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Verfahren zur Erzeugung eines Gemenges aus losem körnigen Material und einer Flüssigkeit für
Bauzwecke.
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Der erfindungsgemässe Gedanke ist, durch mechanische Hilfsmittel, nämlich dadurch, dass man eine lose Masse zur gleichen'Zeit in der Weise rüttelt und eine Flüssigkeit in sie einführt, dass ein gleichmässiger Strom der Flüssigkeit entgegen der auf die Masse wirkenden Kraft (in der Regel der Schwerkraft) entsteht, künstlich einen Bewegungszustand zwischen der losen Masse und der Flüssigkeit ähnlich demjenigen herbeizuführen, wie er für den Schwimmsand charakteristisch ist, und dadurch ein Gemenge zu erhalten, das gleichzeitig durch Dreierlei ausgezeichnet ist : die vollkommene Durchtränkung, die Flüssigkeitseigenschaft und das Zusammensinken auf ein Hohlraumminimum.
U. zw. will die Erfindung den genannten Bewegungszustand vermöge der Stärke der anzuwendenden mechanischen Hilfsmittel sehr viel intensiver gestalten, als er in der Natur vorkommt, und will ein Gemenge mit den drei genannten charakteristischen Eigenschaften auch zwischen solchen losen Massen und solchen Flüssigkeiten herstellen, zwischen denen die Erscheinungen der Setzungsfliessung in der Natur nicht vorkommen und auch nicht denkbar sind.
Die günstige Wirkung des erfindungsgemässen Verfahrens beruht auf den gleichartigen physikalischen Vorgängen, die hervorgerufen werden in dem Falle, wenn ein Flüssigkeitsstrom eine lose Masse von unten nach oben (allgemein entgegen der auf die Masse wirkenden Kraft) durchdringt, und im andern Fall, wenn man eine lose Masse in Rüttelbewegung versetzt. Unter der Wirkung des Strömungsdruckes des aufsteigenden Flüssigkeitsstromes vermindert sich die innere (statische) Reibung der Masse und nähert sich der sehr viel kleineren hydrodynamischen Reibung : Die Körner der Masse haben Neigung aufzuschweben.
Ganz ähnlich gehen die einzelnen Körner einer losen Masse unter der Wirkung des Rüttelns bei fortdauerndem gegenseitigem Stossen und Voneinanderabprallen in eine Art Schwebezustand über.
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durchtränkt, das entstehende Gemenge erhält die Eigenschaft einer Flüssigkeit und sinkt auf ein Mindestvolumen zusammen. Zu beachten ist, dass nicht jede lose Masse und nicht jede Flüssigkeit sich für das Verfahren eignen. Man kann aber die lose Masse, insbesondere ihre Körnung, und die Flüssigkeit, insbesondere ihre Viskosität, aber auch das Volumen der dem Verfahren zu unterwerfenden Masse, die Rüttelstärke und Rüttelfrequenz, die in der Zeiteinheit einzuführende Flüssigkeitsmenge, die Strömungsgeschwindigkeit bzw. den Strömungsdruck aufeinander abstimmen und erhält dadurch verhältnismässig weite Grenzen, innerhalb deren das Verfahren anwendbar ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren, charakterisiert durch die Erzeugung eines Bewegungszustandes, aus dem heraus ein für bautechnisch Zwecke verwendbares Gemenge mit den drei schon mehrfach erwähnten Eigenschaften entsteht, ist etwas wesentlich anderes als das bekannte Verfahren des Einpressens von Flüssigkeiten in lose Massen unter hohem Druck und auch etwas anderes als das bekannte Rütteln zur Erhöhung der Fliessfähigkeit zähflüssiger Massen oder zur Verdichtung von frischem Beton, von Schüttungen und von lockerem Baugrund.
