aufschluss und vermengung grundlagen erfolgreicher mischung · 1m 1mm 1µm fest/fest...
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Institut für Angewandte Bauforschung
Weimar gemeinnützige GmbH
BFT-Fachforum 2019: Der perfekte Mix
K. Krenzer, M. Landmann, J. Lipowsky, U. Palzer
Aufschluss und Vermengung – Grundlagen erfolgreicher Mischung BFT-Fachforum 2019: Der perfekte Mix
Mischen
18.11.2019
Verhältnis Anmachen
Unterrühren
Verarbeiten
Mischqualität
Entmischung
Verschneiden
Mischungslücke
Mischzeit
Rühren
Rezept
Vergleichmäßigen
Homogenisieren
Mischzeit
Kneten
Walken
Verquicken
Komposit
Intensität Energieeintrag
Korngrößen
Verteilen
Zerteilung
Rezeptur
Anmachwasser
Aufschluss
Mischen
Zerkleinerung
Impossible
Vermengung
BFT-Fachforum 2019: Der perfekte Mix | Aufschluss und Vermengung 2
Mischen
18.11.2019
Mischqualität
Energieeintrag
Mischen
Zerkleinerung
Vermengung
Aufschluss
Abrieb
Feststoff / Feststoff
Feststoff / Flüssigkeit
BFT-Fachforum 2019: Der perfekte Mix | Aufschluss und Vermengung 3
Fest/Flüssig Mischen
Mischen
18.11.2019
1m 1mm 1µm
Fest/Fest Mischen Zerkleinerung Vermengen Benetzen Aufschluss
BFT-Fachforum 2019: Der perfekte Mix | Aufschluss und Vermengung 4
1-stufig vs. 2-stufig
18.11.2019
1-stufig 2-stufig
Konventionelles Mischverfahren
gemeinsames Vermengen aller Komponenten
BFT-Fachforum 2019: Der perfekte Mix | Aufschluss und Vermengung 5
Praxis: Fakt ist …
18.11.2019
Einfluss verschiedener Prozessgrößen
↑ schnellere Verfestigung / geringeres Ausbreitmaß ↓ langsamere Verfestigung / höheres Ausbreitmaß
I II III
Mis
chgü
te [
v %
]
Mischzeitkennzahl
Optimum ●
Mischzeitkennlinie
Entmischung
Vermischung
Grafik: H. Beitzel (1983)
BFT-Fachforum 2019: Der perfekte Mix | Aufschluss und Vermengung 6
1-stufig vs. 2-stufig
18.11.2019
1-stufig 2-stufig
Konventionelles Mischverfahren
Suspensionsmischverfahren
+ Konventionelles Mischverfahren
gemeinsames Vermengen aller Komponenten
Vermengen der Suspension mit der
inerten Gesteinskörnung
getrennte Herstellung der chemisch-reaktiven Phase
(Bindemittelleim)
BFT-Fachforum 2019: Der perfekte Mix | Aufschluss und Vermengung 7
Praxis: 1-stufiger Mischprozess
18.11.2019
Homogenisieren
Entleeren Feuchtemessung
Homogenisieren & Dispergieren
Gesteinskörnung Bindemittel & Gesteinskörnung
Befüllen
Dosieren
Fördern
Zeit
Befüllen
Dosieren
BFT-Fachforum 2019: Der perfekte Mix | Aufschluss und Vermengung 8
Praxis: 1-stufiger Mischprozess
18.11.2019
Homogenisieren
Entleeren Feuchtemessung
Homogenisieren & Dispergieren
Gesteinskörnung Bindemittel & Gesteinskörnung
Befüllen
Dosieren
Fördern
Zeit
Befüllen
Dosieren
