DE1683811B2 - Verfahren zur intensivaufbereitung von bindehaltigen baustoffmischungen - Google Patents

Description

35

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Intensivaufbereitung von bindemittelhaltigen Baustoffmischungen durch Vermischen der Mischungsbestandteile in einen Zwangsmischer, vorzugsweise einem Gegenstrommischer mit Wirbler. Baustoffmischungen der genannten Art sind z. B. Beton, Kalksir.dsteinmassen od. dgl.

Durch eine Intensivaufbereitung bzw. Feinzerkleinerung der Kalk- oder Zementteilchen läßt sich eine hohe Festigkeit, insbesondere eine hohe Frühfestigkeit erreichen oder der Anteil an Bindemittel im Vergleich zu herkömmlichen Aufbereitungsverfahren verringern. Eine solche Intensivaufbereitung setzt jedoch voraus, daß möglichst große Energiemengen in verhältnismäßig kurzen Zeiträumen in das Mischgut eingeführt werden, was ein Arbeiten mit großer Leistung pro Gewichtseinheit des Mischguts bedeutet. Die Antriebsleittung für die zur Intensivaufbereitung von Baustoffmiichungen verwendeten Mischer läßt sich jedoch nicht beliebig erhöhen. Andererseits ist die Energieaufnahme des Mischguts sehr stark von dessen Konsistenz abhängig. Im Bereich einer relativ weichen Konsistenz (relativ hoher W/Z-Faktor) liegt z. B. die spezifische Energieaufnahme des Mischguts so niedrig, daß sich eine Intensivaufbereitung mit den gewünschten Vorteilen gar nicht erreichen läßt. Ein weiterer Gesichtspunkt bei dieser Art der Aufbereitung des Gemisches besteht darin, daß eine leichte Umstellung des Mischverfahrens auf z. B. unterschiedliche Betonrezepturen gegeben sein muß. Der Bindemittelanteil beeinflußt ebenfalls die Energieaufnahme des Mischguts, und z. B. relativ ze mentarme Gemische weisen eine nahezu konjtan; Energieaufnahme auf, während zementreiche Gcmi sehe mit zunehmendem Wasseranteil einen steilen Ab fall der Energieaufnahme zeigen.

Die herkömmlichen Verfahren zur Aufbereitung vui Beton laufen im wesentlichen darauf hinaus, die Festig keitseigenschaften des Betons dadurch zu steigern, da! in kostspieliger Weise der Anteil an Bindemitteln er höhi wird.

Es ergibt sich somit das Problem, eine Baustoffmi schung mit einem relativ hohen Wassergehalt unte maximaler Ausnutzung der Antriebsleistung der Misch werkzeuge herzustellen, obwohl derartige Baustoffmi schungen bei der angestrebten Endfeuchtigkeit nur wenig Antriebsleistung aufnehmen, d. h. also, die Antriebs aggregate nur unvollständig ausgenutzt werden kön

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Intensivaufbereitung von Baustoffmischungen anzugeben, bei dem eine relativ große Energiemenge in kurzer Zeit in das Mischgut eingeleitet und der Bindemittelinhalt in gesteigertem Maße nutzbar gemacht werden kann, wobei die maximale Antriebsleistung des zur Aufbereitung verwendeten Mischers in der vorgesehenen Größenordnung der Nennlast ohne Motorüberlastung liegt und während des gesamten Mischvorgangs gleichmäßig oder nahezu gleichmäßig genutzt werden kann, so daß dem Mischgut ein höherer Energiebetrag zugeführt wird als bei der üblichen Aufbereitung.

