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Dokumentenidentifikation DE10110917C2 15.05.2003
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Bindemittelschaumes
Anmelder Kretzschmar, Axel, Dr.rer.nat.habil., 39118 Magdeburg, DE;
Meißner, Annett, 39112 Magdeburg, DE
Erfinder Kretzschmar, Axel, 39118 Magdeburg, DE;
Meißner, Annett, 39112 Magdeburg, DE;
Bunge, Jörg, 39326 Wolmirstedt, DE
DE-Anmeldedatum 07.03.2001
DE-Aktenzeichen 10110917
Offenlegungstag 02.10.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 15.05.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.05.2003
IPC-Hauptklasse C04B 38/10
IPC-Nebenklasse B01F 5/00   B28C 5/06   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Bindemittelschaumes, beispielsweise eines Zementschaumes, bei dem eine aus einem feinstkörnigen Bindemittel, einem Schaumbildner und ggf. Zusatzstoffen und -mitteln bestehende wässrige Suspension mit einem Gas, beispielsweise Luft, vermischt und aus der Vorrichtung ausgetragen wird.

Das Aufbringen von geschäumten hydraulisch abbindenden Bindemitteln, beispielsweise als Reparaturmörtel, Wärmedämm-Mörtel, Schallschutz-Mörtel, erfolgt im Bauwesen mittels mobiler Vorrichtungen, in denen die aus einem feinteiligen Bindemittel, wie z. B. Zement, und Schaumbildner bestehende wässrige Suspension mit einem gasförmigen Fluid, in der Regel mit Luft, vermischt wird. Derartige Vorrichtungen zeichnen sich zum Zweck einer im Bauwesen unbedingt erforderlichen mobilen Handhabung durch eine kleine und einfache Bauweise aus. So zeigt die DE 195 37 239 C2 eine Vorrichtung zur Erzeugung eines geschäumten Bindemittels, bei der die Eingangsstoffe in einer Expansionskammer vorgemischt werden. Bindemittel, Wasser und Schaumbildner werden über ein bis zur Expansionskammer hin reichendes Rohr axial in die Vorrichtung eingebracht. Die Luft tritt in einem bestimmten Winkel zur Rohrachse von dem Mantel der Vorrichtung aus in den zwischen dem Mantel der Vorrichtung und dem Rohr vorhandenen Ringkanal ein und trifft als ringförmige Strömung in der Expansionskammer auf den Suspensionsstrom. In Richtung der Austrittsöffnung wird die Expansionskammer radial von einer ersten Barriere begrenzt, nach der sich eine Mischkammer anschließt, die wiederum radial von einer zweiten Barriere begrenzt wird. Die zweite Barriere ist zur Umlenkung des Bindemittel-Luftgemisches in Richtung des radialen Austritts der Vorrichtung gegenüber dem Durchlass der ersten Barriere angeordnet. Im Kreuzstrom zum Bindemittel-Luftgemisch wird über einen zweiten Lufteintritt, der sich an dem dem Eintritt der Suspension gegenüberliegenden Ende der Vorrichtung befindet, ein zusätzlicher Luftstrom in das Bindemittel- Luftgemisch eingeleitet. Der Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, dass zwei Luftanschlüsse erforderlich sind. Außerdem ist ihr Aufbau aufgrund der erforderlichen Einbauten immer noch verhältnismäßig kompliziert, wodurch auch eine aufwendige Reinigung der Vorrichtung bedingt ist.

