DE19503028A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen des Fließverhaltens grobkörniger Stoffgemenge - Google Patents

Description

Stand der Technik und Probleme

In der Bauindustrie müssen Proben für Stoffgemenge wie Zement, Putz oder Beton zwischen Anrühren und Aushärten meßtechnisch in ihrer Viskosität erfaßt werden, um Vorhersagen über die Güte und Dauer ihrer Verarbeitbarkeit machen zu können. Bei feinkörnigen Stoffgemengen wie Zement kann dies mit Geräten wie dem "VISCO-CORDER", der Firma BRABENDER in Duisburg und dem "viskomat PC" von SCHLEIBINGER GERÄTE in Schwindegg mit vertretbarem Aufwand erledigt werden, dieser Teil der Aufgabe ist also gelöst. Siehe dazu die Diplomarbeit von Dipl.-Ing. (FH) Martin Steiner an der Fachhochschule Regensburg von 1993 "Bestandsaufnahme über rheometrische Messungen an Baustoffmischungen mit Mineralischen Bindemitteln". Nicht befriedigend gelöst hingegen ist die Messung von Stoffgemengen mit grobkörnigen Beigaben zum Beispiel Frischbeton mit Beigaben von Kies. Die bisherigen Vorrichtungen zur Lösung dieses Problems schlagen zwei Richtungen ein.

Ein Teil basiert auf üblichen Rotationsviskosimetern zur Viskositätsmessung bei Flüssigkeiten, zum Beispiel Patentschrift PS-DE 34 23 579 C1. Dabei befindet sich die Flüssigkeit in einem Zylinder der nach oben wie ein Topf offen ist. In der Flüssigkeit dreht ein weiterer geschlossener Zylinder, so daß zwischen der Außenwand des einen und der Innenwand des anderen Zylinders ein definierter Spalt entsteht. Die Spaltbreite muß in Abhängigkeit von der Korngröße gewählt werden. Was bei üblichen Betonen zu einer sehr großen Spaltbreite und somit einer sehr unhandlichen Menge von benötigtem Prüfgut führt. Bei dieser Methode muß außerdem das "Rutschen" des Betons an den Wänden der Zylinder und Ablagerungen am Boden des Meßtopfes verhindert werden. Speziell bei dieser Patentschrift ist allerdings der sorglose Umgang mit dem Schwermetall Quecksilber zu bemängeln, der eine kommerzielle Anwendung im Hinblick auf den Arbeitsschutz nahezu ausschließt.

Der andere Teil ist eine Erweiterung dieser Methode, indem nicht ein weiterer Zylinder im Topf mit dem Prüfgut rotiert, sondern ein Paddel in unterschiedlichen Formen, OS-DE 31 13 785 A1 und OS-DE 35 26 522 A1. Daraus folgt daß im strengen physikalischen Sinn keine eigentliche Viskosität gemessen wird, sondern ein Strömungswiderstand, der später in Relation zur Viskosität gesetzt wird. Dies ist aber nach Zeitschrift "Beton" Heft 2/1992, Artikel "Zweipunktmessung im VISCO- CORDER" von P.F.G. Banvill und Friedrich Hornung, nur unter Beachtung gewisser Strömungsverhältnisse zulässig. Außerdem ergibt sich bei diesem Prinzip das Problem des sogenannten "Freischaufelns": Dadurch, daß immer wieder dieselben Bereiche im Topf durchrührt werden, neigen festere Bestandteile des Prüfgutes dazu, in nicht durchrührte Bereiche des Topfes verdrängt zu werden. Dadurch werden die Meßergebnisse beträchtlich verfälscht.