Während man bislang von der Annahme ausging, daß beim Mischen z. B. von Beton eine gleichmäßige und homogene Verteilung der Bestandteile für die Erzielung eines möglichst hochwertigen Endprodukts entscheidend ist, beruht die Erfindung auf der Feststellung, daß durch weitere Energiezufuhr nach Erreichung einer völlig homogenen Vermischung die Qualität des Guts, insbesondere seine Druckfestigkeit, noch erheblich gesteigert werden kann, dies bedeutet, daß zur Erzielung einer gewünschten Druckfestigkeit ein Bindemittelersparnis von bis zu 20% erreicht werden kann.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß Bindemittel und Zuschlagstoffe mit einer solchen Anteilmenge des insgesamt zuzusetzenden Wassers versehen werden und der Mischvorgang mit einer solchen Umdrehungszahl der Mischwerkzeuge eingeleitet wird, daß die maximale Energie der Antriebsmaschine des Mischers in die Mischung eingeführt wird und die restliche Wassermenge unter gleichzeitiger Erhöhung der Umdrehungszahl der Mischwerkzeuge derart zugesetzt wird, daß die Antriebsmaschine weiter unter Nennleistung arbeitet und daß die Mischarbeit über den Zeitpunkt der Erzielung einer homogener Mischung hinaus fortgesetzt wird.

Gemäß dem Verfahren nach der Erfindung arbeitet somit der Mischer während des gesamten Mischvorgangs nahe der Nennleistung, und wenn dann das Optimum der Homogenität erreicht ist, wird die Umdrehungszahl der Mischwerkzeuge laufend so erhöht, daß der Mischer weiterhin nahe der Nennleistung beansprucht ist. In vorteilhafter Weise arbeitet somit der Mischer schon bei Zugabe von Bindemittel und Zuschlagstoffen nahe Nennlast, und die Mischarbeit wird über die Erzielung des Optimums der Homogenität hinaus fortgesetzt, bis bei weiterer Mischarbeit das aus dem Mischprodukt gewonnene Produkt keine Steigerung der Güteeigenschalten mehr erfährt. Die Errei-

dieses Zustands isi an Hand von Versuchsreihen Ϊ Änderung des W/Z-Faktors, der Mischdauer und T'r Umdrehungszahl der Mischwerkzeuge zu ermitteln. Durch das zweistufige Verfahren gemäß der Erfindung wird ermöglicht, daß in gewünschter Weise in relativ kurzer Zeit eine große Energiemenge in das Mischgut eingeführt werden kann, so daß eine intensive Teilchenzerkleinerung stattfindet, während gleichzeitig die maximale Antriebsleistung des Mischwerkzeug- auf fiblicher Größe gehalten werden kann. Wesentlich ist, daß zugleich aas sich bildende Gel von den Teilchen beerieben und dadurch die Gelbildung und Hydratation bis zum Kern des Korns gesteigert wird. Das Zuschlagkorn wirkt hierbei als Mahlkörper und liefert durch Abrieb Quarzmehl. Hohe Bindemitteleinsparuneen ergeben sich daher durch die Erzeugung einer ausreichenden Menge Feinstabrieb der Zuschlagstoffe, d.h. die zusätzliche Zerkleinerung der Zementpartikel, wobei Wasser zwecks Erzeugung von Zeuentgel vorhanden ist Es ergibt sich eine intensive Mischung, da während des Abbindens des Betons sich eine chemische Reaktion vollzieht, die in vorteilhafter Weise optimale Festigkeitswerte erbringt, wenn der erfindungsgemäß erreichte Feinstabrieb der Zuschlagstoffe mit dem Feinstabrieb der Zementpartikel und dem entständenen Zementgel innig gemischt ist.

Ein weiterer Vorteil ist, daß die Mischmaschine während der Aufbereitung so gefahren werden kann, daß ihr Antriebsmotor während des gesamten Arbeitsspiels mit seiner Nennlast arbeitet. Die Anteilmenge des Wassers beim anfänglichen Verfahrensschritt sowie der restliche Wasseranteil bei dem mit erhöhter Drehzahl der Mischwerkzeuge durchgeführten zweiten Verfahrensschritt lassen sich in einer Vielzahl unterschiedlicher Betonzusammensetzungen derart anpassen, daß die Energieeinführung in das Mischgut während der gesamten Aufbereitung des Betons auf gleicher oder nahezu gleicher Höhe bleibt.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung erfolgt die Zugabe der restlichen Wassermenge kontinuierlich bei kontinuierlicher Erhöhung der Drehzahl. Hierbei wird der Mischvorgang nahe dem Maximum der Kurve aus Energieaufnahme gegen W/Z-Faktor auf dem absteigenden Kurvenast eingeleitet.