invariable Mischzeit variable Mischzeit / Hauptmischzeit
abhängig von: Betonart gewünschte Konsistenz Mischerbauart
BFT-Fachforum 2019: Der perfekte Mix | Aufschluss und Vermengung 9
Einstufig vs. zweistufig
18.11.2019
1-stufig 2-stufig
Intensives Rühren des Bindemittels in einem hierfür optimierten
Suspensionsmischer (bis ca. 10.000 min-1)
BFT-Fachforum 2019: Der perfekte Mix | Aufschluss und Vermengung 10
vom 1-stufigen Mischprozess …
18.11.2019
Homogenisieren
Entleeren Feuchtemessung
Homogenisieren & Dispergieren
Gesteinskörnung Bindemittel & Gesteinskörnung
Befüllen
Dosieren
Fördern
Zeit
Hauptmischzeit
Befüllen
Dosieren
BFT-Fachforum 2019: Der perfekte Mix | Aufschluss und Vermengung 11
… zum 2-stufigen Mischprozess
18.11.2019
Homogenisieren
Entleeren Feuchtemessung
Homogenisieren & Dispergieren
Gesteinskörnung Bindemittel & Gesteinskörnung
Befüllen
Dosieren
Fördern
Zeit
Hauptmischzeit
Befüllen
Dosieren
Bindemittel
Dispergieren
Befüllen
Dosieren
Entleeren
Hauptmischzeit
BFT-Fachforum 2019: Der perfekte Mix | Aufschluss und Vermengung 12
2-stufige Mischprozesse
18.11.2019
Forschung & Entwicklung (Beispiele)
Begriff: „Bindemittelaktivierung“ bzw. „Zementaktivierung“
Namen / Institute Thematik Jahr
Соломатов, Тахиров, Тахер, Шах
Suspensionsmischen 1989
…
Peters, Rößler, Ludwig
Powerultraschall seit 2009
Baumert, Garrecht Suspensionsmischen seit 2010
Takahashi, Bier, Westphal
Misch- und Förderprozesse
2011, 2014
IAB Suspensionsmischen seit 2014
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Vergleich von Mischverfahren
18.11.2019
Vereinfachte Darstellung aller Betonarten in einer Matrix
3 Mischverfahren auf dem Markt verfügbar
2 davon für betontechnologische Zwecke geeignet
300 [kg/m³] 400 [kg/m³] 500 [kg/m³]
Zement Zusatzstoff(e) Zement Zusatzstoff(e) Zement Zusatzstoff(e)
100/0 [Ma.-%] 300 0 400 0 500 0
90/10 [Ma.-%] 270 30 360 40 450 50
80/20 [Ma.-%] 240 60 320 80 400 100
70/30 [Ma.-%] 210 70 280 120 350 150
Feinststoff-Gehalt
Zem
en
tan
teil
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Vergleich von Mischverfahren
18.11.2019
Wahl charakteristischer Zusammensetzungen
300 [kg/m³] 400 [kg/m³] 500 [kg/m³]
Zement Zusatzstoff(e) Zement Zusatzstoff(e) Zement Zusatzstoff(e)
100/0 [Ma.-%] 300 0 400 0 500 0
90/10 [Ma.-%] 270 30 360 40 450 50
80/20 [Ma.-%] 240 60 320 80 400 100
70/30 [Ma.-%] 210 70 280 120 350 150
Feinststoff-Gehalt
Zem
en
tan
teil
Leicht- und Selbst- verdichtende Betone
„Klinkerreduzierte Betone“ k-Wert-Methode Gleichwertigkeit der Betonleistungsfähigkeit Gleichwertige Leistungsfähigkeit von Zement-Zusatzstoff-Kombinationen
Herkömmliche Betone (hier aber F2/F3 !)
