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Mischer für Zementmasse und Verfahren zur Herstellung von
Mörtel und Beton
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mischer zum
Zerkleinern von Zementballen, die in einer Zementmasse
enthalten sind, um die Zementmasse zu homogenisieren, und ein
Verfahren zur Herstellung hochfesten oder extrem hochfesten
Betons oder Mörtels unter Verwendung des Mischers.
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Bis jetzt wurde als Technik zum Kneten von Beton, wie in
der Fig. 11 gezeigt, im breitem Umfang ein sog. Chargen-
Knetverfahren verwendet, bei dem Wasser, Zement, feine
Zuschlagstoffe, grobe Zuschlagstoffe, Pozzolan und
Beimengungen auf einmal in einen Mischer gegeben und
zusammengeknetet werden. Um einen hochfesten Beton hoher Qualität
herzustellen, wird derzeit auch ein Doppelmischverfahren, wie in
der Fig. 12 gezeigt, verwendet.
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Bei diesem Verfahren wird nur Zementmasse oder Mörtel in
einem Mischer verknetet, und dann werden feine
Zuschlagstoffe und grobe Zuschlagstoffe der Zementmasse zugefügt
und miteinander verknetet, um Beton herzustellen. Mischer,
die bei diesem Verfahren zur Herstellung von Beton
verwendet wurden, sind Schwerkraftmischer,
Waagerechttiegelmischer mit zwangsweisem Umlaufbetrieb,
Zwillingswellenmischer, kontinuierliche Knetmischer, Allrichtungsmischer
etc.
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Zement, der mit dem Chargenknetverfahren zu behandeln ist,
hat jedoch eine feine Teilchengröße von 0,04 mm (ungefähr
3300 cm²/g spezifische Oberfläche) Daher werden durch eine
große Kohäsivkraft, die dann erzeugt wird, wenn der Zement
mit Wasser in Kontakt kommt, sehr harte Zementballen
gebildet. Es ist schwierig, solche Zementballen zu zerkleinern,
selbst wenn der Zement zusammen mit feinen Zuschlagstoffen
und groben Zuschlagstoffen mittels eines herkömmlichen
Mischers, wie vorstehend beschrieben, zusammengeknetet wird.
Dies hemmt die Herstellung von Beton aus gleichförmiger
Zementmasse. Beton, der ein Pozzolanmaterial verwendet, das
eine superfeine Teilchengröße von 150 nm (ungefähr 20 m²/g
spezifische Oberfläche) hat, wie beispielsweise
Silicadampf, zeigt eine besonders starke Kohäsivkraft zwischen
dem Pozzolanmaterial und Wasser. Daher kann der vorstehend
beschriebene Mischer kaum die Zementballen zerkleinern, die
aus diesem Material gebildet sind.
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Es besteht dieser Tage eine wachsende Tendenz, extrem
hochfeste Materialien (1000 kg f/cm² mit dem Alter 28 Tage) als
Beton für extrem hohe Hochhauskonstruktionen zu verwenden.
Da ein derartiger Beton zusätzlich zu einem extrem feinen
Pozzolanmaterial ein Hochleistungs-Wasserreduktionsagens
oder einen extrem starken Betonverflüssiger verwendet, um
das Verhältnis von einem wasserbindenden Agens zu
reduzieren, ist seine Viskosität ziemlich hoch. Daher ist es mit
dem herkömmlichen Chargen-Mischverfahren, wie in Fig. 11
gezeigt, fast unmöglich, die Zementballen zu zerkleinern,
selbst wenn ein leistungsstarker Zwangsumlaufmischer
verwendet wird. Somit ist es unmöglich, einen
hochqualitativen, hochfesten oder extrem hochfesten Beton
herzustellen.
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Mit dem in der Fig. 12 gezeigten Doppelmischverfahren ist
das Zerkleinern der Zementballen schwierig, da, wie
vorstehend beschrieben, ein herkömmlicher Mischer verwendet wird,
um die Zementmasse oder den Mörtel zu kneten. Daher ist es
schwierig, hochfesten Beton hoher Qualität zu erhalten.
