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Verfahren und Anlage zur Herstellung von Zellbeton
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Zellbeton
sowie eine Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Zellbeton, auch unter dem Namen Leichtbeton bekannt, ist zwar schon
seit Jahrzehnten bekannt, wird aber nur in geringem Ausmass verwendet. Nachteilig
ist vor allem der Aufwand zu seiner Herstellung und die meist beschränkte Transportfähigeit
des hergestellten Betons zum Verwendungsort. An und für sich ist der Leichtbeton
aber ein vorzüglicher Baustoff, denn er vereinigt eine gute Festigkeit mit extrem
geringem Gewicht und hoher Wärmeisolierung.
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Es gibt verschiedene Verfahren zur Herstellung von Leichtbeton, und
dementsprechend wird das Endprodukt als Gasbeton, Schaumbeton oder Porenbeton bezeichnet.
Beim Gasbeton erfolgt
die Porenbildung durch Zugabe eines Druckgases
in die Betonmasse, beim Schaumbeton durch Zugabe eines Schaumbildners, welcher einen
Schaum in der Betonmasse erzeugt, und beim Porenbeton wird ein luftblasenbildender
Zusatzstoff beigemengt. Als Schaumbildner kommen verschiedene Materialien in Frage;
bekannt sind vor allem solche auf der Basis von Seife oder Detergenzien. Nachteilig
ist bei allen der schon erwähnte Ilerstellungsaufwand; insbesondere ist bei verschiedenen
Verfahren die Verwendung von Autoklaven oder dann von Schaumerzeugungsanlagen notwendig.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt ein Verfahren zur Herstellung von
Leichtbeton, welches ohne solche teuren Anlagen auskommt und stattdessen mit einer
Mischanlage arbeitet, die derart einfach ist, dass sie gegebenenfalls ohne weiteres
zum Verwendungsort des Betons transportiert und dort aufgestellt und betrieben werden
kann, sodass das Problem des Betontransportes, das bei Zellbeton zeigen seiner porösen
Struktur besonders schwierig ist, wegfällt. Ausserdem ermöglicht es das Verfahren,
mit Materialien zu arbeiten, die überall leicht im Handel erhältlich sind.
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Dieses Verfahren ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass
in einen zwischen einer horizontalen und einer vertikalen Stellung schwenkbaren
Behälter in dessen horizontalen Lage unter langsamem Umrühren zuerst Wasser sowie
ein Material eingegeben wird, welches in der Mischung, die durch anschliessende
Eingabe von Zement und Sand entsteht und mit welcher der Behälter nur teilweise
gefüllt wird, eine Kristallisation sowie eine Vernetzung bewirkt, dass nach dieser
Eingabe der Behälter in die Vertikallage geschwenkt, die genannte Mischung durch
schnelles Umrühren solange gemischt wird, bis sie eine vernetzte, kristalline Mikrostruktur
aufweist, dass hierauf
der Behälter wieder in die Horizontallage
zurückgeschwenkt wird, auf die Oberfläche der noch flüssigen ischung ein stabilisierendes,
die Mischung auf chemisch-mechanischem Weg expandierendes Material unter fortgesetztem,
wieder langsamem Umrühren aufgebracht und schliesslich der Behälter zwecks Entleerung
der gesamten Zellbetonmasse nochmals in die Vertikalstellung geschwenkt wird.
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Die Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens ist erfinduncjsgemäss
gekennzeichnet durch einen zwischen einer horizontalen und einer vertikalen Stellung
schwenkbaren Behälter, welcher mehrere Oeffnungen aufweist, wovon die eine an eine
flüssigkeitsfördernde Leitung angeschlossen ist, und welcher an seinem einen Ende
einen Ein- und Auslassstutzen sowie in seinem Innern ein Rührwerk enthält, und durch
eine Einrichtung zum Einfüllen von Feststoffen in den Behälter, an welche der Ein-
und Auslassstutzen des Behälters beim Füllvorgang anlegbar ist.
