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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Herstellung geschäumten Materials wie zum Beispiel geschäumten Betons.
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Es ist bekannt, Artikel wie zum Beispiel Bauglieder aus Beton
geringen Gewichts zu fertigen, indem eine nasse Betonmischung ausgedehnt
und in eine form gegossen wird. Im allgemeinen hat der Beton deshalb ein
gegenüber üblichem Beton geringes Gewicht, weil er eine Teilmasse an
Gasblasen, zum Beispiel an Luftblasen, enthält. Ein solcher Beton geringen
Gewichts weist eine relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit, einen relativ
niedrigen Elastizitätsmodul und andere wünschenswerte Merkmale auf. Eine
Technik zur Herstellung von Beton geringen Gewichts besteht darin, einer
nassen Betonmischung Schaum zuzusetzen, so daß sie Blasen enthält, die im
erhärteten Beton gefangen bleiben. Die Dichte des Betons geringen Gewichts
verringert sich in dem Maße, in dem sich die Menge blasenbildenden Gases
vergrößert. Wenn sich jedoch, zum Beispiel aufgrund einer übermäßigen
Schäumung bzw. Ausdehnung, zu viel Gas im Beton befindet oder wenn die
Gasblasen zu groß sind oder wenn sie nicht gleichmäßig verteilt sind, kann
der Beton geringen Gewichts nach dem Erhärten zu schwach für den
Einsatzzweck sein, für den er bestimmt ist.
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Da die Dichte von Beton geringen Gewichts eine Funktion des
Gasblasengehaltes in einem gegebenen Betonvolumen ist und die Festigkeit
des Betons eine Funktion des Gasblasengehaltes und seiner Verteilung ist,
ist die Dichte von und die Gasverteilung in einem nassen Beton geringen
Gewichts ein Maß für die Festigkeit, die der Beton nach dem Erhärten
besitzen wird.
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Eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen der Dichte
geschäumten Betons wird in der britischen Patentschrift Nr. 2.164.755
beschrieben. Bei Verwendung des Verfahrens der oben erwähnten
Veröffentlichung ist es möglich, die Dichte und damit den Gasgehalt eines
geschäumten Betons zu bestimmten, jedoch gibt die Messung der Dichte keine
Auskunft über die Qualität des Produktes, da Schwankungen der
Gasblasengröße und -verteilung durch die Messung nicht erfaßt werden.
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Ein entscheidender Faktor bei der Bestimmung der Qualität eines
geschäumten Betons ist die Qualität des Schaums, der zum Mischen mit dem
Rohbeton geliefert wird. Bei einer üblichen Ausrüstung zur Herstellung von
Schaumbeton wird eine Mischung aus Wasser und einer Schäumlösung dadurch
aufbereitet, daß sie durch einen Schaumerzeuger geleitet wird, welcher eine
Kammer umfaßt, innerhalb derer eine labyrinthartige Reihe von Durchgängen
festgelegt ist. Die Kammer ist so gestaltet, daß für eine gegebene
Durchsatzgeschwindigkeit eine turbulentes Strömungsmuster erzeugt wird, um
die erforderlichen Schaumeigenschaften hervorzubringen. Mit einer einzigen
Kammer kann die gegebene Durchsatzgeschwindigkeit nur erzielt werden, wenn
zwei andere Parameter richtig reguliert werden, nämlich die
Zuführgeschwindigkeit des Schaums und der Staudruck, dem der geschäumte
Beton ausgesetzt ist. Das bedeutet, daß eine übliche Ausrüstung dafür
gestaltet worden ist, lediglich eine begrenzte Bandbreite von
Betonzuführgeschwindigkeiten vorzusehen, so daß eine bestimmte Ausrüstung
nicht unter Bedingungen verwendet werden kann, bei denen eine
Zuführgeschwindigkeit außerhalb der normalen Bandbreite vorteilhaft wäre.
