EP1570908A1 - Spritzbetondüse - Google Patents

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Publication number
EP1570908A1
EP1570908A1 EP04005065A EP04005065A EP1570908A1 EP 1570908 A1 EP1570908 A1 EP 1570908A1 EP 04005065 A EP04005065 A EP 04005065A EP 04005065 A EP04005065 A EP 04005065A EP 1570908 A1 EP1570908 A1 EP 1570908A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
nozzle
shotcrete
cross
section
region
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04005065A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Cyrill Spirig
Bruno Tidona
Alexander Stücheli
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sika Technology AG
Original Assignee
Sika Technology AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sika Technology AG filed Critical Sika Technology AG
Priority to EP04005065A priority Critical patent/EP1570908A1/de
Priority to PCT/EP2005/050979 priority patent/WO2005084818A1/de
Publication of EP1570908A1 publication Critical patent/EP1570908A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B7/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/14—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas designed for spraying particulate materials
    • B05B7/1481—Spray pistols or apparatus for discharging particulate material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B7/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/02—Spray pistols; Apparatus for discharge
    • B05B7/04—Spray pistols; Apparatus for discharge with arrangements for mixing liquids or other fluent materials before discharge

Definitions

  • the invention relates to a shotcrete nozzle for applying wet shotcrete or dry sprayed concrete with an inlet cross-section, a subsequent Acceleration range, which narrows to a minimum cross-section and in an exit region with a terminal exit cross-section passes.
  • a shotcrete nozzle is then used when wet shotcrete or dry shotcrete to be applied to a building surface.
  • a shotcrete nozzle For example be surface sections inside a tunnel with Shotcrete coated as a cladding layer, insulating layer, static Support layer or protective layer acts.
  • the speed must be of the shotcrete can be set to a certain value.
  • the speed of the shotcrete is in the shotcrete nozzle through the Cross section of the nozzle set. It is generally from hydrodynamics known that in a tube, which is traversed by a medium at constant flow rate, the flow rate at cross-sectional constriction increased and lowered accordingly at cross-sectional widening (Continuity equation). According to this continuity equation is also in a shotcrete nozzle by cross-sectional constriction in an acceleration range the nozzle increases the speed of the shotcrete. In a discharge area of the nozzle, the shotcrete with the desired Speed applied to the building surface.
  • the normal component of the abrasion force of the shotcrete can be used as a measure of the abrasion can be seen on the nozzle inner wall.
  • the normal component of the abrasion force of the flowing shotcrete assume a constant value and consequently the abrasion along the Acceleration range are distributed more evenly. Bodies that at previous Nozzles due to increased abrasion weak spots or unwanted Predetermined breaking points are now largely avoided.
  • an inclination angle ⁇ is defined in a shotcrete nozzle
  • the between the nozzle inner wall and the main flow direction of the concrete occurs so can a special cross-sectional profile of the acceleration range be formed by the inclination angle ⁇ at the nozzle inner wall of the acceleration range at the inlet cross-section greater is as at the minimum cross section.
  • the reduction of the inclination angle ⁇ can be adjusted so that the normal component of the abrasion force along of the acceleration range remains the same, although the abrasion force in Main flow direction through the cross-sectional constriction and concomitantly Speed increase increases.
  • a particularly even course of the normal component of the abrasion force can be achieved by the fact that the inclination angle ⁇ at least over most of the acceleration range in the main flow direction continuously reduced in size. This will cause abrupt abrasions avoided.
  • the wear or the abrasion can affect the entire nozzle inner wall of the acceleration range are distributed uniformly, when the inclination angle ⁇ over the entire acceleration range continuously reduced in the main flow direction.
  • the cross-sectional profile of the acceleration range can also be determined by a mathematical condition.
  • ⁇ (x) is the angle of inclination at the arbitrary point x
  • R 0 is the radius of the inlet cross section.
  • the particle impact of the concrete particles on the nozzle wall becomes mathematical modeled.
  • the kinetic energy of a mass point which is a concrete particle is represented in a place with a certain speed according to the book by Holzmann, Engineering Mechanics, Part 2, B.G. Teubner, Stuttgart 1991, as described on page 93, scheduled.
  • Holzmann Engineering Mechanics, Part 2, B.G. Teubner, Stuttgart 1991, as described on page 93, scheduled.
  • this equation can be obtained.
  • stencils for nozzles of different diameters be created, the templates one according to the mathematical Condition predetermined to the nozzle inner wall clinging Have cross-sectional shape.
  • a template with a suitable diameter can in the nozzle interior to the nozzle inner wall of the associated Nozzle can be kept visually better visible to the current wear close.
  • acceleration area and / or the exit area constructed rotationally symmetrical with respect to the main flow direction is.
  • a nozzle is particularly easy and inexpensive create as a rotating part and on the other hand, the rotational symmetry affects positive for the flow within the nozzle.
  • the inclination angle ⁇ in the exit area should be between 0.1 degrees to approx about 1 degree. At an inclination angle of 0.5 degrees have already been achieved particularly positive results in terms of beam guidance.
