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:
wobei
α(x) der Neigungswinkel an der beliebigen Stelle x ist und R
0 der Radius des
Eintrittquerschnitts.
Die Herleitung der Gleichung:
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)