Beschreibung Verfahren zum Herstellen von Betonmischunq

Gegenstand der Erfindung sind Verfahren zum Herstellen von Betonmischung durch Dosieren und Mischen der Mischkomponenten.

Es ist ein Verfahren zum Herstellen von Betonmischung durch Dosieren und Mischen der Mischkomponenten in einem Mischer, bis die Betonmischung homogen wird, mit nachfolgendem Einbringen der homogenen Betonmischung in einen Fahrzeugmischer, in dem während der Transportieren zur Baustelle gleichzeitig, um das Enthomogenisieren zu vermeiden, weiter gemischt wird, bekannt. Die Nachteile des erwähnten Verfahrens sind folgende: 1. Sehr lange Mischzeit mit dem daraus resultierenden hohen Energieaufwand. 2. Beim Herstellen der hochleistungsfähigen Betonmischung für Betone mit hoher Festigkeit ist notwendig, Zemente mit hoher Feinheit (bis 6000 cm ² /g nach Blaine) einzusetzen, was ebenfalls einen noch deutlich höheren Energiebedarf für das Mahlen von Zement und Betonmischen erfordert. Durch die Druckschrift „Beton" Nr. 12, 2005, S. 614-617 ist ein Verfahren für die Herstellung der selbst verdichtenden Betone bekannt, bei dem die Fließfähigkeit der Betonmischung durch Verwendung der hochwirksamen Fließmitteln, durch hohen Anteil von feindispersen Bestandteilen (Zement + Füller) und durch noch längere Mischzeit im Schnitt bis ca. 4 Minuten erreicht wird. Aufgrund der in Bezug auf den Mehlkorngehalt geringen Wassergehalte und hohen Zusatzmitteldosierungen wird bei der Herstellung der selbst verdichteten Betone mehr Energie benötigt. Dies verringert die Kapazität der Mischanlagen und erhöht den Energieverbrauch.

Es ist ein Verfahren bekannt, das die Kapazität des Betonwerks durch Verwendung eines „hybriden" Mischvorganges ermöglicht zu steigern. (Drucksschrift „Beton" Nr. 12, 2005, S.617). Sinn des „hybriden" Mischvorganges besteht in einem stufenweißen Verfahren durch Vormischen und Endmischen. Beim Vormischen in der Mischanlage werden alle Mischkomponenten nur kurz (bis 30 s.) vorgemischt. Nachher wird die Mischung in den Fahrzeugmischer verladen, wo die abschließende

Endmischung bei niedriger Mischintensität erfolgt. Die Nachteile des „hybriden" Mischvorganges bestehen darin, dass die Kapazität der Mischanlagen trotzdem niedrig und der Energieverbrauch noch zu hoch bleibt. Die Ursache liegt daran, dass beim Vormischen alle Mischkomponenten, wie die feine (Sand, Füller, Zement), so auch die grobe ( Kies, Splitt), auf die der größte Massenanteil (mehr als 60 %) der gesamten Mischkomponenten ankommt, in der Mischanlage gemischt werden. Beim Herstellen der hochleistungsfähigen Betonmischung für Betone mit hoher Festigkeit ist außerdem notwendig, Zemente mit hoher Feinheit (bis 6000 cm ² /g nach Blaine) einzusetzen, was ebenfalls einen noch deutlich höheren Energiebedarf für das Mahlen von Zement und Betonmischen erfordert.

Die bekannten Verfahrensweisen sind dadurch nachteilig, dass der Energieaufwand für das Mischen der Betonkomponenten noch zu groß und dadurch die Durchsatzleistung der Mischanlage noch zu niedrig ist. Die Leistungsfähigkeiten der nach den bekannten Verfahren hergestellten Betonmischung und als Folge die bautechnischen Eigenschaften von Beton, wie Festigkeit, bleiben beim Einsatz der groben Zemente niedrig. Durch die hohe Mischzeit der Mischkomponenten hat man einen erhöhten Abrieb des Mischers zur Folge. Die Zementfraktion mit Korngrößen über 80 μm last sich nicht auf 100 % hydratieren. Deshalb bleibt der Kern von groben Zementteilchen im Betonstein als innerter Füller. Dies führt dazu, dass der gesamte Aufwand und vor allen der eingesetzte Energieaufwand beim Zementherstellen kann als Bindemittel nicht vollständig wegen der unvollständigen Hydratation umgesetzt werden. Auf diese Weise kann bis 10 % von Zement verloren gehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend angegebenen Nachteile beim Herstellen von Betonmischung zu überwinden. Durch das Vormischen zuerst der feinkörnigen Bestandteile der Betonmischung und deren gleichzeitige mechanisch und/oder Ultraschal bedingte Aktivierung während der stufenweise ablaufenden Betonmischung mit abschließendem Endmischung gesamter Mischkomponenten ist es in einzelnen möglich, die

