Dlaczego nie da się dobrze wymieszać betonu za

Przedstawicielstwo w Polsce:
Dlaczego nie da się dobrze wymieszać betonu
za pomocą zwykłych mieszarek?
Wyniki badań porównawczych mieszarek różnych typów
W 2002 roku weimarski instytut IFF przeprowadził badanie jakości mieszania betonu, w których
porównano mieszalnik intensywny Eirich i mieszarkę planetarną.
Mieszalnik intensywny Eirich wypadł znacznie lepiej
we wszystkich badanych parametrach takich jak
jednolitość gęstości objętościowej świeżego betonu,
zawartość wody, udział najdrobniejszych cząstek
mineralnych, udział substancji stałych 0,125 - 0,25,
odporność na zużycie i odporność na sól. Wyższa
jakość mieszania uwidoczniła się najbardziej przy
pomiarze intensywności koloru kostki brukowej.
Podczas gdy mieszarka planetarna (po lewej, zielone i
pomarańczowe słupki) uzyskuje zróżnicowanie
rozkładu ponad 30 jednostek, w przypadku mieszarki
wysokowydajnej Eirich (prawy niebieski słupek)
zróżnicowanie rozkładu wynosi tylko 8 jednostek.
Planetarna 1 Planetarna 2 Eirich
W 2004 roku Fons Rikken przeprowadził badania porównawcze koncentrując się na mieszankach
do produkcji szkła.
a)
b)
Biuro Usług Naukowo-Technicznych – przedstawicielstwo Maschinenfabrik Gustav EIRICH
ul. Różyckiego 5/1, 40-589 Katowice • tel. 721 363 111 lub 605 342848 • fax 32 729 7080
mail: [email protected] • www. bunt.katowice.pl
1
Badano rozprowadzenie 100 ppm (100 g/t) dodanego materiału. W badaniach uwzględniono różne
typy mieszarek, m.in. pierścieniową mieszarkę korytową, mieszalnik intensywny Eirich z misą
poziomą (linia czerwona na rys. b), pierścieniową mieszarkę korytową z wirnikiem oraz mieszalnik
intensywny Eirich z misą ukośną (linia niebieska na rys. b).
We wszystkich przypadkach mieszalnik
intensywny Eirich był maszyną, która
najszybciej uzyskuje najwyższą jakość
mieszanki. Ważne jest przy tym to, że
„nawet
dłuższe
mieszanie
w
pierścieniowej mieszarce korytowej (z
wirnikiem lub bez wirnika) nie daje tak
wysokiej
jakości
mieszania,
jaka
uzyskuje
się
w
intensywnych
mieszalnikach Eirich”.
Mieszarki do betonu
Najstarszymi producentami mieszarek w Niemczech są firmy BHS i Eirich, a najstarszym modelem
jest mieszarka korytowa, która powstała około 1870 roku.
Pierścieniowa
mieszarka korytowa
ok. 1870 roku
Mieszarka planetarna
Eirich
1906
Mieszalnik intensywny
Eirich typu D
1960
Mieszalnik intensywny
Eirich typu R
1972
Podstawowa zasada działania dzisiejszej
mieszarki Eirich została stworzona w 1924
roku.
W odróżnieniu od wszystkich innych
systemów mieszania, transport mieszanki i
mieszanie są tutaj od siebie oddzielone.
Obracający
się
zbiornik
transportuje
mieszany
materiał,
a
umieszczone
mimośrodowo
narzędzie
mieszające
wykonuje zasadnicze mieszanie.
Już wtedy mieszarki te były bezkonkurencyjnie w przemyśle betonowym.
W 1960 roku zaczęto produkować
(mieszalnik Eirich typ D).
mieszarkę Eirich z wirnikiem i poziomą misą obrotową
Biuro Usług Naukowo-Technicznych – przedstawicielstwo Maschinenfabrik Gustav EIRICH
ul. Różyckiego 5/1, 40-589 Katowice • tel. 721 363 111 lub 605 342848 • fax 32 729 7080
mail: [email protected] • www. bunt.katowice.pl
2
W 1972 roku wynaleziono mieszarkę wysokowydajną Eirich z misą ukośną (mieszarka Eirich typ
R). Przy pojemnościach od 3 l do 3000 l posiada ona tylko 1 narzędzie mieszające (wirnik).
Mieszarka ta działa w następujący sposób:
W misie mieszany materiał jest transportowany w
górę na skutek tarcia o ściany. Następnie spada pod
działaniem siły ciążenia. Przy pomocy zgarniacza
materiał jest kierowany do strefy oddziaływania
szybko obracającego się wirnika.