Wie in der Einleitung bereits ausgeführt, sind es nicht immer alle drei Eigenschaften des bei Anwendung des Verfahrens entstehenden Gemenges zugleich, deren bautechnisch Nützlichkeit unmittelbar gesucht wird. Es entstehen zwar immer alle drei Eigenschaften auf einmal, denn eine davon kann nicht bestehen ohne die beiden andern, aber je nach dem im Einzelfall bei der Herstellung des Gemenges verfolgten Ziel wird die Nützlichkeit des Verfahrens in einer der drei Eigenschaften gefunden oder in zwei derselben oder auch in allen dreien. Das erfindungsgemässe Verfahren kann auch zur Verdichtung von geschütteten Dämmen und von lockerem Baugrund verwendet werden.
Hier handelt es sich um dasjenige Anwendungsgebiet des Rütteldruckverfahrens, das den in der Natur zu machenden Beobachtungen am nächsten liegt. Man verfährt in der Weise, dass man die Schutt- masse oder den Baugrund zusammen mit einer zur Körnung der Masse passenden Flüssigkeit dem Verfahren unterwirft mit dem Endzweck, einer möglichst dichten Zusammenlagerung der Schüttung infolge des Zusammensinkens des entstandenen Gemenges und mit der Möglichkeit, dass die Flüssigkeit nach erfolgter Verdichtung wieder entweichen (verdunsten) kann.
Es sind zwei Fälle zu unterscheiden, u. zw. der Fall, dass die verdichtete Masse möglichst wasserundurchlässig sein soll, und der Fall, dass nur eine möglichst dichte Lagerung der Schüttmasse bzw. des
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aufweist als ein Damm, der nach irgendeinem andern Verfahren zu verdichten versucht worden ist, so kann es sich bei wichtigen Wasserbauten doch empfehlen, zum Ausfüllen der verbleibenden feinen Poren als Flüssigkeit ein Gemenge von Wasser mit Trass, Steinmehl, Ton u. dgl. zu verwenden. Diese Beimengungen verbleiben in der Masse, während das Wasser im Laufe der Zeit auch hier wieder entweichen (verdunsten) kann.
Versuche haben gezeigt, dass nicht etwa auch schon durch blosses Einpressen von Wasser (Einschlämmen) oder durch blosses Rütteln eine-auch nur annähernd so starke Setzung des Baugrundes
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oder der Schüttmasse erreicht werden könnte wie durch die Anwendung des erfindungsgemässen
Verfahrens.
Es soll nun die Verflüssigung des einen Pfahl, eine Spundbohle, ein Rohr, einen Brunnen u. dgl. umgebenden Bodens, während der Pfahl usw. in den Boden eingetrieben oder auch aus dem Boden heraus- gezogen wird, besprochen werden.
Hier wird in erster Linie die Flüssigkeitseigenschaft eines durch das erfindungsgemässe Verfahren entstehenden Gemenges ausgewertet, nämlich der Zustand der Breiflüssigkeit, in dem der dem Verfahren unterworfene, den Pfahl usw. umgebende Boden versetzt wird, das Eintreiben des Pfahles und in gleicher
Weise das Rückziehen desselben erleichtert. Man verfährt in der Weise, dass man während des Ein- treibens bzw. des Rückziehens den den Pfahl umgebenden Boden zusammen mit Wasser dem erfindungs- gemässen Verfahren unterwirft, indem man den Boden in Rüttelbewegung versetzt und Wasser in ihn einführt, u. zw. in der Weise, dass das Wasser in gleichmässigem Strom in dem den Pfahl umgebenden
Boden aufsteigt. Nach Durchführung der Arbeit setzt sich der Boden wieder fest zusammen.
Bedingung ist in jedem Falle wasserdurchlässiger, sandiger und kiesiger Boden.
Das Verfahren ist nicht zu verwechseln mit dem bekannten Einspülverfahren, durch das unter der Wirkung eines Wasserstrahles beim Einrammen von Pfählen der Boden an der Pfahlspitze aufgewühlt werden soll.