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Die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen
Vorrichtung soll die Erfindung näher erläutern, wobei gleichzeitig auch das erfindungsgemässe
Verfahren dargestellt wird. Die Zeichnung zeigt ein solches Ausführungsbeispiel
der Anlage in schematischer Darstellung, unter Weglassung von Einzelheiten, die
für das Verständnis der Erfindung nicht wesentlich sind.
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Auf einem allgemein mit 1 bezeichneten, aus Profilträgern aufgebauten
Rahmen ist mittels kurzer, in Lagerböcken gelagerten Wellen 2 ein Behälter 3 so
gelagert, dass er um eine quer zu seiner Längsmittelachse verlaufende, koaxial zu
den beiden Wellen 2 verlaufende Achse zwischen einer vertikalen und einer horizontalen
Stellung schwenkbar ist. Die beiden
Endstellungen sind mit 3' (vertikal)
und 3" (horizontal) eingezeichnet, wobei der Behälter jeweils nur teilweise dargestellt
ist. Die Schwenkung des Behälters 3 erfolgt mittels eines Zylinderkolbenaggregates
4, das beispielsweise durch Oeldruck betätigt werden kann; die entsprechenden Zuleitungen
samt der Druckpumpe sind bekannt und daher nicht dargestellt.
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Das Aggregat 4 stützt sich einerseits schwenkbar auf einen Lagerbock
5 ab, der auf dem Rahmen 1 angebracht ist, und andererseits ebenfalls schwenkbar
auf eine besondere Lasche 6, die über Rippen 7 mit dem Mantel des Behälters 3 verbunden
ist. Zweckmässig ist es, auf der gegenüberliegenden, hier nicht sichtbaren Seite
des Behälters ein gleiches Aggregat 4 vorzusehen, damit Torsionsmomente auf den
Behälter vermieden werden können.
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An seinem einen Ende trägt der Behälter 3 einen Antriebsmotor 8. Dieser
könnte ein Elektromotor sein; zwecknlässiger ist jedoch ein hydraulischer Motor,
der für die vorgesehene Leistung etwas weniger Gewicht aufweist. Die Zuleitung 9
ist nur schematisch dargestellt; sie führt vom Hydraulikmotor 8 bis in die Nähe
der Schwenkwelle 2 und von dort über den Rahmen 1 zu einer ebenfalls nicht dargestellten
Druckpumpe. Ein Teil dieser Leitung muss wegen der Schwenkung des Behälters aus
einem flexiblen Schlauch bestehen, der Rest kann aus festen Rohren gebildet sein.
Der Ilydraulikmotor 8, der mit Streben 9 auf den Behälter 3 abgestützt ist, ist
Teil eines Rührwerks, das im weiteren noch aus einer im Innern des Behälters 3 angeordneten
Welle 11 mit darauf angebrachten Mischflügeln 12 besteht, von denen der Uebersicht
halber nur einige wenige am einen Ende der Welle 11 dargestellt sind. Die Flügel
12 sind zweckmässigerweise ungleich lang, d.h. ein Teil reicht bis an die Innenwand
des Behälters 3, während die übrigen kürzer sind. Zur Erhöhung des Mischeffektes
sind
die Flügel 12 mit Löchern 13 versehen.
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An dem dem Hydraulikmotor 8 gegenüberliegenden Ende des Behälters
weist dieser einen Stutzen 14 auf, der aus noch zu erläuternden Gründen sowohl zum
Einfüllen wie zum Entleeren des Behälters dient. Der Stutzen 14, der wie dargestellt
durch die eine Behälterendwand 15 in das Innere des Behälters mündet, ist wie der
Behälter ebenfalls in seinen beiden Endstellungen 14' und 14" gezeigt. Im Stutzen
14 befindet sich eine Schliessklappe 16, die mittels eines Gelenkarmes 17 von einem
weiteren Zylinderkolbenaggregat 18 drehbar ist.
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An seinem Umfang weist der Behälter 3 eine erste Oeffnung 19 auf,
durch welche mittels eines flexiblen Schlauches 20 Wasser eingefüllt werden kann.
