EP3328809A1 - Method and device for the thermal treatment of sand - Google Patents

Method and device for the thermal treatment of sand

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EP3328809A1
EP3328809A1 EP16757549.7A EP16757549A EP3328809A1 EP 3328809 A1 EP3328809 A1 EP 3328809A1 EP 16757549 A EP16757549 A EP 16757549A EP 3328809 A1 EP3328809 A1 EP 3328809A1
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EP
European Patent Office
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sand
sintering
grain
focal point
temperature
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16757549.7A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Neumann FRANK
Manfred Curbach
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Technische Universitaet Dresden
Original Assignee
Technische Universitaet Dresden
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a method and apparatus for the thermal treatment of sand, such. B. sintering, and thereby obtained aggregate or a reinforcing material for the construction industry, for. B. for concrete or asphalt.
  • Starting material is especially round-grained and equally distributed in the grain fractions sand, such as. B. desert sand.
  • the addition of binders can be dispensed with, since the connection between the grains of sand is brought about by an at least temperature-induced change in the material. An influence of pressure can occur.
  • the temperature usually remains below the glass or melting temperature of the component with the lowest melting point.
  • liquid phase sintering the temperature is above the glass transition temperature or melting temperature, and then the material changes to the liquid state.
  • Sand can be extracted from dry deposits (dry extraction) or from moist reservoirs such as lakes, rivers or the seabed (moisture extraction).
  • the deposits are only limited access, the gain is cost and energy consuming and also damages the ecosystem of the mining area concerned.
  • Desert sand on the other hand, is readily available and readily degradable, but due to its round-grain shape and uniform grain size, it can not be used as a building material and only poorly as a supplement for the production of concrete and concrete products.
  • a variety of methods of sand sintering are known for making firebricks for stoves. But they always need a binder.
  • the remedy is sintering or fusing (whereby melting would lead to vitrification and thus to a considerable loss of strength) of the sand grains of the desert sand, which can also take place binder-free. According to the prior art, such products are known.
  • a rotary kiln requires a lot of energy for its operation and is greatly worn by the melting of sand, unless additional protective measures are taken.
  • the document DE 32 48 537 A1 addresses exactly the problem of using desert sand after producing a sintered shaped body. It is the Moldings of loose sand held by an electric field in the desired shape. If a coarse-grained aggregate is required as the end product, the sintered shaped bodies produced in a furnace are comminuted such that different grain diameters, for example 0-2 mm (sands) or 2-63 mm (gravels), are formed.
  • the disadvantage here is that with a high energy input, a composite material is produced, which is then destroyed again with further use of energy to get to the desired product.
  • the shaping by means of an electric field requires a high investment and procedural effort.
  • Object of the present invention is therefore to make round-grained and evenly distributed in the grain fractions desert sand for use as a building material, in particular as an aggregate, usable by an energy-saving thermal treatment.
  • the object is achieved by a method for the thermal treatment of sand, wherein a focused on at least one focus radiation is used and directed to a surface of a bed of sand. While each mirror and each lens may have only one focal point, it is contemplated to employ complex mirrors or lenses having multiple focal points and configured as a lens system.
  • any radiation can be used in which heat is generated when hitting a surface such as sand.
  • solar radiation is provided for this purpose.
  • the radiation has such a strength that the temperature of the sand is locally increased so that the crystal lattice structure of the Si0 2 compounds changed and / or with reaching a sintering temperature of at least the component with the lowest melting point shape changes and / or grain compounds, hereinafter Kornverbünde referred to, caused or such changes result.
  • Sand is not homogeneous Si0 2 , but represents a different depending on the origin mixture of components with different melting temperatures.
  • the change of the crystal lattice structure takes place at least on the surface of the grains of sand.
  • the sand grain does not have to be completely sintered or melted for a preferred embodiment of the invention, but in the case it is already sufficient to easily "loosen” the crystal structures on the surface.
  • the surface of the sand grain is enlarged and roughened, so that when used as an aggregate to a tighter bond with the matrix material, for.
  • the grain of sand is not completely melted. This maintains the strength associated with the crystalline structure. If the sand grain is completely melted, it gets an amorphous structure and becomes brittle.
  • Another effect changes the shape of the grain of sand from a round shape to an irregular or squat shape, which allows the grain of sand to be securely embedded in the matrix material in a form-fitting bond and to absorb higher forces. Furthermore, the alteration of the surface is in preparation for a subsequent sintering, after which the surfaces of two or more grains can adhere to each other. This is preferably done in a multi-step process.
  • the focal point and / or the sand are guided relative to one another in such a way and at such a speed that grain composites are formed in the dimensions provided.
  • the molding sintering is provided, in which the focus is directed in a suitable manner, in particular static or movable, on the introduced into a temperature-resistant, open top sintered bed of sand.
  • the shaped body corresponds in its shape to the negative form of the sintered form. It can be designed, for example, as a cuboid, pyramid or tetrahedron.
  • the sintered form can have a discharge channel arranged opposite the open side for facilitated shaping of the shaped body, through which the shaped body is ejected after it has hardened and which is closed during filling and sintering, for example by a screw.
  • the mold like the free-form sintering sand, can be moved on a conveyor through the apparatus.
  • To solve the problem requires a method for changing the properties of solids.
  • the surface structure of sands, in particular Desert sands are changed in such a way that on the one hand the surface shape of a single grain changes and on the other hand several (desert) sand grains can be combined to form a variable grain conglomerate, hereinafter called grain composite.
  • the crystal lattice structure is partially dissolved due to heat supply to the surface of the sand.
  • this amorphous phase in which therefore no crystal structure is no longer present, is heated at the surface to the glass transition temperature in order to combine with similarly pretreated sand grains.
  • the properties of the sands, in particular desert sands are deliberately changed by sintering processes.
  • the high energy demand in sintering processes is covered here by the use of solar energy.
  • the crystal lattice structure of the Si0 2 compounds changes and, due to individually adapted sintering temperatures, changes in shape and grain composites are possible.
  • An advantageous development of the method according to the invention comprises a targeted and temporally controlled lowering of the temperature, especially after the sintering process, so that the crystal lattice structure of the Si0 2 compounds is further selectively influenced.
  • the crystal lattice structure Due to the increase in temperature associated with the energy input, the crystal lattice structure is specifically influenced, in particular dissolved.
  • the structure changes from crystalline (ordered) to amorphous (disordered). This change is also referred to as glazing.
  • the degree of brittleness is directly related to this. Consequently, a desired structure can be produced in the structure of the material or the material can thus obtain a certain brittleness.
  • z By the targeted reduction of the temperature within a certain time, z.
  • rapid or slow cooling or quenching, and taking into account the critical cooling rate can be the lattice structure targeted, similar to the hardening of steel influence.
  • the method is preferably carried out by means of a plurality of focusing devices, preferably a plurality of lenses, which successively deliver radiation focused on the sand on its surface, thereby locally increasing the temperature stepwise or evenly raised or reduced in a controlled manner.
  • the focusing is not necessarily done solely by the lens system.
  • first grain composites are supplied to the thermal treatment at least once more, so that the first grain composites combine to form second, larger grain composites by sintering and different grain sizes and / or granules are formed.
  • an aggregate similar to gravel, can be formed, which is suitable for different applications.
  • By mixing different particle sizes different grading curves can be achieved. Free-form, larger grain composites obtained by the use of the first grain composites a grippy, rough surface.
  • a device for utilizing solar energy which makes thermal energy available as a result of focused solar radiation.
  • a focusing device preferably embodied as a lens system, focuses the solar radiation, preferably also controllably, so that the temperature at the focal point of the lens or the lens system is adjustable, preferably continuously.
  • the process can be carried out using a renewable energy source without the use of another expensive energy source.
  • the focal point of a lens system may be different than that of a single lens.
  • the focused solar radiation is through a device that changes the cross section of the beam, such as a louvre, or by using the so-called shutter technology, in which the duration of the action by alternately successive full fade and fade the Beam is changed with a predetermined frequency, adjustable.
  • a device that changes the cross section of the beam such as a louvre, or by using the so-called shutter technology, in which the duration of the action by alternately successive full fade and fade the Beam is changed with a predetermined frequency, adjustable.
  • Other methods or measures which influence the intensity of the amount of energy usable at the focal point are also encompassed by the invention.
  • the sintering process can be controlled without too weak bonds or the sand is melted too much.
  • the temperature at the focal point of the lens, the lens system or any other focusing system can be set continuously variable.
  • the object of the invention is also achieved by a device for sintering sand, wherein a focusing device for heat energy radiation for generating at least one focal point on the surface of a bed of sand and a positioning means for continuous relative movement between the focal point and the sand are provided.