Ferner kann der Staudruck bedeutsam schwanken, zum Beispiel aufgrund von
Schwankungen in der Viskosität des geschäumten Betonproduktes oder
Schwankungen in der Höhe, auf die das Betonprodukt gepumpt werden muß. Es
versteht sich von selbst, daß das Schaumvolumen, das durch den
Schaumerzeuger gelangt, mit Schwankungen des Drucks innerhalb des
Schaumerzeugers schwanken wird.
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Das französische Patent Nr. 1 570 781 offenbart ein Verfahren zur
Herstellung und Anwendung eines geschäumten Magnesiabinders. Geschäumter
Binder wird unter Verwendung einer einzigen Kammer zum Mischen von Luft und
einer Schäumlösung hergestellt. Dieses Verfahren leidet unter den oben
angeführten Nachteilen.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die obengenannten
Probleme zu vermeiden bzw. zu mildern.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Steuerung
der Herstellung geschäumten Materials vorgesehen, bei der das Material und
der Schaum in im voraus festgelegten relativen Anteilen einem Mischgerät
zugeführt werden, die folgendes umfaßt: Mittel zum Zusammenmischen einer
Schäumlösung und Luft, und einen Schaumerzeuger zur Aufbereitung der
Luft/Schäumlösungsmischung und zum Zuführen des sich ergebenden Schaums zum
Mischgerät, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumerzeuger eine Mehrzahl
parallel geschalteter Schaumerzeugungskammern umfaßt, Ventile vorgesehen
sind, um den Fluß der Luft/Schäumlösungsmischung durch jede der
Erzeugerkammern zu steuern, Mittel zum Festlegen der
Volumenflußgeschwindigkeit vorgesehen sind, mit der Schaum dem Mischgerät
zugeführt wird, und Mittel zur Steuerung der Ventile vorgesehen sind, um
die Luft/Schäumlösungsmischung durch eine oder mehrere der Erzeugerkammern
in Abhängigkeit von der Volumenflußgeschwindigkeit so zu leiten, daß die
Flußgeschwindigkeit der Luft/Schäumlösungsmischung innerhalb der Kammer
bzw. der Kammern innerhalb im voraus festgelegter Grenzen liegt.
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Die Erfindung sieht ferner ein Verfahren zur Steuerung der
Herstellung geschäumten Materials vor, bei dem das Material und der Schaum
in im voraus festgelegten relativen Anteilen einem Mischgerät zugeführt
werden, wobei der Schaum dadurch hergestellt wird, daß Luft und
Schäumlösung zusammengemischt werden und die Luft/Schäumlösungsmischung
durch einen Schaumerzeuger hindurch an das Mischgerät geleitet wird, bei
dem der Schaumerzeuger eine Mehrzahl parallel geschalteter
Schaumerzeugerkammern umfaßt, Ventile vorgesehen sind, um den Fluß der
Luft/Schäumlösungsmischung durch jede der Erzeugerkammern zu steuern, die
Volumengeschwindigkeit, mit der Schaum dem Mischgerät zugeführt werden
soll, festgelegt wird, und die Ventile so eingestellt werden, daß sie die
Luft/Schäumlösungsmischung so durch einen oder mehrere der Erzeugerkammern
leiten, daß die Flußgeschwindigkeit der Luft/Schäumlösungsmischung
innerhalb der Kammer bzw. der Kammern innerhalb im voraus festgelegter
Grenzen gehalten wird.
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Bevorzugt wird der Druck, unter dem Schaum dem Mischgerät zugeführt
wird, überwacht, und Schäumlösung und Luft werden dem Schaumerzeuger mit
im voraus festgelegten Massenflußgeschwindigkeiten zugeführt. Das Volumen
des dem Mischgerät zugeführten Schaums ist eine Funktion sowohl der
Massenflußgeschwindigkeit des Schaums als auch des Zuführdrucks. Somit kann
die Volumenflußgeschwindigkeit aus dem überwachten Druck und den im voraus
festgelegten Flußgeschwindigkeiten berechnet werden.
