Thursday, 27. Jun. 2019
 
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Basistechnologie
Basistechnologie

Nachbehandlung ist die Sicherstellung der geplanten Betoneigenschaften durch die Optimierung des Hydratationsverlaufes.

Physikalische Restriktionen

Der zeitliche Verlauf der Hydratation ist abhängig von der Temperatur der Betonmatrix. Niedrige Temperaturen Bedeuten hierbei eine Verlangsamung der Hydratation bis zum Stillstand bei etwa -10°C. Bei Temperaturen unter 0°C der frischen Betonmischung treten Gefügeschäden auf, die die Dauerhaftigkeit des Betons beeinflussen. Unter Qualitätsgesichtspunkten muss daher eine Mindesttemperatur und unter Produktionsgesichtspunkten eine zulässige Maximaltemperatur der Betonmatrix erreicht werden.
Primär wird die Wärme der Betonmatrix durch die Energiefreisetzung der chemischen Reaktion des Zementes erzeugt. Die Hydratationswärmeentwicklung ist hierbei von der Zementsorte und dem Hydratationsgrad (Zeitverlauf) abhängig.
1 kg Zement (z.B. CEM I 32,5 R) entwickelt bis ca. 200kJ  Wärmeenergie in den ersten 24 Stunden der Hydratation. Die Wärme verteilt sich in der Betonmatrix auf Anmachwasser, Zuschlagstoffe, Zusatzmittel- und -stoffe sowie dem Zement selbst.
Bei der Betrachtung der Wärmebilanz ist jedoch wesentlich, dass der Temperaturverlauf der Betonmatrix nicht linear erfolgt, sondern einer Funktion genügt, die von der Wärmeentwicklung in den ersten Stunden der Erhärtung abhängig ist.

Die summarische Wärmeentwicklung der Betonmatrix ergibt sich zu:

Q = CP · γ · ∆t · V        (Grundgleichung)

Unter Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften der zu betrachtenden Stoffe des Gemenges (Beton) ergibt sich das Gleichgewicht zu:

Q= QH – [QZ/A/S/L (f = CP · γ · ∆t · V )

                                       Q           
∆tBeton =   CPBeton· γBeton · VBeton


Q     Wärmeüberschuss
QH     Hydratationswärmeentwicklung
QZ     Wärmeaufnahmekapazität des Zementes
QA     Wärmeaufnahmekapazität des Anmachwassers
QS     Wärmeaufnahmekapazität des Sandes/Kieses
QL     Wärmeaufnahmekapazität des Luftraumes
QP     Spezifische Wärmeaufnahmekapazität (Zemente/Wasser/Sand/Luft)
γ       Spezifisches Gleichgewicht (Zement/Wasser/Sand/Luft/Beton)
∆t      Temperaturdifferenz der Stoffe
      Volumen

Wenn die Ausgangstemperatur des Stoffgemenges mit t1 bezeichnet wird, erhält man die einfache Beziehung:

t1 + ∆t = t2

Die Interpretation des Gleichungssystems zeigt ein vertrautes Bild.
Im Winterbetrieb (kalte Zuschlagstoffe, kaltes Anmachwasser usw.) erreicht t2 bei gleicher Zementmenge nur einen niedrigen Wert. Im Sommerbetrieb (warme Zuschlagstoffe) wird auch entsprechend t2 größer. Die Auswirkungen auf den zeitlichen Verlauf der Festigkeitsentwicklung sind bekannt.

Temperatureinfluss
Temperatureinfluss

Die Vollständigkeit der Hydratation ist von der Verfügbarkeit des stöchiometrisch erforderlichen Wassers abhängig. Ein Entzug von Wasser aus der Mixtur im oberflächennahen Bereich der Betonprodukte ist über die Verdunstung an der Oberfläche möglich, wenn die Feuchtigkeit der Umgebungsluft noch keine Sättigung aufweist.
Die Luftfeuchtigkeit gibt den gasförmigen Anteil des in der Luft enthaltenen Wassers an. Die Fähigkeit der Luft Wasser aufzunehmen nimmt mit steigernder Temperatur zu.
Wird Wasserdampf gesättigte Luft abgekühlt, scheidet sich flüssiges Wasser durch die Kondensation aus der Luft aus.
Eine gebräuchliche Angabe für den Grad des Wasserdampfgehaltes in der Luft ist die relative Luftfeuchtigkeit in %, die mit folgender Formel berechnet wird:

φ =          s        * 100 [%]
               S

s - spezifische Luftfeuchtigkeit in g/kg
S - maximale spezifische Luftfeuchtigkeit in g/kg
Die Zahlenwerte können dem Mollier-Diagramm entnommen werden.