  • the focusing device ensures such bundling of the beam that on the one hand locally highly concentrated heat radiation strikes the sand, whereby energy in the form of heat as a result of radiation, preferably solar radiation, acts on the sand.
  • a relatively small area of the bed is heated. The latter ensures a controlled shaping of the grain composites so that free-form sintered grain composites can be produced.
  • a device for the use of solar energy which advantageously comprises a lens system for focusing, which controls the solar radiation in such a way, for. B. by a diaphragm, focused that the temperature at the focal point of the lens is continuously variable adjustable. This ensures compliance with the temperature window, which must be complied with for the intended sintering, depending on the feed rate.
  • the lens system comprises a Fresnel lens, so that a space-saving design, especially a small depth of the lens system, is made possible.
  • a diaphragm is provided, preferably designed as a louver aperture.
  • a shutter arrangement is provided, with both devices serving to control the intensity of the focused solar radiation as needed.
  • a plurality of focusing devices or lenses are provided. These are arranged in such a way that in the course of the continuous relative movement between the focal point and the sand, the temperature of the sand is gradually or evenly changeable.
  • a plurality of focusing devices or lenses are arranged in a row.
  • a metering device is provided which the sand on a heat-resistant, preferably ceramic conveyor applies.
  • a further solution of the object according to the invention relates to a reinforcing material comprising sintered round-grained sand, wherein sand grains are used as starting material according to the invention to form granules of a given size or size distribution.
  • load and / or geometry-dependent shaped grain composites which are also provided according to the invention.
  • three-dimensional bodies, including hollow bodies are provided, which are present as a single-layer or multi-layer grid or space grid with variable lattice parameters.
  • the invention develops its advantages, in particular, when desert sand is provided as round-grained sand, which is the starting material for the process according to the invention. This makes it possible, as a further aspect of the solution according to the invention, to use desert sand as an additive for a component, whereby grain composites obtained by sintering of desert sand are introduced into a matrix material as an additive.
  • the grain composites can be achieved. Due to the directional installation of the sintered, free-formed material, its decisive volume fraction can be oriented in the regions with less tensile stress.
  • the grain composites may also be shaped to support each other in the matrix material and to fill a large volume that does not collapse. Especially when a directional installation of sintered, directionally oriented free-formed grain composites takes place in the matrix material, the result is particularly advantageous.
  • the grain composites are oriented in the less loaded by train direction of the component in the manner. At the same time, the cross-sectional reduction of the matrix material, for.
  • the aggregate in the pulling direction less than in the printing direction.
  • the concrete matrix in the longitudinal direction of the rods at the same volume of the aggregate of, for example, round grain size on a larger cross-section.
  • the transverse direction is chosen so that there is the pressure load, in the longitudinal direction, however, the tensile load.
  • concrete has a much lower strength, which can be at least partially offset by a thus formed and directionally introduced aggregate material.
  • the decisive strength of the concrete is determined by the matrix or cement stone, the tensile strength corresponds to only a fraction, for example about 10% of the compressive strength.
  • Aggregates are added as so-called fillers or aggregates in order to achieve an optimum packing density of the aggregates and thus to minimize the proportion of cement.
  • more cement means that more mixing water and thus more water is needed. This causes greater shrinkage, segregation, pore formation, etc.
  • the aim of the invention is to orient the volume fraction of the surcharges in terms of load and dimensioning in the matrix such that the ratio of water to cement to aggregate remains unchanged.
  • the aggregates should be oriented more in the direction of compression.
  • the aggregates have a higher tensile strength than the matrix.
  • aggregates of the invention oriented in the tensile direction can be understood as reinforcement.
  • a useful field of application could be, above all, floor slabs, industrial floors or screeds which are reinforced for high mechanical stresses, similar to a fiber reinforcement.
  • the grain composites are shaped such that the elements of the additive in the matrix material support one another and thus fill a large volume, ie they do not sink to the bottom and do not accumulate there.
  • the matrix materials can also be shaped so that they have specific load and / or geometric properties and can promote multiaxial stress states or can be produced according to the dimensions.
  • the main advantages of the invention can be described as follows.
  • the main innovation is the utilization of desert sand as an extensive resource, which was previously excluded due to their unfavorable properties from use as a building material.
  • a further advantage is that material is sintered as needed only by the punctiform or local energy input, which is also needed in this size.
  • the energy for sintering is generated according to an advantageous embodiment of the invention from solar energy directly and without technically complex and failure-prone conversion into other forms of energy.
  • 1 shows a schematic perspective view of an embodiment of a sintering device according to the invention
  • 2 shows a schematic representation in side view of an embodiment of a double sintering device according to the invention
  • 3 shows a schematic representation in a sectional side view of an embodiment of a component according to the invention.
  • 1 shows the functional principle of an embodiment of a sintering device 1 according to the invention.
  • a lens system 3 in the illustrated embodiment a Fresnel lens
  • sunlight 2 is focused and focused at the focal point 5.
  • the intensity of the bundled sun rays 4 can be adjusted, whereby the temperature reached in the focal point 5 is variably adjustable.
  • the sand 10 raw sand as the starting material, via a metering device of a temperature-resistant conveyor 16, z. B. from a ceramic material or with such a coating which moves in the conveying direction 16, respectively.
  • the sintering process takes place (possibly also under pressure).
  • the sintered sand 10 cools from which a grain composite 1 1 has formed, or is alternatively or additionally actively cooled by a not further detailed here and shown cooling device 7.
  • FIG. 2 shows a schematic side view of a double sintering device according to the invention, in particular also the metering and conveying process in a multi-stage, here two-stage process.
  • the areas I and II are marked for the two process stages.
  • sintering process see focused radiation 4
  • cooling systematically alternate from one another to several layers successively fed sand 10, fed from the metering devices 9, each other or with the grain composites 11 of the precursor to increasing in each process step grain fractions, the grain assemblies 1 1 to combine and to sinter.
  • a conveyor 6 moves the sand 10 relative to the focused radiation 4.
  • the released during cooling waste heat can be supplied to the transport system or the system technology, for example via energy recovery processes so that the entire system can be operated energy self-sufficient.
  • the already used solar energy can be used or the system technology is holistically set up for the use of solar energy.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of an embodiment of a component 12 according to the invention in a sectional side view.
  • the component 12 comprises a matrix material 13. This consists of cement stone and demand-oriented or appropriately oriented inventive supplement. As aggregates grain composites 11 are introduced according to the present invention, which are oriented in the pulling direction 15 of the later component 12.
  • a particularly advantageous variant provides grain composites 1 1, which have a higher tensile strength than the matrix material 13 and thus are effective in terms of fiber reinforcement. This results, in conjunction with the directed introduction in the matrix material 13, a significant increase in the tensile strength of the component 12 in the pulling direction 15.

Abstract

The invention relates to a method and a device for sintering sand. The problem addressed by the invention is that of using energy-saving sintering to make it possible to use desert sand, having round grains and evenly distributed among the grain fractions, for use as a building material, in particular as an aggregate. The problem is solved by providing a focusing device (3) for thermal-energy rich radiation (2) in order to create at least one focal point (5) on the surface of a bulk sand (10) and a positioning device (6) for continuous relative movement between the focal point (5) and the sand (10). The problem is also solved via a use of desert sand as an aggregate for a component (12), characterised in that, by sintering, obtained grain bonds (11) of desert sand (10) are incorporated in a matrix material (13) as an aggregate.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Sand  Method and device for thermal treatment of sand
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Sand, wie z. B. Sintern, und einen dadurch gewonnenen Zuschlagstoff oder ein Bewehrungsmaterial für das Bauwesen, z. B. für Beton oder Asphalt. Ausgangsstoff ist insbesondere rundkörniger und in den Kornfraktionen gleichverteilter Sand, wie z. B. Wüstensand. Auf den Zusatz von Bindemitteln kann verzichtet werden, da die Verbindung zwischen den Sandkörnern durch eine zumindest temperaturbedingte Veränderung am Werkstoff herbeigeführt wird. Ein Einfluss von Druck kann hinzutreten. Beim Festphasensintern bleibt die Temperatur dabei zumeist unterhalb der Glas- bzw. Schmelztemperatur der Komponente mit dem niedrigsten Schmelzpunkt. Beim Flüssigphasensintern liegt die Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur bzw. der Schmelztemperatur, wobei das Material dann in den flüssigen Zustand übergeht. The invention relates to a method and apparatus for the thermal treatment of sand, such. B. sintering, and thereby obtained aggregate or a reinforcing material for the construction industry, for. B. for concrete or asphalt. Starting material is especially round-grained and equally distributed in the grain fractions sand, such as. B. desert sand. The addition of binders can be dispensed with, since the connection between the grains of sand is brought about by an at least temperature-induced change in the material. An influence of pressure can occur. During solid-phase sintering, the temperature usually remains below the glass or melting temperature of the component with the lowest melting point. In liquid phase sintering, the temperature is above the glass transition temperature or melting temperature, and then the material changes to the liquid state.