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Alternativ kann der Druck, unter dem Schaum dem Mischgerät zugeführt
wird, konstant gehalten werden, in welchem Fall die
Volumenflußgeschwindigkeit des Schaums nur eine Funktion der Luft- und der
Schäumlösungs-Massenflußgeschwindigkeiten ist. Der Druck kann mittels eines
Ventils konstant gehalten werden, das stromabwärts vom Mischgerät
positioniert und steuerbar ist, um dem Materialfluß aus dem Mischgerät
einen einstellbaren Widerstand entgegenzusetzen. Bei dem den Druck
aufrechterhaltenden Ventil kann es sich zum Beispiel um ein Quetschventil
handeln, das eine flexible Leitung umfaßt, durch die sich das Material
bewegt und deren Querschnittsfläche eingestellt werden kann, indem ein
differentieller Druck quer über die Leitungswand ausgeübt wird.
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Die dem Schaumerzeuger zugeordneten Steuerventile können für jede
Erzeugerkammer jeweils ein Ventil umfassen, wobei jedes Ventil zwischen
einem offenen Zustand, in dem es dem Fluß der Luft/Schäumlösungsmischung
durch das Ventil hindurch keinen Widerstand bietet, und einer geschlossenen
Position, in dem der Fluß der Luft/Schäumlösungsmischung durch das Ventil
hindurch verhindert wird, hin- und herschaltbar ist.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nun
beispielhaft anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Maschine
zur Herstellung geschäumten Betons;
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Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Quetschventils, das für
die Verwendung bei einer Modifizierung der in Fig. 1 dargestellten Maschine
geeignet ist; und
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Fig. 3 ein Flußdiagramm, welches eine Vorgehensweise darstellt, der
gefolgt werden kann, um den Leergehalt und die Dichte einer Mischung aus
geschäumtem Beton zu messen und zu steuern.
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Die in Fig. 1 dargestellte Maschine zur Herstellung von Schaumbeton
umfaßt einen Dieselmotor 1, der einen Luftverdichter 2 antreibt, eine
Lösungspumpe 3 und eine hydraulische Pumpe 4. Die hydraulische Pumpe 4
liefert unter Druck gesetztes hydraulisches Fluidum von einem Reservoir 5
zu einer Betonpumpe 6, welche Rohbeton aus einem Trichter 7 abzieht und den
Rohbeton durch ein Rohr 8 zu einem Ventil 9 zur Steuerung der Betonzufuhr
pumpt. Der Luftverdichter 2 liefert verdichtete Luft zu einem Steuerventil
10, welches manuell so betätigt werden kann, daß es über die pneumatische
Leitung 11 ein durch pneumatischen Druck gebildetes Steuersignal an das
Ventil 9 zur Steuerung der Betonzufuhr liefert. Abhängig vom Druck in der
Leitung 11 liefert das Ventil 9 entweder Rohbeton zu einem statischen
Mischgerät 12 oder gibt Beton über Rohr 13 an den Trichter zurück.
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Die Lösungspumpe steuert die Zufuhr einer Schäumlösung aus einem Tank
14 zu einer Lösungs-Dosiereinheit 15. Dem Tank 14 wird mittels einer Pumpe
17 aus den Reservoirs 16 ein Schäumlösungskonzentrat zugeführt. Dem Tank
14 wird mittels einer Pumpe 19 aus einem Wassertank 18 Wasser zugeführt.
Die Lösungspumpe 3 liefert unter Druck gesetzte Lösung in Leitung 20,
welche mittels eines Oberdruckventils 21 unter einem im wesentlichen
konstant gehaltenen Druck gehalten wird.
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Der Luftverdichter liefert verdichtete Luft über ein motorbetätigtes
Luftventil 22 zu einer Mischkammer 23. Die Mischkammer 23 erhält ferner
über das Rückschlagventil 24 Lösung von der Lösungs-Dosiereinheit 15. Das
Volumen der zugeführten Luft wird durch die Einstellung des motorbetätigten
Luftventils 22 festgelegt. Das Volumen der zugeführten Lösung wird durch
eine Reihe von acht parallel angeordneten Ventilen 25 festgelegt, die
entweder ganz offen oder ganz geschlossen sind. Auf diese Weise kann die
Geschwindigkeit von zugeführter Lösung im voraus festgelegt werden, indem
gezielt eines oder mehrere der Ventile 25 geöffnet werden, um eine
beliebige von 255 möglichen Zuführgeschwindigkeiten vorzusehen.