Lediglich noch ein Einbauteil ist in der Vorrichtung zur Schaumerzeugung gemäß DE 41 26 397 C2 erforderlich. Hierbei handelt es sich um eine rohrförmige poröse Trennwand, deren zylindrischer Innenraum die Mischkammer bildet und diese von der koaxial angeordneten Gaseinlasskammer trennt. Das Gas gelangt über einen außermittig an der Stirnseite der Vorrichtung angeordneten Gaseinlass in die Gaseinlasskammer. In gleicher Richtung wie das Gas wird die Suspension unter einen bestimmten Druck in die Mischkammer eingebracht, wobei zwischen der Mischkammer und der Gaseinlasskammer immer ein bestimmtes Druckgefälle eingestellt sein muss, so dass sich die Poren in der Trennwand nicht mit der Suspension zusetzen. Die Größe der Poren bestimmt die Porengröße im fertigen Schaum. Außerhalb des Schaumgenerators kann die Porengröße durch die Steuerung der relativen Mengenströme von Suspension und gasförmigen Medium gesteuert werden. Der Porenanteil und damit die Dichte des fertigen Schaumes lässt sich über das Verhältnis der in die Mischkammer pro Zeiteinheit eingeführten Gas- und Flüssigkeitsmengen variieren. Trotz der besonders einfach aufgebauten zylindrischen Bauform, der einfachen Montage und Demontage und der guten Regulierbarkeit von Porengröße und -verteilung besitzt die Vorrichtung den Nachteil der Notwendigkeit von Einbauten. Außerdem muss zur Gewährleistung der Funktion die notwendige Druckdifferenz zwischen Gaseinlasskammer und Mischkammer überwacht werden. Zum Durchtritt des Gases durch die Poren muss ständig ein Mindestdruck in der Gaseinlasskammer vorhanden sein.

Über die eben genannten rein vorrichtungstechnischen Nachteile haftet dem mittels dieser Vorrichtungen erzeugten Bindemittelschaum ein verfahrensbedingter Nachteil an. Der die Vorrichtung verlassende Schaum muss immer über eine bestimmte Länge zur Auftragsstelle transportiert werden. Dies erfolgt in der Regel in einem Schlauch. Durch die Reibung des Bindemittelschaumes an den Wänden sowie die innere Reibung innerhalb des Bindemittelstromes wird ein Teil der Schaumstruktur zerstört. Zur Erlangung eines abgebundenen Bindemittelschaumes mit einer geringen Dichte sind demzufolge sehr große Luftmengen und besonders bei der letztgenannten Vorrichtung hohe Drücke erforderlich, um möglichst viel Luft in den Bindemittelstrom einzubringen. Damit erfordern diese Verfahren einen hohen Energiebedarf. Die verfahrenstechnisch erforderliche Überwachung der Verfahrensparameter schlägt sich, wie auch schon weiter oben bei der Beschreibung der Vorrichtung erläutert, in einem zusätzlichen vorrichtungstechnischen Aufwand nieder.

In der Veröffentlichung DE 34 15 782 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung und Förderung eines Schaummörtels beschrieben, bei dem ein Zement und ein Aufschäummittel zusammen mit einer Flüssigkeit in eine Mischkammer, die gegenüber der Atmosphäre offen ist, eingebracht wird. Durch intensives Mischen wird Luft aus der Atmosphäre in den Mörtel eingetragen. In ähnlicher Art und Weise wird in der Veröffentlichung DE 40 41 727 A1 ein Schaummörtel hergestellt. Hierbei ist zusätzlich der Förderleitung mindestens ein Druckfühler zugeordnet, der die Zufuhr des Trockenmörtelgemisches und des Wassers in Abhängigkeit eines optimalen Betriebsdruckes steuern soll. Beiden Verfahren haftet der Nachteil an, dass durch die zur Mischung benötigten rotierenden Teilen einem hohen Verschleiß unterliegen.

In DE 196 32 666 C1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Luftporenbetons beschrieben, wobei einer Frischbeton- oder Mörtelmischung ein bestehender Schaum hinzugegeben und nach einem Mischvorgang mittels Austragsdüse ausgetragen wird. Die im Schaum enthaltende Luft soll vollständig und im gleichen Maße verteilt im Luftporenbeton bis zur Aushärtung erhalten bleiben. Ähnlich der vorgenannten Erfindung wird in der Veröffentlichung CH 657 844 A5 die Herstellung eines separaten Schaumgemisches genutzt. Unter Verwendung eines Schaumerzeugers, dessen Ausgang direkt mit der Einlassöffnung im Gehäuse des Durchlaufmischers verbunden ist, wird dem Fischbeton oder -mörtel Luftporen in Form eines Schaums zugeführt. Dem Auslass des Durchlaufmischers ist eine Fördereinrichtung für das aufgeschäumte Gemisch nachgeschaltet. In der EP 0 578 968 A1 wird ein Schaumgerät zur Herstellung eines vorgefertigten Schaums für die Herstellung von Porenbeton und Werk-Frischmörtel beschrieben. Nachteilig bei diesen Erfindungen ist zum einen der zweistufige Herstellungsprozess und zum anderen wird durch den Mischvorgang ein Teil der Schaumstruktur wieder zerstört.