Sand kann aus im Trockenen liegenden Lagerstätten (Trockengewinnung) oder aus feuchten Lagerstätten wie Seen, Flüssen oder dem Meeresboden (Feuchtgewinnung) gewonnen werden. Die Lagerstätten sind dabei nur beschränkt zugänglich, das Gewinnen ist kosten- und energieaufwändig und schädigt darüber hinaus das Ökosystem des betreffenden Abbaugebietes. Wüstensand ist hingegen leicht verfügbar und gut abbaubar, kann aber durch seine rundkörnige Form und seine einheitliche Korngröße nicht als Baustoff und nur schlecht als Zuschlag für die Herstellung von Beton und Betonerzeugnissen genutzt werden. Eine Vielzahl von Verfahren des Versinterns von Sand ist zur Herstellung von Schamottesteinen für Öfen bekannt. Diese benötigen aber stets ein Bindemittel. Sand can be extracted from dry deposits (dry extraction) or from moist reservoirs such as lakes, rivers or the seabed (moisture extraction). The deposits are only limited access, the gain is cost and energy consuming and also damages the ecosystem of the mining area concerned. Desert sand, on the other hand, is readily available and readily degradable, but due to its round-grain shape and uniform grain size, it can not be used as a building material and only poorly as a supplement for the production of concrete and concrete products. A variety of methods of sand sintering are known for making firebricks for stoves. But they always need a binder.
Abhilfe schafft das Versintern oder Verschmelzen (wobei ein Schmelzen zum Verglasen und damit zu einem erheblichen Festigkeitsverlust führen würde) der Sandkörner des Wüstensands, das auch bindemittelfrei erfolgen kann. Nach dem Stand der Technik sind solche Erzeugnisse bekannt. Einen Zuschlagstoff für das Bauwesen, auch auf Basis von Sand und entglasten Glasen, der in einem Drehrohrofen durch Schmelzen hergestellt wird, schlägt die Druckschrift DE 12 13 092 A vor. Ein Drehrohrofen benötigt viel Energie für seinen Betrieb und wird durch das Schmelzen von Sand stark abgenutzt, sofern nicht zusätzliche Schutzmaßnahmen ergriffen werden. The remedy is sintering or fusing (whereby melting would lead to vitrification and thus to a considerable loss of strength) of the sand grains of the desert sand, which can also take place binder-free. According to the prior art, such products are known. An aggregate for the construction industry, also based on sand and devitrified glass, which is produced by melting in a rotary kiln, proposes the document DE 12 13 092 A. A rotary kiln requires a lot of energy for its operation and is greatly worn by the melting of sand, unless additional protective measures are taken.
Die Druckschrift DE 32 48 537 A1 wendet sich exakt dem Problem der Verwendung von Wüstensand nach Herstellung eines versinterten Formkörpers zu. Dabei wird der Formkörper aus losem Sand durch ein elektrisches Feld in der gewünschten Form gehalten. Wird als Endprodukt ein grobkörniger Zuschlagstoff benötigt, werden die in einem Ofen hergestellten gesinterten Formkörper so zerkleinert, dass verschiedene Korndurchmesser beispielsweise 0 - 2 mm (Sande) oder 2 - 63 mm (Kiese) entstehen. Nachteilig ist hier, dass mit einem hohen Energieeinsatz ein Materialverbund hergestellt wird, der daraufhin wieder mit weiterem Energieeinsatz zerstört wird, um zu dem gewünschten Erzeugnis zu gelangen. Zudem erfordert die Formgebung mittels eines elektrischen Feldes einen hohen anlagen- und verfahrenstechnischen Aufwand. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, rundkörnigen und in den Kornfraktionen gleichverteilten Wüstensand für die Nutzung als Baustoff, insbesondere als Zuschlagstoff, durch eine energiesparende thermische Behandlung nutzbar zu machen. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Sand, wobei eine auf zumindest einen Brennpunkt fokussierte Strahlung eingesetzt und auf eine Oberfläche einer Schüttung des Sands gerichtet wird. Jeder Spiegel und jede Linse kann zwar nur einen Brennpunkt haben, jedoch ist es vorgesehen, komplexe Spiegel oder Linsen einzusetzen, die mehrere Brennpunkte aufweisen und als Linsensystem ausgestaltet sind. Als die auf einen Brennpunkt fokussierte Strahlung ist jede Strahlung einsetzbar, bei der beim Auftreffen auf einer Oberfläche wie dem Sand Wärme entsteht. Bevorzugt ist hierfür Solarstrahlung vorgesehen. The document DE 32 48 537 A1 addresses exactly the problem of using desert sand after producing a sintered shaped body. It is the Moldings of loose sand held by an electric field in the desired shape. If a coarse-grained aggregate is required as the end product, the sintered shaped bodies produced in a furnace are comminuted such that different grain diameters, for example 0-2 mm (sands) or 2-63 mm (gravels), are formed. The disadvantage here is that with a high energy input, a composite material is produced, which is then destroyed again with further use of energy to get to the desired product. In addition, the shaping by means of an electric field requires a high investment and procedural effort. Object of the present invention is therefore to make round-grained and evenly distributed in the grain fractions desert sand for use as a building material, in particular as an aggregate, usable by an energy-saving thermal treatment. The object is achieved by a method for the thermal treatment of sand, wherein a focused on at least one focus radiation is used and directed to a surface of a bed of sand. While each mirror and each lens may have only one focal point, it is contemplated to employ complex mirrors or lenses having multiple focal points and configured as a lens system. As the radiation focused on a focal point, any radiation can be used in which heat is generated when hitting a surface such as sand. Preferably, solar radiation is provided for this purpose.
Dabei hat die Strahlung eine solche Stärke, dass die Temperatur des Sands lokal so erhöht wird, dass sich die Kristallgitterstruktur der Si02-Verbindungen verändert und/oder mit Erreichen einer Sintertemperatur zumindest der Komponente mit dem niedrigsten Schmelzpunkt Formänderungen und/oder Kornverbindungen, nachfolgend als Kornverbünde bezeichnet, hervorgerufen werden bzw. sich solche Veränderungen ergeben. Sand besteht nicht homogen aus Si02, sondern stellt eine je nach Herkunft unterschiedliche Mischung von Komponenten mit verschiedenen Schmelztemperaturen dar. The radiation has such a strength that the temperature of the sand is locally increased so that the crystal lattice structure of the Si0 2 compounds changed and / or with reaching a sintering temperature of at least the component with the lowest melting point shape changes and / or grain compounds, hereinafter Kornverbünde referred to, caused or such changes result. Sand is not homogeneous Si0 2 , but represents a different depending on the origin mixture of components with different melting temperatures.
Die Veränderung der Kristallgitterstruktur erfolgt dabei zumindest an der Oberfläche der Sandkörner. Das Sandkorn muss nämlich für eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung nicht komplett versintert oder aufgeschmolzen werden, sondern es reicht indem Fall bereits aus, die Kristallstrukturen an der Oberfläche leicht zu "lösen". Dies hat zur Folge, dass die Oberfläche des Sandkorns vergrößert und aufgeraut wird, so dass es beim Einsatz als Zuschlagstoff zu einer festeren Bindung mit dem Matrixmaterial, z. B. Beton, kommt. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das Sandkorn nicht vollständig aufgeschmolzen wird. Dadurch bleibt die mit der kristallinen Struktur verbundenen Festigkeit bestehen. Wird das Sandkorn vollständig aufgeschmolzen, erhält es eine amorphe Struktur und versprödet. The change of the crystal lattice structure takes place at least on the surface of the grains of sand. Namely, the sand grain does not have to be completely sintered or melted for a preferred embodiment of the invention, but in the case it is already sufficient to easily "loosen" the crystal structures on the surface. This As a result, the surface of the sand grain is enlarged and roughened, so that when used as an aggregate to a tighter bond with the matrix material, for. As concrete comes. It has proved to be particularly advantageous if the grain of sand is not completely melted. This maintains the strength associated with the crystalline structure. If the sand grain is completely melted, it gets an amorphous structure and becomes brittle.
