskenngröße, die den Verdichtungszustand des Gemenges wiederum lokal beschreibt, jedoch schwerer zu messen ist als die dynamische Druckänderung, ist die Winkelverformung der Winkel eines quaderförmigen Volumenelements im Gemenge.
• Die Erfindung umfaßt auch Vorrichtungen zur Überwachung von Verdichtungsprozessen bei der Vibrationsverdichtung von Gemenge, welche das erfindungsgemäße Verfahren umsetzen. Eine solche Vorrichtung umfaßt im einfachsten Fall eine Meßeinheit zur Erfassung von Werten von internen Verdichtungskenngrößen, Mittel zur Übertragung der Werte an eine Auswerteeinheit und Mittel zur Anzeige der Werte an der Auswerteeinheit.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, die die Automatisierung erleichtert, ist außerdem eine mit der Auswerteeinheit verbundene Steuereinheit zur Regelung von die Vibration beeinflussenden Einflußgrößen anhand der ermittelten Werte vorgesehen.
• Wenn mit der Vorrichtung die dynamische Druckänderung im Gemenge bestimmt werden soll, so ist es zweckmäßig, in der Meßeinheit mindestens einen Drucksensor zur Messung von Werten der dynamischen Druckänderung vorzusehen. Die Vorrichtung kann dabei so ausgestaltet sein, daß mehrere Drucksensoren in vorher festgelegter räumlicher Anordnung in das Gemenge eingebracht werden können, wozu die Sensoren beispielsweise rasterförmig angeordnet werden können.
• In einer besonders bevorzugten, einfachen Ausgestaltung ist die Vorrichtung als Handgerät ausgeführt. Dabei ist die Beschränkung auf wenige Sensoren sinnvoll, um die Handhabung und Bedienung des Geräts nicht unnötig zu erschweren.
• Die Erfindung soll im folgenden anhand eines Beispiels näher erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigt
• 1 eine einfache Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Handgerät,
• 2 ein in ein Betongemenge eingebrachtes Handgerät, und
• 3 beispielhaft die Abhängigkeit der dynamischen Druckänderung von der Festbetonrohdichte.
• In 1 ist zunächst die Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung als Handgerät zur Messung der dynamischen Druckänderung dargestellt. Das Handgerät wird an einem Handgriff 1 festgehalten. Der Handgriff 1 ist mit einem Träger 2 verbunden, der eine Auswerteeinheit 3 mit einer Anzeige 4 trägt. Über Bedienknöpfe 5 kann das Gerät und die Anzeige 4 gesteuert werden. Mittels der Bedienknöpfe 5 kann auch ein Teleskoparm 6, der über eine elastische Aufhängung 7 mit dem Träger 2 gekoppelt ist, ausgefahren werden. Mit dem Teleskoparm 6 läßt sich die Meßtiefe einstellen. Außerdem dient dieser Arm auch zur Aufnahme von Kabeln, die die Auswerteeinheit 3 mit einem Drucksensor 8 zur Registrierung von Druckschwankungen verbinden, falls die Übertragung der Daten nicht drahtlos erfolgt. Die Druckschwankungen selbst werden direkt über eine Membran 9 im Drucksensor 8 registriert.
• Eine andere Ausgestaltung der Vorrichtung als Handgerät ist in 2 im Zusammenhang mit der Ermittlung der dynamischen Druckänderung als interne Verdichtungskenngröße dargestellt. Die Auswerteeinheit 3 ist hier relativ zum Handgriff 1 räumlich beweglich und mit diesem beispielsweise über ein Kabel 10 verbunden. Die Verbindung kann aber auch drahtlos ohne das Kabel 10 erfolgen. Am Handgriff ist ein Meßarm 11 angebracht, an dessen anderen Ende sich der Sensor 8 befindet. Der Meßarm 11 kann mit einer – nicht gezeigten – Skaleneinteilung versehen sein. Mittels eines Schwimmers 12, der auf der Oberfläche eines Betongemenges 13, welches sich in einer Form 14 befindet, schwimmt und dessen Position entlang des Meßarms 11 verschiebbar ist, lassen sich verschiedene Meßtiefen einstellen, wobei selbstverständlich Mittel vorgesehen sein müssen, um den Schwimmer 12 in der gewünschten Position am Meßarm 11 zu fixieren. In der Anzeige 4 wird die gemessene dynamische Druckänderung angezeigt, und entsprechend des angezeigten Wertes kann entschieden werden, ob eine Änderung der das Schütteln bestimmenden Parameter angebracht ist.
• In 3 ist der Zusammenhang zwischen der dynamischen Druckänderung p(t) in mbar und der Festbetonrohdichte ρ in kg/m³ für zwei verschiedene Erregerfrequenzen dargestellt. Die mit Quadraten gekennzeichneten Meßwerte wurden bei einer Erregerfrequenz von 8 Hz registriert; durch sie wurde eine gestrichelte Ausgleichsgerade gelegt. Die mit Dreiecken gekennzeichneten Werte wurden bei einer Erregerfrequenz von 12 Hz gemessen, die durch sie gelegte Ausgleichsgerade ist als Linie mit zwei unterschiedlichen Strichweiten dargestellt. Beginnt man den Verdichtungsprozeß beispielsweise mit einer Schüttelfrequenz von 8 Hz und mißt nach einiger Zeit eine dynamische Druckänderung von etwa 9 mbar, so läßt sich auf eine Festbetonrohdichte von etwa 2295 kg/m³ schließen. In diesem Fall ist es dann sinnvoll, die Erregerfrequenz auf 12 Hz zu erhöhen, um schneller eine hohe Verdichtung zu erreichen.