  • the beam guidance can be achieved.
  • the nozzle inner wall can reduce a coating that consists of a particularly abrasion resistant material, have.
  • the advantage is that the material of the nozzle wall, which with the concrete is in contact and thus increasingly rubbed off, particularly resistant is executed.
  • the remaining nozzle material can now from a less abrasion-resistant and more favorable material costs be prepared.
  • such a coating of the nozzle inner wall produced by build-up welding.
  • the coating can also be inserted through a nozzle that can be inserted into the nozzle Be implemented use, the use of example a ceramic material is formed. This can then wear only the insert can be changed. It is conceivable that already by abrasion worn shotcrete nozzles, which previously had to be disposed of, now through, for example, turning out the abraded surface and inserting it Use, reusable.
  • the nozzle may have one or more injection channels, over which further Media, such as air, water or binder, admixed with the concrete can be.
  • Media such as air, water or binder
  • injection channels can preferably be in the region of the inlet cross section be arranged of the acceleration range. In this area is the flow velocity of the concrete lowest. This will avoided disturbing the flow of concrete when introducing other substances becomes or becomes turbulent.
  • FIG. 1 shows a sectional view 1 of a known shotcrete nozzle along the main flow direction 10 of the concrete.
  • the shotcrete nozzle has, on the left in FIG. 1, an acceleration region 2, which narrows in cross-sectional shape from an inlet cross section 4 to a minimal cross section 5.
  • the nozzle inner wall 2.1 of the acceleration region 2 is inclined relative to the main flow direction 10 of the concrete by a fixed angle of inclination ⁇ .
  • ⁇ By this cross-sectional constriction, the flow rate of the concrete mixture from the inlet cross-section 4 is increased to the minimum cross section 5.
  • the particle velocity is symbolized by the arrows with the reference numeral 9 below the nozzle.
  • channels 7 are shown in Figure 1 and in Figures 2 to 4 in the acceleration region 2, which have openings 8 in the nozzle inner wall 2.1 and the Düsenaussenwandung. Through these channels 7, which need not necessarily be part of a nozzle, additives can be added to the concrete mix.
  • the acceleration region 2 is followed on the right in FIG. 1 by the exit region 3, the nozzle wall 3.1 with respect to the main flow direction 10 of the Concrete has a fixed angle of inclination of 0 degrees.
  • the cross section in the exit area 3 does not change its surface. Due to the constant cross section is the velocity according to the continuity equation of hydrodynamics with the concrete moves in the direction of exit section 6 also consistently.
  • the constant speed is the same length Arrows 9 shown below the outlet area 3.
  • the predominantly made of sand concrete is passed with a certain flow rate per unit time through the shotcrete nozzle. This leads to the nozzle inner walls 2.1 and 3.1 to a material abrasion. After a period of time, this abrasion will result in replacement of the nozzle.
  • the material removal at the nozzle inner walls 2.1 and 3.1 along the main flow direction 10 is different degrees.
  • the normal component F N of the abrasion force F (x) can be taken as a measure of the material abrasion. The higher the normal component F N of the abrasion force F (x), the higher the material removal.
  • FIG. 2 shows the sectional view 1 of the shotcrete nozzle of FIG. 1, and additionally in the acceleration region 2 the profile of the magnitude and direction of the normal component F N of the abrasion force F (x).
  • the abrasion force F (x) which runs parallel to the main flow direction 10, is shown at three points of the nozzle wall 2.1.
  • the respective local normal component F N of the abrasion force F (x) is shown as an arrow and the arrow length represents the amount. It can be seen from FIG. 2 that the normal component F N of the abrasion force F (x) in the acceleration region 2 increases from left to right. Thus, the abrasion on the nozzle wall 2.1 will increase.
  • the amount of the normal component F N of the abrasion force F (x) will therefore increase analogously to the increase in the abrasion force F (x) in the main flow direction 10. Namely, by the constant factor sin ( ⁇ ), since the inclination angle ⁇ in the region 2 is constant.
  • FIG. 3 now shows a sectional view 1 of a special embodiment of a new shotcrete nozzle along the main flow direction.
  • the shotcrete nozzle shows a different cross-sectional configuration than the known shotcrete nozzles of Figures 1 and 2. Due to the special cross-sectional design, the normal component F N of the abrasion force F (x) acts evenly on the nozzle wall. In the new shotcrete nozzle in the acceleration region 2 of the inclination angle ⁇ is smaller from left to right. This results in a slightly convex to the nozzle interior directed nozzle inner wall 2.1. Changes were also made in exit area 3.
  • FIG. 3 shows a favorable design of the exit region 3.
  • the outlet region 3 has a special cross-sectional profile, in the inclination angle ⁇ to the outlet cross-section 6 increases continuously. This cross-sectional area in the exit region 3 has only a slight effect on the Speed of the concrete, however, by this design, the concrete beam more compact due to a better particle distribution.