Ein weiterer Effekt verändert die Form des Sandkorns von einer runden zu einer unregelmäßigen oder gedrungenen Form, wodurch sich das Sandkorn in einer Art formschlüssiger Bindung in das Matrixmaterial sicher und zur Aufnahme höherer Kräfte einbetten lässt. Weiterhin dient die Veränderung der Oberfläche zur Vorbereitung für eine nachfolgende Versinterung, nach der die Oberflächen zweier oder mehrerer Körner aneinander haften können. Dies erfolgt bevorzugt in einem mehrstufigen Verfahren. Another effect changes the shape of the grain of sand from a round shape to an irregular or squat shape, which allows the grain of sand to be securely embedded in the matrix material in a form-fitting bond and to absorb higher forces. Furthermore, the alteration of the surface is in preparation for a subsequent sintering, after which the surfaces of two or more grains can adhere to each other. This is preferably done in a multi-step process.
Zum Freiformsintern werden der Brennpunkt und/oder der Sand relativ zueinander auf einem solchen Weg und in einer solchen Geschwindigkeit geführt, das Kornverbünde in den vorgesehen Abmessungen entstehen. Ebenso ist es nach einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen, mit einem stationär ausgerichteten und zum Sand unbeweglichen Brennpunkt Freiformsintern durchzuführen. For free-form sintering, the focal point and / or the sand are guided relative to one another in such a way and at such a speed that grain composites are formed in the dimensions provided. Likewise, it is provided according to an alternative embodiment of the method to perform with a fixed stationary and immovable to the sand focal point Freiformsintern.
Daneben ist auch das Formsintern vorgesehen, bei dem der Brennpunkt in geeigneter Weise, insbesondere statisch oder beweglich, auf die in eine temperaturbeständige, oben offene Sinterform eingebrachte Schüttung des Sands gerichtet wird. Dadurch entstehen Kornverbünde in den vorgesehen Abmessungen, so dass ein Formkörper gebildet wird. Der Formkörper entspricht dabei in seiner Gestalt der Negativform der Sinterform. Er kann beispielsweise als Quader, Pyramide oder Tetraeder ausgebildet sein. Die Sinterform kann zur erleichterten Ausformung des Formkörpers einen gegenüber der offenen Seite angeordneten Ausstoßkanal aufweisen, durch den der Formkörper nach seiner Aushärtung ausgestoßen wird und der während des Befüllens und des Sinterns beispielsweise durch eine Schraube verschlossen ist. Die Form kann, ebenso wie der Sand beim Freiformsintern, auf einer Fördereinrichtung durch die Vorrichtung bewegt werden. Zur Lösung der Aufgabe bedarf es eines Verfahrens zur Veränderung von Feststoffeigenschaften. Die Oberflächenstruktur von Sanden, insbesondere Wüstensanden wird dabei so verändert, dass sich einerseits die Oberflächengestalt eines einzelnen Korns verändert und andererseits mehrere (Wüsten)Sandkörner zu einem in der Größe variablem Kornkonglomerat, nachfolgend Kornverbund genannt, verbinden lassen. In addition, the molding sintering is provided, in which the focus is directed in a suitable manner, in particular static or movable, on the introduced into a temperature-resistant, open top sintered bed of sand. This results in grain composites in the dimensions provided, so that a shaped body is formed. The shaped body corresponds in its shape to the negative form of the sintered form. It can be designed, for example, as a cuboid, pyramid or tetrahedron. The sintered form can have a discharge channel arranged opposite the open side for facilitated shaping of the shaped body, through which the shaped body is ejected after it has hardened and which is closed during filling and sintering, for example by a screw. The mold, like the free-form sintering sand, can be moved on a conveyor through the apparatus. To solve the problem requires a method for changing the properties of solids. The surface structure of sands, in particular Desert sands are changed in such a way that on the one hand the surface shape of a single grain changes and on the other hand several (desert) sand grains can be combined to form a variable grain conglomerate, hereinafter called grain composite.
Bevorzugt wird beim ersten Sintern die Kristallgitterstruktur infolge Wärmezuführung an der Oberfläche des Sandes teilweise aufgelöst. Bei einem nachfolgenden, zweiten Sintervorgang wird dann diese amorphe Phase, bei der also keine Kristallstruktur mehr vorhanden ist, an der Oberfläche bis zur Glasübergangstemperatur erwärmt, um sich mit gleichartig vorbehandelten Sandkörnern zu verbinden. Preferably, during the first sintering, the crystal lattice structure is partially dissolved due to heat supply to the surface of the sand. In a subsequent, second sintering process, this amorphous phase, in which therefore no crystal structure is no longer present, is heated at the surface to the glass transition temperature in order to combine with similarly pretreated sand grains.
Die Eigenschaften der Sande, insbesondere Wüstensande werden durch Sinterprozesse gezielt verändert. Der hohe Energiebedarf bei Sinterprozessen wird hier durch die Verwendung von Solarenergie abgedeckt. Durch das Sintern verändert sich die Kristallgitterstruktur der Si02- Verbindungen und ermöglicht durch individuell angepasste Sintertemperaturen Formänderungen und Kornverbünde. The properties of the sands, in particular desert sands are deliberately changed by sintering processes. The high energy demand in sintering processes is covered here by the use of solar energy. By sintering, the crystal lattice structure of the Si0 2 compounds changes and, due to individually adapted sintering temperatures, changes in shape and grain composites are possible.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst eine gezielte und zeitlich kontrollierte Absenkung der Temperatur, vor allem nach dem Sintervorgang, so dass die Kristallgitterstruktur der Si02-Verbindungen weiter gezielt beeinflusst wird. An advantageous development of the method according to the invention comprises a targeted and temporally controlled lowering of the temperature, especially after the sintering process, so that the crystal lattice structure of the Si0 2 compounds is further selectively influenced.
Durch die mit dem Energieeintrag verbundene Temperaturerhöhung wird die Kristallgitterstruktur gezielt beeinflusst, insbesondere auch aufgelöst. Die Struktur ändert sich von kristallin (geordnet) zu amorph (ungeordnet). Diese Veränderung wird auch als verglasen bezeichnet. Damit hängt auch der Grad der Sprödigkeit unmittelbar zusammen. Es kann folglich eine erwünschte Struktur im Gefüge des Materials hervorgerufen werden oder das Material damit eine bestimmte Sprödigkeit erhalten. Durch die gezielte Reduzierung der Temperatur innerhalb einer bestimmten Zeit, z. B. rasche oder langsame Abkühlung oder Abschreckung, und unter Beachtung der kritischen Abkühlgeschwindigkeit lässt sich die Gitterstruktur gezielt, ähnlich wie beim Härten von Stahl, beeinflussen. Due to the increase in temperature associated with the energy input, the crystal lattice structure is specifically influenced, in particular dissolved. The structure changes from crystalline (ordered) to amorphous (disordered). This change is also referred to as glazing. The degree of brittleness is directly related to this. Consequently, a desired structure can be produced in the structure of the material or the material can thus obtain a certain brittleness. By the targeted reduction of the temperature within a certain time, z. As rapid or slow cooling or quenching, and taking into account the critical cooling rate can be the lattice structure targeted, similar to the hardening of steel influence.
Bevorzugt wird das Verfahren mittels mehrerer Fokussiereinrichtungen, bevorzugt mehrerer Linsen durchgeführt, die nacheinander dem Sand an seiner Oberfläche fokussierte Strahlung zuleiten, wodurch lokal die Temperatur schrittweise oder gleichmäßig angehoben oder kontrolliert vermindert wird. Die Fokussierung erfolgt nicht zwangsläufig allein durch das System der Linsen. The method is preferably carried out by means of a plurality of focusing devices, preferably a plurality of lenses, which successively deliver radiation focused on the sand on its surface, thereby locally increasing the temperature stepwise or evenly raised or reduced in a controlled manner. The focusing is not necessarily done solely by the lens system.
Günstig ist es, wenn die gebildeten ersten Kornverbünde zumindest ein weiteres Mal der thermischen Behandlung zugeführt werden, so dass sich die ersten Kornverbünde zu zweiten, größeren Kornverbünden durch Sintern vereinigen und unterschiedliche Korngrößen und/oder Granulate gebildet werden. So kann ein Zuschlagstoff, ähnlich Kies, gebildet werden, der für unterschiedliche Anwendungen geeignet ist. Durch Mischung unterschiedlicher Korngrößen können verschiedene Sieblinien erzielt werden. Freigeformte, größere Kornverbünde erhalten durch den Einsatz der ersten Kornverbünde eine griffige, raue Oberfläche. It is favorable if the formed first grain composites are supplied to the thermal treatment at least once more, so that the first grain composites combine to form second, larger grain composites by sintering and different grain sizes and / or granules are formed. Thus, an aggregate, similar to gravel, can be formed, which is suitable for different applications. By mixing different particle sizes different grading curves can be achieved. Free-form, larger grain composites obtained by the use of the first grain composites a grippy, rough surface.
