Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Zementvormischer zur Herstellung einer Zementsuspen sion, sowie eine Vorrichtung zur Herstellung einer Betonmischung umfassend einen solchen Zementvormischer und ein Verfahren zur Herstellung einer Zementsuspen sion und/oder einer Beton- oder Mörtelmischung.

Im Bauwesen haben Betonfertigteile aufgrund ihrer witterungsunabhängigen Ferti gung eine sehr große Bedeutung. Die Fertigteile können ganzjährlich in hoher Quali tät produziert werden. Die Herstellung von Beton ist jedoch mit aktuellen Techniken mit einem großen Material- und Energieeinsatz verbunden. Um einen effizienten Prozess zur Herstellung der Fertigteile zu gewährleisten, muss der Beton eine schnelle Festigkeitsentwicklung aufweisen, damit die Umlaufzeit der Herstellung der Fertigteile möglichst geringgehalten wird. Eine schnelle Festigkeitsentwicklung wird typischerweise mit hochreaktiven Portlandzementen und einer Wärmebehandlung der Betone gewährleistet. Hochreaktive Portlandzemente sind jedoch sehr teuer und weisen einen erheblichen C02-Fußabdruck auf. Die zusätzliche Wärmebehandlung von Betonen kann mittels Heißdampf oder Thermoöl direkt in der Schalung oder in Wärmekammern mit Heißluft realisiert werden. Damit werden erhebliche Mengen Brennstoffe verbraucht, welche wiederrum einen hohen C02-Ausstoß verursachen. Zudem wird rund ein Drittel der produzierten Wärme für das Aufwärmen der Stahl schalungen verbraucht und dieser Anteil steht somit ebenfalls nicht zur Beschleuni gung der chemischen Reaktion zur Verfügung. Dieser Problematik wird u.a. durch Weisheit et al.; Möglichkeiten der Wärmerückgewinnung in der Betonfertigteilherstel lung, 2018, ibausil, Weimar, Deutschland, s.1146-1153, Band 1 , ISBN 78-3-00- 059950-7 aufgegriffen und erörtert.

Eine Wärmebehandlung kann außerdem nicht beliebig gesteigert werden, da zu ho he Behandlungstemperaturen vom Beton zu Strukturschäden und zu erheblichen Einbußen in der Dauerhaftigkeit des Betons führen können. Dies wird u.a. durch Stark, Jochen; Wicht, Bernd (2013): Dauerhaftigkeit von Beton. 2., aktualisierte und erw. Aufl. Berlin: Springer Vieweg erläutert Die Verwendung chemischer Beschleuniger ermöglicht eine Steigerung der Druck festigkeit. Die chemischen Beschleuniger können jedoch negativ mit anderen Beton bestandteilen interagieren und sind als Ersatz der Wärmebehandlung ggf. nicht wirt schaftlich. Weiterhin reicht die Druckfestigkeit, welche durch chemische Beschleuni ger erreicht wird, bei niedrigen Temperaturen u. U. nicht aus, um einen schnellen und effizienten Prozess aufrechtzuerhalten.

Die DE 102017206660 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Herstellung einer Beton oder Mörtelmischung direkt in einem Betonmischer unter Einsatz von hochfrequenten Schwingungen. Diese hochfrequenten Schwingungen werden in die Beton- oder Mörtelmischung, welche Zement, Sand, Kies, Splitt, gegebenenfalls weitere Zusatz mittel und Wasser enthält, übertragen.

Die RU2496748C1, RU2533516C1 und beschreiben Verfahren zum Mischen und ultraschallbehandeln von Wasser und oder Zement-Wasser-Mischungen wobei sich diese Verfahren sich in der Wahl der Ultraschall-Parameter und den daraus erwach senden physikalischen Effekten mit Bezug auf die vorliegende Erfindung unterschei den.

In den vorgenannten Dokumenten wird eine Intensität bis 2,5 W/cm ² beschrieben, welche in dem Bereich der sog. stabilen Kavitation führt. Das bedeutet Gas- /Dampfblasen wachsen und oszillieren über viele akustische Zyklen um ihre Positi on. Siehe u.a. Mason, Timothy James; Lorimer, John Phillip (2002): Applied sono- chemistry. The uses of power ultrasound in Chemistry and Processing. Weinheim: Wiley-VCH.