Den bisherigen Konstruktionen ist gemeinsam, daß Prüfpaddel oder der Prüfzylinder mit verschiedenen aber über einen gewissen Zeitraum mit einer einzigen konstanten Geschwindigkeiten im Prüfgut bewegt werden. Da Frischbeton und ähnliche Stoffe schnell ihre Konsistenz ändern (Strukturbruch, Ansteifen, Absetzen, Freischaufeln des Prüfpaddels) ist eine kurze Meßdauer anzustreben. Dies ist mit bisherigen Verfahren nicht möglich. Weiterhin sind die bisherigen Konstruktionen mechanisch aufwendig. Aus diesen Gründen blieb in der Praxis bisher das eingesetzte Meßverfahren zur Bestimmung der Fließeigenschaften von Frischbeton, das ziemlich ungenaue Ausbreitmaß (DIN 1048). Diese Nachteile sollen mit dieser Erfindung behoben werden.

Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung

Die Konstruktion ist wesentlich einfacher. Es muß kein spezieller Topf verwendet werden in dem sich das Prüfgut (Fig. 1; 1) befindet. Es muß lediglich eine Zentrierstange (Fig. 1; 9) darin angebracht werden, mit einer Halterung für den Drehbalken (Fig. 1; 10). Dadurch entfallen alle Konstruktionen mit Bügeln, die über den Topf ragen und an denen Motoren für die Paddel befestigt sind. Auch der Motor kann entfallen, da sich die wesentlichen Erkenntnisse über die Fließeigenschaften aus dem Unterschied der Meßdaten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ergeben, die erfindungsgemäß gleichzeitig erfaßt werden. Mit anderen Worten kann der Drehbalken unter Beachtung gewisser Grenzfälle auch von Hand bewegt werden. Soll doch mit einem Motor gearbeitet werden, müssen an diesen bei weitem nicht so hohe Qualitätsanforderungen gestellt werden, wie bei bisherigen Vorrichtungen, wie oben beschrieben.

Die Erfindung mißt wie ähnliche, oben erwähnte Geräte im eigentlichen Sinn keine Viskosität, sondern die Meßgeber (Fig. 1; 7) geben nur die Kraft an, die der Drehbewegung des Drehbalkens (Fig. 1; 10) an jedem einzelnen Rührkörper (Fig. 1; 3 bis 6) entgegengesetzt wird. Im weiteren soll diese Kraft als Rührwiderstand bezeichnet werden. Der Rührwiderstand ist nach dem oben erwähnten Fachartikel aus der Zeitschrift "Beton" der Viskosität proportional, wenn bestimmte Strömungsverhältnisse gegeben sind. Die dort geforderten Bedingungen können mit der Erfindung bei der Prüfung von Frischbetonen eingehalten werden. Somit kann vom Rührwiderstand eindeutig auf die Viskosität geschlossen werden.