Früh- und Endfestigkeit von Beton besonders beim Einsatz der grob gemahlenen Zemente zu erhöhen und damit die Herstellung der hochfesten Betone durch die Benutzung der grob gemahlenen Zemente zu realisieren, die Leistungsfähigkeit der Betonmischung bzw. die Festigkeit der Betone zu erhöhen, den Energieaufwand beim Betonmischen zu senken, die Mischzeit zu verringern und damit die Durchsatzleistung der Mischanlage zu erhöhen und dennoch die Zement- und damit Betonqualität zu verbessern sowie den Verschleiß der Mischerverkleidung und der Rührschaufeln zu senken. Durch die Erfindung ist es unter anderem möglich, für die Herstellung der hochfesten Betone grob gemahlene Zemente zu benutzen und dennoch potenzielle Fähigkeit des als Bindemittel bis 100 % zu erhöhen. Die bautechnischen Zement- und Betoneigenschaften werden verbessert.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß Anspruch 1. Bevorzugte Ausgestaltungsformen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 8.

Die beim Einsatz des neuen Verfahrens vollziehenden Erscheinungen werden wie folgt erklärt:

Der spätere und besonders frühere Hydratationsgrad von Zement und damit die Festigkeit von Beton werden vor allem von der Feinheit des Zementes, einschließlich seiner hydraulischen und nicht hydraulischen Zusatzstoffe, bestimmt. Deshalb wird es angestrebt, die Zementfeinheit zu erhöhen. Die Mahlbarkeit des Zementklinkers ist relativ niedrig, was beim extremen Feinmahlen bis 6000 cm ² /g nach Blaine und darüber einen sehr hohen Energieaufwand auslöst. Die Bildung eines wasserundurchlässigen Gels an den Oberflächen der Zementteilchen nach dem Wasseranmachen minimiert die Energieeffizienz des Feinmahlens. Maßgebend dafür sind die in den ersten Minuten nach dem Anmachen mit Wasser ablaufenden Reaktionen. Dies sind in erster Linie die chemischen Reaktionen des Tricalciumaluminats im Klinker mit dem als Erstarrungsregler zugesetzten Calciumsulfat zu Ettringit. Die beim Wasser-Anmachen entstehenden Neubildungen sind extrem weich, und können deshalb mit minimallem Energieverbrauch von der Oberfläche der Zementteilchen unter einer entsprechenden mechanisch und/oder Ultraschal

bedingten Einwirkung entfernt werden. Auf diese Weise können Zementteilchen beim minimalen Energieaufwand während der Betonmischung nachgemahlen werden.

Das nach bekanten Verfahren geführte Zusammenmischen aller Betonbestandteile von Anfang an führt zu einem enormen Energieaufwand und Senkung der Energieeffizienz. Die Zementteilchen können dabei nicht gezielt ausreichend effektiv behandelt, um damit die eckigen Kanten der Zementteilchen abzureiben und die noch weiter zu zerkleinern. Gerade der effiziente Ablauf der erwähnten Erscheinungen kann durch verbesserte Zementteilchenverpackung die Verflüssigung der feinen Betonbestandteile und damit die Homogenisierung beschleunigen sowie den Wasserverbrauch von Betonmischung senken.