Die Düse zum Wassereinführen wird beim erfindungsgemässen Verfahren vorteilhaft (in Anlehnung an die bekannten Einspülverfahren) mit dem Pfahl fest verbunden. Es ist aber auch möglich und in vielen Fällen manchmal sogar notwendig, Düsen besonders einzuschlagen. Die Ausbildung der Düsen- rohre ist von derjenigen der Einspülrohre insofern verschieden, als das Wasser nicht nur an der Spitze des Pfahles, sondern, je nach Lage des Einzelfalles, auch in anderer Höhe, insbesondere auch neben dem
Pfahl eingeführt wird. Zur Übertragung der Rüttelwirkung wird in der Regel der Pfahl usw. selbst benutzt.
Die am Pfahl zu befestigende Rüttelvorrichtung wird mit Vorteil unsymmetrisch ausgebildet, so dass diese neben der Rüttelarbeit gleichzeitig auch die erforderliche Zug-und Druckkraft ausüben kann.
Zur Verflüssigung einer losen Masse (etwa Baggergut) zum Zwecke ihrer Förderung in geschlos- senen Rohrleitungen sowie zur Aufbereitung von Beton und Förderung desselben in geschlossenen Rohrleitungen wird wieder die Flüssigkeitseigenschaft des zu fördernden Materials benutzt. Man verfährt in der Weise, dass man die lose Masse (das Baggergut) in kontinuierlichem Strom durch ein Gefäss hin- durchführt, es dort unter gleichzeitiger Durchleitung eines gegenläufigen Wasserstromes rüttelt und das entstandene breiflüssige Gemenge unter Festhaltung seines Bewegungszustandes in ununterbrochenem Fluss in einer unmittelbar anschliessenden Rohrleitung weiterleitet.
Das Verfahren, durch das eine lose Masse (Baggergut) in breiflüssigem Zustand versetzt und in geschlossenen Rohrleitungen gepumpt wird, unterscheidet sich von dem normalen Fall des Rütteldruckverfahrens dadurch, dass die relative Bewegung zwischen der losen Masse und der Flüssigkeit nicht in der lotrechten Richtung, sondern in einer willkürlich gewählten Richtung stattfindet. Das Verfahren ist nicht zu verwechseln mit dem bekannten Spülverfahren, bei dem unter der Wirkung der Schleppkraft eines sehr starken Wasserstromes Baggergut durch Rohrleitungen hindurchgespült wird.
In dem Sonderfall der Aufbereitung und des Transportes von frischem Beton handelt es sich ausser der Ausnutzung der Eigenschaft der Breiflüssigkeit des Gemenges für den Transport auch noch um die Ausnutzung der Eigenschaft der vollkommenen Durchtränkung zum Zwecke der Herstellung des Mischgutes. Das Verfahren ist im übrigen grundsätzlich das gleiche. Es wird Betonzuschlagsstoff in kontinuierlichem Strom durch ein Gefäss hindurchgeführt, dort in Rüttelbewegung versetzt, während gleichzeitig in der entgegengesetzten Richtung ein Zementleimstrom durch den Zuschlagsstoff hindurchgeleitet wird. Am andern Ende des Gefässes geht der gemischte und breiflüssige frische Beton unmittelbar in eine Rohrleitung über und gelangt durch diese zur Verwendungsstelle (in den Einbauraum).
Das besondere bei der Anwendung des Rütteldruekverfahrens ist die Verwendung einer solchen Flüssigkeit, die nach dem Prozesse in der Masse verbleibt, dort in einen festen Zustand übergeht und die Körner der Masse zu einem einheitlichen festen Körper bindet. Dabei werden fast immer alle drei Eigenschaften des Gemenges verwertet, u. zw. die vollkommene Durchtränkung der Masse zum Zwecke der Einheitlichkeit und Festigkeit des zu bildenden Körpers, die Flüssigkeitseigenschaft zwecks satter Ausfüllung der Form und das Zusammensinken auf ein minimales Volumen zur Erzielung eines möglichst dicht gefügten Materials.
Zu diesem Anwendungsgebiet des Rütteldruckverfahrens gehört die Versteinerung von rolligem Baugrund, vor allem aber die Herstellung von Betonkörper aller Art unmittelbar im Einbauraum.