W trakcie jednego obrotu misy, a więc w ciągu kilku
sekund, 100% materiału skierowane zostaje w strefę
intensywnego mieszania. Wirnik może przy tym
pracować z prędkością obwodową od 2 do ponad 30
metrów na sekundę, a ponieważ mieszanie odbywa
się w „otulinie” mieszanego materiału nie następuje
ani zużycie wyłożenia misy ani też siła odśrodkowa
nie doprowadza do rozfrakcjonowania składników
mieszanki.
Tej konstrukcji mieszarki (mieszalniki) uzyskują niedoścignioną jakość mieszania w wielu
branżach. Mają bardzo uniwersalny charakter doskonale radząc sobie tak z mieszaniem na sucho
jak i wytwarzaniem mieszanek o konsystencji od płynnej do plastycznej. W zależności od zadania
mieszarka może pracować przeciwbieżnie lub współbieżnie. Przy wytwarzaniu betonów wysokiej
jakości misa i wirnik obracają się najczęściej w tym samym kierunku, ponieważ w ten sposób na
mieszankę oddziałują maksymalne siły ścinające.
Po wynalezieniu i zastosowaniu w mieszarkach wirnika nawet producenci mieszarek
pierścieniowych, korytowych i mieszarek planetarnych wyposażyli w wirniki również swoje
maszyny, jednak w tych konstrukcjach wirniki powodują stosunkowo mały ruch materiału i tym
samym jedynie w niewielkim stopniu poprawiają efektywność mieszania.
Czym mieszarki wysokowydajne Eirich różnią się od innych typów mieszarek?
Z samej zasady działania intensywnej mieszarki Eirich typ R (ukośna misa) wynikają potwierdzone praktyką - następujące zalety:
- wodę można dodawać niemal z dowolną prędkością,
- czas mieszania jest niezależny od wielkości mieszarki,
- prędkość narzędzia mieszającego można zmieniać w szerokim zakresie,
- narzędzia mieszające można zmieniać i dopasowywać do mieszanego materiału,
- jakość mieszania jest niemal niezależna od poziomu napełnienia,
- mieszarki te nie powodują rozdzielania się (rozfrakcjonowania) mieszanki,
- nie jest przekraczany „optymalny czas mieszania“; Powód: Przemieszanie 100% materiału
podczas jednego obrotu misy mieszarki.
Wynika to tylko i wyłącznie z rozdzielenia transportu materiału i samego procesu mieszania.
Właściwości mieszarek
Ruch materiału w mieszarce
Proces mieszania odbywa się w następujący sposób: w talerzu mieszarki znajdują się
rozmieszczone centrycznie lub mimośrodowo, obrotowe lub nieruchome narzędzia mieszające.
Kierują one materiał na różne tory geometryczne i dzięki temu intensywnie mieszają. Jak odbywa
się to np. w pierścieniowej mieszarce korytowej lub w mieszarce planetarnej? Narzędzia
mieszające przesuwają się przez materiał stosunkowo wolno. Misa jest nieruchoma. Ruchy
materiału są powodowane przede wszystkim przez siły poprzeczne, a w mniejszym stopniu przez
siły wyrzutu, siły odśrodkowe i swobodny spadek.
Biuro Usług Naukowo-Technicznych – przedstawicielstwo Maschinenfabrik Gustav EIRICH
ul. Różyckiego 5/1, 40-589 Katowice • tel. 721 363 111 lub 605 342848 • fax 32 729 7080
mail: [email protected] • www. bunt.katowice.pl
3
Natomiast w przypadku mieszarki Eirich narzędzia mieszające szybko przechodzą przez
poruszający się materiał. Misa obraca się. Podczas ruchów materiału nie występują siły
poprzeczne, lecz siły wyrzutu, odśrodkowe i swobodny spadek. Obracająca się misa transportuje
materiał do urządzenia mieszającego. Nie jest ono ograniczone do powolnej pracy, lecz może
pracować z dowolną prędkością do 40 m/s. Do betonu takie prędkości nie są potrzebne. Typową
prędkością jest 8 m/s.
Konsystencja masy i moc doprowadzana
Przy zwykłych mieszarkach moc doprowadzana do mieszanki zależy od konsystencji mieszanki.
Mieszanka sucha „potrzebuje mniej” mocy, a mieszanka plastyczna odpowiednio więcej. W zwykłej
mieszarce stosunek konsystencji do mocy doprowadzanej jest stały. Natomiast w przypadku
mieszarki wysokowydajnej Eirich jest inaczej. Może ona pracować z dowolną prędkością, nie
powodując rozdzielenia się mieszanki. Mocy doprowadzanej do mieszarki nie można opisać
matematycznie. Jeśli porównamy mieszarkę do mieszadła (kocioł = misa mieszarki, mieszadło =
wirnik), można posłużyć się teorią doskonałego mieszadła. Mówi ona, że moc doprowadzana jest
proporcjonalna do 3. potęgi prędkości obrotowej i do 5. potęgi średnicy narzędzia.