  • FIG. 4 shows the same sectional view 1 of the sprit concrete nozzle from FIG. 3, in which the course of the magnitude and the direction of the normal component F N of the abrasion force F (x) are additionally shown.
  • the normal component F N of the abrasion force F (x) is constant in the acceleration region 2. This is achieved by the inclination angle ⁇ decreasing from left to right.
  • the product of F (x) ⁇ sin ( ⁇ ) corresponding to the normal component F N of the abrasion force F (x) can be adjusted to a constant value.
  • FIG. 5 and FIG. 6 each show schematically a particle distribution 12 and 13 of shotcrete particles 11 after the spray jet emerges from the nozzle in a plane perpendicular to the main flow direction 10.
  • the black dots are intended to represent the individual shotcrete particles 11, the shotcrete particles 11 being covered with cement gel coated sand particles are.
  • a particle distribution 12 is shown, as would result after the exit region 3 or when it emerges on the substrate in the case of the known nozzles shown in FIGS. 1 and 2. It can be seen that the particle distribution is not homogeneous over the cross section and in the central region a greater accumulation of shotcrete particles 11 occurs.
  • a particle distribution 13 is shown, as they are after the Exit area 3 or when appearing on the ground at the in Figures 3 and 4 would show new nozzles.
  • the shotcrete particles 11 via the cross section is distributed very homogeneously. This has a positive overall effect the homogeneity of the concrete stream and thus the homogeneity of the shotcrete on the ground.
  • the distribution the particle over the cross section but no influence on the wear on the nozzle inner wall has.
  • a shotcrete nozzle for wet shotcrete by the invention or dry sprayed concrete provided, compared to the previous known shotcrete nozzles less wear and has and thus has a longer service life and with regard to the beam guidance of the concrete is optimized.

Landscapes

  • On-Site Construction Work That Accompanies The Preparation And Application Of Concrete (AREA)
  • Lining And Supports For Tunnels (AREA)
  • Nozzles (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spritzbetondüse zum Aufbringen von Nassspritzbeton oder Trockenspritzbeton mit einem Eintrittsquerschnitt (4), einem anschliessenden Beschleunigungsbereich (2), der sich auf einen Minimalquerschnitt (5) verengt und in einen Austrittsbereich (3) mit einem endständigen Austrittsquerschnitt (6) übergeht. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Neigungswinkel (α) an der Düseninnenwandung (2.1) des Beschleunigungsbereiches (2) am Eintrittsquerschnitt (4) grösser als am Minimalquerschnitt (5) ist. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Spritzbetondüse zum Aufbringen von Nassspritzbeton oder Trockenspritzbeton mit einem Eintrittsquerschnitt, einem anschliessenden Beschleunigungsbereich, der sich auf einen Minimalquerschnitt verengt und in einen Austrittsbereich mit einem endständigen Austrittsquerschnitt übergeht.
Stand der Technik
Eine Spritzbetondüse wird dann eingesetzt, wenn Nassspritzbeton oder Trockenspritzbeton auf eine Bauwerksoberfläche aufgebracht werden soll. Beispielsweise werden Oberflächenabschnitte im Inneren eines Tunnels mit Spritzbeton beschichtet, der als Verkleidungsschicht, Isolationsschicht, statische Tragschicht oder Schutzschicht fungiert.
Bezüglich der Verwendung einer Spritzbetondüse beim Beschichten der Innenfläche eines Tunnelabschnittes mit Spritzbeton wird auf die Offenlegungsschrift DE 196 52 811 A1 verwiesen. In dieser Offenlegungsschrift wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschichten von Tunnelinnenwänden beschrieben, bei dem eine Spritzbetondüse eingesetzt wird, die am Ende einer horizontal beweglichen Spritzlanze befestigt ist. Die Spritzlanze wiederum schliesst an einen vertikal beweglichen Tragarm an. Als weitergehende Literatur in Bezug auf die Planung und Durchführung von modernen Tunnelbauwerken wird auch noch auf das Buch "Baubetrieb und Bauverfahren im Tunnelbau" von Gerhard Girmscheid, ISBN 3-433-01350-0 verwiesen.
Damit der Spritzbeton mit einer bestimmten Konsistenz beziehungsweise Qualität auf die Bauwerksoberfläche aufgetragen werden kann, muss die Geschwindigkeit des Spritzbetons auf einen bestimmten Wert eingestellt werden. Die Geschwindigkeit des Spritzbetons wird in der Spritzbetondüse durch den Querschnittverlauf der Düse eingestellt. Es ist allgemein aus der Hydrodynamik bekannt, dass in einer Röhre, die von einem Medium durchflossen wird, bei gleichbleibendem Volumenstrom sich die Strömungsgeschwindigkeit bei Querschnittsverengung erhöht und entsprechend bei Querschnittserweiterung erniedrigt (Kontinuitätsgleichung). Entsprechend dieser Kontinuitätsgleichung wird auch in einer Spritzbetondüse durch Querschnittsverengung in einem Beschleunigungsbereich der Düse die Geschwindigkeit des Spritzbetons erhöht. In einem Austrittbereich der Düse wird der Spritzbeton mit der gewünschten Geschwindigkeit auf die Bauwerkoberfläche aufgebracht.
