DE19816086C2 - Verfahren zum Trocknen großformatiger Bauteile der Beton- und Feuerfestindustrie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen und Trocknen großformatiger monolithischer Bauteile der Beton- und Feuerfestindustrie, die aus nassen Formmassen wie Beton, poröser Beton, mikroporöser hochdichter Beton, in einer Form hergestellt werden, bei dem die Formmasse in die Form eingebracht, verdichtet und getrocknet sowie gegebenenfalls gesintert wird und als Energiequelle zum Trocknen des Bauteils eine elektrische Widerstandsheizung wirksam wird, die mittels einer anzulegenden Spannung betrieben wird.

Aus der Deutschen Patentschrift 887 171 ist die Herstellung von großformatigen Bauteilen aus Leichtbaustoffen, die Hohlräume aufweisen, bekannt, wobei diese Hohlräume mit Hilfe von Metallfüllkörpern gebildet werden und in diesen Metallfüllkörpern Heizwiderstände enthalten sind. Diese Metallfüllkörper einschließlich der Heizwiderstände können nach dem Gießen der Formkörper aus den Hohlräumen wieder entfernt werden.

Bei der Fertigung dieser Hohlraumformkörper gemäß der DE-PS 887 171 stellt sich das Problem eines massiven Körpers, der in seiner Gänze getrocknet werden muß, wobei aus dem Inneren Feuchtigkeit bis nach außen wandern muß, überhaupt nicht.

Das Trocknen großformatiger Bauteile in der Beton- und Feuerfestindustrie ist ein bisher ungelöstes Problem. Üblicherweise werden großformatige Bauteile entweder in einem Trockner allseits getrocknet, d. h. bauteilmäßig von außen nach innen oder bauseitig von einer Seite getrocknet, d. h. bauteilmäßig von einer Seite durchgehend zur anderen, wodurch in jedem Fall ein Temperaturgefälle innerhalb des Bauteils entsteht, wie in den beigefügten Fig. 1 und 2 schematisch dargestellt.

Fig. 1 zeigt dabei das konventionelle Trocknen eines Betonbauteils 1, hier eines Kubus, der aufgeschnitten dargestellt ist, allseits von außen mittels Umluft, siehe Pfeile U. Bei der allseitigen Erwärmung von Bauteilen, wie dies in der Fig. 1 schematisch dargestellt ist, wandert die Temperatur von außen nach innen. Hierdurch wird das Wasser entsprechend der fortschreitenden Temperaturfront von außen nach innen auf Verdampfungstemperatur erwärmt. Die bereits getrockneten Teile im Außenbereich des Bauteils haben schon einen Großteil ihrer Poren und Kapillaren geschlossen. Dadurch erfolgt eine Steigung des Dampfdruckes im Kern des Bauteils. Erst jetzt findet das Austrocknen und die Auswanderung des Wasserdampfes von innen nach außen statt. Durch die Verengung der Poren im Außenbereich wird das Diffundieren des Wasserdampfes von innen nach außen behindert. Abhängig von der Trocknungsgeschwindigkeit entsteht im Bauteil ein so hoher Dampfdruck, daß die Gefahr des Explodierens des Bauteils besteht und dies auch erfolgen kann.

Infolge der zu schnellen Trocknung können Risse, Abplatzungen und Explosionen entstehen. Dieser Trocknungsprozeß und das Verkleben der Kapillaren und Poren wird noch durch Zusätze von chemischen Bindemitteln beeinflußt, die ebenfalls an der Oberfläche des Bauteils kristallisieren und die Poren verschließen. Eine wesentliche Gefahr besteht darin, daß durch den Trocknungsprozeß von außen nach innen gemäß Fig. 1 an der Außenhaut bereits ein Schwindungsprozeß einsetzt und sich die Kapillaren zusetzen, wodurch der Trockungsprozeß zusätzlich behindert wird. Risse, Abplatzungen und Explosionen sind die Folge.

Bei einseitiger Trocknung gemäß Fig. 2 wandert die gesamte Feuchte eines Bauteils durch die gesamte Wand von einer Seite, siehe Pfeile P, zur anderen. Bei einer Wandstärke von beispielsweise 200 mm wandert die gesamte Feuchte durch das Bauteil 1 in die kalte Richtung. Entsprechend der Wärmeleitfähigkeit des Materials und der Temperatur kondensiert die Feuchte innerhalb des Bauteils im Abstand zur heißen Seite und jeweils bei Erreichung einer Temperatur von 100°C bereits innerhalb des Mauerwerkes. Erst nachdem die Temperatur an der kalten Seite oberhalb 100°C erreicht ist, kann von einer ausreichenden Trocknung gesprochen werden. Dies findet in der Praxis häufig erst beim Einsatz des Bauteils im Betrieb statt. Auch bei dieser Form der Trocknung gemäß Fig. 2 finden Explosionen im Bauteil statt, die vom Bereich der Kondensphase ausgehen, da hier eine Konzentration der Feuchtigkeit stattfindet.