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Der Ausstoß aus der Mischkammer 23 wird einem Schaumerzeuger
zugeführt, welcher fünf Schaumerzeugerkammern 26 umfaßt, die parallel
angeordnet sind und die jeweils eine gemeinsame Ausgangskammer 27
beschicken. Jede der Kammern 26 ist gemäß üblichen Techniken so gestaltet,
daß unter der Voraussetzung einer geeigneten Volumengeschwindigkeit des
Flusses durch die Kammern ein geeignet aufbereiteter Schaumausstoß
bereitgestellt wird. Eine Reihe von fünf Ventilen 28 ist seriell mit Bezug
auf jeweils eine der Kammern 26 angeordnet, wobei jedes Ventil 28 so
angeordnet ist, daß es entweder ganz offen oder ganz geschlossen ist. Durch
gezielte Steuerung der fünf Ventile 28 kann der Gesamt-Schaumfluß somit
durch entweder eine, zwei, drei, vier oder fünf der Schaumerzeugerkammern
26 geleitet werden. Das ergibt eine große Bandbreite an
Schaumliefergeschwindigkeiten, die möglich sind und bei denen doch
geeignete Bedingungen innerhalb der einzelnen Kammern aufrechterhalten
werden.
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Die Ausstoßkammer 27 ist mittels der Leitung 29 mit dem statischen
Mischgerät 12 verbunden. Das statische Mischgerät üblicher Konstruktion
gewährleistet ein gutes Mischen des Schaums und des Rohbetons, und diese
Mischung wird über eine Wiegespirale 30 an einen Ausgang 31 geliefert. Die
Wiegespirale 30 wird an einer Meßdose 32 gestützt, die eine Ausgabe
bereitstellt, wodurch die Berechnung der Dichte des Betons innerhalb der
Spirale 30 gemäß den in der oben erwähnten britischen Patentschrift Nr.
2.164.755 beschriebenen Techniken ermöglicht wird.
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Der Druck innerhalb der Leitung 29 wird mittels eines Druck-
Meßwandlers 33 bestimmt, der ein Maß für den Staudruck ist, dem der Beton
innerhalb der Spirale 30 ausgesetzt ist.
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Wenn eine Lieferung von Schaumbeton für eine bestimmte Anwendung
gewünscht wird, wird das Steuerventil 10 so eingestellt, daß es das Beton-
Zuführventil 9 so positioniert, daß die passende Rohbeton-
Zuführgeschwindigkeit erzeugt wird. Ein (nicht gezeigtes) Rechnersystem
berechnet dann die erforderliche Schaum-Zuführgeschwindigkeit gemäß der
gewünschten Dichte des Endproduktes, welche unter Verwendung üblicher
Techniken berechnet wird. Die tatsächliche Volumengeschwindigkeit der
Schaumzufuhr ist jedoch eine Funktion des Staudrucks, und dieser Staudruck
wird vom Meßwandler 33 erfaßt. Unter Verwendung der vom Meßwandler
bereitgestellten Eingabe ist es einfach, die Volumengeschwindigkeit des
Flusses durch den Schaumerzeuger zu berechnen. Ist diese Berechnung
erfolgt, können die Ventile 28 gezielt geöffnet werden, um den Lösungsfluß
durch die Kammern 26 so zu verteilen, daß jede in Betrieb genommene Kammer
einen Fluß durch sich hindurch aufweist, der gewährleistet, daß der sich
ergebende Schaum die gewünschten Eigenschaften hat. Demgemäß ist eine
relativ große Bandbreite an Schaumbeton-Zuführgeschwindigkeiten möglich,
und gleichzeitig wird ein Schaum hoher Qualität aufrechterhalten. Eine
einzige Maschine kann daher leicht dafür eingerichtet werden, einen
Schaumbeton hoher Qualität unter einer Vielzahl von Umständen zu liefern.