In der vorliegenden Erfindung werden deutlich höhere Intensitäten (25 - 250 W/cm ² ) gewählt, um eine sog. transiente Kavitation zu erzeugen. Dies bedeutet (Gas- /Dampfblasen wachsen im Ultraschallfeld und existieren nur für einige wenige akusti sche Zyklen, bevor sie unter Freisetzung großer Mengen Energie (Wärme + Druck) implodieren und dadurch eine Kavitation erzeugen

Des Weiteren wird in RU2496748C1 , RU2533516C1 eine Erhöhung des Umge bungsdruckes während des Beschallens vorgeschlagen, wohingegen die vorliegende Erfindung bevorzugt bei Umgebungsdruck (1 bar +/- 0.1 bar) arbeitet. Die RU2410237C1 offenbart Intensitäten im Bereich der Erfindungsmeldung 7- 70 ^* 10 ⁴ W/m ² allerdings ohne Angaben von Ultraschall-Amplituden und mit dem Ziel Zement zu dispergieren und/oder aufzumahlen.

Durch die vorliegende Erfindung soll ein Zementvormischer der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art so beschrieben werden, dass dieser Zementvormischer in bestehende Anlagen integrierbar ist und andererseits durch das Verfahren mit dieser Vorrichtung eine schnellere, effizientere und kosten günstige Festigkeitsentwicklung des Betons ermöglicht.

Die vorliegende Erfindung löst die vorgenannte Aufgabe durch das Bereitstellen ei nes Zementvormischers mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , sowie durch das Be reitstellen einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und durch das Bereitstellen eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 16.

Ein erfindungsgemäßer Zementvormischer umfasst einen Behandlungsbehälter mit einem Behandlungsraum, wobei der Behandlungsbehälter eine Seitenwandung und einen Boden aufweist. Er umfasst zudem mindestens ein Rührwerk, welches zumin dest teilweise in den Behandlungsraum hineinragt, wobei das Rührwerk mit einer Welle mit einer Drehachse verbunden ist. Zudem umfasst der Zementvormischer mindestens eine Ultraschallsonde, welche zumindest teilweise in den Behandlungs raum hineinragt. Schließlich umfasst der Zementvormischer mindestens einem Ultra schallschwinger, z.B. ein Piezoelement, welcher die mindestens eine Ultraschallson de mit Ultraschall beaufschlagt.

Die Ultraschallsonde ist insbesondere als Sonotrode ausgebildet und arbeitet bevor zugt in folgendem Bereich (Werte beziehen sich auf T=25°C und Normaldruck):

• Intensität des von der Ultraschallsonde emittierten Ultraschalls: 25-250 W/cm ²

Wenn Ultraschall in ein Medium eingebracht wird, werden die Partikel und das Medi um in Schwingung versetzt. Diese Schwingung überträgt kinetische Energie der Ult raschallwelle. Die Intensität (I) entspricht dabei der Leistung z.B. Watt die pro Fläche transportiert wird. Die Einheit ist Leistung pro Fläche (z.B. W/cm ² )

Amplitude des von der Ultraschallsonde emittierten Ultraschalls: 15-500 pm. Die Amplitude (u) beschreibt die Auslenkung der Ultraschallwelle (z.B. in pm) Bei gleichbleibender Frequenz führen höhere Amplituden zu einer Erhöhung der Intensi tät. Je größer die Amplitude ist, desto größer sind die Druckunterschiede während Hochdruck- und Niederdruckzyklen.

• Frequenz des von der Ultraschallsonde ausgesandten Ultraschalls: bevorzugt 10-30 kHz

Die Frequenz (f) beschreibt die Rate der Schwingungen an der Spitze der Ultra schallsonde. Da die Bildung, das Wachstum und die Implosion von Dampfblasen ein zeitabhängiger Prozess ist, führen höhere Frequenzen zu kleineren Kavitationsbla sen.

Spezifischer Energieeintrag (ins Medium - Wasser): bevorzugt 25-250 Ws/ml

Eine Ermittlung der vorgenannten Werte kann beispielsweise in Wasser elektroakus- tisch mittels eines Hydrophons erfolgen.

Der erfindungsgemäße Zementvormischer weist zumindest eine erste Einführöffnung für die Zuführung von Zement auf und einen Ablauf zur Strömungszuleitung einer vom Zementvormischer bereitgestellten Zementsuspension in eine Betonmischvor richtung bzw. in einen Betonmischer.

Im Weiteren kann der erfindungsgemäße Zementvormischer eine Steuer- und/oder Regelvorrichtung aufweisen, welche ausgerüstet ist, zum Einstellen des Betriebs des Zementvormischers im o.g. Betriebsbereich.

Die Seitenwandung und der Boden schließen den Behandlungsraum seitlich und nach unten ab. Die Seitenwandung verläuft insbesondere entlang der Drehachse des Rührwerks. Ein Deckel kann den Behandlungsraum zumindest teilweise nach oben hin schließen.