Der Schlauch 20 führt entlang des Rahmens 1, an welchem er befestigt ist, zu einem
nicht dargestellten Flüssigkeitstank bzw. zu einer Pumpe.
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Neben dieser Oeffnung 19 befinden sich eine weitere Einfüllöffnung
21 sowie eine Entlüftungsöffnung 22; ihre Zwecke werden noch erläutert. Beide Oeffnungen
können mittels ferngesteuerter weiterer Zylinderkolbenaggregate 23 entsprechend
den Erfordernissen des noch darzustellenden Verfahrens geöffnet bzw. geschlossen
werden. Die Zuleitungen zu allen diesen Zylinderkolbenaggregaten 18, 23 verlaufen
in analoger Weise wie diejenige zum Hydraulikmotor 8 bzw. wie der Schlauch 20, d.h.
sie führen in bekannter Weise über den Rahmen 1 zu einer Kraftquelle und sind daher
der Uebersicht halber nicht dargestellt.
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Die Füllung des Behälters 3 in der horizontalen Stellung 3" über den
Stutzen 14 erfolgt durch eine Einfülleinrichtung, die einen Dosierbehälter 30 aufweist,
der auf einem Gestell 31
angeordnet ist. An seiner Oberseite münden
zwei Rohre 32, 33 ein, welche die verschiedenen Feststoffe von nicht dargestellten
Lagern heranführen, beispielsweise mittels Förderschnecken oder eventuell auch mittels
Druckluft. Vom Dosierbehälter 30, der mit einer automatisch arbeitenden Dosierwaage
34 versehen sein kann, welche die Feststoffe im notwendigen Mischverhältis abwägt,
gelangen die Feststoffe in ein Rohr 35 mit einer Förderschnecke 36, von welcher
sie während ihres Transportes gründlich vermengt werden. Sie gelangen dann zu einem
Austrittsstutzen 37, der mittels eines Schiebers 38 dann geöffnet werden kann, wenn
sich der Stutzen 14 des Behälters 3 unter ihm befindet. Der Schieber kann durch
ein Zylinderkolbenaggregat 39 verschoben werden.
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Der Austrittsstutzen 37 weist einen Mündungsteil 40 auf, welcher ein
federndes Zwischenstück 41 aufweist, um sowohl das Anlegen des Stutzens 14 elastisch
auffangen zu können als auch eine gute Abdichtung unter Druck zwischen den beiden
Teilen zu erreichen.
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Anhand der Beschreibung dieser Anlage soll nun das erfindungsgemässe
Verfahren erläutert werden.
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Zu Beginn des Verfahrens befindet sich der leere Behälter in der Horizontalstellung
3'. Durch den Schlauch 20 werden nun vorerst Wasser sowie ein Kristallisations-
und Vernetzungsmittel eingegeben. Das letztere ist zweckmässigerweise bereits vorher
dem Wasser beigemengt worden. Das Einfüllen erfolgt unter langsamem Umdrehen des
Rührwerks 11, 12. Nach dem Einfüllen des Wassers wird aus dem Dosierbehälter 30
eine Mischung aus Sand, der beispielsweise durch das eine Rohr 32, und Zement, der
durch das andere Rohr 33 herangeführt worden ist, in das Rohr 35 mit der Förderschnecke
36 abgegeben; falls wie
dargestellt eine Dosierwaage 34 vorhanden
ist, wird automatiscl das gewünschte Mischungsverhältnis hergestellt. Oberhalb des
Austrittsstutzens 40 sammelt sich die von der Förderschnecke 36 herangeführte Mischung
an. Der Schieber 38 wird nun geöffnet, und die Mischung fällt durch den Stutzen
14 in den mit Wasser gefüllten Behälter 3; gleichzeitig liefert die Förderschnecke
36 noch weiteres benötigtes Material heran. Anschliessend daran wird der Schieber
6 wieder in die Schliessstellung bewegt. Zweckmässigerweise ist während des Einfüllens
dieser Materialien die Entlüftungsöffnung 22 offen.