In der Fig. 3 ist das vorangehend erläuterte Schema der Trocknung mit Temperaturverlauf an dem Bauteil gemäß Fig. 2 über eine Wandstärke von 200 mm dargestellt.

Auch das Trocknen von großformatigen Bauteilen mittels Mikrowellen wird seit einiger Zeit erprobt, wozu nur beispielhaft auf die WO 92/08084 verwiesen wird.

Die Mikrowellentrocknung ist seit längerem in der Erprobung, die bei großen Bauteilen noch nicht zum Durchbruch geführt hat, da gleichzeitig das gesamte Bauteil und damit alle Wassermoleküle erwärmt werden. Die erwärmten Wassermoleküle sind richtungslos, d. h. haben keine Strömungstechnik oder Strömungsrichtung, in welche das erwärmte Wasser verdampfen kann. Um großformatige Bauteile trocknen zu können, hilft man sich in der Praxis häufig damit, daß man die Betons gezielt poröse macht mit Zusatz beispielsweise von Polyethylenfasern, um ein Austrocknen des Betons, insbesondere von mikroporösen hochdichten Betons, wie Feuerfestkeramik, Feuerbeton, zu ermöglichen. Bei Wandstärken von 200 mm Dicke ist eine Trocknungszeit von 5 bis 6 Tagen üblich. Ein weiteres Problem ist die Gleichmäßigkeit der Trocknung und des Wärmeübergangs hierbei. Bei allseitigem Wärmeübergang in einem mit Mikrowelle arbeitenden Trockenofen ist es möglich, durch umfangreiche Steuerung der Atmosphäre und durch Gebläse eine gleichmäßige Temperaturführung innerhalb eines Trockenofens zu erreichen. Bei einseitiger Erwärmung ist es sehr schwierig, einen gleichmäßigen Wärmeübergang zu erhalten und nur mit einem sehr großen technischen Aufwand durchführbar. Die Energieverluste durch Erwärmung der Umwelt sind außerordentlich hoch und es ist bis heute noch nicht gelungen, genaue Daten über Trocknung und Trocknungsverlauf innerhalb eines Bauteils oder Mauerwerks zu erhalten.

Aufgabe der Erfindung ist es, aus nassen oder feuchten Formmassen gegossene Bauteile, wie poröse Betonteile oder mikroporöse hochdichte Betonteile, wie Feuerbetonteile, schnell, effektiv und kostengünstig zu trocknen, ohne daß insbesondere großformatige monolithische Bauteile einer Vorschädigung ausgesetzt werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren nach dem Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindunsgemäßen Verfahrens sind den kennzeichnenden Merkmalen der Unteransprüche entnehmbar.

Erfindungsgemäß wird im Zentrum des Bauteils bereits während dessen Formgebung eine Energiequelle eingebracht, die es auf Grund ihrer Struktur ermöglicht, im Zentrum des Bauteils eine hohe thermische Energie zu erzeugen. Dabei wird diese Energiequelle durch Einsatz von Kohlefasergebilden, wie Kohlefasergeweben, Kohlefaserfilzen oder Kohlefaserstäben, die sich gegebenenfalls flexibel im Bauteil anpassen lassen, realisiert.

Diese erfindungsgemäß eingesetzten Kohlefasergebilde werden dazu benutzt, um nach dem Prinzip der großen Oberfläche als elektrische Widerstandsheizung eine steuerbare hohe Energiedichte und Wärmemenge im Bauteil zu erzeugen.

Die erfindungsgemäß einsetzbaren Kohlefasergebilde stammen aus der Raumfahrtentwicklung und sind handelsüblich erhältlich, beispielsweise werden sie unter den Handelsnamen Sigrabond® und Sigratherm® von der SGL Carbon AG vertrieben.

Die erfindungsgemäße Verfahrensweise ermöglicht grundsätzlich, die zu trocknende Wandstärke um die Hälfte zu reduzieren gegenüber einer einseitigen Beaufschlagung von Wärme von außen auf ein Bauteil.