BFT-Fachforum 2019: Der perfekte Mix | Aufschluss und Vermengung 15
Beispiel herkömmlicher Beton
18.11.2019
Prämisse: Praxis im Labor nachbilden
Mischer, Verfahrensabläufe & Rezepturanpassung
Misch-verfahren
Misch-prinzip
Verfahrens-ablauf
Drehzahl [min-1]
FM-Gehalt [Ma.-%]
Suspension [dm³]
Hauptmischzeit [s]
60 120 240 360
1-stufig I - 50 0,8 - I60 I120 I240 I360
2-stufig
II 1 3.000 0,5 42 II60,1 II120,1 II240,1 II360,1
2 3.000 0,5 50 II60,2 II120,2 II240,2 II360,2
III
1 3.000 0,5 42 III60,1 III120,1 III240,1 III360,1
2 3.000 0,8 50 III60,2 III120,2 III240,2 III360,2
3 3.000 0,5 42 III60,3 III120,3 III240,3 III360,3
4 3.000 0,8 50 III60,4 III120,4 III240,4 III360,4
technologisch nicht möglich oder unvorteilhaft
Untersuchungsbereich
Nassmischzeit (1-stufig) oder Suspensionsmischzeit (2-stufig)
Ringtellermischer
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Frühfestigkeit
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Mittlere Frühdruckfestigkeit in Abhängigkeit von der Hauptmischzeit
Wärmebehandlung bei 40,0 °C
0,02,04,06,08,0
10,012,014,016,018,020,0
0 1 2 3 4 5 6 7
Mit
tler
e Fr
üh
dru
ckfe
stig
keit
[N
/mm
²]
Hauptmischzeit [min]
1-stufig 2-stufig (SM1, Ablauf 1)2-stufig (SM1, Ablauf 2) 2-stufig (SM2, Ablauf 1)2-stufig (SM 2, Ablauf 2)
Suspensionsmischen kann zu einem Festigkeitszuwachs führen, aber abhängig vom Verfahrensablauf
2-stufig: 3.000 U/min
BFT-Fachforum 2019: Der perfekte Mix | Aufschluss und Vermengung 17
Druckfestigkeit nach 28 d
18.11.2019
Korrelation des LP-Gehalts mit der 28d-Druckfestigkeit
0
10
20
30
40
50
60
70
0 1 2 3 4 5 6 7 8
28
d-D
ruck
fest
igke
it [
N/m
m²]
LP-Gehalt [Vol.-%]
1-stufig
2-stufig (Suspensionsmischer 1)
2-stufig (Suspensionsmischer 2)
BFT-Fachforum 2019: Der perfekte Mix | Aufschluss und Vermengung 18
Haupt-Anforderung aus Praxis
18.11.2019
Vollständige Entleerung: Input ≙ Output
H2O CEM ZS FM
Mischerfüllvolumen
𝑉𝐻𝑀 𝑖𝑛 𝑚³
GK
Stoffraumrechnung im Hauptmischer (alle Einheiten in m³)
Suspensionsmischer
vollständige Entleerung der Suspension
𝑉𝐵𝑀𝐿 = 𝑉𝐹𝑀 + 𝑉𝐻2𝑂 + 𝑉𝐶𝐸𝑀 + 𝑉𝑍𝑆 + 𝑉𝐿𝑃,𝐵𝑀𝐿
1m³ =1
𝑉𝐻𝑀𝑉𝐵𝑀𝐿 + 𝑉𝐺𝐾 + 𝑉𝐿𝑃,𝐵𝑒𝑡𝑜𝑛 − 𝑉𝐿𝑃,𝐵𝑀𝐿
Erweiterte Stoffraumrechnung:
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Haupt-Anforderung aus Praxis
18.11.2019
Vollständige Entleerung: Input ≙ Output ± zulässige Abweichung
H2O CEM ZS FM
Mischerfüllvolumen
𝑉𝐻𝑀 𝑖𝑛 𝑚³
GK
Schwankungsbreite nach EN 206?
Tabelle 1: Zulässige Abweichungen für das Dosieren von Ausgangsstoffen bei einer Betonmenge
≥ 1,0 m³ (Tab. 2 aus EN 206)
Ausgangsstoff Zulässige Abweichungen
Zement [in Ma.-%] ± 3 % der erforderlichen Menge
Wasser [in Ma.-% oder Vol.-%]
Gesamte Gesteinskörnung [in Ma.-%; leichte Gesteinskörnung in Ma.-% oder Vol.-%]
Zusatzstoffe und Fasern bei einem Massean-teil von > 5 % bezogen auf Zement [in Ma.-%]
Zusatzmittel, Zusatzstoffe und Fasern bei einem Masseanteil von ≤ 5 % bezogen auf
Zement [Zusatzmittel in Ma.-% oder Vol.-%; Rest nur in Ma.-%]
± 5 % der erforderlichen Menge
ANMERKUNG: Als Abweichung gilt die Differenz zwischen Zielwert und Messwert.
EN 206: zulässige Abweichungen für das Dosieren von Ausgangsstoffen, (3 Ma.-% bis 5 Ma.-%)
e1
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Haupt-Anforderung aus Praxis
18.11.2019
Vollständige Entleerung: Input ≙ Output ± zulässige Abweichung
H2O CEM ZS FM
Mischerfüllvolumen
𝑉𝐻𝑀 𝑖𝑛 𝑚³
GK
Schwankungsbreite nach EN 206?
