水泥预混合器、用于生产混凝土混合物的装置和用于生产水泥悬浮液的方法与流程

1.本发明涉及一种用于生产水泥悬浮液的水泥预混合器，以及一种包括这种水泥预混合器的用于生产混凝土混合物的装置，以及一种用于生产水泥悬浮液和/或混凝土或砂浆混合物的方法。


背景技术：

2.由于不受天气影响的生产，预制混凝土元件在建筑行业中非常重要。预制元件可以全年以高质量生产。然而，使用现有技术生产混凝土需要大量的材料和能源投入。为了确保高效的预制生产过程，混凝土必须具有快速的强度发展，以最小化预制生产的周转时间。快速的强度发展通常被提供有高反应性波特兰水泥和混凝土的热处理。然而，高反应性波特兰水泥非常昂贵并且具有显著的碳足迹。可以直接在模板中或在带有热空气的加热室中使用过热蒸汽或热油对混凝土进行额外的热处理。这消耗大量燃料，这进而导致高二氧化碳排放。另外，产生的热量的大约三分之一用于加热钢模板，并且因此这部分也不能用于加速化学反应。这个问题由weisheit等人在预制混凝土生产中热回收的可能性(2018，ibausil，weimar，德国，第1146-1153页，第1卷，isbn 78-3-00-059950-7)中解决和讨论。
3.此外，热处理不能任意增加，因为混凝土的过高的处理温度可能导致结构损坏和混凝土的耐久性的明显损失。特别地，stark，jochen、wicht，bemd(2013)在混凝土耐久性(第2次更新和扩展版berlin：springer vieweg)对此进行了说明。
4.使用化学促进剂允许提高压缩强度。然而，化学促进剂可能与其他混凝土成分产生负面的相互作用，并且作为热处理的替代品可能不经济。此外，通过化学促进剂获得的压缩强度在低温下可能不足以维持快速且有效的过程。
5.de 102017206660a1描述了一种用于直接在混凝土搅拌机中使用高频振荡产生混凝土或砂浆混合物的装置。这些高频振荡被传递到混凝土或砂浆混合物中，所述混凝土或砂浆混合物包含水泥、沙子、砾石、砂砾，可选的另外的掺和物和水。
6.ru2496748c1和ru2533516c1描述了一种用于混合和超声处理水和/或水泥-水混合物的方法，其中这些方法相对于本发明在超声参数的选择和所得物理效果方面不同。
7.在上述文献中，描述了高达2.5w/cm2的强度，这导致了所谓的稳定空化的范围。这意味着气体/蒸汽气泡在许多声学循环中围绕它们的位置生长和振荡。特别地，参见mason，timothy james、lorimer，john phillip(2002)的应用声化学：功率超声在化学和加工中的应用(weinheim：wiley-vch)。
8.在本发明中，选择高得多的强度(25w/cm
2-250w/cm2)来产生所谓的瞬态空化。这意味着气体/蒸汽气泡在超声场中生长，并且仅存在几个声学循环，之后它们内爆释放大量能量(热量 压力)并因此产生空化。
9.此外，在ru2496748c1、ru2533516c1中，提出了在超声处理期间增加环境压力，而本发明优选在环境压力(1巴 /-0.1巴)下操作。
10.ru2410237c1公开了在本发明公开范围内的强度(7-70*104w/m2)，但没有指定超声波振幅且目的是分散和/或研磨水泥。


技术实现要素：

11.本发明旨在描述上述类型的水泥预混合器和上述类型的方法，使得该水泥预混合器可以集成到现有设备中，另一方面，使用该装置的方法能够实现混凝土的更快、更有效且更具成本效益的强度发展。
12.本发明通过提供具有权利要求1的特征的水泥预混合器、通过提供具有权利要求12的特征的装置并且通过提供具有权利要求16的特征的方法来解决上述问题。