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Ein statischer Mischer gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruches 1 ist aus der US-A-3856270 bekannt. Gemäß
dieser Veröffentlichung sind die Wandelemente Platten, und
die Durchlässe sind langgestreckte Ausschnitte in diesen
Platten.
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In der FR-2513540 ist ein Zweistufenverfahren zur
Herstellung von Zement oder Mörtel beschrieben, bei dem Wasser als
erstes dem Zementpulver zugefügt wird, um eine Masse
herzustellen, und diese Masse wird dann homogeniesiert.
Weiterhin ist offenbart, daß ein mehrstuf iges Mischverfahren eine
höhere Reduzierung der Zementkoagulation und ein Produkt
höherer Qualität gibt.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen
Zementmassenmischer zum Homogenisieren von Zementmasse durch
Zerkleinern der Zementballen, die in der Zementmasse
enthalten sind, und ein Verfahren zur Herstellung hochfesten
oder extrem hochfesten Mörtels oder Betons unter Verwendung
des vorstehend genannten Zementmassenmischers zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch einen statischen Mischer gemäß
Patentanspruch 1 und Verfahren gemäß der Patentansprüche 3
bis 6 gelöst; der abhängige Patentanspruch bezieht sich auf
eine Weiterentwicklung der Erfindung.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird Zementmasse, die in
einem Vorknetmischer hergestellt ist und Zementballen
enthält, durch die Druckförderleitung geleitet. Die
Zementmasse wird dann zusammen mit feinen Zuschlagstoffen oder
feinen und groben Zuschlagstoffen in einem Mischer
geknetet, um Beton oder Mörtel herzustellen.
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Indem Zementmasse, die Zementballen enthält, durch die
Druckförderleitung geleitet wird, passiert die Zementmasse
die Durchgangslöcher in den Wandelementen der
Wandelementanordnung, die in der Druckförderleitung montiert ist, wobei
sie mit den Kollisionsflächen der Wandelemente kollidiert.
Mit der Ausbildung von Wirbeln wirkt auf die Zementballen
eine starke Scherkraft. Die Zementballen werden somit
zerkleinert, so daß die Zementmasse homogenisiert wird.
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So wird hochfester oder extrem hochfester Mörtel oder Beton
hergestellt, indem eine bestimmte Menge Bindermaterial, das
Zement oder Zement und ein Pozzolanmaterial enthält,
zusammen mit einer vorbestimmten Menge Wasser zur Herstellung
einer Zementmasse verknetet wird, die Zementmasse durch die
vorstehend beschriebene Druckförderleitung geleitet wird,
um die Zementballen, die in der Zementmasse enthalten sind,
zu zerkleinern und so die Masse zu homogenisieren, und die
so homogenisierte Zementmasse zusammen mit feinen
Zuschlagstoffen oder sowohl feinen als auch groben Zuschlagstoffen
verknetet wird.
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Mörtel oder Beton, der gemäß der vorliegenden Erfindung
hergestellt ist, hat eine sehr viel höherer Qualität und
Festigkeit als bei Herstellung mittels herkömmlicher
Verfahren bei gleicher Zusammensetzung und gleichem Gehalt des
Materials. Eine vorbestimmte Festigkeit kann auch mit einer
kleineren Menge Zement und feinkörnigem oder sehr
feinkörnigem Pozzolanmaterial erzielt werden. Es ist
wirtschaftlich von Vorteil. Somit können Betonkonstruktionen mit
hoher Qualität wirtschaftlich gebaut werden.