Ein Verfahren nach der WO 01/05494 A1 zeichnet sich dadurch aus, dass eine Schlämme, die eine Trägerflüssigkeit und Zusatzstoffe enthält, in einer ersten Injektionspumpe mit einem Schaumbildner vermischt und zunächst in einen Zwischenbehälter gefördert wird, aus dem sie einer nachgeschalteten Aufschaumeinrichtung zugeführt wird. Als Aufschäumeinrichtung wird eine zweite Injektionspumpe verwendet, der das zum Aufschäumen dienende Gas unter Ansaugung der Schlämme aus dem Zwischenspeicher unter Druck zugeführt wird.

Eine Zementschlämme gemäss der EP 0 517 207 B1 wird unter hohem Druck in eine Mischkammer gespritzt und mit einem Schaummittel vermischt. Diese Mischung wird in eine dahinter angeordnete Expansionsdüse eingeleitet, in die Druckluft eingeblasen und diese Mischung aufschäumt wird.

Es sei auch die WO 98/42637 erwähnt, bei der über eine Lanze Luft in die fertige Betonmischung in einen Betonmischer eingetragen wird.

Somit besteht das Problem der Erfindung in der Entwicklung eines Verfahrens, das mit verringertem Energieeinsatz einen hohen Verschäumungsgrad der Bindemittelsuspension auch noch bei deren Austritt aus der Austragsvorrichtung gewährleistet. Außerdem soll die Regulierung der Schaumdichte über Porenanzahl und -verteilung unabhängig von in der Mischkammer zu gewährleistenden Drücken möglich sein. Ferner soll die Vorrichtung zur Erzeugung des geschäumten Bindemittels einen einfacheren Aufbau als die bekannten Vorrichtungen aufweisen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des ersten Patentanspruches gelöst. Der Patentanspruch 2 betrifft eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Die folgenden Ansprüche 3 und 4 betreffen zweckmäßige Ausgestaltungen der Vorrichtung.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die in die Vorrichtung eingebrachte Bindemittelsuspension durch den mit wesentlich höherer Geschwindigkeit axial in die Mischkammer eintretenden Gasstrahl bereits nach kurzer Wegstrecke innerhalb der Mischkammer in eine sich an die Wandung der Mischkammer sowie des sich anschließenden Verschäumungsrohres anliegende Strömungsform, eine sogn. Ringströmung, gezwungen und mitgerissen. Aufgrund der sehr hohen Differenz der Geschwindigkeit zwischen Wand- und Kernströmung kommt es zu Reibungsvorgängen sowohl zwischen Bindemittelsuspension und Wandung als auch Bindemittelsuspension und Gasstrom und dadurch zu einer regen Einlagerung von Gasblasen in die Suspension. Diese unelastischen Blasen werden durch sich aneinander vorbeischiebende Schichten immer wieder aufgerissen und bilden neue Gaseinschlüsse. Der zentrale Gasstrom reißt aus dem Bindemittelsuspension-Gas-Verband Teilchen heraus, die sich dann wieder mit angelagerten Gasblasen in die Ringströmung einfügen. Diese Vorgänge wiederholen sich bis zum Austritt der Bindemittelsuspension aus der Austragsvorrichtung, d. h. aufgrund der nahezu bis zu diesem Zeitpunkt bestehenden gasförmigen schnellen Kernströmung und der langsameren flüssigen Ringströmung dauert der Prozess der Verschäumung quasi bis zum Verlassen der Austragsvorrichtung.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Mischkammer ohne Einbauten auskommt. Dadurch gestaltet sich ihr Aufbau sehr einfach. Außerdem lässt sie sich leicht reinigen und ist nicht störanfällig.