Wenn man die Drehzahl so abstimmt, daß die Nennlast der Antriebsmotor des Mischers in beiden Misc'nphasen ungefähr gleichgehalten ist, kann man gemäß einem weiteren Merkmal nach der Erfindung den Mischvorgang nahe dem Maximum der Kurve aus Energieaufnahme gegen W/Z-Faktor einleiten und den restlichen Wasseranteil bei gleichzeitiger sprunghafter Erhöhung der Drehzahl zugeben, so daß dadurch in vorteilhafter Weise ein steiler Abfall der Kurve aus Energiezunahme gegen W/Z-Faktor bei Zugabe der restlichen Wassermenge vermieden wird

Zweckmäßig erfolgt die Durchführung des Mischvorgangs in einem Gegenstrommischer mit kontinuierlich gleichmäßig umlaufendem Hauptmischwerkzeugsystem und einem Wirbler, dessen Drehzahl regelbar ist. Beim Einsatz von derartigen Gegenslrommischern hat sich herausgestellt, daß der Wirbler die Intensivaufbereitung des Mischguts stark fördert. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, den Mischer so auszubilden, daß die Drehzahl der WerKzeuge in breiten Grenzen verstellbar ist, so daß ein und dasselbe Werkzeug sowohl die Funktion der Mischschaufeln und die des Wirbiers übernehmen kann. Die Mischschaufeln werrlpn in erster Linie zur Entleerung der Maschine benötigt. Bei Anwendung einer Stauvand besteht die Möglichkeit, auf die Anwendung breitflächiger Mischschaufeln zu verzichten, so daß alle Werkzeuge mit relativ hoher Drehzahl arbeilen können und damit den Gesamtet'fekt beachilich steigern.

Durch das Verfahren nach der Erfindung wird im Endergebnis eine höhere Anfangs- oder Frühfestigkeit, aber in vielen Fällen auch eine Steigerung der Endfestigkeit und Verbesserung der Veraibeitungsfähigkeit erreicht. Auch die bei der Intensivaufbereitung erzielte Glättung der Kornoberfläche ist vielfach von Vorteil, weil rauhe Kornoberflächen zu einem Mehrbedarl an Wasser und Zement führen, ohne daß die Druckfestigkeit erhöht würde.

Die Erfindung wird anschließend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaubild mit mehreren Kurven, aus denen der Leistungsbedarf des Wirbiers eines Gegenstrommischers bei unterschiedlichen Drehzahlen und einem Mischgui verschiedener Konsistenz zu ersehen ist und

Fig. 2 ein weiteres Schaubild mit einer Kurve, die die kontinuierliche Erhöhung der Drehzahl des Wirbiers blers bei kontinuierlicher Wasserzugabe während des zweiten Verfahrensschritts veranschaulicht.

Die Kurven nach F i g. 1 wurden unter Verwendung eines Gegenstrommischers mit einem Wirbler ermittelt, der mit einem Mischgut beschickt war, das 750 1 Zuschläge, 175 kg Zement und 140 I Wasser enthielt. Der Wirbler hat die Form eines H. Die untere Kurve 1 wurde bei einer Wirblerdrehzah! von 200 Upm und die obere Kurve II bei einer Wirblerdrehzahl von 400 Upm ermittelt. Die beiden Kurven zeigen deutlich die sehr unterschiedliche Gesamtleistungsaufnahme der Antriebsmotore des Mischers bei den verschiedenen Drehzahlen und Konsistenzen des Mischguts auf.