Die Erfindung ermöglicht des weiteren, daß nur das Bauteil erwärmt wird, das auch getrocknet werden muß, und zwar am Ort der Entstehung, d. h. die Wärmeübertragung wird optimiert, da sie unmittelbar einwirkt. Auf diese Weise wird ein Minimum an aufzuwendender Energie nur benötigt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird aber auch zugleich durch effektive Trocknung die Zeit der Trocknung wesentlich reduziert, gegenüber einer einseitigen Trocknung mindestens um die Hälfte der benötigten Zeit.

Das erfindungsgemäße Trocknen des Bauteils von innen nach außen ermöglicht, die Trocknung über eine Spannungsmessung zu steuern. Hierbei ist es wesentlich, daß die Änderung der Feuchtigkeit gemessen wird beispielsweise über die Messung des Leitfähigkeitswertes und damit die Trocknung gesteuert werden kann.

Mittels der Energiequelle können Temperaturen bis zu 400°C und mehr im Inneren des Bauteils erzeugt werden. Die Änderung der Feuchtigkeit wird am und im Bauteil über eine Leitfähigkeitsmessung erfaßt und wird dann zur Steuerung des Trocknungsprozesses benutzt. Hierbei kann die gewünschte Temperatur und der vorgegebene Temperaturverlauf zum Trocknen des Bauteils durch Steuerung der Spannung der Energiequelle erreicht werden.

Zur Messung des Trocknungsverlaufes, nämlich der Temperaturen und der sich ändernden Feuchtigkeit bzw. Leitwerte werden bei dem Einbringen der Formmassen in die Form zugleich Thermomeßelemente, wie Thermomeßfühler, zur Messung der Temperatur und Sensoren zur Erfassung der Feuchtigkeit über eine Leitfähigkeitsmessung mit in das Bauteil eingelegt und eingegossen. Des weiteren werden Thermomeßelemente und Sensoren an der Oberfläche des Bauteils angebracht.

Durch die Möglichkeit, die Energiequelle der Bauteilgeometrie anzupassen, ist ein gerichteter Temperaturverlauf im Bauteil realisierbar und erfaßbar und damit eine stufenweise Ansteuerung der Energiequelle, d. h. eine stufenweise Veränderung der von dem Kohlefasergebilde als elektrischer Widerstandsheizung abgegebenen erzeugten thermischen Energie.

Infolge der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Trocknung von innen nach außen im Bauteil entfällt der sonst übliche Druckanstieg innerhalb des Bauteils und damit entfällt auch eine mögliche Zerstörung des Gefüges schon vor dem Einbau. Durch die gezielte Steuerung der Spannung, die an das Kohlefasergebilde angelegt wird, können exakte Temperaturkurven beim Trocknen eingehalten werden. Diese Temperaturkurven können durch Leitfähigkeitsmessungen, welche die Feuchtigkeit im Bauteil messen, geregelt werden.

Nach einem weiteren wesentlichen Vorschlag der Erfindung wird die Oberfläche des Bauteils während des von innen nach außen voranschreitenden Trocknungsprozesses feucht gehalten, um das Kapillarsystem an der Oberfläche des Bauteils offenzuhalten und den Feuchtigkeitsabtransport durch die Oberfläche bis zum Ende des Trocknungsvorganges aufrechtzuerhalten.

Beispielsweise wird vorgeschlagen, die Oberflächen des Bauteils während des Trocknungsvorganges zu isolieren. Durch diese Isolierung der Außenwände wird die Oberfläche des Bauteils feucht gehalten, dadurch wird das Kapillarsystem offengehalten und somit ein Feuchtigkeitstransport durch die Oberfläche bis zum Ende des Trockungsvorganges gewährleistet.

Eine weitere Möglichkeit der Optimierung des Trocknungsvorganges wird gemäß dem Vorschlag der Erfindung dadurch erreicht, daß das Bauteil während des Trocknungsprozesses mit Unterdruck beaufschlagt wird. Durch Unterdruck (Vakuumkammer) in der Umgebung des Bauteils kann der Trocknungsvorgang optimiert werden. Es kann der Energiebedarf zum Trocknen bis um den Faktor 10 vermindert werden.

Gemäß der Erfindung wurde erkannt, daß ein Kohlefasergebilde, welches in das Bauteil, beispielsweise Beton, eingegossen wird, sich ebenfalls weitgehend einer Oxidation entzieht, nämlich so lange der Verdampfungsvorgang nicht abgeschlossen ist, d. h. Wasser an der Oberfläche des Bauteils verdampft. Das verdampfende Wasser ist nämlich so lange eine Barriere für diffundierenden Sauerstoff zur Kohlefaser hin.

Hierfür ist ebenfalls wichtig, daß nur die Anschlüsse - Litzen - für das im Innern des Bauteils angeordnete Kohlefasergebilde für die Spannung aus dem Bauteil herausgeführt sind, während die Kohlefaser innerhalb des Bauteils gegen Oxidation zumindest zeitweilig geschützt ist.