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Andere Merkmale und Aufgaben der vorliegenden Erfindung
gehen aus der folgenden Beschreibung anhand der begleitenden
Figuren hervor, in welchen zeigt:
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Fig. 1A das Wandelement in einer Draufsicht;
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Fig. 1B dasselbe in einer Seitenansicht;
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Fig. 1C dasselbe im Schnitt;
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Fig. 2 zwei der in der Fig. 1 gezeigten Wandelemente in
perspektivischer Darstellung, die einander gegenüber
positioniert sind, so daß sie einander zugewandt sind;
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Fig. 3 eine perspektivische Darstellung der
Wandelementanordnung;
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Fig. 4 eine Schnittansicht der Wandelementanordnung, die in
einer Druckförderleitung montiert ist;
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Fig. 5 ein Flußdiagramm der Betonherstellung gemäß der
vorliegenden Erfindung;
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Fig. 6 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen
der Anzahl der Wandelemente und der Menge der Zementballen;
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Fig. 7 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen
der Anzahl der Wandelemente und der Druckfestigkeit des
Betons;
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Fig. 8 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen
der Anzahl der Elemente und der Standardabweichungen des
Betons, der gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt wird,
und die Beziehung zwischen der Anzahl der Elemente und dem
Änderungskoeffizienten des Betons, der gemäß der
vorliegenden Erfindung hergestellt ist;
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Fig. 9 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen
der Druckfestigkeit des Betons, der durch ein herkömmliches
Chargen-Knetverfahren hergestellt ist, und der Knetzeit;
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Fig. 10 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen
der Anzahl der Male, mit der die Zementmasse den Mischer
gemäß der vorliegenden Erfindung passiert, und der
Druckfestigkeit des so hergestellten Mörtels;
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Fig. 11 ein Flußdiagramm der Betonherstellung bei dem
herkömmlichen Chargen-Knetverfahren; und
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Fig. 12 ein Flußdiagramm der Betonherstellung bei dem
herkömmlichen Doppelmischverfahren.
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Ein Mischer für Zementmasse gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Wandelementanordnung, bestehend aus einer
Anzahl von Wandelementen 1, die eine Kollisionsfläche 2 und
Radiallöcher 3 haben und die in vorbestimmten Abständen an
geordnet sind. Diese Anordnung ist in einer
Druckförderleitung 4 einer Rohrleitungspumpe montiert, um Zementmasse
unter Druck zuführen zu können.
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Die Figuren 1 bis 4 zeigen das Wandelement 1. Das
Wandelement 1 hat 3 Ausschnitte entlang seiner am weitesten außen
liegenden Umfangskante und drei zusätzliche Ausschnitte in
dem Außenteil direkt innerhalb der am weitesten außen
liegenden Umfangskante. Jedes Paar innerer und äußerer
Ausschnitte bildet das Radialloch 3. Jeder Ausschnitt
erstreckt sich über eine Länge von im wesentlichen gleich
einem Sechstel des Umfanges und ist mit einem Abstand von im
wesentlichen gleich einem Sechstel des Umfanges zu den
benachbarten Ausschnitten beabstandet. Jeder Ausschnitt, der
in dem Außenteil des Elementes 1 direkt innerhalb der am
weitesten außen liegenden Umfangskante gebildet ist, ist in
Umfangsrichtung gegenüber dem entsprechenden Ausschnitt,
der entlang der am weitesten außen liegenden Umfangskante
gebildet ist, versetzt, so daß die Ausschnitte miteinander
über einen halben Abschnitt einer Länge gleich der Hälfte
der Gesamtlänge in Verbindung stehen. Pfeilerwände 5, die
im wesentlichen die gleiche Höhe wie die Breite der
Ausschnitte haben, sind an beiden Enden der Ausschnitte, die
in der am weitesten außen liegenden Umfangskante
ausgebildet sind, und im äußeren Teil direkt innerhalb der äußeren
Umfangskante gebildet. Eine Dachwand 6, die die gleiche
Umrißlinie wie jedes Radialloch 3 hat, das durch jedes Paar
innerer und äußerer Ausschnitte definiert ist, wird von den
Pfeilerwänden 5 getragen. Die Kollisionsfläche 2 an dem
Wandelement 1 ist durch die Dachwände 6 und eine
scheibenförmige Fläche 1' definiert.