13.根据本发明的水泥预混合器包括具有处理空间的处理容器，其中处理容器包括侧壁和底部。其还包括至少部分地延伸到处理空间中的至少一个搅拌单元，其中搅拌单元连接到具有旋转轴线的轴。另外，水泥预混合器包括至少部分地延伸到处理空间中的至少一个超声波探头。最后，水泥预混合器包括至少一个超声波振荡器，例如压电元件，其将超声施加到至少一个超声波探头。
14.超声波探头特别地被设计为超声波发生器，并优选在以下范围(数值参考t＝25℃和正常压力)内工作：
15.·
超声波探头所发射的超声的强度：25-250w/cm2。
16.当超声被引入介质时，粒子和介质发生振荡。这种振荡传递超声波的动能。强度(i)对应于功率，例如瓦特，其以每单位面积计输送。单位是功率/面积(例如w/cm2)。
17.·
超声波探头所发射的超声的振幅：15-500μm。
18.振幅(u)描述了超声波的偏转(例如，以μm计)。在恒定频率下，更高的振幅导致强度增加。振幅越大，高压和低压循环期间的压力差越大。
19.·
超声波探头所发射的超声的频率：优选为10-30khz。
20.频率(f)描述超声波探头的尖端处的振荡速率。由于蒸汽泡的形成、增长和内爆是与时间相关的过程，因此更高的频率导致更小的空化气泡。
21.·
比能量输入(到介质-水中)：优选为25-250ws/ml
22.例如，上述值可以使用水听器在水中以电声方式确定。
23.根据本发明的所述水泥预混合器至少具有用于供应水泥的第一引入开口和用于将由所述水泥预混合器提供的水泥悬浮液流体供应到混凝土搅拌装置中或混凝土搅拌机中的出口。
24.此外，根据本发明的水泥预混合器可以包括控制和/或调节装置，配备所述控制和/或调解装置以在上述操作范围内调节水泥预混合器的操作。
25.侧壁和底部横向且向下封闭处理空间。侧壁特别地沿着搅拌单元的旋转轴线延伸。盖可以在顶部至少部分地封闭处理空间。
26.除了供应水泥外，还可以通过引入开口供应水。替选地，水可以经由另一个入口管供应通过另一个引入开口。
27.出口可以优选地具有出口开口。这优选地布置在处理容器的底部中。例如，出口可以被设计为具有凸缘端部连接的排水管。也可将斜槽设想为出口。
28.出口具有调节装置，例如计量装置，特别是计量阀，通过所述调节装置可以调节进
入混凝土搅拌机的水泥悬浮液的进料量。作为阀门的替代方案，也可以提供可调节的活瓣或闸门。
29.同样地，入口可以包括调节装置，用于调节进入处理容器的水泥和/或水和/或其他掺和物的进料量。例如，这可以是固体阀或可调节的固体活瓣。如果水和/或其他掺和物通过单独的入口(例如入口管)供应到处理容器中，则这些也可以各自具有单独的调节装置。
30.在水泥预混合器中，搅拌单元可以经由轴联接到驱动单元并通过旋转在处理空间内移动。
31.超声波振荡器可以包括用于调节振荡的振幅的控制器。放大器和可以通过该放大器进行的振幅的调节、以及所得的超声波振荡的强度，使得振荡能够容易地适应不同水泥悬浮液的生产中的不同要求。该设置和超声波处理的时间间隔对应于可以适应水泥悬浮液体积的能量输入。
32.在水泥预混合器的另一个实施例中，水泥预混合器具有机械接口，优选地为凸缘，经由所述机械接口，水泥预混合器可以优选地以中等紧密的方式连接到混凝土搅拌机。
33.为此目的，混凝土搅拌机可以具有对应凸缘，以将其以凸缘连接而可拆卸地连接到水泥预混合器的凸缘。在这种情况下，排水管可以存在于处理容器的底部中，用于将产生的水泥悬浮液转移到例如混凝土或砂浆搅拌机。
34.在水泥预混合器的另一个实施例中，所述至少一个超声波探头穿过所述处理容器的侧壁至少部分地延伸到所述处理空间中。
35.在水泥预混合器的另一个实施例中，所述处理容器具有轴对称、优选的旋转对称的侧壁，其中所述侧壁的所述对称轴线优选地平行于所述搅拌单元的旋转轴线延伸。
36.在旋转对称的侧壁的情况下，其具有大体圆柱形的形状。对称轴线和旋转轴线可以重合。