Da Frischbeton und ähnliche Stoffe schnell ihre Konsistenz ändern (Strukturbruch, Ansteifen, Absetzen, Freischaufeln des Prüfpaddels ) ist eine kurze Meßdauer anzustreben. Die Erfindung verkürzt die Prüfzeit erheblich, indem der Rührwiderstand bei mehreren Geschwindigkeiten gleichzeitig gemessen wird. Es ist nämlich nicht statthaft, bei einer einzigen Geschwindigkeit zu messen und danach Aussagen über die Fließeigenschaften eines Frischbetons zu machen. Dies bedarf einer Erläuterung. Dazu betrachte man die Fig. 3. Die Abszisse stellt die Geschwindigkeit des Paddels oder Rührkörpers dar. Die Ordinate zeigt den zugehörige Rührwiderstand. Bei einer Newtonschen Flüssigkeit ist der Rührwiderstand, direkt proportional zur Geschwindigkeit des Rührkörpers. Der Graph geht also immer durch den Ursprung des Koordinatensystems. Der Graph ist schematisch in Fig. 3; 1 gezeigt. Wenn also ein Punkt eines solchen Graphen bekannt ist, kann man den ganzen Graphen durch den Ursprung Konstruieren. Wenn beim Frischbeton eine kleine Kraft auf den Rührkörper wirkt, kann sich dieser noch nicht bewegen, die Geschwindigkeit bleibt also gleich null. Erst wenn eine gewisse Kraft auf den Rührkörper wirkt, kann er sich im Prüfgut bewegen. Bis zum erreichen dieser sogenannten Fließgrenze, fällt der zugehörige Graph (Fig. 3; 2) mit der Abszisse zusammen. Erst dann steigt der Rührwiderstand nahezu proportional mit der Geschwindigkeit. Mißt man nun zwei Frischbetone mit einer bestimmten Geschwindigkeit v1 (Fig. 3; 4), wobei einer eine Charakteristik wie der Graph 2 (Fig. 3; 2) und der andere eine wie Graph 3 (Fig. 3; 3) zeigt, dann muß man nach dieser Messung von einem identischen Fließverhalten ausgehen, obwohl bei einer anderen Geschwindigkeit beide Frischbetone teilweise stark voneinander abweichende Werte zeigen würden. Da der Verlauf der Fließkurve bei Frischbetonen nach neueren Untersuchungen (ebenfalls Zeitschrift "Beton" Heft 2/1992, Artikel "Zweipunktmessung im VISCO-CORDER" von P.F.G Banvill und Friedrich Hornung) meistens bis in die Nähe der Ordinate annähernd linear ist, kann man aus zwei Meßwerten den Verlauf der ganzen Fließkurve über die Geschwindigkeit vergleichsweise sicher angeben. Deshalb ist die Messung des Fließverhaltens bei mindestens zwei Geschwindigkeiten notwendig, um sinnvoll Frischbetone miteinander vergleichen zu können. Dies wird erfindungsgemäß durch zwei im festen Geschwindigkeitsverhältnis bewegte Rührkörper gleichzeitig erreicht.

Darstellung der Erfindung und ihrer möglichen Varianten

In einen Topf (Fig. 1; 2), in den später der Frischbeton (Fig. 1; 1) eingefüllt werden soll, wird eine Zentrierstange (Fig. 1; 9) dauerhaft, stabil und lotrecht befestigt. Sie enthält eine Halterung, an welcher der Drehbalken (Fig. 1; 10) lösbar, aber stabil, befestigt wird. Um Unwuchten zu verringern, ist der Drehbalken in der Mitte aufgehängt. Die Aufhängung ist auf ein Lager montiert, so daß sich der Drehbalken reibungsarm drehen kann. Zusätzlich ist ein Drehgeber eingebaut, der die aktuelle Winkelgeschwindigkeit des Drehbalkens mißt. Am Drehbalken werden die Rührkörper (Fig. 1; 3 und 4) ebenfalls lösbar, aber stabil, befestigt, um wiederum Unwuchten zu vermeiden. Jede Aufhängung eines Rührkörpers ist mit einem Sensor (Fig. 1; 7) versehen, so daß die auf ihn gegen die Drehrichtung wirkende Kraft, der Rührwiderstand gemessen werden kann. Ein in den Drehbalken integrierter Rechner mißt während des Versuchs in bestimmten Intervallen den Rührwiderstand, die zugehörige Winkelgeschwindigkeit und bei Erfindung nach Anspruch 10 die Temperatur des Frischbetons. Dadurch können Meßreihen zur Änderung des Rührwiderstands über längere Zeit ausgeführt werden. Der Rührwiderstand ist, wie oben schon erwähnt, unter gewissen Voraussetzungen zur Viskosität des Prüfgutes eindeutig proportional. Deshalb kann je nach verwendeten Rührkörpern die Erfindung mittels genormter Flüssigkeiten kalibriert werden. Diese Kalibrierung muß nur einmal für jede Kombination von Rührkörpern ausgeführt werden und kann bereits vorher erledigt werden, so daß der Anwender die fertigen Kalibrierungsdaten erhält, die mit anfallenden Meßergebnissen später verrechnet werden. Aus den Entfernungen der Rührkörper von der Zentrierstange und der Winkelgeschwindigkeit kann später einfach die tatsächliche Geschwindigkeit errechnet werden. Die Mindestausstattung sind zwei Rührkörper (Fig. 1; 3 und 4), an denen gleichzeitig gemessen wird. Dadurch kann der Verlauf des Rührwiderstandes über die Geschwindigkeit erfaßt werden. Darüber hinaus ist es aber sinnvoll, einen dritten Rührkörper (Fig. 1; 5) zu verwenden und auszuwerten. Durch diesen kann die Krümmung der Rührwiderstandskurve erkannt werden. Ein vierter Rührkörper (Fig. 1; 6), der eine andere Länge hat als die bisher genannten, dient dazu, ein eventuelles Absetzen oder Aufschwimmen des Prüfgutes zu erkennen, indem man den aus den bisher gewonnenen Daten rechnerisch ermittelbaren Rührwiderstand mit dem tatsächlichen, korrigiert um die unterschiedliche Länge der Rührkörper, vergleicht. Weicht er stark ab, hat ein Absetzen stattgefunden. Es wäre natürlich einfacher den Rührkörper mit der anderen Länge (Fig. 1; 6) einfach im selben Abstand von der Zentrierstange am Drehbalken anzubringen, wie einen Vergleichsrührkörper und die beiden Messungen, korrigiert um die unterschiedliche Länge der Rührkörper, miteinander zu vergleichen. In diesem Fall käme es aber unter bestimmten Voraussetzungen leichter zum oben erwähnten "Freischaufeln" der Rührkörper, da sich der Rührkörper (Fig. 1; 6) in der durch Verdrängung des Prüfgutes entstandenen "Spur" des im gleichen Abstand angebrachten Körpers bewegen würde. Da die Viskosität eines Stoffes von der Temperatur abhängig ist, kann ein Temperaturfühler (Fig. 1; 11) am Drehbalken angebracht werden. Dieser taucht in das Prüfgut. Die Temperatur während der Messung wird zusätzlich registriert. Eine Reproduzier- und Vergleichbarkeit von Messungen wird so sichergestellt.