Der Druck in der Spirale 30 wird in Abhängigkeit von der Viskosität des
Schaumbetons und der Höhe, auf die er gepumpt werden muß, beträchtlich
schwanken, jedoch werden Schwankungen im Staudruck aufgrund des Vorsehens
des Meßwandlers 33 und der Reaktion des Steuersystems der Maschine auf die
Ausgabe dieses Meßwandlers berücksichtigt.
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Alternativ zu der beschriebenen Anordnung, welche Schwankungen im
Staudruck innerhalb der Spirale 30 ausgleicht, können Maßnahmen ergriffen
werden, um diesen Staudruck konstant zu halten. Das kann dadurch erreicht
werden, daß im Ausgang 31 der Spirale 30 ein Quetschventil angebracht wird
und daß dieses Quetschventil mittels eines geeigneten Feedback-Mechanismus,
der mit dem Meßwandler 33 verbunden ist, so gesteuert wird, daß der Druck
innerhalb der Spirale 30 stabilisiert wird. Wenn der Staudruck stabilisiert
wird, wird der Druck innerhalb der Schaumerzeugerkammern 26 ebenfalls
stabilisiert, und die Ventile 28 können dann einfach auf der Grundlage der
im voraus eingestellten Zuführgeschwindigkeit des Produktes aus geschäumtem
Beton gesteuert werden. Es versteht sich von selbst, daß bei stets im
wesentlichen konstantem Druck innerhalb der Schaumerzeugerkammern 26 die
Volumengeschwindigkeit des Flusses durch den Schaumerzeuger stets
proportional zur Massengeschwindigkeit des Flusses durch den Schaumerzeuger
sein wird.
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In Fig. 2 ist ein Quetschventil dargestellt, das zum Anbringen im
Ausgang 31 der Spirale 30 wie oben beschrieben geeignet ist. Das
Quetschventil umfaßt Endflansche 34, die ermöglichen, daß es in einem
Ausgangsrohr angeschlossen wird, wobei die Flansche an gegenüberliegenden
Enden einer zylindrischen Röhre 35 gestützt werden, welche mit einem
Gaseinlaß 36 versehen ist. Um die innere Oberfläche der Röhre 35 ist eine
flexible Elastomerröhre 37 angeordnet. Wenn der Druck innerhalb des Rohrs
36 weniger als der innerhalb der Röhre 37 beträgt, nimmt die Röhre 37 die
gezeigte Lage ein, in der sie von der Röhre 35 gestützt wird. Wenn es
jedoch gewünscht wird, den Querschnitt der Röhre 37 zu verringern, kann ein
differentieller Druck quer über die Wand der Röhre 37 ausgeübt werden, so
daß sie nach innen gezwungen wird und die mit punktierten Linien gezeigte
Lage einnimmt. Das Ausmaß der Verformung der Röhre 37 wird natürlich eine
Funktion des differentiellen Drucks quer über die Wand der Röhre 37 sein.
Dadurch, daß der Querschnitt der Röhre 37 eingeschränkt wird, kann der
durch das Quetschventil gebildete Widerstand gegen einen Fluß genau
gesteuert werden, und demgemäß kann der Druck stromaufwärts vom
Quetschventil mittels einer geeigneten Feedbackschleife im wesentlichen
konstant gehalten werden.
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Die Hinzunahme eines Quetschventils zum System erlaubt die Einführung
geeigneter Software, so daß das System dafür verwendet werden kann, sowohl
den Leergehalt als auch die Dichte einer Leerbereiche enthaltenden bzw.
geschäumten Mischung wie zum Beispiel von Schaumbeton zu messen und zu
steuern.
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Eine geeignete Abfolge wird in dem in Fig. 3 dargestellten
Flußdiagramm gezeigt, wobei die gleiche Vorgehensweise auch eine
automatische Eichung des Systems ermöglicht.