37.在水泥预混合器的另一个实施例中，所述侧壁在朝向所述底部的一半具有延伸部，所述延伸部相对于所述旋转轴线同心地围绕所述侧壁的整个圆周延伸。延伸部远离旋转轴线延伸。
38.在另一个实施例中，超声波探头布置在延伸部的区域中的侧壁中。
39.在水泥预混合器的另一个实施例中，至少两个超声波探头、优选的三个或四个超声波探头，围绕所述侧壁的对称轴线以相对于彼此相等的角度分布而突出到所述处理空间中。
40.在水泥预混合器的另一个实施例中，至少一个超声波探头具有纵向轴线并且所述纵向轴线以相对于所述处理容器的所述侧壁的对称轴线成50
°
至70
°
，特别是55
°
至65
°
的角度布置并且朝向所述处理容器的所述底部取向。
41.在这种情况下，超声波探头具有在处理空间内部的一端，其朝向处理容器的底部取向。
42.在水泥预混合器的另一个实施例中，搅拌单元被布置成使得在操作中，固体的进入(einzug)发生在处理空间的中心。
43.水泥预混合器的中心位于搅拌单元的轴周围。由于轴与附接的搅拌单元工具一起旋转，发生所谓的旋涡的形成(trombenbildung)。这种形成的旋涡将材料向下输送到装置
的中心或纵向轴线的区域中的搅拌单元元件，并使其沿水泥预混合器的边缘再次上升。
44.通过这种方式，可以实现介质中的流动，其中水泥悬浮液多次地通过超声波发生器。旋涡的大小由速度和搅拌单元直径决定，并可以适应于水泥预混合器的尺寸。
45.在另一个实施例中，水泥预混合器可以具有控制和/或评估单元，用于控制搅拌单元，使得以200rpm至300rpm的速度进行操作。
46.为确保水泥悬浮液的良好均化，搅拌单元可在200rpm至300rpm的工作范围内运行。
47.在水泥预混合器的另一个实施例中，搅拌单元被配置成在操作中，搅拌单元使得水泥悬浮液被输送到底部并返回到处理空间。
48.为此目的，搅拌单元具有50
°‑
55
°
、优选52
°‑
54
°
的搅拌单元叶片或螺旋桨的倾斜度，以有利于向上和向下流动。
49.在水泥预混合器的另一个实施例中，水泥预混合器具有用于检测水泥预混合器的液位的传感器。例如，可以通过雷达波或超声波来执行液位测量。
50.在水泥预混合器的另一个实施例中，所述控制和/或评估单元被设计为根据所述确定的填充液位来控制所述搅拌单元的搅拌速度和/或控制所述超声波振荡器，优选地控制所述超声波振荡器的能量输入。
51.特别地，控制和/或评估装置可以控制或记录每单位体积的水泥悬浮液的比能量输入。然而，也可以计算此能量输入。
52.在另一个实施例中，控制和/或评估装置还可以控制水泥、水和任选的掺和物的供应。例如，供水可以经由处理容器中的液位测量的状态进行。
53.在另一个实施例中，控制和/或评估装置还可以例如根据每单位体积的水泥悬浮液的能量输入来控制水泥悬浮液的流动。
54.本发明还包括用于生产混凝土混合物的装置，其包括根据本发明的混凝土搅拌机和水泥预混合器。
55.所述水泥预混合器优选地通过在所述水泥预混合器的出口与所述混凝土搅拌机的入口之间的凸缘连接流体连接到所述混凝土搅拌机。
56.可以机械地连接，例如通过管的配合进行连接，从而确保连接。
57.在装置的另一个实施例中，装置包括以下元件中的至少一个：第一水泥容器、第二水泥容器、水箱和/或掺和物容器，其中入口形成为入口管或入口轴，所述入口管或入口轴优选地通过凸缘连接可拆卸地连接到装置第一水泥容器和/或水箱和/或附加容器中的至少一个。
58.在所述装置的另一个实施例中，所述装置包括在所述水泥预混合器和所述混凝土搅拌机之间的计量装置，所述计量装置取决于所添加的沙子、砾石或砂砾的量来调节所述水泥悬浮液的计量。
59.所供应的沙子、砾石或砂砾(骨料)的量可以通过传感器或经由阀门打开时的进料时间来检测。流量传感器或称重皮带也可以记录相应的骨料数量。
60.计量装置位于水泥预混合器的出口和混凝土搅拌机的进口之间。