Aus oben beschriebenen Darstellungen ist es zu erwarten, dass eben die Homogenisierung der feinen Bestandteile der Betonmischung die Mischzeit maßgebend bestimmt. Aus diesen Gründen ist es zweckmäßig, nur Zement mit Füller, Fließmittel und einem Anteil von feinen Komponenten der Betonmischung, wie Sand zu behandeln. Die zum Wasser innert bleibenden Körner von Sand und Füller können als abrasives Material die Abreibung der Neubildungen von der Oberfläche der Zementteilchen selbstverständlich maßgebend beschleunigen. Dies ist unter einer intensiven mechanisch und Ultraschal bedingten Wirkung möglich.

Nach dem derzeit bekannten Wissenstand ist diese Erscheinung wie folgt zu erklären : Durch ein separat aktiviertes Mischen des feinen Anteils der Betonmischung wird die Menge des für die Anfangshydratation erforderlichen chemisch bedingten Wasserbedarfs erhöht aber die in den die Zementpartikel überziehenden elektrischen Doppelschichtumhüllungen physikalisch eingebundene Wassermenge und für die Verflüssigung notwendige freie Wassermenge hingegen vermindert. Der gesamte Wasserbedarf nimmt damit ab. Dabei ist denkbar, dass die Konzentration von hochwertigen Ionen, wie Ca ⁺² , Al ⁺³ , Fe ⁺³ in den die Zementpartikel überziehenden elektrischen Doppelschichtumhüllungen deutlich erhöht wird. Dies hat eine Verringerung der Diffusionsschichtdicke der elektrischen Doppelschicht zur Folge, was eine

erste Verminderung der physikalisch bedingten Wassermenge auslöst. Eine weitere Abnahme der physikalisch bedingten Wassermenge wird durch die daraus resultierende beschleunigte Etringitbildung fortgesetzt.

Das ist wie folgt zu erklären : Bekanntermaßen können durch die Bildung eines besonders quellbaren Gels aus Etringit die Zementteilchen für Wasser vorübergehend undurchlässig werden. Auf diese Weise kann die frühe Hydratation nicht nur von der Feinmahlung des Klinkers einschließlich seiner hydraulischen und nicht hydraulischen Zusatzstoffe bestimmt werden, sondern auch von der Möglichkeit der Bildung eines wasserundurchlässigen, schwerlösbaren Gels an den Oberflächen der Zementteilchen. Dabei verhalten sich die hydratierten Zementteilchen vorübergehend wie ein chemisch innerter Füller.

Durch eine rapide Minimierung der Stärke der elektrischen Doppelschicht kann dabei der Abstand zwischen Zementteilchen vermindert werden, so dass die Zementpartikel enger aneinander gelagert, und die Hohlräume zwischen den Teilchen verringert werden. Daraus resultieren eine entsprechende Zunahme der chemisch bedingten und eine rasche Abnahme der in den Diffusionsschichten physikalisch eingebundenen Wassermenge sowie Verringerung der notwendigen für Verflüssigung freien Wassermenge. Damit wird der gesamte Wasserbedarf des Zementes verringert.

Die Tatsache, dass die Verflüssigung der Betonmischung bei einer Aktivierung durch intensive Mischung einen geringen Wasseranspruch aufweist sowie die Verflüssigung während des Mischens schlagartig abläuft, zeigt, dass die vorstehenden überlegungen richtig sind.

Großtechnisch wird die Betonmischung in zwei Vorgängen wie folgt hergestellt:

Beim ersten Vorgang des Betonmischens wird ein homogener und aktivierter zementhältiger Leim mit dem Füller und einem Sandanteilhergestellt.

Im zweiten Vorgang wird eine Mörtel- oder Betonmischung aus aktiviertem zementhaltigem Leim mit entsprechenden Gesteinkörnungen gefertigt.

Beim ersten Vorgang werden mit Wasser nur die feinsten Komponenten der Betonmischung und zwar Zement Füller und ein Sandanteil zusammengemischt. Um besonders den grob gemahlenen Zement effektiv zu Aktivieren muss das Wasserzementwert im Bereich 0,10 und 0,30 liegen. Bei solchem niedrigen Wassergehalt wird die Reibung zwischen den grob gemahlenen Zementpartikelchen, einerseits, sowie zwischen den Zementpartikelchen und dem Füller und Sand, anderseits, besonders groß. Die notwendige Fließfähigkeit des Zement-Leimes kann durch Verwendung von hochwirksamen Fließmitteln und durch das Einbringen in die Mischung einer bestimmten Verflüssigungsenergie erreicht werden. Diese

Verflüssigungsenergie wird in den konventionellen Mischern durch eine verlängerte Mischzeit in die Mischung eingebracht. Dies kann in einer deutlich kürzeren Zeit mit einer deutlich stärkeren Energieeffizienz in Mischern mit hoher Geschwindigkeit und/oder mit der Ultraschalbehandlung erreicht werden.