Die Kurven I und II nach F i g. 2 wurden mit derselben Mischmaschine und der gleichen Füllung wie bei F i g. 1 ermittelt, wobei jedoch am Punkt 1 beim Erreichen einer angenommenen Nennlast der Maschinenmotoren von insgesamt 40 kw die Drehzahl des Wirblers von 200 Upm kontinuierlich bei kontinuierlicher Wasserzugabc erhöht wurde, bis am Punkt 2 (4C0 Upm) der gewünschte angenommene W/Z-Faktor von 0,75 erreicht war. F i g. 2 läßt erkennen, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren die maximale Antriebsleistung der Maschine trotz Erhöhung der Drehzahl auf 400 Upm auf einem konstanten, beispielsweise angenommenen Wert von 40 kw gehalten werden kann. Wenn man dagegen dasselbe Gemisch aus Zuschlagen, Zement und Wasser für den W/Z-Faktor 0,75 abgestimmt von Anfang an in die Maschine gibt und den Wirbler während des gesamten Mischvorgangs mit gleicher Drehzahl von beispielsweise 400 Upm laufen läßt, wird keine Intensivaufbereitung des Mischguts bzw. der Bmdemittelteilchen erreicht, da das Mischgut nicht die erforderliche relativ hohe Energieaufnahmewilligkeit zeigt. Beim Arbeiten in zwei Schritten, wobei beim ersten Schritt nur soviel Benetzungswasser eingebracht v-ird daß der W/Z-Faktor etwa im Bereich von 0,3 bis 04 liegt wird bereits anfänglich ein Feinaufschluß des Bindemittels erreicht, der dann im zweiten Verfahrensschritt bei Erhöhung der Umdrehungszahl des Wirbiers und Zugabe der restlichen Wassermenge bis auf einen W/Z-Faktor von z. B. 0,65 weiter erhöht wird. Der erste Arbeitsschntt der Intensivaufbereitung benötigt je nach Art des zur Verarbeitung kommenden Gemischs nur eine sehr kurze Zeitspanne (z. B. 40 bis 70 Sekun-

den), woraufhin die Zugabe der restlichen Wassermenge erfolgt und die Drehzahl des Wirbiers erhöht wird. Letztere wird jeweils so hoch geregelt, daß bei zunehmend weicherer Konsistenz auf Grund der Wasserzugabe die Nennlast des Antriebsmolors annähernd beibehalten wird. Bereits nach weiteren 20 bis 40 Sekunden kann dann die Entleerung des Mischguts erfolgen.

Die beispielshalber angegebenen Zeiten entsprechen den üblichen Erfordernissen der Praxis. Es hat sich jedoch gezeigt, daß längere Mischzeilen sich als außerordentlich wirtschaftlich erweisen, wenn möglichst hohe Zementeinsparungen erwünscht sind. Gemische mit hohem Zementanteil sind schon wegen ihres Rohstoffeinsatzes teuer. Bei der Aufbereitung eines Betons mit beispielsweise 400 kg Zement pro Kubikmeter muß mehr Mahlarbeit geleistet werden als bei einem Beton mit nur 200 kg/cbm. Die Kosten für den Mehraufwand an Antriebsenergie betragen durchschnittlich nur 3 bis 5% der erzielten Zementersparnisse, weshalb sich der verstärkte Aufwand an mechanischer Energie außerordentlich wirtschaftlich erweist.