Beton ist ein Gemenge aus Zuschlagsstoff (z. B. Kiessand) und Zementleim (in frischem Zustand).
Der Zementleim soll die Körner des Zuschlagsstoffes vollständig umhüllen und die Hohlräume zwischen ihnen dicht ausfüllen. Von der Erfüllung dieser Forderung hängt in hohem Masse die Dichte und Festigkeit des abgebundenen Betons ab. Die Herstellung von Baukörpern aus Beton umfasst nach den bisher allgemein üblichen Methoden der Betonbereitung drei verschiedene zeitlich aufeinanderfolgende Massnahmen : das Mischen des Zuschlagsstoffes mit Zementleim (in der Regel in Mischmaschinen), den Transport des Mischgutes zur Einbaustelle und schliesslich den Einbau des Mischgutes in den für den
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herzustellenden Baukörper bestimmten Raum.
Das Rütteldruckverfahren ermöglicht, Betonkörper aller Art unter Verzicht auf Mischmaschinen und Fördereinrichtungen unmittelbar im Einbauraum, insbesondere auch unter Wasser, herzustellen.
Man verfährt dabei wie folgt : Es wird unter den in den Einbauraum eingefüllten Zuschlagsstoff Zementleim unter mässigem Druck derart eingeführt, dass dieser sich unter der ganzen Grundfläche des Zuschlagsstoffes ausbreitet und von dort mit Hilfe des gleichzeitigen Rüttelns des Zusehlagsstoffes in gleichmässigem Fluss langsam nach oben steigt. Es entsteht so unter der Wirkung der Setzungsfliessung (durch das gegenseitige Durchdringen von Zementleim und Zuschlagsstoff) eine vollkommene Durchtränkung des Zuschlagsstoffes mit Zementleim. Es bilden Zementleim und Zuschlagsstoff zusammen eine zähe Flüssigkeit, die den ganzen Einbauraum satt ausfüllt und die festen Körner des entstandenen Gemenges sinken auf ein Mindestvolumen zusammen.
Man erhält dadurch nach dem Abbinden einen Beton, der bei höchster Dichte und Festigkeit ein Minimum an Zement erfordert.
Das Höchstmass an Dichte und Festigkeit bei geringstem Verbrauch an Zementleim infolge der dichtesten Lagerung der Körner des Zuschlagsstoff es, die Möglichkeit, einen bestimmten Zement-WasserFaktor genau einzuhalten, die Vermeidung jeder Entmisehungsgefahr, namentlich auch unter Wasser, sind die besonderen Vorzüge des unter Anwendung des Rütteldruekverfahrens im Einbauraum unmittelbar hergestellten Betons. Bei dem gewöhnlichen, schon bekannten Einpressverfahren musste der Überdruck zum Einpressen des Zementleims sehr hoch gehalten werden, ausserdem musste der Zuschlagsstoff aus sehr grobem Material mit grossen Hohlräumen bestehen, um eine einigermassen gute Durchtränkung zu erhalten. Die Folge war, neben andern Mängeln, der Nachteil eines unverhältnismässig hohen Zementverbrauches.
Das schon bekannte Rütteln für sich allein in Anwendung auf die Verarbeitung von Beton ist auf vorgemischten Beton und auf Arbeiten im Trockenen beschränkt. Versuche zeigen im übrigen, dass es auch bei noch so starker Rüttelarbeit allein unmöglich ist, den Beton so dicht zusammenzurütteln, wie dies beim Rütteldruckverfahren möglich ist.
Bei der Herstellung eines Gründungskörpers (Pfahl, Pfeiler usw. ) im Baugrund kann der Körper entweder gegen den umliegenden Boden abgeschlossen oder unmittelbar in diesem hergestellt werden.