Die Auswirkungen der Luftfeuchtesättigung kann man am Beispiel eines Nachbehandlungsraumes, mit den Dimensionen Breite 10m, Länge 25m, Höhe 3m und einem Produktvolumen von 100m³ verdeutlichen. Bei einer Ausgangstemperatur von 20°C und einer relativen Luftfeuchte von 70% entsteht bei einer Erwärmung des Raumes auf ca. 30°C eine zusätzlich erforderliche Wasserdampfkapazität bis zur Sättigung der Luft von 9100g. Ohne externe Wasserzugabe in den Behandlungsraum würde diese Wassermenge der Betonmatrix entzogen.

Mollier-Diagramm
Mollier-Diagramm

Vereinfacht begründen diese Abhängigkeiten die Forderungen:

  1. Schutz der Betonoberfläche gegen vorzeitiges Austrocknen durch die Minimierung des Dampfdruckgefälles zwischen Produktoberfläche und Umgebungsluft, indem die vom Temperaturniveau abhängige Wasseraufnahmekapazität der Luft nachgeregelt wird.

  2. Schutz gegen einen suboptimalen Erhärtungsverlauf der Betonmatrix durch Beeinflussung der chemischen Reaktion des Zementes mittels eines geregelten Wärmeenergietransfers über die Produktoberfläche. 
Idealisierte Verlaufskurve einer Nachbehandlung
Idealisierte Verlaufskurve einer Nachbehandlung
Konstruktive Auslegung des ifs systembau Nachbehandlungssystems

Die technische Umsetzung der technologischen Bedingungen erfolgt durch:

    - stufenlos regelbare Temperaturerhöhung der Umgebungsluft des Betonkörpers bis zu 60°C
    - stufenlos regelbare Erhöhung der relativen Feuchte der Umgebungsluft bis > 95%

Die Regelung des Wärmeüberganges erfolgt über einen flächigen Kapillarrohr-Wärmetauscher mit einer wirksamen Oberfläche von 1:1,3 zur Installationsoberfläche. Der Wärmeübergang zum Betonprodukt erfolgt zu 70% als Wärmestrahlung und zu 30% als Konvektion. Die Kapillarrohrwärmetauscher bestehen aus Kunststoff und sind mit einem Gewicht von 1,0 Kg/m² und einer Wandstärke 2,0 cm problemlos in bestehende Nachbehandlungsbereiche einsetzbar.

Kapillarrohrwärmetauscher
Kapillarrohrwärmetauscher

Das System arbeitet mit einem geschlossenen Wasserkreislauf, vorlaufseitig mit einer Temperatur < 90°C und einem Betriebsdruck von < 2,0 bar. Arbeitssicherheitsanforderungen entstehen daher nicht. Der Nachbehandlungsraum ist jederzeit während des Betriebes begehbar.

Primärseitig wird der Wärmebedarf über eine handelsübliche Therme (Öl-, Gas-, Elektrobetrieb) erzeugt. Der erforderliche Niedertemperaturbedarf kann auch über alternative Energiequellen - Wärmepumpe, Prozessrestenergie, usw.- abgedeckt werden. Das System eignet sich ebenso gut zur Kühlung der Betonoberflächen, wenn z.B. eine überhöhte Temperatur der Betonmatrix vermieden werden soll. In diesem Fall wird die Therme durch ein Kühlaggregat ersetzt oder ergänzt.
Primärkreislauf
Primärkreislauf
Sekundärkreislauf
Sekundärkreislauf
Die Regelung der Luftfeuchte erfolgt über ein Zweistoff-Düsensystem (Druckluft/Wasser). Mit der frei wählbare Vorgabe von Sprühzeiten und Sprühvolumen regelt der permanente Abgleich zwischen Soll- und Istwert, ausgehend vom Anfangswert der Luftfeuchtigkeit, iterativ den jeweils gewünschten Zielwert ein. Eine Übersättigung der Luft (Kondensationsbildung) wird damit weitgehend vermieden.