Tabelle 1: Zulässige Abweichungen für das Dosieren von Ausgangsstoffen bei einer Betonmenge
≥ 1,0 m³ (Tab. 2 aus EN 206)
Ausgangsstoff Zulässige Abweichungen
Zement [in Ma.-%] ± 3 % der erforderlichen Menge
Wasser [in Ma.-% oder Vol.-%]
Gesamte Gesteinskörnung [in Ma.-%; leichte Gesteinskörnung in Ma.-% oder Vol.-%]
Zusatzstoffe und Fasern bei einem Massean-teil von > 5 % bezogen auf Zement [in Ma.-%]
Zusatzmittel, Zusatzstoffe und Fasern bei einem Masseanteil von ≤ 5 % bezogen auf
Zement [Zusatzmittel in Ma.-% oder Vol.-%; Rest nur in Ma.-%]
± 5 % der erforderlichen Menge
ANMERKUNG: Als Abweichung gilt die Differenz zwischen Zielwert und Messwert.
EN 206: zulässige Abweichungen für das Dosieren von Ausgangsstoffen, (3 Ma.-% bis 5 Ma.-%)
e1
e2 ???
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Haupt-Anforderung aus Praxis
18.11.2019
Vollständige Entleerung: Input ≙ Output ± zulässige Abweichung
H2O CEM ZS FM
Mischerfüllvolumen
𝑉𝐻𝑀 𝑖𝑛 𝑚³
GK
Schwankungsbreite nach EN 206?
Tabelle 1: Zulässige Abweichungen für das Dosieren von Ausgangsstoffen bei einer Betonmenge
≥ 1,0 m³ (Tab. 2 aus EN 206)
Ausgangsstoff Zulässige Abweichungen
Zement [in Ma.-%] ± 3 % der erforderlichen Menge
Wasser [in Ma.-% oder Vol.-%]
Gesamte Gesteinskörnung [in Ma.-%; leichte Gesteinskörnung in Ma.-% oder Vol.-%]
Zusatzstoffe und Fasern bei einem Massean-teil von > 5 % bezogen auf Zement [in Ma.-%]
Zusatzmittel, Zusatzstoffe und Fasern bei einem Masseanteil von ≤ 5 % bezogen auf
Zement [Zusatzmittel in Ma.-% oder Vol.-%; Rest nur in Ma.-%]
± 5 % der erforderlichen Menge
ANMERKUNG: Als Abweichung gilt die Differenz zwischen Zielwert und Messwert.
EN 206: zulässige Abweichungen für das Dosieren von Ausgangsstoffen, (3 Ma.-% bis 5 Ma.-%)
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Unzureichendes Mischen
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unzureichende Homogenisierung und Dispergierung aller Komponenten → Bildung verbleibender Agglomerationen & unvollständige Entleerung
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Entleerung
18.11.2019
vollständige Homogenisierung und Dispergierung
Einflussfaktoren: Maschinentechnik
… Mischertyp, Dimensionierung Mischzelle und –werkzeug Mechanische Verfahrenstechnik
… Mischzeit, Trombenbildung, Turbulenz, Zugabezeitpunkt der Ausgangsstoffe Bindemittelzusammensetzung
… Feststoffgehalt bzw. w/z-Wert, Fließmitteltyp und –dosierung, Mineralogie, spezifische Oberfläche, LP-Mittel
Temperatur der Rohstoffe
BFT-Fachforum 2019: Der perfekte Mix | Aufschluss und Vermengung 24
Zusammenfassung
18.11.2019
Mischen ist komplex und alles andere als trivial
Zweistufiges Mischverfahren:
− Vorteilhaft für vielfältige Anwendungen (bspw. höhere Frühfestigkeit)
− Neue Möglichkeiten der Suspensionsmischtechnologie machen praktische Anwendungen möglich
− Suspensionsmischer ≠ Suspensionsmischer
− Viele weitere Anforderungen (z.B. Konsistenzhaltung, Mischungsstabilität, Steuerungsprozesse)
Fokus weiterer Arbeiten: effizienteres Mischen mit Zusatzstoffen
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Institut für Angewandte Bauforschung
Weimar gemeinnützige GmbH
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IAB Weimar gGmbH Forschungsbereich Baustoffe Über der Nonnenwiese 1 99428 Weimar Germany
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Dr.-Ing. Justus Lipowsky Tel.: +49.3643.8684-156 E-Mail: [email protected]