Im letzteren Falle kann durch entsprechende Wahl der Schichthöhen, des Flüssigkeitsdruckes und der Rüttelstärke dem Gründungskörper eine bestimmte Form gegeben, unter Umständen auch gleichzeitig der anliegende Baugrund versteinert werden. Diese Möglichkeit ist besonders bei der Herstellung von Ortpfählen von Bedeutung, deren Tragfähigkeit durch Fussverbreiterung und Wulstbildung erhöht wird.
Solche Ausweitungen entstehen bei Herstellung eines Ortpfahles beim Rütteldruckverfahren schon von selbst infolge des hohen Druckes der rasch wachsenden Säule des frischen Betons.
Vorteile anderer Art ergeben sich durch Anwendung des Rütteldruekverfahrens bei der Herstellung von flachen Betonkörpern, also bei Decken (insbesondere Strassendecken), Rohren, Tunnelverkleidungen u. dgl., und wiederum andere Vorteile bei der Herstellung von Betonwaren. Grosse Betonkörper, nach dem Rütteldruckverfahren hergestellt, bieten besonders im Wasser (Brückenpfeiler, Staumauern) den Vorteil grosser Wasserdichtigkeit und geringen Schwinden.
Dem beim Rütteldruckverfahren zur Herstellung von Beton in den Zuschlagsstoff einzubringenden Zementleim können Zusätze von Trass, Steinmehl u. dgl. beigegeben werden. Auch können bei anderweitiger Anwendung des Rütteldruckverfahrens zur Verfestigung loser Massen an Stelle von Zementleim beliebige andere Bindemittel (Chemikalien, bituminöse Stoffe u. dgl. ) Verwendung finden. Bedingung ist in jedem Falle der flüssige Zustand des Bindemittels.
Besondere Vorkehrungen sind in solchen Fällen zu treffen, wo der Gang der Arbeit (es ist dies regelmässig bei der Herstellung von Beton unter Wasser der Fall) nicht unmittelbar beobachtet werden kann. Für diese Fälle kommt die Tatsache der Flüssigkeitseigenschaft des Gemenges im Augenblick des Zustandekommens der Setzungsfliessung sehr zustatten. Es ist dadurch möglich, den Arbeitsvorgang mit einer Einrichtung zu kontrollieren, durch die das Flüssigwerden der gerade in Arbeit befindlichen Schicht angezeigt wird. Die einfachste Einrichtung der angedeuteten Art ist ein Hohlkörper, der in den Zuschlagsstoff eingesetzt wird und im Augenblick des Flüssigwerdens des Materials aufsteigt.
Unter Umständen ist es noch einfacher, die Rüttelvorrichtung selbst dadurch zum Aufsteigen zu bringen, dass man sie in den Zuschlagsstoff einbettet und zeitweilig oder dauernd durch ein Gegengewicht entlastet.
Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens braucht man unter anderm, u. zw. in jedem Falle, eine Rüttelmaschine zur Erzeugung der Rüttelbewegung innerhalb der losen Masse und ausserdem ein zweites Gerät, nämlich eine Zuleitung mit Düse, zum Einführen der Flüssigkeit.
Beim Rütteldruckverfahren an flachen Körpern und auch bei Bodenschüttungen in Schichten ist zum Einbringen der Flüssigkeit manchmal eine besondere Anordnung und Formgebung der Düse erforderlich. Die Düse wird in diesen Fällen zweckmässig als durchlochtes oder geschlitztes (oft mehrere Meter langes) Rohr unter der zu durchtränkenden Masse im voraus verlegt. Versuche haben gezeigt, dass eine solche Rohrdüse nach erfolgter Durchtränkung (unter Fortsetzung des Rüttelns) leicht aus der Masse herausgehoben und entfernt werden kann.
Bei Verwendung dickerer Flüssigkeiten beim Rütteldruckverfahren besteht leicht die Gefahr des Verstopfens der Düse. Es ist deshalb wichtig, in diesen Fällen eine Spezialdüse zu verwenden, deren
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Öffnung so gestaltet ist, dass etwa beginnende Verstopfungen durch die ausströmende Flüssigkeit immer wieder selbsttätig beseitigt werden. Die diesem Zwecke dienende charakteristische Form der Zementleim- düse ist in Fig. 1 (Ansicht) und Fig. 2 (Abwicklung) dargestellt. Die Austrittsöffnungen dieser Düse bestehen aus Schlitzen in der Rohrwandung, die oben sehr eng sind und sich nach unten so weit verbreitern, bis schliesslich der volle Rohrumfang freigegeben ist.