Durch die Einführöffnung kann neben der Zuführung von Zement auch Wasser zuge führt werden. Alternativ kann Wasser über eine weitere Zuführleitung durch eine wei tere Einführöffnung erfolgen. Der Ablauf kann vorzugsweise eine Ablauföffnung aufweisen. Diese ist vorzugsweise im Boden des Behandlungsbehälters angeordnet. Der Ablauf kann beispielsweise als Ablaufrohr mit endständigem Flanschanschluss ausgebildet sein. Auch ein Fall schacht ist als Ablauf denkbar.

Der Ablauf weist eine Regelvorrichtung, beispielsweise eine Dosiervorrichtung, ins besondere ein Dosierventil auf, mittels welcher eine Regelung der Zulaufmenge an Zementsuspension in den Betonmischer erfolgen kann. Alternativ zu einem Ventil kann auch eine regelbare Klappe oder eine Schleuse vorgesehen sein.

Ebenso kann der Zulauf eine Regelvorrichtung zur Regelung der Zulaufmenge an Zement und/oder Wasser und/oder weiterer Zusatzmittel in den Behandlungsbehäl ter. Es kann sich z.B. um ein Feststoffventil handeln oder um eine regelbare Fest stoffklappe. Wird das Wasser und/oder die weiteren Zusatzmittel durch gesonderte Zuläufe, z.B. Zulaufleitungen, in den Behandlungsbehälter zugeführt, so können die se auch jeweils eine gesonderte Regelvorrichtung aufweisen.

Im Zementvormischer kann das Rührwerk über die Welle mit einer Antriebseinheit gekoppelt sein und sich innerhalb des Behandlungsraums durch Rotation bewegen.

Der Ultraschallschwinger kann einen Regler zur Einstellung einer Amplitude der Schwingungen umfassen. Der Verstärker und die mittels diesem Verstärker vor nehmbare Einstellung der Amplitude sowie die sich daraus ergebende Intensität der Ultraschallschwingungen ermöglicht eine einfache Anpassung der Schwingungen an unterschiedliche Erfordernisse bei der Fierstellung verschiedener Zementsuspensio nen. Diese Einstellung und das Zeitintervall der Ultraschallbehandlung entspricht ei nem Energieeintrag, welcher auf das Volumen der Zementsuspension angepasst werden kann.

In einer weiteren Ausführungsform des Zementvormischers weist der Zementvormi scher eine mechanische Schnittstelle, vorzugsweise einen Flansch auf, über welchen er, vorzugsweise mediumsdicht, mit dem Betonmischer verbunden werden kann.

Dazu kann der Betonmischer einen Gegenflansch aufweisen, um diesen lösbar mit dem Flansch vom Zementvormischer als eine Flanschverbindung zu verbinden. In diesem Fall kann ein Ablaufrohr im Boden des Behandlungsbehälters zur Überfüh- rung der erzeugten Zementsuspension beispielsweise in einen Beton- oder Mörtel mischer anwesend sein.

In einer weiteren Ausführungsform des Zementvormischers ragt die mindestens eine Ultraschallsonde durch die Seitenwandung des Behandlungsbehälters zumindest teilweise in den Behandlungsraum hinein.

In einer weiteren Ausführungsform des Zementvormischers weist der Behandlungs behälter eine achsensymmetrische, vorzugsweise rotationssymmetrische Seiten wandung auf, wobei die Symmetrieachse der Seitenwandung vorzugsweise parallel zur Drehachse des Rührwerks verläuft.

Im Fall einer rotationssymmetrischen Seitenwandung weist diese eine weitestgehend zylindrische Form auf. Dabei können die Symmetrieachse und die Drehachse koinzi- dieren.

In einer weiteren Ausführungsform des Zementvormischers weist die Seitenwandung in der Hälfte zum Boden hin eine Ausweitung auf, welche um den gesamten Umfang der Seitenwandung konzentrisch zur Drehachse verläuft. Die Ausweitung verläuft von der Drehachse weg.

Die Ultraschallsonden sind in einer weiteren Ausführungsform in der Seitenwandung im Bereich der Ausweitung angeordnet.

In einer weiteren Ausführungsform des Zementvormischers ragen mindestens zwei Ultraschallsonden, bevorzugt drei oder vier Ultraschallsonden, mit gleichem Winkel zueinander um die Symmetrieachse der Seitenwandung verteilt in den Behandlungs raum hinein.

In einer weiteren Ausführungsform des Zementvormischers hat mindestens eine Ult raschallsonde eine Längsachse und die Längsachse ist mit einem Winkel von 50° bis 70°, insbesondere von 55° bis 65° zur Symmetrieachse der Seitenwandung des Be handlungsbehälters angeordnet und in Richtung des Bodens des Behandlungsbehäl ters ausgerichtet.