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Das Wandelement hat in der Mitte ein Vierkantloch 7. Durch
das Kombinieren einer Anzahl derartiger Wandelemente 1 zu
einer Wandelementanordnung werden die Wandelemente
übereinander abwechselnd mit der Vorderseite zur Vorderseite und
der Rückseite zur Rückseite, wie in den Figuren 2 und 3
gezeigt, angeordnet. Dann wird ein Vierkantbolzen 8 in die
Vierkantlöcher 7 in den Wandelementen 1 eingesetzt, und auf
dem Bolzen wird eine Mutter 9 angezogen, um die Elemente 1
zusammenzuhalten.
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Um die so gebildete Wandelementanordnung in der
Druckförderleitung 4 einer Leitungspumpe zu installieren, wie dies
in der Fig. 4 gezeigt ist, wird die Anordnung in einem
Stahlrohr-Anschlußteil 10 einer Druckförderleitung 4
eingesetzt und mittels Dichtungen 11, die an beiden Enden des
Anschlußstahlrohres 10 vorgesehen sind, unverrückbar
aufgenommen.
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Nun wird das Verfahren zur Herstellung von Mörtel oder
Beton unter Verwendung des in den Figuren 1 bis 4 gezeigten
Mischers für Zementmasse beschrieben.
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Durch Kneten einer bestimmten Menge Bindermaterials, wie
beispielsweise Zement oder einem Gemisch aus Zement und
einem Pozzolanmaterial, zusammen mit einer vorbestimmten
Menge Knetwasser in einem Mischer für Zementmasse, wird
eine Zementmasse erhalten, die eine große Menge harter
Zementballen enthält. Eine derartige Zementmasse wird unter
Druck mittels einer Rohrleitungspumpe in eine
Druckförderleitung, die, wie in der Fig. 4 gezeigt, einen eingebauten
Mischer hat, eingeleitet. Die Zementmasse wird durch Druck
durch den Mischer in der Leitung geleitet, wobei sie dem in
der Fig. 3 angezeigten Weg folgt. Die Zementballen werden
durch eine starke Scherkraft zerkleinert, die infolge eines
Wirbels auftritt, der sich bildet, wenn die Masse durch den
Mischer geführt wird, wodurch eine sehr homogene
Zementmasse hergestellt wird.
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Fig. 6 zeigt die Beziehung zwischen der Anzahl der
Zementballen mit einem Teilchendurchmesser von 5 mm oder größer
und der Anzahl der verwendeten Wandelemente und der
Beziehung zwischen dem Gewicht der Zementballen mit einem
Teilchendurchmesser gleich oder größer als 5 mm und der Anzahl
der verwendeten Wandelemente. Aus diesen Kurven ist zu
ersehen, daß durch Erhöhen der Anzahl der Wandelemente auf 12
oder mehr sowohl die Anzahl als auch das Gewicht der
Zementballen stark reduziert werden. Die Zementballen mit
einem Teilchendurchmesser von 5 mm oder mehr werden
schließlich auch in dem Mischer in der Rohrleitung zerkleinert. Im
Gegensatz hierzu sind, wenn die Zementballen enthaltende
Zementmasse in einem herkömmlichen Mischer zusammen mit
feinen und groben Zuschlagsmaterialien verknetet wird, die
Zementballen hart, um leicht zerteilt zu werden. Der so
erhaltene Beton wird, verglichen mit dem unter Verwendung des
in der Rohrleitung montierten Mischers erhaltenen Betons,
eine geringe Festigkeit haben oder seine
Festigkeitsverteilung ist ungleichmäßig.
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Die Zementmasse, welche als ein Ergebnis der Zerkleinerung
der Zementballen homogenisiert ist, wird in einem
herkömmlichen Mischer zusammen mit einer vorbestimmten Menge
feiner und grober Zuschlagsmaterialien verknetet, um
hochfesten oder extrem hochfesten Mörtel hoher Qualität oder
hochfesten oder extrem hochfesten Beton zu erhalten.