Hauptproblem bei den bisherigen Spritzbetondüsen ist, dass bedingt durch die sandigen Bestandteile des Spritzbetons und den hohen Förderstrom des Spritzbetons im Innern der Düse eine starke Abrasion und eine starke Materialbeanspruchung auftritt. Die Abrasion beziehungsweise der Verschleiss führt nicht selten dazu, dass die Düse an der Stelle der stärksten Abnutzung zerbricht. Aus diesem Grund müssen bisherige Düsen bei laufendem Gebrauch in relativ kurzen Zeitintervallen gegen neue Düsen ersetzt werden. Die Aufwendungen hinsichtlich der Arbeitszeit beim Düsentausch und die Materialaufwendungen der Düsen selbst stellen einen nicht zu vernachlässigenden Kostenfaktor dar, den es zu minimieren gilt.
Darstellung der Erfindung
Es stellte sich daher die Aufgabe, eine Spritzbetondüse für Nassspritzbeton oder Trockenspritzbeton herzustellen, die gegenüber den bisher bekannten Spritzbetondüsen einen geringeren Verschleiss aufweist und somit hinsichtlich der Verwendungsdauer/Standzeit länger eingesetzt werden kann.
Es wurde nun gefunden, dass bei den bisherigen Spritzbetondüsen der Verschleiss beziehungsweise der Materialabtrag an unterschiedlichen Stellen im Düseninneren unterschiedlich stark ist. Dies liegt zum einen an dem unterschiedlichen Geschwindigkeitsverlauf der reibenden Sandpartikel im Inneren der Düse und zum anderen an dem damit einhergehenden unterschiedlichen Verlauf der Abrasionskräfte.
Es wurde weiterhin gefunden, dass durch eine gleich bleibende Normalkomponente der Abrasionskraft im Düseninneren der unvermeidbare Verschleiss vermindert werden kann. Ausserdem tritt durch eine gleichbleibende Normalkomponente der Abrasionskraft der Verschleiss nicht wie bisher an bestimmten Stellen verstärkt auftritt, sondern eine gleichmässigere Abnutzung entlang der Düseninnenfläche kann erzielt werden. Aufgrund der Verschleissreduzierung und der gleichmässigen Marterialabnutzung wird die Lebensdauer der Spritzbetondüse entsprechend verlängert. Weiterhin kann durch einen sanften Übergang vom Beschleunigungsbereich in den Austrittsbereich die Verteilung der Partikel über den Querschnitt verbessert werden. Die Partikel werden nun beim Spritzen viel besser verteilt und der Strahl beim Spritzen ist viel kompakter.
Entsprechend diesen Erfindungsgedanken wird nun vorgeschlagen, eine an sich bekannte Spritzbetondüse zum Aufbringen von Nassspritzbeton oder Trockenspritzbeton mit einem Eintrittsquerschnitt, einem anschliessenden Beschleunigungsbereich, der sich auf einen Minimalquerschnitt verengt und in einen Austrittsbereich mit einem endständigen Austrittsquerschnitt übergeht, dahingehend zu verbessern, dass der Querschnittsverlauf des Beschleunigungsbereiches zumindest über einen Teilbereich derart ausgestaltet ist, dass der Betrag einer Normalkomponente der Abrasionskraft des durchströmenden Spritzbetons konstant ist.
Die Normalkomponente der Abrasionskraft des Spritzbetons kann als Mass für die Abrasion an der Düseninnenwandung gesehen werden. Durch eine besondere Ausgestaltung des Querschnittsverlaufs des Beschleunigungsbereiches, vorzugsweise als leicht konvex zum Düseninneren gekrümmter Querschnitt, kann die Normalkomponente der Abrasionskraft des durchströmenden Spritzbetons einen konstanten Wert annehmen und folglich die Abrasion entlang des Beschleunigungsbereiches gleichmässiger verteilt werden. Stellen, die bei bisherigen Düsen durch erhöhte Abrasion Schwachstellen oder ungewünschte Sollbruchstellen darstellten, werden nun weitestgehend vermieden.
Wird beispielsweise bei einer Spritzbetondüse ein Neigungswinkel α definiert, der zwischen Düseninnenwandung und Hauptströmungsrichtung des Betons auftritt so kann ein besonderer Querschnittsverlauf des Beschleunigungsbereiches dadurch ausgebildet werden, dass der Neigungswinkel α an der Düseninnenwandung des Beschleunigungsbereiches am Eintrittsquerschnitt grösser ist als am Minimalquerschnitt. Die Verkleinerung des Neigungswinkels α kann derart angepasst werden, dass die Normalkomponente der Abrasionskraft entlang des Beschleunigungsbereiches gleich bleibt, obwohl die Abrasionskraft in Hauptströmungsrichtung durch die Querschnittsverengung und damit einhergehend Geschwindigkeitsvergrösserung anwächst.