Dabei weist die Ultraschallsonde ein Ende im Innern des Behandlungsraums auf, welches in Richtung Boden des Behandlungsbehälters ausgerichtet ist. In einer weiteren Ausführungsform des Zementvormischers ist das Rührwerk derart angeordnet, dass im Betrieb der Einzug von Feststoff im Zentrum des Behandlungs raums erfolgt.

Das Zentrum des Zementvormischers befindet sich um die Welle des Rührwerks herum. Durch das Drehen der Welle mit den angebrachten Rührwerkzeugen, kommt es zu einer sogenannten Trombenbildung. Diese gebildete Trombe befördert das Material nach im Zentrum bzw. im Bereich der Längsachse der Vorrichtung nach un ten zu den Rührorganen und lässt es entlang des Randes des Zementvormischers wieder aufsteigen.

So kann man eine Strömung im Medium erreichen, wobei die Zementsuspension wieder und wieder an den Sonotroden vorbeigeführt wird. Die Größe der Trombe wird von der Drehzahl und dem Rührwerksdurchmesser bestimmt, kann der Dimen sionierung des Zementvormischers angepasst werden.

In einerweiteren Ausführungsform des Zementvormischers kann dieser eine Steuer- und/oder Auswerteeinheit aufweisen, zur Steuerung des Rührwerks derart, dass der Betrieb bei Drehzahlen von 200 Umdrehungen pro Minute bis 300 Umdrehungen pro Minute erfolgt.

Das Rührwerk kann, um eine gute Homogenisierung der Zementsuspension zu ge währleisten, in einem Arbeitsbereich von 200 Umdrehungen pro Minute bis 300 Um drehungen pro Minute arbeiten.

In einer weiteren Ausführungsform des Zementvormischers ist das Rührwerk derart ausgestaltet, dass das Rührwerk im Betrieb eine Beförderung der Zementsuspension zum Boden und wieder hinauf des Behandlungsraums bewirkt.

Hierfür weist das Rührwerk eine Neigung der Rührblätter bzw. Propeller um 50-55°, vorzugsweise um 52-54° auf, um den Auf- und Abwärtsstrom zu begünstigen

In einer weiteren Ausführungsform des Zementvormischers weist der Zementvormi- scher einen Sensor zum Erfassen des Füllstands des Zementvormischers aufweist. Die Füllstandsmessung kann beispielsweise per Radarwellen oder Ultraschallwellen erfolgen. In einer weiteren Ausführungsform des Zementvormischers ist die Steuer- und/oder Auswerteeinheit ausgelegt zur Steuerung der Rührgeschwindigkeit des Rührwerks und/oder zur Steuerung des Ultraschallschwingers, vorzugsweise des Energieein trags des Ultraschallschwingers, in Abhängigkeit vom ermittelten Füllstand.

Dabei kann die Steuer- und/oder Auswertevorrichtung insbesondere den spezifi schen Energieeintrag pro Volumeneinheit der Zementsuspension steuern oder erfas sen. Dieser Energieeintrag kann aber auch berechnet werden.

Die Steuer- und/oder Auswertevorrichtung kann zudem in einer weiteren Ausfüh rungsform auch den Zulauf des Zements, des Wassers und gegebenenfalls der Zu satzmittel steuern. Der Zulauf von Wasser kann beispielsweise über den Stand der Füllstandsmessung im Behandlungsbehälter erfolgen.

Die Steuer- und/oder Auswertevorrichtung kann in einer weiteren Ausführungsform ebenfalls den Ablauf der Zementsuspension steuern, beispielsweise in Abhängigkeit des Energieeintrags pro Volumeneinheit der Zementsuspension.

Die Erfindung umfasst ebenfalls eine Vorrichtung zur Fierstellung einer Betonmi schung umfassend einen Betonmischer und einen erfindungsgemäßen Zementvor- mischer.

Dabei kann der Zementvormischer strömungsmechanisch, vorzugsweise durch eine Flanschverbindung zwischen einem Ablauf des Zementvormischers und einem Zu lauf des Betonmischers, mit dem Betonmischer verbunden sein.

Die Verbindung kann mechanisch erfolgen, wobei beispielsweise über die Passung der Rohre die Verbindung gewährleistet wird.

In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung weist die Vorrichtung zumindest eines der folgenden Elemente auf: einen ersten Zementbehälter, einen zweiten Ze mentbehälter, einen Wassertank und/oder einen Zusatzmittelbehälter aufweist, wobei der Zulauf als ein Zulaufrohr oder Zulaufschacht ausgebildet ist, welcher lös bar, vorzugsweise mittels einer Flanschverbindung, mit zumindest einem ersten Ze mentbehälter und/oder einem Wassertank und/oder einem Zusatzbehälter der Vor richtung verbunden ist. In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung umfasst die Vorrichtung eine Do siervorrichtung zwischen dem Zementvormischer und dem Betonmischer, welche die Dosierung der Zementsuspension in Abhängigkeit von der zugeführten Menge an Sand, Kies oder Splitt regelt.