Es ist bekannt, daß Graphitstäbe und Kohlefasern als Heizelemente benutzt werden, so werden zum Beispiel unter Stickstoffatmosphäre oder Edelgasatmosphäre Graphitöfen als Brennöfen verwendet. Der Einsatz von Kohlefasern als Heizelement ist nur unter zusätzlicher Schutzgasatmosphäre bekannt.

Erfindungsgemäß wird ein Kohlefasergebilde in eine Formmasse wie Beton eingegossen und befindet sich ebenfalls unter Luftabschluß, so daß eine Oxidierung verhindert wird.

Soweit mit Temperaturen zum Trocknen unter 350°C gearbeitet wird, wurde erkannt, daß die Oxidation des Kohlefasergebildes hinreichend verhindert werden kann durch den Trocknungsvorgang und Verdampfungsvorgang. Erst bei Ansteigen der Temperatur über 350°C findet eine gewisse Oxidation des Kohlefasergebildes statt. Dies kann dadurch verhindert werden, daß die Kohlefasern einen Schutzanstrich gegen Oxidation erhalten, beispielsweise eine Glasurbeschichtung auf Basis Siliciumcarbid oder eine Abbrandschutzschicht.

Erfindungsgemäß wird durch Anlegen einer Niederspannung, bevorzugt maximal 30 Volt an das im Bauteil befindliche Kohlenfasergebilde eine Erwärmung des Bauteils erreicht, wobei Temperaturen je nach Wunsch zwischen 300 bis 400°C erzeugt werden. Während des Austrocknens des Bauteils ist im Inneren mit einem Unterdruck bzw. einem Sauerstoffmangel zu rechnen. Dieses ist der Schutz gegen Oxidieren der Kohlefasern. Die Feuchtigkeit wandert entsprechend der steigenden Wärme von innen nach außen. Der sich dabei bildende Wasserdampf bei Erwärmungstemperaturen über 100°C verhindert am Umfang des Bauteils wiederum die Oxidation der Kohlefasern, nämlich das Eindringen von Sauerstoff. So ist während des gesamten Trocknungsvorganges die Kohlefaser im Zentrum des Bauteils vor Oxidation weitgehend geschützt. Nur bei Temperaturen, die über 350°C und höher hinaufgehen, ist ein zusätzlicher Schutz gegen Oxidation der Kohlefaser erforderlich.

Es wurde gefunden, daß für den erfindungsgemäßen Einsatz zum Trocknen von großformatigen Bauteilen insbesondere solche Kohlefasergebilde mit Vorteil einsetzbar sind, bei denen die Kohlefasern überwiegend in einer Achse angeordnet sind, wodurch ein hoher Wirkungsgrad der Stromleitung erzielbar ist.

Auch eine hohe Dichte des Kohlefasergebildes erhöht den Wirkungsgrad der Stromleitung.

Ebenfalls ist es von Bedeutung, daß Kohlefasergebilde und Kohlefaser mit einem hohen Reinheitsgrad möglichst über 98% eingesetzt werden.

Die erfindungsgemäß einsetzbaren Kohlefasergebilde sollten bevorzugt in einer Achsrichtung orientierte Fasern und eine hohe Dichte aufweisen. Der spezifische elektrische Widerstand bei 20°C kann bei 24 bis 32 Ohmµm liegen. Die Rohdichte der Flächengebilde liegt zwischen 1,0 bis 1,5 g/cm³.

Beispiel

Es wurde ein Kohlefasergewebe mit in einer Achse der Stromleitung überwiegend ausgerichteten Fasern mit einem Gesamtgewicht von 16 g mit einer Länge von 80 cm, einer Breite von 2 cm und einer Dicke von 0,35 cm in ein Betonbauteil integriert. Das Betonbauteil hatte Abmessungen von 600 mm Durchmesser und 970 mm Länge. Gewicht des Bauteils 500 kg, angelegte Spannung 30 Volt, gemessener Strom 21 A, gemessene Temperatur am Außenumfang des Bauteils 200°C.

Ergebnis

Das Bauteil mit der Größe 500 kg wurde in 132 Stunden mit einer Leistung von 504 Watt getrocknet.

In der Fig. 4 ist die Erfindung schematisch dargestellt. In das Bauteil 1, hier ein kugelförmiger Körper, ist im Zentrum das Kohlefasergewebe 2 als thermische Energiequelle eingebaut. Die Anschlüsse und die Spannungsquelle sind nicht dargestellt.