Ein besonders gleichmässiger Verlauf der Normalkomponente der Abrasionskraft kann dadurch erreicht werden, dass sich der Neigungswinkel α zumindest über den grössten Teil des Beschleunigungsbereiches in Hauptströmungsrichtung kontinuierlich verkleinert. Hierdurch werden abrupte Abrasionen vermieden.
Der Verschleiss beziehungsweise die Abrasion kann auf die gesamte Düseninnenwandung des Beschleunigungsbereiches gleichmässig verteilt werden, wenn sich der Neigungswinkel α über dem gesamten Beschleunigungsbereich in Hauptströmungsrichtung kontinuierlich verkleinert.
Der Querschnittsverlauf des Beschleunigungsbereiches kann auch durch eine mathematische Bedingung bestimmt werden. Für eine rotationssymmetrische Düse gilt, dass an einer beliebigen Stelle x der Düseninnenwandung des Beschleunigungsbereiches der Term:
Figure 00050001
wobei α(x) der Neigungswinkel an der beliebigen Stelle x ist und R0 der Radius des Eintrittquerschnitts.
Die Herleitung der Gleichung:
Figure 00050002
soll nachfolgend kurz erläutert werden.
Der Partikelaufprall der Betonpartikel an der Düsenwand wird mathematisch modelliert. Die kinetische Energie eines Massenpunktes, der ein Betonpartikel repräsentiert, an einem Ort mit einer bestimmten Geschwindigkeit wird gemäß dem Buch von Holzmann, Technische Mechanik, Teil 2, B.G. Teubner, Stuttgart 1991, wie auf Seite 93 beschrieben, angesetzt. Durch Umformen und unter Berücksichtigung physikalischer Gesetzmäßigkeiten, zum Beispiel der Kontinuitätsgleichung, und unter Berücksichtigung der Randbedingungen der Düsengeometrie kann diese Gleichung erhalten werden.
Beispielweise können Schablonen für Düsen mit unterschiedlichen Durchmessern erstellt werden, wobei die Schablonen einen entsprechend der mathematischen Bedingung vorgegebenen an die Düseninnenwandung anschmiegenden Querschnittsverlauf aufweisen. Eine Schablone mit geeignetem Durchmesser kann im Düseninneren an die Düseninnenwandung der zugeordneten Düse gehalten werden, um den aktuellen Verschleiss optisch besser sichtbar zu machen.
Vorteilhaft ist es, wenn der Beschleunigungsbereich und/oder der Austrittsbereich rotationssymmetrisch bezogen auf die Hauptströmungsrichtung aufgebaut ist. Zum einen lässt sich eine solche Düse besonders einfach und kostengünstig als Drehteil erstellen und zum anderen wirkt sich die Rotationssymmetrie positiv auf den Strömungsverlauf innerhalb der Düse aus.
Es ist weiterhin günstig, wenn sich die Querschnittsfläche im Austrittsbereich in Hauptströmungsrichtung vergrössert. Hierdurch wird zwar die Geschwindigkeit des Betons im Austrittsbereich geringfügig reduziert. Der Strahl beim Spritzen wird hierdurch aber viel kompakter.
Der Neigungswinkel α im Austrittsbereich sollte circa zwischen 0,1 Grad bis circa 1 Grad betragen. Bei einem Neigungswinkel von 0,5 Grad wurden bereits besonders positive Erfolge hinsichtlich der Strahlführung erzielt.
Auch im Austrittsbereich kann durch einen kontinuierlichen Anstieg des Neigungswinkels α gegenüber der Hauptströmungsrichtung eine weitere Optimierung der Strahlführung erzielt werden.
Um den Verschleiss beziehungsweise den Materialabrieb im Düseninneren zusätzlich zu reduzieren kann die Düseninnenwandung eine Beschichtung, die aus einem besonders abriebfesten Material besteht, aufweisen. Der Vorteil dieser Beschichtung ist, dass das Material der Düsenwandung, welches mit dem Beton in Kontakt ist und somit verstärkt abgerieben wird, besonders widerstandsfähig ausgeführt ist. Das restliche Düsenmaterial kann nun aus einem weniger abriebfesten und hinsichtlich der Materialkosten günstigeren Material hergestellt sein. Beispielsweise kann eine solche Beschichtung der Düseninnenwandung durch Auftragschweissung hergestellt werden.
Die Beschichtung kann alternativ dazu auch durch einen in die Düse einschiebbaren Einsatz ausgeführt sein, wobei der Einsatz beispielsweise aus einem keramischen Werkstoff gebildet wird. Hierbei kann dann bei Verschleiss nur der Einsatz gewechselt werden. Es ist denkbar, dass bereits durch Abrieb abgenutzte Spritzbetondüsen, die bisher entsorgt werden mussten, nun durch, zum Beispiel Ausdrehen der abgeriebenen Fläche und Einschieben eines solchen Einsatzes, wieder verwendbar sind.