Günstig ist eine Fraktionierung der Kornverbünde nach Korngrößen. So kann Material für unterschiedliche Einsatzfälle gewonnen werden. Die gewünschte Sieblinie kann dann durch das gezielte Vermischen verschiedener Korngrößen erhalten werden. Favorable is a fractionation of the grain composites by particle sizes. Thus, material can be obtained for different applications. The desired grading curve can then be obtained by the targeted mixing of different particle sizes.
Besondere Vorteile bringt eine Einrichtung zur Nutzung von Solarenergie, die thermische Energie infolge fokussierter Solarstrahlung verfügbar macht. Eine Fokussiereinrichtung, bevorzugt ausgeführt als ein Linsensystem, fokussiert die Solarstrahlung, bevorzugt auch steuerbar, so dass die Temperatur im Brennpunkt der Linse oder des Linsensystems einstellbar ist, bevorzugt kontinuierlich. Dadurch kann ohne Einsatz einer anderen, teuren Energiequelle das Verfahren unter Verwendung einer erneuerbaren Energiequelle durchgeführt werden. Der Brennpunkt eines Linsensystems kann ein anderer sein als der einer Einzellinse. Particular advantages are provided by a device for utilizing solar energy, which makes thermal energy available as a result of focused solar radiation. A focusing device, preferably embodied as a lens system, focuses the solar radiation, preferably also controllably, so that the temperature at the focal point of the lens or the lens system is adjustable, preferably continuously. As a result, the process can be carried out using a renewable energy source without the use of another expensive energy source. The focal point of a lens system may be different than that of a single lens.
Um die eingesetzte Energiemenge zu dosieren, ist die fokussierte Solarstrahlung durch eine Einrichtung, die den Querschnitt des Strahls verändert, beispielsweise eine Lamellenblende, oder durch Anwendung der sogenannten Shutter-Technologie, bei der die Dauer der Einwirkung durch wechselweises, aufeinanderfolgendes vollständiges Aufblenden und Abblenden des Strahls mit einer vorgegebenen Frequenz verändert wird, einstellbar. Auch andere Verfahren oder Maßnahmen, die auf die Intensität der am Brennpunkt nutzbaren Energiemenge Einfluss nehmen, sind von der Erfindung umfasst. Dadurch kann der Sintervorgang gesteuert werden, ohne dass zu schwache Bindungen entstehen oder der Sand zu stark aufgeschmolzen wird. Dadurch lässt sich die Temperatur im Brennpunkt der Linse, des Linsensystems oder eines sonstigen Fokussiersystems kontinuierlich variabel einstellen. Andere, an die jeweilige Energiequelle und das Fokussiersystem angepasste Steuer- oder Einstellsysteme zur Anpassung der Intensität im Brennpunkt sind nach der Erfindung ebenfalls vorgesehen. Die Aufgabe der Erfindung wird ebenfalls gelöst durch eine Vorrichtung zum Sintern von Sand, wobei eine Fokussiereinrichtung für wärmeenergiereiche Strahlung zum Erzeugen zumindest eines Brennpunkts auf der Oberfläche einer Schüttung Sand und eine Positioniereinrichtung zur kontinuierlichen Relativbewegung zwischen dem Brennpunkt und dem Sand vorgesehen sind. Die Fokussiereinrichtung sorgt für eine solche Bündelung des Strahls, dass einerseits örtlich hoch konzentrierte Wärmestrahlung auf den Sand trifft, wobei Energie in Form von Wärme infolge von Strahlung, bevorzugt Solarstrahlung, auf den Sand wirkt. Andererseits wird eine relative kleine Fläche der Schüttung erhitzt. Letzteres sichert eine gesteuerte Formgebung der Kornverbünde, so dass freigeformte, gesinterte Kornverbünde erzeugt werden können. In order to dose the amount of energy used, the focused solar radiation is through a device that changes the cross section of the beam, such as a louvre, or by using the so-called shutter technology, in which the duration of the action by alternately successive full fade and fade the Beam is changed with a predetermined frequency, adjustable. Other methods or measures which influence the intensity of the amount of energy usable at the focal point are also encompassed by the invention. As a result, the sintering process can be controlled without too weak bonds or the sand is melted too much. As a result, the temperature at the focal point of the lens, the lens system or any other focusing system can be set continuously variable. Others, to the respective ones Energy source and the focusing system adapted control or adjustment systems for adjusting the intensity at the focal point are also provided according to the invention. The object of the invention is also achieved by a device for sintering sand, wherein a focusing device for heat energy radiation for generating at least one focal point on the surface of a bed of sand and a positioning means for continuous relative movement between the focal point and the sand are provided. The focusing device ensures such bundling of the beam that on the one hand locally highly concentrated heat radiation strikes the sand, whereby energy in the form of heat as a result of radiation, preferably solar radiation, acts on the sand. On the other hand, a relatively small area of the bed is heated. The latter ensures a controlled shaping of the grain composites so that free-form sintered grain composites can be produced.
Bevorzugt ist eine Einrichtung zur Nutzung von Solarenergie vorgesehen, die zur Fokussierung vorteilhafterweise ein Linsensystem umfasst, das die Solarstrahlung in der Weise steuerbar, z. B. durch eine Blende, fokussiert, dass die Temperatur im Brennpunkt der Linse kontinuierlich variabel einstellbar ist. Dies sichert in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit die Einhaltung des Temperaturfensters, das für das vorgesehene Sintern eingehalten werden muss. Preferably, a device for the use of solar energy is provided, which advantageously comprises a lens system for focusing, which controls the solar radiation in such a way, for. B. by a diaphragm, focused that the temperature at the focal point of the lens is continuously variable adjustable. This ensures compliance with the temperature window, which must be complied with for the intended sintering, depending on the feed rate.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass das Linsensystem eine Fresnel-Linse umfasst, so dass eine platzsparende Bauweise, vor allem eine geringe Tiefe des Linsensystems, ermöglicht wird. Weiterhin ist eine Blende vorgesehen, bevorzugt als Lamellenblende ausgeführt. Alternativ ist eine Shutter-Anordnung vorgesehen, wobei beide Einrichtungen dazu dienen, die Intensität der fokussierten Solarstrahlung bedarfsgerecht zu steuern. A preferred embodiment provides that the lens system comprises a Fresnel lens, so that a space-saving design, especially a small depth of the lens system, is made possible. Furthermore, a diaphragm is provided, preferably designed as a louver aperture. Alternatively, a shutter arrangement is provided, with both devices serving to control the intensity of the focused solar radiation as needed.
Bei einer alternativen Ausführungsform sind mehrere Fokussiereinrichtungen bzw. Linsen vorgesehen. Diese sind in der Weise angeordnet, dass im Verlauf der kontinuierlichen Relativbewegung zwischen dem Brennpunkt und dem Sand die Temperatur des Sands schrittweise oder gleichmäßig veränderbar ist. Bevorzugt sind mehrere Fokussiereinrichtungen bzw. Linsen in einer Reihe angeordnet. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn eine Dosiereinrichtung vorgesehen ist, die den Sand auf eine hitzebeständige, bevorzugt keramische Fördereinrichtung aufträgt. Durch die Anordnung von mehreren Fokussiereinnchtungen bzw. Linsen kann im Verlauf der Rohstoffförderung oder des Rohstofftransports die Temperatur schrittweise oder gleichmäßig angehoben oder kontrolliert vermindert werden. In an alternative embodiment, a plurality of focusing devices or lenses are provided. These are arranged in such a way that in the course of the continuous relative movement between the focal point and the sand, the temperature of the sand is gradually or evenly changeable. Preferably, a plurality of focusing devices or lenses are arranged in a row. Furthermore, it is advantageous if a metering device is provided which the sand on a heat-resistant, preferably ceramic conveyor applies. By arranging several focusing devices or lenses, the temperature can be increased gradually or uniformly or reduced in a controlled manner in the course of the extraction of raw materials or the transportation of raw materials.
Eine weitere Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe betrifft ein Bewehrungsmaterial, umfassend gesinterten rundkörnigen Sand, wobei Sandkörner als Ausgangsmaterial erfindungsgemäß zu Kornverbünden einer vorgegebenen Größe oder Größenverteilung verbunden sind. A further solution of the object according to the invention relates to a reinforcing material comprising sintered round-grained sand, wherein sand grains are used as starting material according to the invention to form granules of a given size or size distribution.