1

Handgriff

2

Träger

3

Auswerteeinheit

4

Anzeige

5

Bedienknöpfe

6

Teleskoparm

7

elastische Aufhängung

8

Drucksensor

9

Membran

10

Kabel

11

Meßarm

12

Schwimmer

13

Betongemenge

14

Form

Claims (10)

1. Verfahren zur Überwachung von Verdichtungsprozessen bei der Vibrationsver dichtung von Gemenge, bevorzugt von Betongemenge, dadurch gekennzeichnet, daß Werte von internen Verdichtungskenngrößen, d.h. von den Grad der Verdichtung des Gemenges eindeutig kennzeichnenden, die Verdichtung bewirkenden physikalischen Größen an einem Betonvolumenelement im Innern des Gemenges ermittelt und dargestellt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte an eine Steuereinheit übermittelt werden, anhand der Werte beurteilt wird, ob Änderungen an der Einstellung von einer oder mehrerer die Vibration beeinflussender Einflußgrößen notwendig sind und ggf. die Änderungen vorgenommen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beurteilung der Werte anhand eines Vergleichs mit in einem Speichermedium gespeicherten Referenzwerten erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beurteilung und ggf. die Änderung automatisch in der Steuereinheit vorgenommen wird.
5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als eine erste interne Verdichtungskenngröße die dynamische Druckänderung im Gemenge und ihre zeitliche Variation ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als eine zweite Verdichtungskenngröße die Dämpfung bei der Übertragung von in das Gemenge eingeleiteten Schwingungen durch das Gemenge ermittelt wird.
7. Vorrichtung zur Überwachung von Verdichtungsprozessen bei der Vibrationsverdichtung von Gemenge, bevorzugt von Betongemenge, nach den vorgenannten Verfahrensschritten, umfassend – eine Meßeinheit zur Erfassung von Werten von internen Verdichtungskenngrößen, – Mittel zur Übertragung der Werte an eine Auswerteeinheit (3), und – Mittel zur Anzeige der Werte an der Auswerteeinheit (3).
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit der Auswerteeinheit (3) verbundene Steuereinheit zur Regelung von die Vibration beeinflussenden Einflußgrößen anhand der Werte vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Meßeinheit mindestens ein Drucksensor (8) zur Messung von Werten der dynamischen Druckänderung im Gemenge vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Handgerät ausgestaltet ist.