Die Düse kann einen oder mehrere Eindüsungskanäle aufweisen, über die weitere Medien, wie beispielsweise Luft, Wasser oder Bindemittel, dem Beton beigemischt werden können.
Diese Eindüsungskanäle können vorzugsweise im Bereich des Eintrittsquerschnitts des Beschleunigungsbereiches angeordnet sein. In diesem Bereich ist die Strömungsgeschwindigkeit des Betons am niedrigsten. Hierdurch wird vermieden das beim Einleiten von weiteren Stoffen die Betonströmung gestört wird oder turbulent wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung beziehungsweise die Geschwindigkeit der Medien ist mit Pfeilen angegeben.
Es zeigen:
Fig. 1
eine Schnittansicht einer bekannten Spritzbetondüse entlang der Hauptströmungsrichtung;
Fig. 2
eine Schnittansicht aus Figur 1 mit Verlauf des Betrages und Richtung der Normalkomponente der Abrasionskraft;
Fig. 3
eine Schnittansicht einer neuen Spritzbetondüse entlang der Hauptströmungsrichtung;
Fig. 4
eine Schnittansicht aus Figur 3 mit Verlauf des Betrages und Richtung der Normalkomponente der Abrasionskraft;
Fig. 5
eine Partikelverteilung jeweils in einer Ebene senkrecht zur Hauptströmungsrichtung nach Austritt aus einer bekannten Düse;
Fig. 6
eine Partikelverteilung in einer Ebene senkrecht zur Hauptströmungsrichtung nach Austritt aus einer neuen Düse.
Es sind nur die für das unmittelbare Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Die Figur 1 zeigt eine Schnittansicht 1 einer bekannten Spritzbetondüse entlang der Hauptströmungsrichtung 10 des Betons. Die Spritzbetondüse verfügt links in Figur 1 über einen Beschleunigungsbereich 2, der im Querschnittsverlauf sich von einem Eintrittsquerschnitt 4 auf einen Minimalquerschnitt 5 verengt. Die Düseninnenwandung 2.1 des Beschleunigungsbereiches 2 ist gegenüber der Hauptströmungsrichtung 10 des Betons um einen festen Neigungswinkel α geneigt. Durch diese Querschnittsverengung wird die Fliessgeschwindigkeit des Betongemisches vom Eintrittsquerschnitt 4 zum Minimalquerschnitt 5 erhöht. Die Partikelgeschwindigkeit wird durch die Pfeile mit dem Bezugszeichen 9 unterhalb der Düse symbolisiert. Zusätzlich sind in Figur 1 und in den Figuren 2 bis 4 im Beschleunigungsbereich 2 mehrere Kanäle 7 dargestellt, die Öffnungen 8 in der Düseninnenwandung 2.1 und der Düsenaussenwandung aufweisen. Über diese Kanäle 7, die nicht notwendigerweise Bestandteil einer Düse sein müssen, können Zusatzstoffe dem Betongemisch beigemengt werden.
Auf den Beschleunigungsbereich 2 folgt rechts in Figur 1 der Austrittsbereich 3, dessen Düsenwandung 3.1 gegenüber der Hauptströmungsrichtung 10 des Betons einen festen Neigungswinkel von 0 Grad hat. Der Querschnitt im Austrittsbereich 3 verändert seine Fläche nicht. Durch den gleichbleibenden Querschnitt ist nach der Kontinuitätsgleichung der Hydrodynamik die Geschwindigkeit mit der sich der Beton in Richtung Austrittsquerschnitt 6 bewegt auch gleichbleibend. Die gleichbleibende Geschwindigkeit wird durch die gleichlangen Pfeile 9 unterhalb des Austrittbereichs 3 dargestellt.
Der vorwiegend aus Sand bestehende Beton wird mit einem bestimmten Fördervolumen pro Zeiteinheit durch die Spritzbetondüse geleitet. Dies führt an den Düseninnenwandungen 2.1 und 3.1 zu einem Materialabrieb. Nach einer gewissen Zeit hat diese Abrasion den Austausch der Düse zu Folge. Bei der Düse in Figur 1 ist der Materialabtrag an den Düseninnenwandungen 2.1 und 3.1 entlang der Hauptströmungsrichtung 10 unterschiedlich stark. Die Normalkomponente FN der Abrasionskraft F(x) kann als Mass für den Materialabrieb genommen werden Je höher die Normalkomponente FN der Abrasionskraft F(x) ist, desto höher ist der Materialabtrag.