Besonders vorteilhaft sind last- und/oder geometrieabhängig geformte Kornverbünde, die nach der Erfindung ebenfalls vorgesehen sind. Weiterhin sind dreidimensionale Körper, auch Hohlkörper vorgesehen, die als ein- oder mehrschichtiges Gitter oder Raumgitter mit variablen Gitterparametern vorliegen. Particularly advantageous are load and / or geometry-dependent shaped grain composites, which are also provided according to the invention. Furthermore, three-dimensional bodies, including hollow bodies are provided, which are present as a single-layer or multi-layer grid or space grid with variable lattice parameters.
Die Erfindung entfaltet ihre Vorteile insbesondere, wenn als rundkörniger Sand, der das Ausgangsmaterial für das erfindungsgemäße Verfahren ist, Wüstensand vorgesehen ist. Dadurch ist es als ein weiterer Aspekt der erfindungsgemäßen Lösung möglich, Wüstensand als Zuschlagstoff für ein Bauteil zu verwenden, wobei durch Sintern erlangte Kornverbünde von Wüstensand in ein Matrixmaterial als Zuschlagstoff eingebracht werden. The invention develops its advantages, in particular, when desert sand is provided as round-grained sand, which is the starting material for the process according to the invention. This makes it possible, as a further aspect of the solution according to the invention, to use desert sand as an additive for a component, whereby grain composites obtained by sintering of desert sand are introduced into a matrix material as an additive.
Dem Prinzip der Freiformsinterung folgend, können bestimmte Geometrien des gesinterten Rohstoffes, der Kornverbünde, erzielt werden. Durch den gerichteten Einbau des gesinterten freigeformten Materials kann dessen maßgebender Volumenanteil in die weniger zugbelasteten Bereiche orientiert sein. Die Kornverbünde können auch so geformt sein, dass sie sich im Matrixmaterial gegenseitig stützen und ein großes Volumen ausfüllen, das nicht zusammenfällt. Vor allem wenn ein gerichteter Einbau gesinterter, richtungsorientiert freigeformter Kornverbünde in das Matrixmaterial erfolgt, ist das Ergebnis besonders vorteilhaft. So wird es möglich, dass bei konstantem Volumenverhältnis von Zuschlagstoff und Matrixmaterial die Kornverbünde in die weniger durch Zug belastete Richtung des Bauteils in der Weise orientiert werden. Gleichzeitig ist die Querschnittsverminderung des Matrixmaterials, z. B. Beton, durch den Zuschlagstoff in Zugrichtung geringer als in Druckrichtung. Wenn beispielsweise stabförmige Kornverbünde in den Beton eingebracht werden, weist die Betonmatrix in Längsrichtung der Stäbe bei gleichem Volumen des Zuschlagstoffs von beispielsweise runder Körnung einen größeren Querschnitt auf. In Querrichtung hingegen ist der Querschnitt der Betonmatrix wiederum viel geringer. Deshalb wird die Querrichtung so gewählt, dass dort die Druckbelastung liegt, in Längsrichtung hingegen die Zugbelastung. In Zugrichtung weist Beton eine deutlich geringere Festigkeit auf, was durch ein solcherart geformtes und gerichtet eingebrachtes Zuschlagmaterial zumindest teilweise ausgeglichen werden kann. Die maßgebende Festigkeit des Betons wird durch die Matrix bzw. den Zementstein bestimmt, wobei die Zugfestigkeit nur ein Bruchteil, beispielsweise ca. 10% der Druckfestigkeit entspricht. Gesteinskörnungen werden als sogenannte Füller oder Zuschläge hinzugegeben, um eine optimale Packungsdichte der Gesteinskörnungen zu erreichen und so den Anteil an Zement gering zu halten. Neben den höheren Kosten führt mehr Zement dazu, dass mehr Anmachwasser und damit insgesamt mehr Wasser benötigt wird. Dies bewirkt größere Schwindneigung, Entmischung, Porenbildung etc. Following the principle of freeform sintering, certain geometries of the sintered raw material, the grain composites, can be achieved. Due to the directional installation of the sintered, free-formed material, its decisive volume fraction can be oriented in the regions with less tensile stress. The grain composites may also be shaped to support each other in the matrix material and to fill a large volume that does not collapse. Especially when a directional installation of sintered, directionally oriented free-formed grain composites takes place in the matrix material, the result is particularly advantageous. Thus, it is possible that at a constant volume ratio of aggregate and matrix material, the grain composites are oriented in the less loaded by train direction of the component in the manner. At the same time, the cross-sectional reduction of the matrix material, for. As concrete, by the aggregate in the pulling direction less than in the printing direction. For example, if rod-shaped grain composites in the concrete are introduced, the concrete matrix in the longitudinal direction of the rods at the same volume of the aggregate of, for example, round grain size on a larger cross-section. In the transverse direction, however, the cross-section of the concrete matrix is again much smaller. Therefore, the transverse direction is chosen so that there is the pressure load, in the longitudinal direction, however, the tensile load. In the pulling direction concrete has a much lower strength, which can be at least partially offset by a thus formed and directionally introduced aggregate material. The decisive strength of the concrete is determined by the matrix or cement stone, the tensile strength corresponds to only a fraction, for example about 10% of the compressive strength. Aggregates are added as so-called fillers or aggregates in order to achieve an optimum packing density of the aggregates and thus to minimize the proportion of cement. In addition to the higher costs, more cement means that more mixing water and thus more water is needed. This causes greater shrinkage, segregation, pore formation, etc.
Ziel der Erfindung ist es, den Volumenanteil der Zuschläge belastungs- und bemessungsgerecht so in der Matrix zu orientieren, dass dabei das Verhältnis von Wasser zu Zement zu Zuschlag unverändert bleibt. Für Betone, deren Zementsteinfestigkeit größer ist als die der Gesteinskörnungen (i.A. bei HPC, UHPC), sollten die Gesteinskörnungen eher in Druckrichtung orientiert sein. Bei normalfesten Betonen ist davon auszugehen, dass die Gesteinskörnungen eine höhere Zugfestigkeit aufweisen als die Matrix. Somit können in Zugrichtung orientierte erfindungsgemäße Gesteinskörnungen als Bewehrung verstanden werden. The aim of the invention is to orient the volume fraction of the surcharges in terms of load and dimensioning in the matrix such that the ratio of water to cement to aggregate remains unchanged. For concretes whose cementitious stone strength is greater than that of the aggregates (i.a. for HPC, UHPC), the aggregates should be oriented more in the direction of compression. In the case of normal-strength concretes, it can be assumed that the aggregates have a higher tensile strength than the matrix. Thus, aggregates of the invention oriented in the tensile direction can be understood as reinforcement.
Ein sinnvolles Einsatzgebiet könnten vor allem Bodenplatten, Industriefußböden oder Estriche sein, die für hohe mechanische Beanspruchungen verstärkt sind, ähnlich einer Faserverstärkung. A useful field of application could be, above all, floor slabs, industrial floors or screeds which are reinforced for high mechanical stresses, similar to a fiber reinforcement.
Ebenso vorteilhaft ist es deshalb, wenn die Kornverbünde so geformt sind, dass sich die Elemente des Zuschlagstoffs im Matrixmaterial gegenseitig stützen und damit ein großes Volumen ausfüllen, d.h. sie sinken nicht zu Boden und akkumulieren dort nicht. Dabei können die Matrixmaterialien auch so geformt sein, dass sie spezifische last- und/oder geometrische Eigenschaften aufweisen und mehraxiale Spannungszustände begünstigen oder gemäß den Bemessungen hergestellt werden können. Die wesentlichen Vorteile der Erfindung lassen sich wie folgt beschreiben. Die wesentliche Neuerung ist die Nutzbarmachung von Wüstensand als eine umfangreich vorhandenen Ressource, die bislang auf Grund ihrer ungünstigen Eigenschaften von einer Verwendung als Baustoff ausgeschlossen war. Vorteilhaft ist weiterhin, dass nur durch den punktförmigen bzw. lokalen Energieeintrag Material bedarfsgerecht gesintert wird, was in dieser Größe auch gebraucht wird. Außerdem besteht die Möglichkeit, dass schrittweise immer größere Einheiten des Kornverbunds entstehen. Die Energie zum Sintern wird nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung aus Solarenergie direkt und ohne technisch aufwändige und störanfällige Umwandlung in andere Energieformen erzeugt. It is therefore also advantageous if the grain composites are shaped such that the elements of the additive in the matrix material support one another and thus fill a large volume, ie they do not sink to the bottom and do not accumulate there. In this case, the matrix materials can also be shaped so that they have specific load and / or geometric properties and can promote multiaxial stress states or can be produced according to the dimensions. The main advantages of the invention can be described as follows. The main innovation is the utilization of desert sand as an extensive resource, which was previously excluded due to their unfavorable properties from use as a building material. A further advantage is that material is sintered as needed only by the punctiform or local energy input, which is also needed in this size. In addition, there is the possibility that progressively larger units of the grain composite arise. The energy for sintering is generated according to an advantageous embodiment of the invention from solar energy directly and without technically complex and failure-prone conversion into other forms of energy.
