WO2017016550A1

WO2017016550A1 - Verfahren und vorrichtung zur thermischen behandlung von sand

Info

Publication number: WO2017016550A1
Application number: PCT/DE2016/100340
Authority: WO
Inventors: Neumann FRANK; Manfred Curbach
Original assignee: Technische Universität Dresden
Priority date: 2015-07-28
Filing date: 2016-07-27
Publication date: 2017-02-02
Also published as: DE102015112282A1; US20180222795A1; EP3328809A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Sintern von Sand. Aufgabe der Erfindung ist es, rundkörnigen und in den Kornfraktionen gleichverteilten Wüstensand für die Nutzung als Baustoff, insbesondere als Zuschlagstoff, durch energiesparendes Sintern nutzbar zu machen. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine Fokussiereinrichtung (3) für wärmeenergiereiche Strahlung (2) zum Erzeugen zumindest eines Brennpunkts (5) auf der Oberfläche einer Schüttung Sand (10) und eine Positioniereinrichtung (6) zur kontinuierlichen Relativbewegung zwischen dem Brennpunkt (5) und dem Sand (10) vorgesehen sind. Die Aufgabe wird auch gelöst durch eine Verwendung von Wüstensand als Zuschlagstoff für ein Bauteil (12), dadurch gekennzeichnet, dass durch Sintern erlangte Kornverbünde (11) von Wüstensand (10) in ein Matrixmaterial (13) als Zuschlagstoff eingebracht werden.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur thermischen Behandlung von 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Ein sinnvolles Einsatzgebiet könnten vor allem Bodenplatten, Industriefußböden oder Estriche sein, die für hohe mechanische Beanspruchungen verstärkt sind, ähnlich einer Faserverstärkung.

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.

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.

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.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:

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.

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.

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.

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.

Eine Fördereinrichtung 6 bewegt den Sand 10 relativ zu der fokussierten Strahlung 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.

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.

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.

Bezugszeichenliste

1 Sintervorrichtung

2 Strahlung, Solarstrahlung, Sonnenstrahlen, Sonnenlicht

3 Fokussiereinrichtung, Linsensystem, Fresnel-Linse

4 fokussierte Strahlung

5 Brennpunkt

6 Fördereinrichtung, Positioniereinrichtung

7 Kühlungseinrichtung

8 Blende

9 Dosiereinrichtung

10 Sand, Sandkorn, Wüstensand

1 1 , i r Kornverbund

12 Bauteil

13 Matrixmaterial

14 Druckrichtung

15 Zugrichtung

16 Förderrichtung

Claims

Patentansprüche

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.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei auf die Änderung der Kristallgitterstruktur wenigstens eine weitere Verfahrensstufe zum Sintern folgt.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei eine Positioniereinrichtung (6) zur kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Relativbewegung zwischen dem Brennpunkt (5) und dem Sand (10) vorgesehen sind.

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.

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.

13. Bewehrungsmaterial nach Anspruch 12, wobei last- und/oder geometrieabhängig geformte Kornverbünde (1 1) vorgesehen sind.

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.

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.

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.