Der Temperaturverlauf beginnt nun vom Zentrum und wandert radial R nach außen. Zu Beginn der Erwärmung wird zuerst das Zentrum aufgeheizt, siehe Fig. 4 - hell = hohe Temperatur, zum Beispiel 220°C, - dann wandert die Erwärmung langsam nach außen, wo es anfangs - kalt = dunkel = Raumtemperatur - ist.

Claims (20)

1. Verfahren zum Herstellen und Trocknen großformatiger monolithischer Bauteile der Beton- und Feuerfestindustrie, die aus nassen Formmassen, wie Beton, poröser Beton, mikroporöser hochdichter Beton, in einer Form hergestellt werden, bei dem die Formmasse in die Form eingebracht, verdichtet und getrocknet sowie gegebenenfalls gesintert wird, beim Einbringen der Formmasse in die Form im Zentrum des herzustellenden Bauteils eine Energiequelle eingelagert wird, zum Trocknen des Bauteils mittels der Energiequelle im Zentrum des Bauteils eine thermische Energie erzeugt wird, wobei das Trocknen des Bauteils von innen nach außen erfolgt, und als Energiequelle ein dichtes Gebilde, wie Flächengebilde oder Formkörper, aus Kohlefasern eingesetzt wird, das als elektrische Widerstandsheizung wirksam wird und mittels einer anzulegenden Spannung betrieben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse des Kohlefasergebildes für die Spannung aus dem Bauteil herausgeführt sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlefasergebilde flexibel ist und der Konfiguration des Bauteils für eine möglichst zentrische Lage angepaßt werden kann.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Kohlefasergebilde mit einem Reinheitsgrad größer 98% eingesetzt sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Kohlefasergebilde Gewebe eingesetzt werden, bei denen möglichst viele Kohlefasern in einer Achse angeordnet sind, wodurch ein Wirkungsgrad der Stromleitung und damit der erzeugbaren thermischen Energie erzielbar ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Kohlefasergebilde ein Kohlefaserfilz eingesetzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Kohlefasergebilde ein Kohlefaserstab eingesetzt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Kohlefasergebildes im Innern des Bauteils eine steuerbare hohe Energiedichte erzeugt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Kohlefasergebildes im Innern des Bauteils Temperaturen bis zu 400°C erzeugt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Feuchtigkeit am und im Bauteil über eine Leitfähigkeitsmessung erfaßt wird und zur Steuerung des Trocknungsprozesses benutzt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschte Temperatur und vorgegebenen Temperaturkurven zum Trocknen des Bauteils durch Steuerung der Spannung der Energiequelle erreicht werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Bauteils während des Trocknungsprozesses innen und außen gemessen und die erhaltenen Meßwerte zur Steuerung und Überwachung des Trocknungsprozesses insbesondere der mittels der Energiequelle erzeugten Temperatur und Temperaturverlaufes eingestellt werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Temperaturmessung bei dem Einbringen der Formmasse in die Form Thermomeßelemente, wie Thermomeßfühler, zur Messung der Temperatur und des weiteren Sensoren zur Erfassung der Feuchtigkeit über eine Leitfähigkeitsmessung mit in das Bauteil eingelegt und eingegossen werden und des weiteren Thermomeßelemente und/oder Sensoren zur Erfassung der Feuchtigkeit über eine Leitfähigkeitsmessung an der Oberfläche des Bauteils angebracht werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Bauteils während des von innen nach außen voranschreitenden Trocknungsprozesses feucht gehalten wird, um das Kapillarsystem an der Oberfläche des Bauteils offenzuhalten und den Feuchtigkeitsabtransport durch die Oberfläche bis zum Ende des Trocknungsprozesses aufrechtzuerhalten.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen des Bauteils während des Trocknungsprozesses isoliert werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorgebbarer gerichteter zum Beispiel stufenweiser Temperaturverlauf in Anpassung an die Bauteilgeometrie mittels der Energiequelle durchgeführt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil während des Trocknungsprozesses mit Unterdruck beaufschlagt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die mittels des Kohlefasergebildes im Innern erzeugte Wärmemenge zu einer Verdampfung der in dem Bauteil enthaltenen Feuchtigkeit ausreicht und das verdampfende Wasser an der Oberfläche des Bauteils während des Trocknungsprozesses eine Barriere für von außen zu dem Kohlestoffasergebilde diffundierenden Sauerstoff bildet, um eine Oxidation der Kohlefasern während des Trocknungsprozesses weitgehend zu verhindern.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Schutzüberzug gegen Oxidation ausgerüstete Kohlefasern bzw. Kohlefasergebilde verwendet werden.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiequelle mit Niederspannung betrieben wird.