Durch die Erschließung einer neuen Ressource werden bisherige Sandgewinnungsverfahren unrentabel, was besonders positive ökologische Vorteile verspricht. Die Entnahme von Sanden aus Flüssen, Seen und küstennahen Gebieten hat eine starke Erosion der Küsten und Uferbereiche zur Folge. The development of a new resource makes existing sand extraction processes unprofitable, which promises particularly positive environmental benefits. The extraction of sands from rivers, lakes and coastal areas results in severe erosion of coasts and shore areas.
Die Nutzung von Solarenergie vermeidet C02-Emissionen. Neben Wasser und mineralischen Bindemitteln sind Zuschläge im Beton der wesentliche Teil. Mineralische Bindemittel werden seit geraumer Zeit modifiziert, um dem Endprodukt Beton besondere und für den Einzelfall individuell abgestimmte Eigenschaften zu verleihen. Eine gezielte Veränderung der Zuschlageigenschaften eröffnet hier neue Möglichkeiten, die wirtschaftlich von enormem Interesse sind. The use of solar energy avoids C0 2 emissions. In addition to water and mineral binders, aggregates in concrete are the essential part. Mineral binders have been modified for quite some time in order to give concrete concrete properties that are individually tailored to the individual case. A targeted change in aggregate properties opens up new opportunities that are of enormous economic interest.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen: Further details, features and advantages of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 : eine schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sintervorrichtung; Fig. 2: eine schematische Darstellung in Seitenansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen zweifachen Sintervorrichtung; und Fig. 3: eine schematische Darstellung in geschnittener Seitenansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauteils. Fig. 1 zeigt das Funktionsprinzip einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sintervorrichtung 1. Über ein Linsensystem 3, in der dargestellten Ausführungsform eine Fresnel-Linse, wird Sonnenlicht 2 gebündelt und im Brennpunkt 5 fokussiert. In Abhängigkeit von der Einstellung einer Blende 8 kann die Intensität der gebündelten Sonnenstrahlen 4 angepasst werden, wodurch die erreichte Temperatur im Brennpunkt 5 variabel einstellbar ist. 1 shows a schematic perspective view of an embodiment of a sintering device according to the invention; 2 shows a schematic representation in side view of an embodiment of a double sintering device according to the invention; and 3 shows a schematic representation in a sectional side view of an embodiment of a component according to the invention. 1 shows the functional principle of an embodiment of a sintering device 1 according to the invention. Via a lens system 3, in the illustrated embodiment a Fresnel lens, sunlight 2 is focused and focused at the focal point 5. Depending on the setting of a diaphragm 8, the intensity of the bundled sun rays 4 can be adjusted, whereby the temperature reached in the focal point 5 is variably adjustable.
Der Sand 10, Rohsand als Ausgangsmaterial, wird über eine Dosiereinrichtung einer temperaturbeständigen Fördereinrichtung 16, z. B. aus einem Keramikmaterial oder mit einer solchen Beschichtung, die sich in Förderrichtung 16 bewegt, zugeführt. Im Brennpunkt 5 des Linsensystems 3 findet der Sinterprozess (ggf. auch unter Druck) statt. The sand 10, raw sand as the starting material, via a metering device of a temperature-resistant conveyor 16, z. B. from a ceramic material or with such a coating which moves in the conveying direction 16, respectively. At the focal point 5 of the lens system 3, the sintering process takes place (possibly also under pressure).
Im weiteren Verlauf der Fördereinrichtung 16 kühlt der gesinterte Sand 10 ab, aus dem sich ein Kornverbund 1 1 gebildet hat, oder wird alternativ oder zusätzlich aktiv durch eine hier nicht näher ausgeführte und dargestellte Kühlungseinrichtung 7 abgekühlt. In the further course of the conveyor 16, the sintered sand 10 cools from which a grain composite 1 1 has formed, or is alternatively or additionally actively cooled by a not further detailed here and shown cooling device 7.
Fig. 2 zeigt in einer schematischen Darstellung in Seitenansicht eine erfindungsgemäße zweifache Sintervorrichtung, insbesondere auch den Dosier- und Förderprozess bei einem mehrstufigen, hier zweistufigen Verfahren. Gekennzeichnet sind die Bereiche I. und II. für die beiden Prozessstufen. Dabei wechseln Sintervorgang (siehe fokussierte Strahlung 4) und Abkühlvorgang systematisch einander ab, um mehrere Lagen nacheinander zugeführten Sands 10, zugeführt aus den Dosiereinrichtungen 9, miteinander bzw. mit den Kornverbünden 11 der Vorstufe zu in jeder Prozessstufe größer werdenden Kornfraktionen, den Kornverbünden 1 1 , zu kombinieren und zu versintern. 2 shows a schematic side view of a double sintering device according to the invention, in particular also the metering and conveying process in a multi-stage, here two-stage process. The areas I and II are marked for the two process stages. In this case, sintering process (see focused radiation 4) and cooling systematically alternate from one another to several layers successively fed sand 10, fed from the metering devices 9, each other or with the grain composites 11 of the precursor to increasing in each process step grain fractions, the grain assemblies 1 1 to combine and to sinter.
Eine Fördereinrichtung 6 bewegt den Sand 10 relativ zu der fokussierten Strahlung 4. A conveyor 6 moves the sand 10 relative to the focused radiation 4.
Die beim Abkühlen freiwerdende Abwärme kann beispielsweise über Energierückgewinnungsprozesse dem Transportsystem oder der Anlagentechnologie so zugeführt werden, dass das gesamte System energieautark betrieben werden kann. Hier kann auch die ohnehin genutzte Solarenergie zum Einsatz kommen bzw. ist die Anlagentechnologie ganzheitlich auf die Nutzung von Solarenergie eingerichtet. The released during cooling waste heat can be supplied to the transport system or the system technology, for example via energy recovery processes so that the entire system can be operated energy self-sufficient. Here, the already used solar energy can be used or the system technology is holistically set up for the use of solar energy.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauteils 12 in geschnittener Seitenansicht. Das Bauteil 12 umfasst ein Matrixmaterial 13. Dieses besteht aus Zementstein und bedarfsgerecht bzw. bemessungsgerecht orientiertem erfindungsgemäßem Zuschlag. Als Zuschlagstoffe sind gemäß der vorliegenden Erfindung Kornverbünde 11 eingebracht, die in Zugrichtung 15 des späteren Bauteils 12 orientiert sind. 3 shows a schematic illustration of an embodiment of a component 12 according to the invention in a sectional side view. The component 12 comprises a matrix material 13. This consists of cement stone and demand-oriented or appropriately oriented inventive supplement. As aggregates grain composites 11 are introduced according to the present invention, which are oriented in the pulling direction 15 of the later component 12.