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Fig. 7 zeigt die Beziehung zwischen der Druckfestigkeit und
der Anzahl der verwendeten Wandelemente, gewertet mit Bezug
auf Proben mit einem Alter von 28 Tagen, die ein extrem
hochfester Silicadampfbeton sind, der gemäß dem Ablauf der
vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist. Die
Zementmasse wurde als erstes in einem Zwillingwellenmischer für 2
Minuten verknetet und dann eine Minute in einem
Waagerechttiegelmischer geknetet. Die Zementmasse wurde insgesamt 3
Minuten geknetet, um Beton zu erzeugen. Anders ausgedrückt,
der Beton wurde insgesamt 3 Minuten geknetet. Die
gestrichelten Linien in der Fig. repräsentieren eine mittlere
Festigkeit des durch das 3-minütige Kneten in Übereinstimmung
mit dem herkömmlichen Chargenknetverfahren, wie in der Fig.
11 gezeigt, erhaltenen Betons.
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In der Fig. repräsentiert die Druckfestigkeit mit der
Anzahl 0 der Wandelemente die Druckfestigkeit des Betons, der
durch das herkömmliche Doppelmischverfahren hergestellt
ist, das in der Fig. 12 gezeigt ist. Die Fig. 7 zeigt klar,
daß die Druckfestigkeit des durch das Verfahren gemäß der
vorliegenden Erfindung hergestellten Betons für den größten
Teil höher als die des Betons ist, der durch das
herkömmliche Chargenknetverfahren hergestellt ist. Angenommen, die
Festigkeit bei Verwendung keines Wandelementes (0), d.h.
der Festigkeit des Betons, der durch das herkömmliche
Doppelmischverfahren hergestellt ist, beträgt 1,0, kann die
Verwendung von 2, 12 und 20 Wandelementen die Festigkeit um
die Faktoren 1,06, 1,10 bzw. 1,13 erhöhen. Der Beton, der
durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
hergestellt ist, zeigt eine höhere Festigkeit als der Beton, der
durch das herkömmliche Doppelmischverfahren hergestellt
ist.
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Fig. 7 zeigt auch die Grenzlinien für die Mindestfestigkeit
und die maximale Festigkeit für die jeweilige Anzahl von
Wandelementen. Diese Figur zeigt, daß umso kleiner die
Anzahl der Wandelemente ist, umso größer der Abstand zwischen
den Grenzlinien ist. Entgegengesetzt ausgedrückt ist je
größer die Anzahl der Wandelemente ist, der Abstand
zwischen den Grenzlinien umso kleiner. Dies zeigt wiederum daß
je größer die Anzahl der Wandelemente ist, umso kleiner die
Festigkeitsvariationen zwischen den einzelnen Proben sind.
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Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen der Standardabweichung
der Druckfestigkeit des Betons, der durch das Verfahren
gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, und der
Anzahl der verwendeten Wandelemente, oder die Beziehung
zwischen
dem Änderungskoeffizienten der Druckfestigkeit des
Betons, der durch das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt ist, und der Anzahl der verwendeten
Wandelemente. Aus dieser Figur ist zu ersehen, daß je
größer die Anzahl der verwendeten Wandelemente ist, umso
kleiner die Standardabweichung und der Änderungskoeffizient
sind. Es ist damit erwiesen, daß statistisch betrachtet der
gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Beton kleine
Veränderungen in der Festigkeit zeigt und daß durch
Verwendung einer ausreichend großen Anzahl von Wandelementen ein
Beton mit sehr hoher Qualität hergestellt werden kann.
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Fig. 9 zeigt die Beziehung zwischen der Druckfestigkeit des
Betons mit dem Alter 28 Tage, hergestellt durch das
herkömmliche Chargenknetverfahren, und der Knetzeit in
Minuten. Die Betonproben, die mit einer Knetzeit von einer
Minute, 10 Minuten bzw. 20 Minuten hergestellt sind, zeigen
eine 0,9-, 1,06- und 0,99-fache Druckfestigkeit des
Standardwertes von 1020 kg f/cm², der Druckfestigkeit des
Betons, der durch drei Minuten langes Kneten hergestellt ist.