Die Menge an zugeführtem Sand, Kies oder Splitt (Gesteinskörnung) kann senso risch erfasst werden oder über die Zulaufzeit bei geöffnetem Ventil. Auch ein Men gendurchflusssensor oder ein Wägeband kann die entsprechende Menge an Ge steinskörnung erfassen.

Die Dosiervorrichtung befindet sich zwischen dem Ablauf des Zementvormischers und dem Zulauf des Betonmischers.

Der Betonmischer kann zudem ebenfalls mit Ultraschallsonden versehen sein, wel che Ultraschallschwingungen in die Beton- oder Mörtelmischung einbringen können.

Der Erfindung liegt ebenfalls ein Verfahren zum Bereitstellen einer Zementsuspensi on zugrunde, welches zumindest die folgenden Schritte aufweist:

- Bereitstellen von Zement, Wasser und gegebenenfalls zumindest einem Zusatzmittel in einen mit einem Behandlungsraum aufweisenden Behand lungsbehälter,

- Mischen mittels mindestens einem zumindest teilweise in den Behand lungsraum hineinragendem Rührwerk zur Erzeugung einer Zementsus pension,

- Übertragen von Ultraschallschwingungen mittels mindestens einer zumin dest teilweise in den Behandlungsraum hineinragenden Ultraschallsonde auf die Zementsuspension

- Ableiten der Zementsuspension über einen Ablauf zur Weiterverarbeitung, insbesondere in einen Betonmischer.

Die Zugabe von Zusatzmittel ist optional. Bei der Bereitstellung der Zementsuspensi on kann auf Zusatzmittel verzichtet werden, in welchem Fall lediglich Zement und Wasser bereitgestellt werden. Insbesondere werden im Verfahren zur Herstellung einer Zementsuspension Ze ment, Wasser und gegebenenfalls Zusatzmittel in einem erfindungsgemäßen Ze- mentvormischer suspendiert.

Insbesondere enthält die Zementsuspension

- von 50 Gew. Teile bis 80 Gew. Teile Zement

- von 20 Gew. Teile bis 40 Gew. Teile Wasser

- von 0 bis 10 Gew. Teile Zusatzmittel bezogen auf die Gesamtmasse der Zementsuspension, wobei sich alle Komponen ten in der Zementsuspension auf 100 Gew. Teile aufaddieren.

Die vorgenannten Zusatzmittel sind als Betonzusatzmittel zu verstehen. Dies sind flüssige, pulverförmige oder granulatartige Stoffe, die dem Beton während des Mi schens in kleinen Mengen, bezogen auf den Zementgehalt, zugegeben werden. Sie beeinflussen durch chemische und/oder physikalische Wirkung die Eigenschaften des Frisch- oder Festbetons. In Beton nach DIN EN 206-1 /DIN 1045-2 (in der aktuel len Variante zum Zeitpunkt 07/2019) dürfen nur Betonzusatzmittel nach DIN EN 934- 2 (in der aktuellen Variante) oder Betonzusatzmittel mit allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassung verwendet werden. Gesteinskörnungen werden allgemein nicht als Beton zusatzmittel verstanden.

Insbesondere wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren das Rührwerk mit einer Drehzahl von 50 Umdrehungen pro Minute bis 500 Umdrehungen pro Minute betrie ben.

Die Ultraschallsonden übertragen insbesondere Ultraschall im Frequenzbereich von 16 kHz bis 30 kHz, insbesondere im Frequenzbereich von 18 kHz bis 22 kHz in die Zementsuspension, mit einer Intensität im Bereich von 5 W/cm ² bis 100 W/cm ² .

Das Herstellen des Betons oder des Mörtels erfolgt insbesondere unter Verwendung von einer Kombination des erfindungsgemäßen Zementvormischers mit einem Be tonmischer.

Das Verfahren kann entweder im Batch-Prozess oder im kontinuierlichen Verfahren betrieben werden. Im Batch-Prozess werden die Bestandteile in den Behandlungs behälter gegeben, unter Ultraschall und durch Rühren zu einer aktivierten Ze mentsuspension vermengt und anschließend beispielsweise in einen Betonmischer überführt. Im kontinuierlichen Verfahren werden die Bestandteile kontinuierlich in den Behandlungsbehälter gegeben und das Verfahren so betrieben, dass die aktivierte Zementsuspension kontinuierlich aus dem Zementvormischer abgezogen werden kann und beispielsweise in den Betonmischer überführt werden kann.