Bei einem kurzen mit hoher Geschwindigkeit ablaufenden Durchmischen des Zement-Leimes werden die angefeuchteten Zementkörnchen dünn zerrieben. Dass erhöht seine hydraulische Aktivität. Besonders große Effektivität des Mischens wird bei Verwendung von grob gemahlenen Zementen erreicht.

Beim zweitem Vorgang werden der aktivierte zementhaltige Leim mit den groben Gesteinskörnungen der Mörtel- oder Betonmischung, dass heißt mit dem Sandrest und dem Kies (Splitt) zusammengemischt. Da beim ersten Vorgang der Herstellung des aktivierten zementhältigen Leims ein sehr gutes Durchmischen zwischen den Zement, Füller und eingesetztem Sandanteil mit dem Wasser und Fließmittel erreicht wird, ist beim zweiten Vorgang nach der Zugabe des Sandrestes und der groben Gesteinkörnungen (Kies, Splitt) für die Homogenität der Mörtel- oder Betonmischung in den konventionellen Mischer eine relativ kurze Zeit von 15-20 s notwendig.

Das neue Verfahren kann in den Beton- und Fertigteilwerken realisiert werden durch Einbauen in die Betonmischanlage eines kleinen Zementaktivators (ein Mischer mit hoher Geschwindigkeit und/oder ein Ultraschalgenerator), aus dem der aktivierte zementhältige Leim gleichzeitig mit den Gesteinkörnungen in den Mischer der Betonmischanlage eingeladen werden. Bei Transportbetonwerken kann das neue Verfahren ohne Betonmischer der Mischanlage realisiert werden. Die nötige Menge von Gesteinkörnungen (feine und grobe) und der aktivierte zementhältige Leim werden direkt in den Fahrzeugmischer eingeladen. Das langsames, aber langes Mischen beim Transportieren zur Baustelle mit vor der Ausladung intensivem Mische mindestens innerhalb 5 min garantiert ein homogenes durchmischen der Gesteinkörnungen mit dem zementhältigem Leim.

Das neue Verfahren last zu, die energieeffiziente Verwendung besonders der grob gemahlene Zemente für die Mörtel- und Betonmischungen zu gewähren. Zudem ist ein Abreiben der ersten Hydratphasen im Beton vorstellbar, wodurch neue Reaktionsflächen entstehen. Diese Vorgänge haben eine fortschreitende Erhöhung der Oberfläche und somit eine Erhöhung des Wasser- und Fließmittelanspruchs zur Folge und führen zu einem Abfall der Fließfähigkeit. Bei Rüttelbetonen stellte man fest, dass die Verfeinerung des Zements infolge langen Mischens den Zementleim sämiger und klebriger macht und schließlich zu einer Erhöhung der Festigkeit des Betons führt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nach dem Anspruch 1 unter dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben :

Als Bindemittel für die Versuche wurden CEM I 32.5 R und zum Vergleich CEM I 52,5 R verwendet.

Damit die Ergebnisse des neuen Verfahrens mit den bekannten Verfahren verglichen werden können, wurden Referenzbetonmischungen nach dem konventionellen Verfahren in einem konventionellen Betonmischer vorbereitet, bei denen alle Bestandteile durch einstufiges Mischen während 5 min homogenisiert wurden. Auf diese Weise wurde ein konventionelles Verfahren simuliert.

Für das neue Verfahren wurde zweistufiges Mischen, aus Vormischstufe und Endmischstufe bestehend, verwendet. In der Vormischstufe wurden entsprechend den berechneten Massenverhältnissen die feinkörnigen Betonkomponenten, Zement, Mickrosilika und Fließmittel auf 100 % mit einem Anteil des Sandes von 10 % gemeinsam in einem Schnellmischer durch das extrem intensive Mischen beim Gang III während 3 min aktiviert. Auf diese Weise wird in der Mischung nur bis 20-30 % des Massenanteils der gesamten Betonmischung in das Mischen einbezogen. Dies macht möglich, den Energieaufwand in der Vormischstufe bis 70-80 % einzusparen.