Im Fall des herkömmlichen Chargenknetverfahrens gibt es
nämlich eine optimale Knetzeit, die 10 Minuten beträgt. Der
Beton, der durch 10-minütiges Kneten, der optimalen Zeit,
hergestellt ist, hat eine Festigkeit die das 1,06-fache der
Festigkeit des Betons beträgt, der durch dreiminütiges
Kneten hergestellt ist. Wenn diese Größe mit der
Druckfestigkeit des Betons, der gemäß der vorliegenden Erfindung
hergestellt ist, verglichen wird, entspricht dies der Rate der
Erhöhung der Festigkeit des Betons, wenn zwei Wandelemente
verwendet worden sind. Aber diese Größe ist kleiner als die
Erhöhungrate der Festigkeit, d.h. dem 1,10-fachen, wenn 12
Wandelemente verwendet werden, und gilt nur für ungefähr
50% oder weniger der Erhöhungsrate der Festigkeit, d.h. dem
1,13-fachen, wenn 20 Wandelemente verwendet werden. Wenn
die Tatsache in Betracht gezogen wird, daß das Verfahren
zum Herstellen von Beton gemäß der vorliegenden Erfindung
eine Gesamtknetzeit von nur 3 Minuten benötigt, ist das
herkömmliche Chargen-Knetverfahren, welches 10 Minuten als
optimale Knetzeit benötigt und trotzdem die Festigkeit
nicht so merklich erhöhen kann, bezüglich der Effizienz und
der Qualitat ziemlich unbefriedigend.
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Fig. 10 zeigt für zwei Arten von extrem hochfestem Mörtel
(der Gehalt an Silicadampf bezogen auf das Zementgewicht
beträgt 10% bis 15%) die Beziehung zwischen der Festigkeit
des durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
hergestellten Mörtels und der Anzahl der Male, mit der die
für die Herstellung des Mörtels verwendete Zementmasse
durch den Mischer in der Rohrleitung geleitet worden ist.
Es wurde das gleiche Knetverfahren, wie in der Fig. 5
gezeigt, verwendet. Aber gemäß der vorliegenden Erfindung
wurde ein Umlaufsystem verwendet, so daß die Zementmasse
fortlaufend mehrere Male durch den Mischer in der
Rohrleitung, der 6 Wandelemente hat, geleitet werden kann. Wenn
die Anzahl der Male, mit der die Zementmasse den Mischer in
der Rohrleitung passiert, 0 ist, heißt dies, daß der Beton
durch das herkömmliche Chargen-Knetverfahren hergestellt
ist.
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Aus der Fig. 10 ist zu ersehen, daß eine Anzahl von Malen,
mit der die Zementmasse durch den Mischer in der
Rohrleitung passiert, besteht, bei der die Mörtelf estigkeit ihr
Maximum erreicht. Für den Silicadampfgehalt von 10% war die
Mörtelfestigkeit 1164 kg f/cm², wenn die Anzahl der
Durchgänge 2 betrug, was 10% höher als die Mörtelfestigkeit von
1057 kg f/cm² ist, bei der die Anzahl der Durchgänge 0
betrug, d.h., wenn der Beton durch das Chargenknetverfahren
hergestellt worden ist. Für den Silicagehalt von 15% betrug
die Mörtelfestigkeit 1227 kg f/cm², wenn die Anzahl der
Durchgänge 10 betrug, was 6% höher als die Mörtelfestigkeit
von 1153 kg f/cm² bei 0 Durchgängen ist, d.h., wenn der
Beton durch das Chargenknetverfahren hergestellt worden ist.
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Somit kann unter Verwendung des Verfahrens gemäß der
vorliegenden Erfindung ein hochfester Mörtel mit hoher
Qualität hergestellt werden.