Der erfindungsgemäße Zementvormischer ermöglicht es, eine besonders effiziente Homogenisierung und eine physikalische und chemische Aktivierung des Bindemit tels Zement. Da die Ultraschallbehandlung sich im Zementvormischer auf die Kom ponenten Zement, Wasser und gegebenenfalls Zusatzmittel beschränkt, kann die durch hochfrequente Ultraschallschwingungen erzeugte Energie direkt zur Aktivie rung des Bindemittels Zement verwendet werden. Dies ermöglicht eine deutlich ver besserte Nutzung der eingetragenen Energie im Vergleich zur Verwendung von Ult raschallschwingungen auf ein Gemisch von Zement, Wasser, Zusatzstoffe und che misch inaktivem Sand, Kies oder Splitt. Der reaktive Teil des Betons, Zement und Wasser, bildet lediglich 20- 35% des Betons, der chemisch inaktive Teil Sand, Kies und Splitt den restlichen Anteil. Daher wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Energie für einen viel kleineren Anteil an Stoffen aufgewendet und wird daher viel effizienter genutzt. Zudem ermöglicht die Erzeugung der Zementsuspension im Ze mentvormischer das Erreichen eines deutlich besseren Durchmischungsgrads im Vergleich zu herkömmlichen Methoden.

Durch die bessere Aktivierung des reaktiven Teils des Betons und Homogenisierung der Zementsuspension im Zementvormischer kann eine deutliche Reduzierung des Zementgehalts erreicht werden. Weiterhin kann die Wärmebehandlungsdauer dras tisch reduziert werden. Für diverse Anwendungen kann gänzlich auf die Wärmebe handlung verzichtet werden.

Zudem werden durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Zementvormischers die Betonhärtung beschleunigt und die Verarbeitbarkeit (Verarbeitungseigenschaf ten) des Betons verbessert.

Der erfindungsgemäße Zementvormischer hat zudem den Vorteil, sehr einfach und kosteneffizient in eine bestehende Betonmischanlage als Zusatzmodul ohne großen Aufwand integriert werden zu können. Die Anordnung der Einführöffnung für die Zu führung von Zement (von Zementwaage) und gegebenenfalls Wasser sowie der Ab lauf zur Strömungszuleitung für den Ablauf der fertigen Zementsuspension ist be- sonders geeignet für eine solche Integration. Die mechanische Schnittstelle, vor zugsweise ein Flansch, verbessert noch die effiziente Integration.

Durch die Verwendung der Füllstandsmessung kann die Zulaufmenge an Zement und / oder Wasser über die Änderung des Füllpegels bestimmt werden.

Besonders vorteilhaft erweist sich die Kombination der Verwendung der Ultraschall sonden mit dem Rührwerk. Zement und Wasser benötigen zum vollständigen Auf schließen deutlich höhere Mischintensitäten als die Gesteinskörnung des Betons. Daher zeigte sich ein synergistisches Zusammenwirken des Rührwerks mit den Ult raschallschwingungen zur Erzeugung einer aktivierten Zementsuspension.

Das erfindungsgemäße Rührwerk ermöglicht, insbesondere in Kombination mit dem Einbringen der Ultraschallenergie, eine relativ niedrige Drehzahl zur Erzeugung einer homogenen Suspension. Dies führt zu einem niedrigeren Stromverbrauch sowie zu einem reduzierten Verschleiß des Rührwerks.

Die vorliegende Erfindung kann, wie der vorangehenden Beschreibung zu entneh men ist, für diverse Anwendungen im Bereich der Beton- und Mörtelherstellung ver wendet werden. Demzufolge eröffnet die vorliegende Erfindung vielfältige Einsatz- und Verwendungsmöglichkeiten, so etwa in der Fierstellung von Betonfertigteilen.

Die hier genannten und beschriebenen Varianten und Merkmale können ebenfalls in Kombination zweier oder mehrerer Varianten oder Merkmale untereinander durchge führt werden und diese Kombinationen werden von der vorliegenden Erfindung eben falls umfasst, gegeben solche Kombinationen sind nicht gegenseitig inkonsistent.

Nachfolgend wird nun ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beiliegen den Zeichnung näher beschrieben.

Darin zeigt Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels des Zementvormischers gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1 ;

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Betonherstellung nach herkömmli chem Verfahren; und Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Betonherstellung nach einer Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung.

Für die gesamte weitere Beschreibung gilt folgende Festlegung: Sind in einer Figur zum Zweck zeichnerischer Eindeutigkeit Bezugsziffern enthalten, aber im unmittelbar zugehörigen Beschreibungstext nicht erläutert, so wird auf deren Erwähnung in vo rangehenden Figurenbeschreibungen Bezug genommen.

Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, umfasst der Zementvormischer 1 einen Behandlungs behälter 2, welcher einen Behandlungsraum 20 hat. Der Behandlungsraum 20 ist seitlich durch eine rotationssymmetrische Seitenwandung 21 abgegrenzt und nach unten hin durch einen Boden 22. Nach oben hin ist der Behandlungsraum durch ei nen Deckel 24 geschlossen. Ein Rührwerk 3 mit einer Welle 30 ragt in den Behand lungsraum 20 hinein, wobei die Welle durch eine Öffnung im Deckel 24 in den Be handlungsraum hineinragt.

In dieser Ausführungsform weist die Seitenwandung 21 in der unteren Hälfte eine Ausweitung 25 nach außen auf. In diesem Bereich sind vier Ultraschallsonden 4 an gebracht.

Das Rührwerk 3 weist in dieser Ausführungsform zwei Agitatoren (3.1 , 3.2) auf, wel che an der Welle 30 befestigt sind. Die Rührblätter der Agitatoren (3.1 , 3.2) sind der art beabstandet, dass sie die Ultraschallsonden 4 nicht berühren. Die Welle 30 wird über die Drehscheibe durch einen externen Antrieb 5 in eine Drehbewegung ver setzt.

Die Welle hat eine Drehachse 31 , welche mit der Symmetrieachse 23 der Seiten wandung 21 koinzidiert. Die Ausweitung 25 ist konzentrisch zur Symmetrieachse 23 nach außen (von der Symmetrieachse 23 weg) angeordnet.

Seitlich sind mit einem Winkel von 60° zur vertikalen Symmetrieachse 23 der Sei tenwandlung 21 die Ultraschallsonden 4 angeordnet, welche nach unten hin zum Boden 22 gerichtet sind.

Eine Steuer- und/oder Auswerteeinheit 9 erfasst in dieser Ausführungsform die Pa rameter Füllstand, Energieeintrag durch die Ultraschallsonden und zugegebene Wassermenge durch den Wassermengenmesser 64. Sie steuert den Antrieb 5 für das Rührwerk 3 (Einstellen der Umdrehungszahl des Rührwerks 3), die Ultraschall schwinger 42 in Amplitude und Frequenz des Ultraschalls (dabei wird der Energieein trag durch die Steuer- und/oder Auswerteeinheit 9 ermittelt), das Feststoffventil 61 , das Wassersteuerventil, sowie den Ablauf der Suspension über das Dosierventil 71 .

Weiterhin befindet sich im Deckel 24 eine Einführöffnung 60, in welche eine Rohrlei tung 6 für den Zulauf von Feststoff hineinragt. Dieser wird über das Feststoffventil 61 gesteuert. In dieser Ausführungsform wird Zement beigefügt und die Zugabe des Zements über das Feststoffventil 61 gesteuert. Durch die Seitenwandung 21 ist eine Wassereinführleitung 62 für Wasser angeordnet. So kann über das Wassersteuer ventil 63 Wasser zur Erzeugung der Zementsuspension beigefügt werden. Die Men ge Wasser, welche zugegeben wird, wird in dieser Ausführungsform durch den Was sermengenmesser 64 bestimmt.

Der Füllstandssensor 8 ermittelt den Füllstand innerhalb des Behandlungsraums 20. Diese Füllstandsmessung kann beispielsweise durch die Steuer- und/oder Auswer teeinheit als Grundlage verwendet werden, um die Zugabe von Wasser zu steuern.

Im Boden 22 des Behandlungsbehälters 2 befindet sich ein Ablauf 70 für die Strö mungszuleitung 7 zur Ableitung der fertigen Zementsuspension zum Betonmischer. Die Ableitung der Zementsuspension wird in Abhängigkeit vom spezifischen Ener gieeintrag pro Volumeneinheit über die Dosiervorrichtung 71 geregelt. Die Ablauflei tung 7 ist mit einem Flansch 72 versehen, mit welchem die Ablaufleitung 7 schnell und unkompliziert mit einem Betonmischer verbunden werden kann.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht der Ausführungsform aus Fig. 1 , wobei hier die Anord nung der vier Ultraschallsonden 4 mit einem Winkel von 90° zueinander in der Sei tenwandung 21 besonders sichtbar wird. Der Blick in den Behandlungsraum 20 zeigt, dass die Ultraschallsonden 4 zur Symmetrieachse 23 der Seitenwandung 21 gerich tet sind.

Ein Flansch kann mittels Befestigungslöcher mit dem Antrieb gekoppelt werden um den Antrieb der Welle 30 und damit des Rührwerks 3.1 und 3.2 zu ermöglichen.