Die Homogenisierung der gesamten Komponenten der Betonmischung in der Endmischstufe wurde in einem konventionellen Betonmischer nach berechneten Massenverhältnissen bei einer kurzen Mischzeit von 30s für Beton und 60 s für Mörtel erreicht. Damit last sich die gesamte Mischzeit von 5 min auf bis 3,5 min, d. h. um bis 1, 5 min verkürzen. Dies bedeutet wiederum einen zusätzlichen Energieaufwand um bis 19 % niedriger. Beim Herstellen von Transportbeton die Endmischstufe kann bis 15 s verkürzt werden. Damit ist möglich, den Energieaufwand noch einzusparen. Die Qualität der hergestellten Betonmischungen wurde nach der Druckfestigkeit beurteilt.

1. Versuche mit Betonmischunqen :

Um das neue Verfahren zu prüfen, wurden in der Vormischstufe Zement CEM I 32.5 R, Sand in einer Menge von 10 % des gesamten Sandanteils in der Betonmischung, was einem Sand/Zement-Verhältnis von 1 : 5 entspricht, und ein Fließmittel in einem Schnellmischer beim Gang 3 währen 3 min intensiv gemischt. In der Endmischstufe wurde die Mischung mit dem Rest des Sandes dem Kiessand und Kies der Betonmischung bei konventioneller Intensität während noch 30 s fortgesetzt.

Nach dem bekannten Verfahren wurden alle Betonkomponenten in voller Menge eingesetzt.

Die Massenanteile der gesamten Betonmischung sind in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1 : Massenanteile der Betonmischung und Ergebnisse der Druckfestigkeit nach den neuen und bekannten Verfahren.

Aus der Tabelle 1 folgt, dass die Verhältnisse zwischen Betonkomponenten in allen Mischungen identisch sind. Die hergestellten Betonmischungen unterscheiden sich in Verfahren, nach denen sie gefertigt wurden.

Die dargestellten Ergebnisse zeigen, dass nach dem neuen Verfahren durch das Vormischen der feinkörnigen Betonkomponente der Festigkeit deutlich zunimmt und der Energiebedarf bis über 70 % sinkt.

2 Versuche mit Mörtelmischunqen.

Um das neue Verfahren für die Mörtelherstellung zu prüfen, wurden in der Vormischstufe Zement CEM I 32.5 R, Sand bei einem Sand/Zement-Verhältnis von 1 : 5 und ein Fließmittel mit Hilfe eines Schnellmischers beim Gang 3 währen 3 min intensiv gemischt. In der Endmischstufe wurde die Mischung mit dem Rest des Sandes der Mörtelmischung während noch 60 s fortgesetzt.

Nach dem bekannten Verfahren wurden alle Mörtelkomponenten in voller Menge für einstufige Mischung während 6 min eingesetzt.

Die Massenanteile der gesamten Mörtelmischung sind in Tabelle 2 dargestellt.

Tabelle 2: . Die Massenverhältnisse der Komponente in vorbereiteten Mörtel mischungen.

Aus der Tabelle 2 ist zu entnehmen, dass die Verhältnisse zwischen Komponenten in gegenübergestellten Mischungen identisch sind. Die hergestellten Mörtelmischungen unterscheiden sich nur in Verfahren, nach denen sie gefertigt werden.

Die dargestellten Ergebnisse zeigen, dass nach dem neuen Verfahren durch das Vormischen der feinkörnigen Betonkomponente der Festigkeit erheblich zunimmt und der Energiebedarf bis über 70 % sinkt.

Das neue Verfahren kann besonders effektiv sein, falls das Vormischen der feinen Betonbestandteile in einem Mischer mit Ultraschalbehandlung durchgeführt wird.

Die erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile bzw. Verfahrensschritte unterliegen in ihrer Größe und Formgestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeption bzw. ihren Verfahrensbedingungen keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so dass die in dem jeweiligen Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.