Das "Freischaufeln" wird schon verringert, indem die Rührkörper an den beiden Armen des Drehbalkens versetzt angeordnet sind. Dadurch werden eventuell durch das Rühren der ersten beiden Rührkörper (Fig. 1; 3 und 6) entstandene Strukturunterschiede im Frischbeton bis zu einem gewissen Grad von den folgenden Rührkörpern (Fig. 1; 4 und 5) wieder "zugeschaufelt". Ebenfalls gegen das "Freischaufeln" der Rührkörper richtet sich die Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 9. Am leichtesten läßt sich dies realisieren indem der Drehbalken auf einem Exzenter gelagert ist, der durch die Drehbewegung des Drehbalkens langsam angetrieben wird. Auf diese Weise wird verhindert, daß die Rührkörper immer dieselben Bahnen im Frischbeton ziehen. Hierbei wird zusätzlich zur Geschwindigkeit, vom Rechner laufend die Entfernung des Rührkörpers vom Drehpunkt mitgemessen um die tatsächliche Geschwindigkeit des Rührkörpers im Prüfgut errechnen zu können.

Nach einer Meßreihe können die Rührkörper (Fig. 1; 4 bis 6) wieder vom Drehbalken gelöst und gereinigt werden. Der Drehbalken wird abgenommen, so daß auch der Topf problemlos gereinigt werden kann. Der Drehbalken mit dem integrierten Rechner kann nun an einen größeren Rechner zur Weiterverarbeitung der gewonnenen Meßergebnisse angeschlossen werden.

Zur Erhöhung der Stabilität ist es auch möglich gemäß Fig. 2 einen zweiten Drehbalken (Fig. 2; 8), der parallel zum oberen Drehbalken (Fig. 2; 9) bewegt wird, in der Nähe des Topfbodens anzubringen. Die Rührkörper können dann beidseitig gelagert werden. An den Rührkörpern müßte dann die Biegung gemessen werden und anstatt eines Rührkörpers mit anderer Länge (Fig. 1; 6) müßte man einen konisch geformten Rührkörper (Fig. 2; 6) verwenden. Läuft dessen Rührwiderstandskurve über die Zeit nicht parallel zu denen, die mit den anderen Rührkörpern ermittelt wurden, hat ein Absetzen oder Aufschwimmen stattgefunden.