Dringt in einen der Schlitze etwa Sand ein und wird dadurch Verstopfung eingeleitet, so bleibt regelmässig immer noch der obere (engere) Teil des Schlitzes zum Austritt für den Zementleim offen und der jetzt unter Druck austretende Leim spült gleich auch wieder den unteren Teil des Schlitzes frei.
Bei Verwendung von sehr dünnen Flüssigkeiten (etwa von reinem Wasser zur Verdichtung von geschütteten Dämmen) ist eine besondere Ausbildung der Düsenöffnung nicht erforderlich. Man darf in diesen Fällen, in völligem Gegensatz zur Zementleimdüse, die Düsenöffnung durch ein feines Gewebe gegen das Eindringen von Sand schützen. Ein solches Gewebe ist notwendig, wenn die Düse von oben in die Masse eingeschlagen werden soll.
Es ist in vielen Fällen zweckmässig, die Rüttelvorrichtung mit der Düse zu einem einzigen Gerät (Fig. 3 a Rüttler, b Düse, c Zementleimzuleitung, d Oberfläche des Zuschlagsstoffes und e Stand des Zement- leims) zu vereinigen. Dies besonders dann, wenn der Raum, in dem der Arbeitsvorgang sich abspielt, sehr eng ist (Bohrloch) und wenn man Wert darauf legen muss, die Rüttlerunterkante und die Düsen- öffnung während der ganzen Dauer des Vorganges in einem bestimmten Abstand zu halten und Düse und Rüttler mit fortschreitender Arbeit jeweils gleichzeitig hoehzuziehen.
Fig. 4 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausbildungsmöglichkeit eines Misch-und Förder- gerätes für Beton (Betonpumpe). Eine Schnecke a führt in kontinuierlichem Strom Zuschlagsstoff b in ein Gefäss e, in dem ein Zementleimstrom mittels Düsen d entgegen der Druckwirkung der Schnecke erzeugt und der Zuschlags stoff gleichzeitig gerüttelt wird. Zum Absaugen der aus dem Zuschlagsstoff entweichenden Luft ist das Gefäss mit einer Pumpe e ausgestattet. Das im Gefäss entstehende breiflüssige Gemenge gelangt, immer noch unter dem Druck der Schnecke und ohne seine Flüssigkeits- eigenschaft zu verlieren, unmittelbar in eine Rohrleitung f und über diese zur Einbaustelle. Hilfsrüttler g dienen, wenn nötig, der Erhaltung der Flüssigkeitseigenschaft des Gemenges im Rohr.
Im Grundsatz ganz ähnlich wäre auch eine Vorrichtung zu gestalten, durch die Baggergut gefördert werden soll.
Die erfindungsgemässen Geräte sind gegenüber den bisher gebräuchlichen durch grosse Einfachheit und durch sparsamen Verbrauch an Flüssigkeit (Zementleim bzw. Wasser) ausgezeichnet.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Erzeugung eines Gemenges aus losem körnigen Material und einer Flüssigkeit für Bauzwecke, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse aus körnigem Material einer Rüttelbehandlung unterworfen wird und dass während der Rüttelbehandlung ein gleichmässiger Flüssigkeitsstrom entgegen der die Vorwärtsbewegung der Masse bewirkenden Kraft, in der Regel der Schwerkraft, durch die Masse hindurchgeschickt wird, bis ein Gemenge entsteht, das ausgezeichnet ist durch vollkommene Durchtränkung der Masse mit der Flüssigkeit, durch die Eigenschaft der Breiflüssigkeit und durch die Neigung der festen Bestandteile der Masse, unter Bildung eines Hohlraumminimums zusammenzusinken.