Fig. 3 zeigt schematisch das Verfahren nach herkömmlicher Methode. Dabei werden in einem Betonmischer 100 Wasser aus dem Wasserzulauf 200 eingefüllt, sowie Zu- satzmittel aus dem Zusatzmittelbehälter 300, Zement aus dem ersten oder zweiten Zementbehälter 400 und 500 und Gesteinskörnung (Sand, Kies und / oder Splitt) aus den entsprechenden Behälter 600, 700 und 800 eingefüllt. Die Komponenten werden direkt im Betonmischer gemischt um eine Betonmischung zu erhalten.

Im Unterschied zu dieser herkömmlichen Fahrweise wird im erfindungsgemäßen Verfahren, welcher schematisch nach einer Ausführungsform in Fig. 4 gezeigt ist, separat eine Zementsuspension im Zementvormischer 1 erzeugt. Dabei werden Wasser aus dem Wasserzulauf 200 und Zement aus den Zementbehälter 400 und/oder 500 sowie gegebenenfalls Zusatzmittel aus dem Zusatzmittelbehälter 300 im Zementvormischer zu einer Zementsuspension verarbeitet. Diese Zementsuspen sion wird dann aus dem Zementvormischer 1 in den Betonmischer 100 überführt. Im Betonmischer wird dann unter Zugabe der Gesteinskörnung aus den entsprechen den Behälter 600, 700 und 800 die Betonmischung erzeugt, welche dann weiterver- arbeitet werden kann.

Die Kombination aus dem Zementvormischer 1 und dem Betonmischer 100 bildet die Vorrichtung 1000 zur Fierstellung einer Betonmischung. Dabei kann die Zubereitung der aktivierten Zementsuspension entweder im Batch- Prozess oder im kontinuierlichen Verfahren betrieben werden.

Beispiel

Ein Beton wurde nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Ze mentsuspension hergestellt.

Ein erfindungsgemäßer Zementvormischer im Labormaßstab wie in Fig. 1 gezeigt mit einem Durchmesser von 400 mm bis zu 493 mm an der breitesten Stelle und einer Gesamthöhe von 550mm ist mit 4 Ultraschallsonden (Sonotroden) mit 90° Winkel zueinander um die Symmetrieachse des Behandlungsbehälters verteilt.

Im Behandlungsraum befinden sich 45 kg Zement, 20 Liter Wasser und 0,5 kg Fließmittel (Zusatzmittel).

Das Rührwerk wird mit einer Umdrehungszahl von 250 Umdrehungen pro Minute betrieben. Schwingungen werden im niedrigen Ultraschallbereich von 20 kHz über die Sonotroden in den Behandlungsraum geleitet.

Durch den Einsatz der Ultraschallbehandlung und des Mischwerkzeugs wird eine schnelle und effiziente Homogenisierung der Zementsuspension innerhalb von weni ger als 180 Sekunden erreicht.

Die so hergestellte Zementsuspension wird in ein Betonmischer überführt. Hier wer den 225 kg Gesteinskörnung hinzugefügt und der Beton gemischt.

Die Fließfähigkeit dieses Betons ist deutlich erhöht im Vergleich zu herkömmlichen Herstellmethoden und die Frühfestigkeit erheblich verbessert. Dies führt gerade bei der Herstellung von Betonfertigteilen zu entscheidenden Vorteilen und Fertigteile besserer Qualität, welche in kürzerer Zeit hergestellt werden können. Bezugszeichenliste

1 Zementvormischer

2 Behandlungsbehälter

20 Behandlungsraum

21 Seitenwandung

22 Boden

23 Symmetrieachse

24 Deckel

25 Ausweitung der Seitenwandung

3 Rührwerk

3.1 erster Agitator

3.2 zweiter Agitator

30 Welle

31 Drehachse

32 Antriebsscheibe

33 Befestigungslöcher

4 Ultraschallsonde (Sonotrode)

41 Längsachse der Ultraschallsonde

42 Ultraschallschwinger

5 Antrieb

6 Zulauf (Feststoffzulauf für Zement)

60 Einführöffnung

61 Feststoffventil

62 Einführleitung für Wasser

63 Wassersteuerventil

64 Wassermengenmesser

7 Strömungszuleitung

70 Ablauf

71 Dosiervorrichtung

72 Flansch

8 Füllstandssensor für den Füllstand im Zementvormischer

9 Steuer- und/oder Auswerteeinheit

100 Betonmischer 200 Wasserzulauf 300 Zusatzmittelbehälter 400 Zementbehälter 500 zweiter Zementbehälter 600 Sandbehälter

700 Kiesbehälter 800 Splittbehälter

1000 Vorrichtung