Claims (10)

1. Verfahren und Vorrichtung zum Messen des Fließverhaltens grobkörniger Stoffgemenge, insbesondere Frischbeton, wobei mindestens zwei Rührkörper (Fig. 1; 3 und 4), die teilweise in das Stoffgemenge (Fig. 1; 1) eingetaucht sind, mit festem Geschwindigkeitsverhältnis bewegt werden. Dabei wird der Widerstand, den das Stoffgemenge diesen Bewegungen entgegensetzt, an jedem Rührkörper gesondert elektronisch erfaßt und ausgewertet. Dabei werden ebenfalls die Geschwindigkeiten, mit der die Rührkörper gegen das Stoffgemenge bewegt werden, elektronisch erfaßt und ausgewertet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Stoffgemenge (Fig. 1; 1) in einem Gefäß (Fig. 1; 2) befindet, aus dessen Mitte eine Zentrierstange (Fig. 1; 9) ragt, an der ein Drehbalken (Fig. 1, 10) befestigt ist, der oberhalb des zu messenden Stoffgemenges gleichmäßig (Fig. 1, 10) rotiert. Auf diesem Drehbalken (Fig. 1, 10) sind die Rührkörper (Fig. 1; 3 bis 6) und die elektronischen Aufnehmer für den Widerstand (Fig. 1; 7) befestigt. Da die Rührstäbe (Fig. 1; 3 bis 6) an unterschiedlichen Positionen angebracht sind, ergibt sich das nach Anspruch 1 geforderte feste Geschwindigkeitsverhältnis bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf dem Drehbalken ein Meßgeber befindet, der die Winkelgeschwindigkeit in Drehrichtung gegen die Zentrierstange (Fig. 1; 9) mißt. Daraus können einfach die Geschwindigkeiten der Rührkörper, wie im Anspruch 1 gefordert, errechnet werden.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei der Rührstäbe (zum Beispiel Fig. 1; 3 und 6) unterschiedlich lang sind, damit durch Vergleichsmessung Strukturunterschiede im Stoffgemenge in Richtung der Zentrierstange (Fig. 1; 9) erkannt werden können, wie zum Beispiel Absetzen von Bestandteilen desselben.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehbalken mittels eines Motors angetrieben wird.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Drehbalken (Fig. 1; 10) nicht nur die Rührstäbe (Fig. 1; 3 bis 6), die Kraftaufnehmer (Fig. 1; 7) und der Meßgeber für die Winkelgeschwindigkeit, gemäß Anspruch 3, sitzen, sondern auch ein Rechner, der die anfallenden Meßergebnisse speichert. Die Meßergebnisse können nach den Messungen zur weiteren Auswertung in einen anderen Rechner übertragen werden. Dadurch werden die üblichen Anschlußprobleme mittels Leitungen zu rotierenden Systemen vermieden.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rührkörper (Fig. 1; 3 bis 6) für das zu untersuchende Stoffgemenge speziell geformt sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Drehbalken (Fig. 2; 10) noch ein zweiter Drehbalken (Fig. 2; 8) nahe dem Boden des Gefäßes (Fig. 2; 2) für das Stoffgemenge (Fig. 2; 1) mitrotiert, um die Rührkörper (Fig. 2; 3 bis 6) gleichmäßiger zu führen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rührkörper nicht genau auf einer Kreisbahn durch das Stoffgemenge (Fig. 1; 1) geführt werden, um den durch das Rühren erzeugten Strukturänderungen im Stoffgemenge auszuweichen.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperaturmeßfühler (Fig. 1; 11) in das Stoffgemenge (Fig. 1; 1) ragt, dessen Messungen ebenfalls elektronisch erfaßt werden.