In Figur 2 ist die Schnittansicht 1 der Spritzbetondüse aus Figur 1 dargestellt und zusätzlich im Beschleunigungsbereich 2 der Verlauf des Betrages und Richtung der Normalkomponente FN der Abrasionskraft F(x). Die Abrasionskraft F(x), die parallel zur Hauptströmungsrichtung 10 verläuft, ist an drei Stellen der Düsenwandung 2.1 eingezeichnet. Die jeweilige lokale Normalkomponente FN der Abrasionskraft F(x), ist als Pfeil dargestellt und die Pfeillänge repräsentiert den Betrag. Aus Figur 2 ist zu entnehmen, dass die Normalkomponente FN der Abrasionskraft F(x) im Beschleunigungsbereich 2 von links nach rechts zunimmt. Somit wird auch der Abrieb an der Düsenwandung 2.1 zunehmen. Die Normalkomponente FN der Abrasionskraft F(x) berechnet sich aus der Abrasionskraft F(x) in Hauptströmungsrichtung 10 folgendermassen: FN = F(x) · sin(α)
Der Betrag der Normalkomponente FN der Abrasionskraft F(x) wird also analog dem Anstieg der Abrasionskraft F(x) in Hauptströmungsrichtung 10 anwachsen. Und zwar um den konstanten Faktor sin(α), da der Neigungswinkel α im Bereich 2 konstant ist.
In Figur 3 wird nun eine Schnittansicht 1 einer speziellen Ausführung einer neuen Spritzbetondüse entlang der Hauptströmungsrichtung dargestellt. Die Spritzbetondüse zeigt eine andere Querschnittsgestaltung als die bekannten Spritzbetondüsen der Figuren 1 und 2. Durch die besondere Querschnittsgestaltung wirkt die Normalkomponente FN der Abrasionskraft F(x) gleichmässig auf die Düsenwandung. Bei der neuen Spritzbetondüse wird im Beschleunigungsbereich 2 der Neigungswinkel α von links nach rechts kleiner. Hierdurch ergibt sich eine leicht konvex zum Düseninneren gerichtete Düseninnenwandung 2.1. Auch im Austrittbereich 3 wurden Änderungen vorgenommen.
Der Austrittsbereich 3 der neuen Betonspritdüse könnte selbstverständlich entsprechend dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten Austrittsbereich 3 gestaltet sein. In Figur 3 wird eine günstige Gestaltung des Austrittbereiches 3 dargestellt. Der Austrittsbereich 3 weist einen besonderen Querschnittsverlauf auf, in dem der Neigungswinkel α zum Austrittquerschnitt 6 kontinuierlich ansteigt. Diese Querschnittsfläche im Austrittsbereich 3 wirkt sich nur geringfügig auf die Geschwindigkeit des Betons aus, jedoch wird durch diese Ausführung der Betonstrahl durch eine bessere Partikelverteilung kompakter.
In Figur 4 wird die selbe Schnittansicht 1 der Spritbetondüse aus Figur 3 dargestellt, in der zusätzlich der Verlauf des Betrages und die Richtung der Normalkomponente FN der Abrasionskraft F(x) dargestellt ist. Die Normalkomponente FN der Abrasionskraft F(x) ist im Beschleunigungsbereich 2 konstant. Dies wird dadurch erreicht, dass sich der Neigungswinkel α von links nach rechts verkleinert. Durch eine spezielle Anpassung des Neigungswinkels kann das Produkt aus F(x) · sin(α), das der Normalkomponente FN der Abrasionskraft F(x) entspricht, auf einen konstanten Wert angepasst werden.
Die Figur 5 und die Figur 6 zeigen jeweils schematisch eine Partikelverteilung 12 und 13 von Spritzbetonpartikel 11 nach dem Austritt des Spritzstrahls aus der Düse in einer Ebene senkrecht zu Hauptströmungsrichtung 10. Die schwarzen Punkte sollen die einzelnen Spritzbetonpartikel 11 darstellen, wobei die Spritzbetonpartikel 11 mit Zementgel umhüllte Sandpartikel sind. Speziell in Figur 5 wird eine Partikelverteilung 12 dargestellt, wie sie sich nach dem Austrittbereich 3 beziehungsweise beim Auftritt auf den Untergrund bei den in den Figuren 1 und 2 dargestellten bekannten Düsen ergeben würde. Es ist zu erkennen, dass die Partikelverteilung nicht homogen über den Querschnitt ist und im mittleren Bereich eine stärkere Häufung von Spritzbetonpartikel 11 auftritt.
In Figur 6 wird eine Partikelverteilung 13 dargestellt, wie sie sich nach dem Austrittbereich 3 beziehungsweise beim Auftritt auf den Untergrund bei den in den Figuren 3 und 4 dargestellten neuen Düsen ergeben würde. Im Vergleich zu der Partikelverteilung 12 aus Figur 5 sind die Spritzbetonpartikel 11 über den Querschnitt sehr homogen verteilt. Dies wirkt sich insgesamt positiv auf die Homogenität des Betonstrahls und somit die Homogenität des Spritzbetons auf dem Untergrund aus. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Verteilung der Partikel über den Querschnitt aber keinem Einfluss auf den Verschleiss an der Düseninnenwandung hat.