Die Konstanthaltung der Energieaufnahme der Antriebsmotore kann bei unterschiedlichen Betonrezepturen somit einerseits durch abgestufte Wasserzugabe und andererseits durch Anpassung der Drehzahl der Mischwerkzeuge erfolgen. Es hat sich herausgestellt, daß die Energieaufnahme des Wirblerantriebsmotors nahezu proportional mit der Drehzahlerhöhung desselben steigt, wobei allerdings dieses Verhältnis in gewissen Grenzen in Abhängigkeit von der Konsistenz des Mischguts schwankt. Zementarme Betongemische weisen z. B. nahezu eine konstante, relativ hochliege.ide spezifische Energieaufnahme auf, und zwar über den gesamten für die Betontechnik in Frage kommenden Konsistenzbereich. Zementreiche Betongemische zeigen dagegen mit ansteigendem W/Z-Faktor eine steil abfallende spezifische Energieaufnahme. Bei Zugabe der restlichen Wassermenge in einem Anteil beim zweiten Verfahrensschritt und gleichzeitigem sprunghaftem Erhöhen der Drehzahl des Wirblermolors muß lediglich darauf geachtet werden, daß die Nennlast des Antriebsmotors für den Wirbler nicht überschritten wird. Die hiermit erreichbaren Vorteile entsprechen jedoch im wesentlichen denjenigen bei kontinuierlicher Wasserzugabe und kontinuierlicher Erhöhung der Antriebsmotordrehzahl. Bei stark schwankendem Feuchtigkeitsgehalt der Betonzuschlagstoffe kann das Verfahren auch zur Konstanthaltung einer bestimmten Betonkonsistenz benutzt werden, insbesondere wenn die Konsistenz im Bereich des steil abfallenden Astes der Kra;.Verbrauchskurve liegt. In diesem Fall wird die Wasserzufuhr abgeschaltet, sobald die Energieaufnahme des Mischers den der angestrebten Endkonsistenz entsprechenden Wen erreicht hat. Anschließend wird die Drehzahl auf die maximal zulässige Belastung eingestellt und die Intensivaufbereitung durchgeführt. Bei Aufbereitung sehr weicher Massen kann auch die erste Teilwassermenge lastabhängig der Maschine zugeführt werden, d. h. der Zulauf wird abeschaltet wenn der in der Nähe des Energiemaximums liegende Wert erreicht ist. Nach beendeter Intensivaufbereitung kann die noch fehlende Restmenge über einen Wassermesser rasch zugeführt werden, oder der Zulauf der Wasserrestmenge wird abgeschaltet, wenn die dem angestrebten Konsistenzbereich entsprechende kleinere Antriebsleistung erreicht ist.

Als Antriebsmotore können regelbare Elcktro- oder Hydraulikmotor verwendet werden. Die Drchzahircgulierung kann durch selbsttätige Steuerschaltungen automatisch oder auch von Hand durchgeführt werden.

Ausführungsbeispiele
5

1. In einen mit Mischwerkzeugsystem und Wirbler ausgerüsteten Gegenstrommischer werden Zuschlagstoffe von beispielsweise 0 bis 30 mm und die vorgesehene Zementmenge beispielsweise im Verhältnis 3400 kg Zuschlag und 500 kg Zement gegeben. Dann wird möglichst schnell so viel Wasser zugegeben, daß die Antriebsmotoren mit ihrer vollen Nennlast beaufschlagt sind. Erfahrungsgemäß steigt der Zeiger des Waltmessers im Verlauf der Wasserzugabe zunächst über den Nennwert des Motors hinaus. Es muß dann weiter so viel Wasser hinzugegeben werden, daß der Zeiger wieder auf den Nennwert zurückkehrt. Bei dieser Zusammensetzung wird die Intensivaufbereitung ungefähr eine Minute durchgeführt. Die Dauer der Intensivaufbereitung richtet sich jedoch nach der eingesetzten Zementmenge. Bei größeren Zementmengen ist eine längere Intensivaufbereitung erforderlich, um den Feinaufschluß zahlreicher Teilchen zu erreichen. Durch vorausgegangene Versuche ist festgestellt worden, bei welcher spezifischen Kraftaufnahme und innerhalb welcher Zeit das Optimum der Zementausbeute erzielt worden ist, d. h. die günstigste Relation zwischen Frühfestigkeit, Endfestigkeit und Verarbeitungsfähigkeit für den gegebenen Betonansatz erreicht ist. Nach Ablauf dieser Intensivaufbereitungsdauer wird die restliche Wassermenge zugesetzt, um den Beton auf dir gewünschte Konsistenz zu bringen, worauf die Masse aus dem Mischer abgelassen wird.