Eine besonders vorteilhafte Variante sieht Kornverbünde 1 1 vor, die eine höhere Zugfestigkeit als das Matrixmaterial 13 aufweisen und somit im Sinne einer Faserbewehrung wirksam werden. Hieraus resultiert, in Verbindung mit der gerichteten Einbringung im Matrixmaterial 13, eine erhebliche Steigerung der Zugfestigkeit des Bauteils 12 in Zugrichtung 15. A particularly advantageous variant provides grain composites 1 1, which have a higher tensile strength than the matrix material 13 and thus are effective in terms of fiber reinforcement. This results, in conjunction with the directed introduction in the matrix material 13, a significant increase in the tensile strength of the component 12 in the pulling direction 15.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Sintervorrichtung 1 sintering device
2 Strahlung, Solarstrahlung, Sonnenstrahlen, Sonnenlicht 2 radiation, solar radiation, sun rays, sunlight
3 Fokussiereinrichtung, Linsensystem, Fresnel-Linse3 focusing device, lens system, Fresnel lens
4 fokussierte Strahlung 4 focused radiation
5 Brennpunkt  5 focus
6 Fördereinrichtung, Positioniereinrichtung  6 conveyor, positioning
7 Kühlungseinrichtung  7 cooling device
8 Blende  8 aperture
9 Dosiereinrichtung  9 metering device
10 Sand, Sandkorn, Wüstensand  10 sand, grains of sand, desert sand
1 1 , i r Kornverbund  1 1, i r grain composite
12 Bauteil  12 component
13 Matrixmaterial  13 matrix material
14 Druckrichtung  14 printing direction
15 Zugrichtung  15 pulling direction
16 Förderrichtung  16 conveying direction

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur thermischen Behandlung von Sand, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf zumindest einen Brennpunkt (5) fokussierte Strahlung (4), durch die beim Auftreffen auf einer Oberfläche Wärme entsteht, auf eine Oberfläche einer Schüttung des Sands (10) gerichtet wird, dass die Temperatur des Sands (10) lokal so erhöht wird, dass sich die Kristallgitterstruktur der Si02-Verbindungen ändert und/oder mit Erreichen einer Sintertemperatur Formänderungen und/oder Kornverbünde (1 1) ergeben. Method for the thermal treatment of sand, characterized in that a radiation (4) focused on at least one focal point (5) through which heat is generated when hitting a surface is directed onto a surface of a bed of the sand (10), the temperature of the sand (10) is locally increased so that the crystal lattice structure of the Si0 2 compounds changes and / or results in shape changes and / or grain combinations (1 1) when a sintering temperature is reached.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei auf die Änderung der Kristallgitterstruktur wenigstens eine weitere Verfahrensstufe zum Sintern folgt. 2. The method of claim 1, wherein the change of the crystal lattice structure is followed by at least one further process step for sintering.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei durch Freiformsintern, indem der Brennpunkt (5) in geeigneter Weise auf die Oberfläche der Schüttung des Sands (10) gerichtet wird, Kornverbünde (11) in den vorgesehen Abmessungen entstehen. 3. The method of claim 1 or 2, wherein by free-form sintering, by the focal point (5) is directed in a suitable manner to the surface of the bed of sand (10), grain composites (11) in the dimensions provided.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei durch Formsintern, indem der Brennpunkt (5) in geeigneter Weise auf die in eine temperaturbeständige, oben offene Sinterform eingebrachte Schüttung des Sands (10) gerichtet wird, Kornverbünde (1 1) in den vorgesehen Abmessungen entstehen, so dass ein Formkörper gebildet wird. 4. The method according to claim 1 or 2, wherein by molding sintering by the focal point (5) is directed in a suitable manner to the introduced into a temperature-resistant, open-top sintered bulk of the sand (10), grain composites (1 1) in the dimensions provided arise, so that a shaped body is formed.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei nach dem Sintern eine gezielte und zeitlich kontrollierte Absenkung der Temperatur vorgesehen ist, so dass die Kristallgitterstruktur der Si02-Verbindungen weiter gezielt beeinflusst wird. 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein after sintering a targeted and temporally controlled lowering of the temperature is provided, so that the crystal lattice structure of the Si0 2 compounds is further selectively influenced.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei mittels mehrerer Fokussiereinrichtungen (3), die nacheinander dem Sand (10) an seiner Oberfläche fokussierte Strahlung (4) zuleiten, lokal die Temperatur schrittweise oder gleichmäßig angehoben oder vermindert wird. 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein by means of a plurality of focusing devices (3) successively the sand (10) on its surface focused radiation (4) forward locally the temperature is gradually increased or decreased evenly.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Einrichtung zur Nutzung von Solarenergie, die thermische Energie infolge fokussierter Solarstrahlung (2) verfügbar macht, und ein Linsensystem als Fokussiereinrichtung (3) die Solarstrahlung (2) steuerbar fokussiert, so dass die nutzbare Energiemenge und die Temperatur im Brennpunkt (5) des Linsensystems kontinuierlich einstellbar sind. 7. The method according to any one of the preceding claims, wherein a device for the use of solar energy, the thermal energy due to focused solar radiation (2) makes available, and a lens system as a focusing device (3) the solar radiation (2) controllably focused, so that the usable amount of energy and the temperature at the focal point (5) of the lens system are continuously adjustable.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Steuerung durch eine kontinuierlich wirksame Lamellenblende oder durch eine Anwendung einer Shutter-Technologie, bei der die Dauer der Einwirkung durch wechselweises aufeinanderfolgendes vollständiges Aufblenden und Abblenden des Strahls mit einer vorgegebenen Frequenz verändert wird, erfolgt. 8. The method of claim 7, wherein the control is effected by a continuously effective louver aperture or by an application of a shutter technology in which the duration of the action is changed by alternately successively completely fading and dimming the beam at a predetermined frequency.
9. Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Sand, wobei eine Fokussiereinrichtung (3) für eine Strahlung (2), durch die beim Auftreffen auf einer Oberfläche Wärme entsteht, zum Erzeugen zumindest eines Brennpunkts (5) auf der Oberfläche einer Schüttung Sand (10) vorgesehen ist, wobei eine Einrichtung zur Nutzung von Solarenergie vorgesehen ist, die eine Linse oder ein Linsensystem (3) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Nutzung von Solarenergie die Solarstrahlung in der Weise steuerbar fokussiert, dass die Temperatur im Brennpunkt (5) der Linse oder des Linsensystems (3) kontinuierlich variabel einstellbar ist. 9. A device for the thermal treatment of sand, wherein a focusing device (3) for a radiation (2) through which arises when hitting a surface heat, for generating at least one focal point (5) on the surface of a bed of sand (10) is, wherein a device for the use of solar energy is provided, which comprises a lens or a lens system (3), characterized in that the means for using solar energy, the solar radiation controllably focused in such a way that the temperature at the focal point (5) of the Lens or the lens system (3) is continuously variable adjustable.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei eine Positioniereinrichtung (6) zur kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Relativbewegung zwischen dem Brennpunkt (5) und dem Sand (10) vorgesehen sind. 10. Apparatus according to claim 9, wherein a positioning device (6) for continuous or discontinuous relative movement between the focal point (5) and the sand (10) are provided.
1 1. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei mehrere Linsensysteme (3) vorgesehen und in der Weise angeordnet sind, dass im Verlauf der kontinuierlichen Relativbewegung zwischen dem Brennpunkt (5) und dem Sand (10) die Temperatur des Sands (10) schrittweise oder gleichmäßig veränderbar ist. A device according to claim 10, wherein a plurality of lens systems (3) are provided and arranged in such a manner that, in the course of continuous relative movement between the focal point (5) and the sand (10), the temperature of the sand (10) is gradual or uniform is changeable.
12. Bewehrungsmaterial für das Bauwesen, bestehend aus rundkörnigen Sandkörnern als Ausgangsmaterial, dadurch gekennzeichnet, dass die Sandkörner (10) zu Kornverbünden (11) einer vorgegebenen Größenverteilung durch Sintern verbunden sind. 12. reinforcing material for the construction industry, consisting of round-grained sand grains as starting material, characterized in that the sand grains (10) are connected to grain composites (11) of a predetermined size distribution by sintering.
13. Bewehrungsmaterial nach Anspruch 12, wobei last- und/oder geometrieabhängig geformte Kornverbünde (1 1) vorgesehen sind. 13. Reinforcement material according to claim 12, wherein last- and / or geometrieabhängig shaped grain composites (1 1) are provided.
14. Bewehrungsmaterial nach Anspruch 12 oder 13, wobei als Kornverbünde (1 1) dreidimensionale Körper oder Hohlkörper vorgesehen sind, die als ein- oder mehrschichtiges Gitter oder Raumgitter mit variablen Gitterparametern ausgebildet sind. 14. Reinforcing material according to claim 12 or 13, wherein as grain composites (1 1) three-dimensional body or hollow body are provided, which are formed as a single-layer or multi-layer grid or space grid with variable lattice parameters.
15. Verwendung von Wüstensand als Zuschlagstoff für ein Bauteil (12), dadurch gekennzeichnet, dass durch thermische Behandlung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 oberflächenmodifizierte oder/und durch Sintern erlangte Kornverbünde (11) von Wüstensand (10) in ein Matrixmaterial (13) als Zuschlagstoff eingebracht werden. 15. Use of desert sand as an additive for a component (12), characterized in that by thermal treatment according to one of claims 1 to 8 surface-modified or / and obtained by sintering grain composites (11) of desert sand (10) in a matrix material (13). be introduced as an additive.
16. Verwendung nach Anspruch 15, wobei ein gerichteter Einbau gesinterter, richtungsorientiert freigeformter Kornverbünde (11) in das Matrixmaterial (13) erfolgt, so dass die Kornverbünde (11) lastorientiert und bemessungsgerecht im Bauteil vorliegen. 16. Use according to claim 15, wherein a directed incorporation of sintered, directionally oriented, freely formed grain composites (11) into the matrix material (13), so that the grain composites (11) are load-oriented and dimensioned in the component.
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