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Zu erwähnen ist, dass der Behälter 3 nicht vollständig gefüllt wird.
Die Gründe hiefür werden noch erläutert.
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Nach Schliessen des Austrittstutzens 37 wird auch die im Stutzen 14
befindliche Schliessklappe 16 in die Schliessstellung gedreht, und der Behälter
3 wird nun von der Stellung 3" in die vertikale Stellung 3' geschwenkt. Gleichzeitig
wird nun das Rührwerk 11, 12 auf eine wesentlich schnellere Drehzahl beschleunigt.
Durch das schnelle Umrühren in der Vertikalstellung des Behälters, welches durch
die Löcher 13 in den Mischflügeln 12 noch intensiviert wird, werden die verschiedenen
Materialien im Behälter sehr intensiv vermischt, bis sie in der Mischung nicht mehr
erkennbar sind, d.h. bis die Mischung vollkommen homogen ist, also eine sog.
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Mikrostruktur aufweist. In dieser Mischung beginnt nun das Kristallisations-
und Vernetzungsmittel seine Wirkung auszuüben; wegen der nunmehr feinen Verteilung
des Mittels bilden sich überall in der Mischung Kristallisations- und Vernetzungskeime,
von denen aus die weitere Kristallisation und Vernetzung ausgeht, bis nach einiger
Zeit die Kristalle sich miteinander verbinden. Im allgemeinen genügt es, das Rührwerk
wenige Minuten laufen zu lassen, um das gründliche Durchmischen herbeizuführen
und
damit die beschriebenen Vorgänge auszulösen.
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Nach Durchführung dieses Verfahrensschrittes muss die Mischung stabilisiert
werden, da sonst die Zellstruktur instabil bleibt, was zu einer Zersetzung der Mischung
führen würde. Es ist daher notwendig, ein stabilisierendes Mittel, welches gleichzeitig
auch eine Expansion der Mischung herbeiführt, beizugeben. Damit dieses Mittel einerseits
möglichst rasch in der gesamten Mischung verteilt ist, andererseits ein zu kräftiges
Umrühren nunmehr vermieden werden muss, wird der Behälter 3 wieder in die Horizontallage
verdreht. Da er, wie früher erwähnt, nur teilweise gefüllt ist, bildet die in ihm
enthaltene Mischung nunmehr in der Horizontallage eine relativ grosse Oberfläche,
auf welche das stabilisierende Mittel aufgebracht wird; diese Oberfläche ist wesentlich
grösser als wenn der Behälter 3 in der Vertikallage bleiben würde.
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Das stabilisierende Mittel (der Stabilisator) kann daher bereits auf
einen beträchtlichen Anteil der Mischung einwirken, und es genügt daher, wenn das
Rührwerk nunmehr wieder mit niedriger Drehzahl betrieben wird. Mit diesem langsamen
Umrühren wird der Stabilisator rasch über die ganze Mischung unter gleichzeitiger
schonender Behandlung derselben verteilt.
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Dabei kann ein Aufschäumen auftreten, das jedoch für die Stabilisierung
ohne Bedeutung ist und auch auf die Expansion der ganzen Mischung nur einen geringen
Einfluss hat.
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Damit ist der Zellbeton im wesentlichen fertig. Er liegt als breiige
Masse vor, wobei die Konsistenz und damit das spezifische Gewicht nach dem Aushärten
vom Mischungsverhältnis der beigegebenen Ausgangsmaterialien abhängt. Man kann ihn
nun aus dem Behälter 3 ausfliessen lassen. Zu diesem Zweck wird dieser wieder in
seine Vertikallage 3" gedreht, sodass sich der Stutzen 14 an der tiefsten Stelle
befindet. Nach Oeffnen
der Schliessklappe 16 durch das Zylinderkolbenaggregat
18 kann der Zellbeton 50 in eine Mulde 51 ausfliessen, von welcher er dann entweder
in Formen (nicht dargestellt) oder in Transportmittel gepumpt werden kann. Bei geeigneter
Anordnung der ganzen Anlage könnte er auch direkt in die Formen einfliessen, wo
er dann aushärtet und dabei seine endgültige Zellstruktur annimmt. Es ist auch möglich,
in diesen Formen bereits Eisenstäbe, Netze oder Gitter anzubringen, die dann vom
Zellbeton umflossen und in ihm eingebettet werden und so eine Armierung bilden.