61.混凝土搅拌机还可以配备超声波探头，所述超声波探头可以将超声波振荡引入混凝土或砂浆混合物中。
62.本发明还基于一种用于提供水泥悬浮液的方法，其包括至少以下步骤：
[0063]-将水泥、水和任选的至少一种掺和物提供到具有处理空间的处理容器中；
[0064]-通过至少部分地突出到所述处理空间中的至少一个搅拌单元混合以产生水泥悬浮液；
[0065]-通过至少部分地突出到所述处理空间中的至少一个超声波探头将超声波振荡发射到所述水泥悬浮液；
[0066]-经由出口排放水泥悬浮液以用于进一步处理，特别是排放到混凝土搅拌机中。
[0067]
任选地添加掺和物。在提供水泥悬浮液时，可以省去掺和物，在这种情况下只提供水泥和水。
[0068]
特别地，在用于生产水泥悬浮液的方法中，水泥、水和任选的掺和物悬浮在根据本发明的水泥预混合器中。
[0069]
特别地，水泥悬浮液包含基于所述水泥悬浮液的总质量的：
[0070]-50重量份到80重量份的水泥，
[0071]-20重量份到40重量份的水，
[0072]-0到10重量份的掺和物，
[0073]
其中所述水泥悬浮液中的所有组分总和为100重量份。
[0074]
上述掺和物应理解为混凝土掺和物。这些是液体、粉状或颗粒状物质，其在混合过程中基于水泥含量以少量添加到混凝土中。它们通过化学和/或物理作用影响新鲜混凝土或硬化混凝土的性能。在根据din en 206-1/din 1045-2(截至07/2019的当前版本)的混凝土中，只有根据dinen 934-2(当前版本)的混凝土掺和物或获得一般建筑部门批准的混凝土掺和物可以使用。骨料通常不被认为是混凝土掺和物。
[0075]
特别地，在根据本发明的方法中，搅拌单元以50rpm至500rpm的速度操作。
[0076]
特别地，超声波探头将频率范围为16khz至30khz、特别是频率范围为18khz至22khz的超声发射到水泥悬浮液中，其中强度在5w/cm2至100w/cm2的范围内。
[0077]
混凝土或砂浆特别地使用根据本发明的水泥预混合器和混凝土搅拌机的组合来生产。
[0078]
所述方法可以在分批工艺或连续工艺中进行。在分批工艺中，组分添加到处理容器中，在超声下并通过搅拌混合以形成活化的水泥悬浮液，并且然后转移到例如混凝土搅拌机中。在连续工艺中，成分连续添加到处理容器中，并且该工艺以这样的方式操作，即例如活化的水泥悬浮液可以连续地从水泥预混合器中取出并转移到混凝土搅拌机中。
[0079]
根据本发明的水泥预混合器能够实现水泥粘合剂的特别有效的均化以及物理和化学活化。由于水泥预混合器中的超声波处理限于组分水泥、水和任选的掺和物，因此高频超声波振荡产生的能量可以直接用于活化水泥粘合剂。与在水泥、水、掺和物和化学惰性沙子、砾石或砂砾的混合物上使用超声波振荡相比，这显著提高能量输入的利用率。混凝土、水泥和水的反应部分仅构成混凝土的20-35％，而化学惰性部分、沙子、砾石和砂砾构成剩余部分。因此，利用根据本发明的装置，能量被消耗在较小比例的材料上并且因此被更有效地使用。另外，与常规方法相比，在水泥预混合器中产生水泥悬浮液使得能够实现更好的混合程度。
[0080]
由于改进了混凝土的反应部分的活化和水泥预混合器中的水泥悬浮液的均化，可
以实现水泥含量的显著降低。此外，可以大幅缩短热处理时间。对于各种应用，可以完全省去热处理。
[0081]
另外，根据本发明的水泥预混合器的使用加速了混凝土的固化并改善了混凝土的可加工性(加工性能)。
[0082]
根据本发明的水泥预混合器还具有作为附加模块能够非常容易且成本低廉地集成到现有混凝土搅拌装置中而无需付出很大的努力的优点。用于供应水泥(来自水泥秤)和任选的水的引入开口以及通向用于排放成品水泥悬浮液的流体供应管线的出口的布置特别适合于这种集成。机械接口，优选地为凸缘，进一步改进有效的集成。