Durch den Temperaturunterschied zwischen kälterer Produktfläche und (wärmerer) Umgebungsluft wird im oberflächennahen Bereich des Betons die Luft abgekühlt (Wärmeübergang) und damit eine rel. Feuchte > 95% bis zur Kondensation von Luftfeuchte auf der Betonoberfläche erreicht.
Ventilsatz zur Steuerung der relativen Feuchte
Ventilsatz zur Steuerung der relativen Feuchte
Düse
Düse
Kombisensor
Kombisensor

In jeder Nachbehandlungszone ist ein Kombinationsmesssensor für die Erfassung der Luftparameter (Temperatur und rel. Feuchte) installiert. Zusätzlich zur Einbindung in die Regelung als Referenzsignal und/oder zur Umfelddatenerfassung ist jeweils ein Kombimesssensor in der Produktionshalle und im Außenbereich installiert.
Zur Kalibrierung der Anlagensteuerung werden manuell mit einem Infrarotthermometer/Hygrometer Stichprobenmessungen der tatsächlichen Oberflächentemperatur/Luftfeuchte an der Produktoberfläche durchgeführt. Der Vergleich der gemessenen Lufttemperatur/Feuchte mit der Betonoberflächentemperatur/-feuchte zeigt i.d.R. gleich bleibende Faktoren für die einzelnen Zonen.
Um mit einer hinreichenden Genauigkeit die Betonparameter zu bestimmen, müssen die gemessenen Werte gewichtet werden. Die Eingabe dieser Faktoren als Korrelationsgröße erfolgt in das Steuerungsprogramm des PC’s.
Für jede Zone der Nachbehandlung können für beide Parameter unabhängige Sollwerte frei vorgegeben werden. Jeder Sollwert kann zusätzlich mit einem Zeitintervall belegt werden, so dass Temperatur- und Feuchteprofile über den Nachbehandlungszeitraum programmierbar sind. Hierdurch sind unterschiedliche Nachbehandlungsabläufe z.B. nach Rezepturen, Produkttypen oder Jahreszeiten zu erstellen.
Eingabetableau-Erstellung Nachbehandlungsprogramm
Eingabetableau-Erstellung Nachbehandlungsprogramm

Zum Prozeßende verfügt die Steuerung über die Programmoption, den Messwert des Hallensensors oder des Außensensors zuzüglich einer frei wählbaren Konstante (Δt) als Sollparameter vorzugeben. Dies führt zu einer automatischen Abklingrampe der Temperatur (oder auch Feuchte) zum Ende der Nachbehandlungszeit.

Eine Systemsteuerung nach der Reifeentwicklung (z.B. Saul) ist möglich. Die Sicherung von Qualitätsstandards wie z.B. Temperaturanstiegs- und Temperaturabkühlungsrampen werden durch die freie Vorgabe von Δt [K] Werten/ Stunde gewährleistet.
Digitale Ist-Wert-Anzeige am PC
Digitale Ist-Wert-Anzeige am PC
Verlauf Temperatur/Feuchte-ohne aktive Befeuchtung
Verlauf Temperatur/Feuchte-ohne aktive Befeuchtung
Alle Prozessdaten werden durch ein Meßsystem kontinuierlich erfasst und in einem frei wählbaren Rhythmus gespeichert. Die Daten werden aktuell als Digitalwert oder Graph angezeigt. Die Ergänzung der gespeicherten Daten durch Betriebsdaten, Kundendaten, usw. zur Gestaltung von Produktionsprotokollen/ Qualitätsprotokollen ist jederzeit möglich. Das System besitzt die erforderlichen Schnittstellen für eine Online Anbindung Intranet/Internet. Die Programmierung und Verwaltung der Daten ist damit unabhängig vom Standort der Anlage. Das Nachbehandlungssystem wird über einen zentralen Leitstand versorgt und geregelt. Alle Baukomponenten sind international verfügbare Produkte und besitzen die jeweilige länderspezifische Zertifizierung.


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