Insgesamt wird also durch die Erfindung eine Spritzbetondüse für Nassspritzbeton oder Trockenspritzbeton zur Verfügung gestellt, die gegenüber den bisher bekannten Spritzbetondüsen einen geringeren Verschleiss und aufweist und somit eine höhere Standzeit aufweist und hinsichtlich der Strahlführung des Betons optimiert ist.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste
1
Querschnitt durch eine Betonspritzdüse
2
Beschleunigungsbereich
2.1
Düseninnenwandung im Beschleunigungsbereich
3
Austrittsbereich
3.1
Düseninnenwandung im Austrittsbereich
4
Eintrittsquerschnitt
5
Minimalquerschnitts
6
Austrittsquerschnitts
7
Kanal
8
Öffnung des Kanals
9
Partikelgeschwindigkeit
10
Hauptströmungsrichtung
11
Betonpartikel
12
Partikelverteilung nach Austritt aus einer Düse mit gleichbleibender Querschnittsfläche im Austrittsbereich
13
Partikelverteilung nach Austritt aus einer Düse mit sich vergrössernder Querschnittsfläche im Austrittsbereich
α
Neigungswinkel
F(x)
Abrasionskraft in Strömungsrichtung x
FN
Normalkomponente der Abrasionskraft F(x)

Claims (15)

  1. Spritzbetondüse zum Aufbringen von Nassspritzbeton oder Trockenspritzbeton mit einem Eintrittsquerschnitt (4), einem anschliessenden Beschleunigungsbereich (2), der sich auf einen Minimalquerschnitt (5) verengt und in einen Austrittsbereich (3) mit einem endständigen Austrittsquerschnitt (6) übergeht, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnittsverlauf des Beschleunigungsbereiches (2) zumindest über einen Teilbereich derart ausgestaltet ist, dass der Betrag einer Normalkomponente FN der Abrasionskraft F(x) des durchströmenden Spritzbetons konstant ist.
  2. Spritzbetondüse gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 oder gemäss dem voranstehenden Patentanspruch 1, wobei der Spritzbeton innerhalb der Düse eine Hauptströmungsrichtung (10) und einen Neigungswinkel (α) der Düseninnenwandung (2.1, 3.1) hierzu aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (α) an der Düseninnenwandung (2.1) des Beschleunigungsbereiches (2) am Eintrittsquerschnitt (4) grösser als am Minimalquerschnitt (5) ist.
  3. Spritzbetondüse gemäss einem der voranstehenden Patentansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Neigungswinkel (α) zumindest über den grössten Teil des Beschleunigungsbereiches (2) in Hauptströmungsrichtung (10) kontinuierlich verkleinert.
  4. Spritzbetondüse gemäss einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Neigungswinkel (α) über dem gesamten Beschleunigungsbereich (2) in Hauptströmungsrichtung (10) kontinuierlich verkleinert.
  5. Spritzbetondüse gemäss einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an einer beliebigen Stelle x der Düseninnenwandung (2.1) des Beschleunigungsbereiches (2) der Term:
    Figure 00140001
       wobei α(x) der Neigungswinkel an der beliebigen Stelle x ist und R0 der Radius des Eintrittquerschnitts (4).
  6. Spritzbetondüse gemäss einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungsbereich (2) und/oder der Austrittsbereich (3) rotationssymmetrisch bezogen auf die Hauptströmungsrichtung (10) aufgebaut ist.
  7. Spritzbetondüse gemäss einem der voranstehenden Patentansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer rotationssymmetrisch Spritzbetondüse an einer beliebigen Stelle x der Düseninnenwandung (2.1) des Beschleunigungsbereiches (2)
    Figure 00140002
    ist, wobei α(x) der Neigungswinkel an der beliebigen Stelle x ist und R0 der Radius des Eintrittquerschnitts (4).
  8. Spritzbetondüse gemäss einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Querschnittsfläche im Austrittsbereich (3) in Hauptströmungsrichtung (10) vergrössert.
  9. Spritzbetondüse gemäss dem voranstehenden Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (α) im Austrittsbereich (3) 0,1 Grad bis 1 Grad, vorzugsweise 0,5 Grad, beträgt.
  10. Spritzbetondüse gemäss einem der voranstehenden Patentansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (α) im Austrittsbereich (3) in Hauptströmungsrichtung (10) kontinuierlich ansteigt.
  11. Spritzbetondüse gemäss einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Düseninnenwandung (2.1, 3.1) eine Beschichtung mit hoher Abriebfestigkeit aufweist.
  12. Spritzbetondüse gemäss dem voranstehenden Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der Düseninnenwandung (2.1, 3.1) durch Auftragschweissung hergestellt ist.
  13. Spritzbetondüse gemäss dem voranstehenden Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung durch einen Einsatz, vorzugsweise aus einem keramischen Werkstoff, gebildet wird.
  14. Spritzbetondüse gemäss einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse Eindüsungskanäle (8) aufweist, um weitere Medien dem Beton beizumischen.
  15. Spritzbetondüse gemäss dem voranstehenden Patentanspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindüsungskanäle (8) vorzugsweise im Bereich des Eintrittsquerschnitts (4) des Beschleunigungsbereiches (2) angeordnet sind.
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