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Das Ausfliessen des noch flüssigen Zellbetons 50 wird durch Oeffnen
der Entlüftungsöffnung 22, die nun als Belüftungsöffnung dient erleichtert; wie
aus der Zeichnung ersichtlich, befindet sich diese Oeffnung nahe demjenigen Ende
des Behälters 3, das sich in dessen vertikaler Stellung oben befindet.
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Nach völliger Entleerung des Behälters 3 wird dieser erneut in seine
Horizontallage 3" gedreht und ist dann zur Durchführung eines neuen Arbeitszyklus
bereit.
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Zu beachten ist, dass einzelne Verfahrensschritte samt den dazu erforderlichen
Massnahmen wie Schwenken des Behälters 3, Einfüllen der Materialien, Oeffnen und
Schliessen der verschiedenen Klappen und Einfüllöffnungen durch die Zylinderkolbenaggregate,
Rotation des Rührwerks mit verschiedenen Drehzahlen usw. in einer genau bestimmten
Reihenfolge und in zeitlich genau festgelegten Phasen ablaufen, sodass das ganze
Verfahren leicht automatisiert werden kann. Es genügt daher im allgemeinen ein Mann
zur Inbetriebnahme und zur Ueberwachung der Anlage, sodass das Verfahren und die
Anlage auch vom personellen Aufwand her gesehen sehr rationell arbeiten.
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Der Dosierbehälter 30 und die ihn speisenden Rohre 32, 33 können ohne
weiteres so dimensioniert sein, dass mehr als ein Behälter 3 angeschlossen werden
kann; entsprechend muss dann auch die Anzahl der Förderschnecken 36 vergrössert
werden. Andererseits kann, da an die einzelnen Bestansdteile der Anlage einschliesslich
des Behälters keine grossen technischen Anforderungen gestellt werden, die ganze
Anlage (natürlich unter entsprechender Verkleinerung) auch auf einem Strassenfahrzeug
angeordnet werden. Damit wird es möglich, den Zellbeton am Verbraucherort herzustellen,
sodass der Transport, der wie erwähnt eine gewisse Gefahr für die Mikrostruktur
des Zellbetons darstellt, wegfällt; werden auch die Formen mittransportiert, so
können Zellbetonelemente hergestellt werden, die nach ihrer Aushärtung sofort zusammengebaut
werden können. Auf diese Weise ergeben sich sehr interessante Möglichkeiten, beispielsweise
beim Erstellen von Gebäuden aus Fertig- oder Halbfertigelementen, oder auch bei
anderen Projekten.
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Der auf diese Art hergestellte Zellbeton zeichnet sich durch ein geringes
Gewicht, relativ gute Festigkeitswerte und wegen seiner Zellstruktur durch eine
extrem hohe Wärme- und Scllallisolation sowie Feuerfestigkeit aus. Die Zellstruktur
des Zellbetons, die zahllose einzelne Zellen oder Alveolen aurweist, die unter sich
keine Verbindung haben, verhindert ein Durchtreten auch von sehr hohen Temperaturen,
wobei sich der Zellbeton auf der der Wärme ausgesetzten Seite zwar unter Umständen
langsam zersetzt, aber nicht wie gewöhnlicher Beton zerspringt. Andererseits ist
wegen der schon erwähnten Struktur des Zellbetons die Feuchtigkeitsaufnahme auch
bei längerer Einwirkung minim. Eine allfällige Wärmebehandlung mittels Dampf kann
daher sofort durchgeführt werden, im Gegensatz zu gewöhnlichem Zellbeton, bei welchem
eine Wärmebehandlung erst nach einigen Stunden möglich ist.
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