[0083]
通过使用液位测量，可以经由填充液位的变化来确定水泥和/或水的进料量。
[0084]
使用超声波探头与搅拌单元的组合被证明是特别有利的。水泥和水需要比混凝土的骨料明显更高的混合强度来完全制浆。因此，显示出搅拌单元与超声波振荡的协同交互作用以产生活化的水泥悬浮液。
[0085]
根据本发明的搅拌单元，尤其是与超声波能量的应用相结合，能够以相对低的速度产生均匀的悬浮液。这导致较低的功耗以及搅拌单元的磨损减少。
[0086]
从前面的描述可以看出，本发明可以用于混凝土和砂浆生产领域中的多种应用。因此，本发明开辟了广泛的可能应用和用途，例如在预制混凝土元件的生产中。
[0087]
本文提及和描述的变体和特征也可以将两个或更多个变体或特征彼此组合来实施，并且此类组合也包含在本发明中，只要此类组合不相互矛盾。
附图说明
[0088]
下面参考附图更详细地描述本发明的示例性实施例。
[0089]
在此，图1示出根据本发明的水泥预混合器的示例性实施例的示意性截面图；
[0090]
图2示出图1的示例性实施例的顶视图；
[0091]
图3示出用常规方法生产混凝土的示意图；并且
[0092]
图4示出根据本发明的一个实施例的混凝土生产的示意图。
具体实施方式
[0093]
以下规定适用于整个的进一步描述：如果出于图形清晰的目的而在图中包括附图标记，但未在直接相关的描述性文本中解释，则参考它们在前面的附图描述中的提及。
[0094]
如图1可以看出，水泥预混合器1包括处理容器2，所述处理容器2具有处理空间20。处理空间20横向由旋转对称的侧壁21界定并且向下由底部22界定。向上，处理空间由盖24封闭。具有轴30的搅拌单元3突出到处理空间20中，其中轴通过盖24中的开口突出到处理空间中。
[0095]
在本实施例中，侧壁21在下半部中具有向外的延伸部25。四个超声波探头4安装在该区域中。
[0096]
在该实施例中，搅拌单元3具有附接到轴30的两个搅拌器(3.1、3.2)。搅拌器(3.1、3.2)的搅拌器叶片间隔开，使得它们不接触超声波探头4。轴30通过外部驱动器5经由旋转盘进行旋转运动。
[0097]
该轴具有与侧壁21的对称轴线23重合的旋转轴线31。延伸部25与对称轴线23同心
地向外(远离对称轴线23)布置。
[0098]
横向地，与侧壁21的垂直对称轴线23成60
°
角的是超声波探头4，所述超声波探头向下指向底部22。
[0099]
在该实施例中，控制和/或评估单元9记录参数填充液位、由超声波探头输入的能量以及水量计64的添加水量。它控制用于搅拌单元3的驱动器5(设置搅拌单元3的转数)、超声波振荡器42的超声波振幅和频率(在这种情况下，能量输入由控制和/或评估单元9确定)、固体阀61、水控制阀以及经由计量阀71对悬浮液的排放。
[0100]
此外，在盖24中存在引入开口60，用于供给固体的管道6突出到所述引入开口60中。这是经由固体阀61控制的。在本实施例中，添加水泥并且经由固体阀61控制水泥的添加。用于水的水引入管线62穿过侧壁21布置。因此，可以经由水控制阀63添加水以产生水泥悬浮液。在本实施例中，添加的水量由水量计64确定。
[0101]
液位传感器8确定处理空间20内的液位。例如，该液位测量可以被控制和/或评估单元用作用于控制添加水的基础。
[0102]
在处理容器2的底部22中，存在用于将成品水泥悬浮液排放到混凝土搅拌机的流体供应管线7的出口70。根据经由计量装置71每单位体积输入的比能量来控制水泥悬浮液的排放。排放管线7设置有凸缘72，排放管线7可以通过所述凸缘72快速且容易地连接到混凝土搅拌机。
[0103]
图2示出图1的实施例的顶视图，其中在侧壁21中四个超声波探头4的彼此成90
°