Zur praktischen Handhabung beträgt die Länge des Verschäumungsschlauches vom Austritt aus der Mischkammer bis zur Austrittsvorrichtung in der Regel zwei bis vier Meter. Ausreichend ist bereits eine Schlauchlänge von einem Meter. Der Verschäumungsgrad wird nur durch die Luftzufuhr gesteuert. Hierzu wird der Lufteintritt der Vorrichtung an einen handelsüblichen Baustellenkompressor angeschlossen. Eine Pumpe gewährleistet die gleichmäßige Suspensionszuführung. Die Suspension wird entweder vor Ort extern nach vorgeschriebener Rezeptur gemischt oder von einem Fahrmischer geliefert. Der geschäumte Zementleim kann entweder direkt aus der Austragseinrichtung aufgespritzt oder mittels einer Maurerkelle auf den Untergrund aufgebracht werden.

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Beispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit schräger Zuführung der Suspension und

Fig. 2 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit senkrechter Zuführung der Suspension.

Gemäß Fig. 1 besteht eine erfindungsgemäße Vorrichtung aus einer rohrförmigen Mischkammer 1, in deren Mantelbereich im spitzen Winkel zur Achse ein Rohr 2 mündet. Der Innendurchmesser des Rohres 2 ist im vorliegenden Beispiel gleich dem Innendurchmesser der Mischkammer 1. Stirnseitig schließt sich an die Mischkammer 1 sowie an das freie Ende des Rohres 2 jeweils eine Querschnittsreduzierung 3 an. Zur leichteren Handhabung und besseren Reinigung der Vorrichtung sind die Querschnittsreduzierungen 3 jeweils über eine Kupplung 4 lösbar mit der Mischkammer 1 und dem Rohr 2 verbunden. Das jeweils offene Ende der Querschnittsreduzierungen 3 besitzt einen Durchmesser, der dem Querschnitt der jeweils anzuschließenden Zu- und Ableitung entspricht. Zur Verbindung mit diesen Leitungen besitzen die Querschnittsreduzierungen 3 Gewindestücke, auf die die jeweiligen Anschlüsse der Zu- und Ableitungen aufschraubbar sind. So ist im vorliegenden Beispiel auf die Querschnittsreduzierung 3, die sich an dem mit dem Rohr 2 einen spitzen Winkel bildende Ende der Mischkammer 1 befindet, ein Anschlussstück 5 für die Luftzufuhrleitung angeschlossen. Damit ist die axiale Strömungsrichtung der Luft durch die Mischkammer 1 festgelegt. Auf die an der gegenüberliegenden Stirnseite der Mischkammer 1 befindliche Querschnittsreduzierung 3 ist ein Anschlussstück 6 für die Verschäumungsleitung oder ein Verschäumungsrohr zu einer nicht näher dargestellten Austrittsvorrichtung für den Schaumzement aufgeschraubt. Die Verschäumungsleitung oder evtl. auch das starre Verschäumungsrohr sollte mindestens 1000 mm lang sein. Die Zuführung für die zu verschäumende Suspension wird an das mit dem Rohr 2 verbundene Anschlussstück 7 angeschlossen.

Wie aus Fig. 2 zu erkennen, kann das Rohr 2 auch senkrecht zur Strömungsrichtung der Luft in die Mischkammer 1 münden. Bei dieser Variante ist die Strömungsrichtung der Luft durch die Mischkammer 1 frei wählbar.