2. in den Gegenstrommischer wie vorstehend angegeben werden die Troekenkomponenten Zement, Sand und Kies eingebracht, und die ganze Wassermenge für die gewünschte Endkonsistenz wird zugesetzt. Dann werden die tourenverstellbaren Mischwerkzeuge in der Drehzahl so hoch getrieben, daß die Nennlast der Antriebsmotore erreicht ist. Bei dieser Nennlast wird dann wieder so lange gefahren, bis die nach den Vorversuchen ermittelte optimale Bindemittelausnutzung erreicht ist.
Bei der bisher üblichen Mischtechnik arbeiten die Maschinen stets mit gleicher Drehzahl unabhängig von der Konsistenz und der Art des aufzubereitenden Betons. Bei der Zubereitung von Beton relativ weicher Konsistenz wird jedoch dem Beton nicht die für eine Intensivaufbereitung erforderliche Energiemenge zugeführt.

Für die rationelle Durchführung der Intensivaufbereitung ist von entscheidender Bedeutung, daß die dazu benutzte Maschine während des ganzen Aufbereitungsprozesses, auch bei stark wechselnden Eigenschaften des Behandlungsguts, mit voller Auslastung ihrer Kapazität arbeitet. Überlastung und Teilauslastung sollen bei den verfahrensmäßig bedingten Übergängen in die verschiedenen Konsistenzbereiche nicht eintreten. Es ist deshalb lastabhängige und verfahrensabhängige Drehzahl erforderlich. Anwendbar sind beispielsweise Hydraulikantriebe. Diese Antriebsart ist relativ teuer, weil außer dem Elektromotor eine Pumpe und in weitem Drehzahibereich verstellbare Hydraulikmotore mit der zugehörigen kostspieligen Regelung der Ölumlaufmenge erforderlich sind. Variatoren mit Fernsteuerung sind grundsätzlich anwendbar. Bei den in Frage kommenden hohen Leistungen sind diese nicht nur sehr teuer, sondern verursachen auch wegen ihrer Außenabmcssun-

gen einbautechnische Schwierigkeiten. Gleichstrom-Spezialmotorc sind ebenfalls in weiten Drchbcrcichen verstellbar. Sie verändern jedoch ihre Drehzahl bei schwankender Last und sind, gemessen an ihrer Leistung, sehr kostspielig, zumal außer dem Gleichstrommotor ein Gleichstromerzeugcr vorhanden sein mnIV Polumschaltbar Drehstrommotor haben einen /u kleinen Regelbereich; er liegt im allgemeinen zwischen 750 und 3000 Umdrehungen, während die Inlensivauf-

bereitung im allgemeinen Verstellung des Drch/.ahlbcreichs von etwa 1:10 bei guter Ausnutzung der Apparatur erfordert. Polumschaltbar Drehstrommotor entwickeln /war ein gutes Drehmoment sobald die jeweils eingestellte Drehzahl erreicht ist. dagegen haftet diesen Motoren der Nachteil an, nicht unter starker Bc lastung von niedriger auf hohe Drehzahl hochlaufen zi können.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   1 Verfahren zur Intensivaufbereitung von bindemittelhaltigen Baustoffmischungen durch Vermisehen der Mischungsbestandteile in einem Zwangsmischer, vorzugsweise einem Gegenstrommischer mit Wirbler, dadurch gekennzeichnet, daß Bindemittel und Zuschlagstoffe mit einer solchen Anteilmenge des insgesamt zuzusetzenden Wassers versehen werden und der Mischvorgang mit eine·· solchen Umdrehungszahl der Mischwerkzeuge eingeleitet wird, daß die maximale Energie der Antriebsmaschine des Mischers in die Mischung eingeführt wird und die restliche Wassermenge unter gleichzeitiger Erhöhung der Umdrehungszahl der Mischwerkzeuge derart zugesetzt wird, daß die Antriebsmaschine weiter unter Nennleistung arbeitet und daß die Mischarbeit über den Zeitpunkt der Erzielung einer homogenen Mischung hinaus fortgesetzt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabe der restlichen Wassermenge kontinuierlich bei kontinuierlicher Erhöhung der Drehzahl erfolgt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einleitung des Mischvorgangs nahe dem Maximum der Kurve aus Energieaufnahme gegen W/Z-Faktor vorgenommen wird und die restliche Wasserzugabe in einem Anteil bei gleichzeitiger sprunghafter Erhöhung der Drehzahl erfolgt.