角的布置在这里特别可见。进入处理空间20的视图示出超声波探头4指向侧壁21的对称轴线23。
[0104]
凸缘可以通过安装孔联接到驱动器，以允许驱动轴30并且因此驱动搅拌单元3.1和3.2。
[0105]
图3示意性地示出根据常规方法的过程。在混凝土搅拌机100中，水从进水口200中注入，掺和物从掺和物容器300中注入，水泥从第一或第二水泥容器400和500中注入，并且骨料(沙子、砾石和/或砂砾)从相应的容器600、700和800中注入。成分直接在混凝土搅拌机中混合以获得混凝土混合物。
[0106]
与该常规操作模式相反，在根据图4中的实施例示意性示出的根据本发明的方法中，在水泥预混合器1中单独产生水泥悬浮液。在该过程中，来自进水口200的水和来自水泥容器400和/或500的水泥以及任选地来自掺和物容器300的掺和物在水泥预混合器中被处理以形成水泥悬浮液。然后将该水泥悬浮液从水泥预混合器1转移到混凝土搅拌机100。在混凝土搅拌机中，来自相应容器600、700和800的骨料然后被添加以产生混凝土混合物，所述混凝土混合物然后可以被进一步加工。
[0107]
水泥预混合器1和混凝土搅拌机100的组合形成了用于生产混凝土混合物的装置1000。
[0108]
活化水泥悬浮液的制备可以在分批工艺或连续工艺中进行。
[0109]
示例
[0110]
通过根据本发明的用于生产水泥悬浮液的方法生产混凝土。
[0111]
根据本发明的实验室规模的水泥预混合器，如图1所示，最宽点处的直径为400mm至493mm且总高度为550mm，分布有围绕处理容器的对称轴线彼此成90
°
的4个超声波探头
(超声波发生器)。
[0112]
处理空间包含45kg的水泥、20公升的水和0.5kg的减水剂(掺和物)。
[0113]
搅拌单元以每分钟250转的速度运行。振荡在20khz的低超声波范围内经由超声波发生器传输到处理空间。
[0114]
通过使用超声波处理和混合工具，在少于180秒的时间内实现水泥悬浮液的快速且高效均化。
[0115]
以这种方式生产的水泥悬浮液被转移到混凝土搅拌机中。在这里，添加225kg的骨料并混合混凝土。
[0116]
与常规的生产方法相比，这种混凝土的流动性显著增加，并且早期强度显著提高。特别是在预制混凝土部件的生产中，这带来了决定性的优势和质量更好的预制部件，其可以在更短的时间内生产出来。
[0117]
附图标记列表
[0118]
1水泥预混合器
[0119]
2处理容器
[0120]
20处理空间
[0121]
21侧壁
[0122]
22底部
[0123]
23对称轴线
[0124]
24盖
[0125]
25侧壁的延伸部
[0126]
3搅拌单元
[0127]
3.1第一搅拌器
[0128]
3.2第二搅拌器
[0129]
30轴
[0130]
31旋转轴线
[0131]
32驱动皮带轮
[0132]
33安装孔
[0133]
4超声波探头(超声波发生器)
[0134]
41超声波探头的纵向轴线
[0135]
42超声波振荡器
[0136]
5驱动器
[0137]
6入口(水泥的固体入口)
[0138]
60引入开口
[0139]
61固体阀
[0140]
62水的引入管线
[0141]
63水控制阀
[0142]
64水量计
[0143]
7流体供应管线
[0144]
70出口
[0145]
71计量装置
[0146]
72凸缘
[0147]
8用于水泥预混合器中的液位的液位传感器
[0148]
9控制和/或评估单元
[0149]
100混凝土搅拌机
[0150]
200进水口
[0151]
300掺和物容器
[0152]
400水泥容器
[0153]
500第二水泥容器
[0154]
600沙子容器
[0155]
700砾石容器
[0156]
800砂砾容器
[0157]
1000装置。