Nachfolgend soll die Wirkungsweise der Vorrichtung näher beschrieben werden:

Zunächst wird die Luftzufuhr zugeschaltet. Erst danach strömt die aus einem Gemisch aus Zement, Wasser, Schaumbildner und ggf. Zusatzmittel und Zusatzstoff bestehende Suspension bei gleichbleibender Förderung über das Rohr 2 mit konstant kleinem Volumenstrom in die Mischkammer 1 ein. Das Verhältnis zwischen Flüssigkeit und Feststoffgemisch hat wesentlichen Einfluss auf die Verarbeitbarkeit und damit auf die Porosität des Endproduktes. Es ist abhängig sowohl von den Zusätzen zum Wasser als auch den Zusatzmitteln und -stoffen zum Zement. Als günstig hat sich ein Verhältnis von 0,35 bis 0,45 erwiesen. Da das Anschlussstück 5 für die Luft und das Anschlussstück 7 für die Suspension einen kleineren Innendurchmesser als die Mischkammer 1 aufweisen, wirken die Querschnittsreduzierungen 3 in Richtung der Mischkammer 1 wie ein Diffusor, d. h. nach Eintritt beider Medien in die Mischkammer 1 erfolgt eine kurzzeitige Expansion und Verringerung ihrer Strömungsgeschwindigkeit. Beim Eintritt der Suspension in die Mischkammer 1 wird sie über eine an der Verbindungsstelle zwischen Mischkammer 1 und Rohr 2 befindliche Abrisskante 8 von dem Luftstrom erfasst, mitgerissen und in eine Ringströmung gezwungen. Die Strömungsgeschwindigkeiten von Luft und Suspension bestimmen die Porenbildung im Schaumzement. Beim Verlassen des Suspensions-Luft-Gemisches der Mischkammer 1 erhöht sich dessen Geschwindigkeit durch die Querschnittsreduzierung 3 wieder. Durch die zentrale Luftströmung erfolgt an den Grenzflächen ein ständiger Austausch zwischen Flüssigkeitsteilchen und Luft. Dieser Vorgang hält quasi bis zum Austritt des Suspensions-Luft-Gemisches aus der Austragsvorrichtung an.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Erzeugung eines Bindemittelschaumes, insbesondere eines Zementschaumes, bei dem eine aus einem feinstkörnigen Bindemittel und einem Schaumbildner und ggf. Zusatzstoffen und -mitteln bestehende wässrige Suspension mit einem Gas in einer rohrförmigen Mischkammer vermischt und aus dieser ausgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas axial und die wässrige Suspension radial in die Mischkammer (1) eingebracht werden, wobei die Strömungsgeschwindigkeit des Gases 80 bis 250 mal größer ist als die der wässrigen Suspension, und das Gas- Suspensionsgemisch axial aus der Mischkammer (1) ausgetragen wird.
  2. 2. Vorrichtung zur Erzeugung eines Bindemittelschaumes aus einer fließfähigen, aufschäumbaren Bindemittelsuspension, insbesondere eines Zementleimes, bestehend aus einer Mischkammer mit einem Anschlussstück für die Zuführung eines Gases, einem Anschlussstück für die Zuführung der Bindemittelsuspension sowie einem Anschlussstück für die Abführung des Bindemittelschaumes zu einer Schaumaustragsvorrichtung gekennzeichnet dadurch, dass die Mischkammer (1) einen länglichen zylindrischen Innenraum aufweist, der beidseitig über konische Verjüngungen in gegenüber dem zylindrischen Innenraum einen deutlich geringeren Durchmesser aufweisende und in der Achse der Mischkammer 1 befindliche Anschlussstücke (5, 6) mündet, wobei das eine Anschlussstück (5) mit der Zufuhrleitung für das Gas und das gegenüberliegende Anschlussstück (6) mit der zur Schaumaustragsvorrichtung führenden Verschäumungsleitung verbindbar ist, und dass in den Mantel der Mischkammer (1) ein Rohr (2) mündet, das etwa den gleichen Durchmesser wie der zylindrische Innenraum besitzt und ebenfalls über eine konische Verjüngung mit dem Anschlussstück (7) für die Bindemittelsuspension verbunden ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, dass das Rohr (2) im spitzen Winkel zur Strömungsrichtung der Luft in die Mischkammer (1) mündet.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkammer (1) und das Rohr (2) mittels Kupplungen (4) lösbar mit den Anschlussstücken (5, 6, 10) verbunden sind.






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