Tylko w mieszarce intensywnej Eirich można w szerokim zakresie zmieniać stosunek: prędkość
obrotową/prędkość narzędzia i wielkość narzędzia. Moc doprowadzaną można więc precyzyjnie
dostosowywać do konsystencji mieszanego materiału. W razie potrzeby nawet przy suchym
materiale moc doprowadzaną 0,5 kW/100 kg materiału można zwiększyć do 10 kW/100 kg.
Narzędzia mieszające
Przy zwykłych mieszarkach wybór jest bardzo ograniczony. W przypadku mieszarki intensywnej
Eirich narzędzia mieszające można dopasować do mieszanego materiału, podobnie jak kierunek
obrotów wirnika. Przepływem materiału w mieszarce można sterować w szerokim zakresie.
Możliwe jest mieszanie bez udziału sił ścinających lub z ich udziałem (wyrabianie).
Praca mieszania i tarcie
W zwykłych mieszarkach materiał jest przesuwany po ścianach i po dnie. Narzędzia przegarniają
materiał po tych powierzchniach. W efekcie część energii kinetycznej narzędzi mieszających jest
przekształcana w tarcie powodujące zużycie energii nie prowadzące w żadnym stopniu do
uzyskania efektu wymieszania. Jest więc czystą stratą.
Pierścieniowe mieszarki korytowe, mieszarki planetarne i mieszarki wałowe potrzebują dużej liczby
narzędzi, aby poruszać mieszany materiał. Wszystkie te narzędzia wywołują tarcie materiału o dno
i ściany powodując ich zużycie i straty energii. Im szybciej pracuje dana mieszarka, tym większe
powstaje tarcie i większe straty energii.
Natomiast w przypadku mieszarki intensywnej Eirich wygląda to zupełnie inaczej. Nie występuje
tutaj tarcie materiału o ściany i dno. Misa transportuje materiał, lecz między ścianami i dnem misy
a materiałem nie ma różnicy prędkości.
Przyjrzyjmy się mieszarce z misą ukośną. Jest tu tylko 1 zgarniacz denno-ścienny, na którym
może występować tarcie o ściany i dno. Materiał jest tam jednak "dostarczany" z niewielką
prędkością ok. 1 m/s. Prędkość ta nie zmienia się, gdy wirnik pracuje szybciej lub wolniej. Dlatego
wirnik - w odróżnieniu od zwykłych mieszarek - może pracować z dowolną prędkością, nie
powodując zwiększenia tarcia i zużycia w obszarze ścian i dna.
W przypadku wszystkich pojemności – od 3 l do 3 m³ – jest tylko jedno ruchome narzędzie
mieszające, czyli wirnik. Przepływ i działanie mieszające - aby użyć wyrażenia z normy - są w
mieszarce 75-litrowej w przybliżeniu takie same, jak w mieszarce o pojemności 3000 litrów.
To jest właśnie charakterystyczna różnica między zwykłymi mieszarkami i mieszarką intensywną
Eirich. Dlatego mieszarka wysokowydajna Eirich do betonu nie wymaga stosowania okładzin
Biuro Usług Naukowo-Technicznych – przedstawicielstwo Maschinenfabrik Gustav EIRICH
ul. Różyckiego 5/1, 40-589 Katowice • tel. 721 363 111 lub 605 342848 • fax 32 729 7080
mail: [email protected] • www. bunt.katowice.pl
4
ceramicznych. Z tego względu znajduje zastosowanie w wielu innych branżach, nawet tych, gdzie
zwykle stosowane są okładziny gumowe lub z tworzywa sztucznego.
Klienci, którzy zamieniają pierścieniowe mieszarki korytowe lub mieszarki planetarne na mieszarki
Eirich, są zwykle zaskoczeni tym, jak duże oszczędności wynikają z mniejszego zużycia
elementów mieszalnika.
Tarcie i zużycie
W pierścieniowej mieszarce korytowej podobnie jak mieszarce planetarnej wiele łopatek przesuwa
się tuż nad dnem. W mieszarce intensywnej Eirich nie ma takich łopatek. Przy każdej pojemności –
od 3 litrów do 3000 litrów – jest tylko jeden wirnik i 1 zgarniacz ścienno-denny. Dno jest
oczyszczane przez małe noże zamontowane na wirniku. Nie ma praktycznie żadnego narzędzia,
które wywoływałyby tarcie szybko przemieszczającego się materiału o misę. Jest więc oczywiste,
że w mieszarce intensywnej Eirich w bardzo długich okresach pracy nie zmieniają się parametry
mieszania, dzięki czemu można uzyskiwać jednakową jakość betonu.
Jakość mieszania
Ponieważ mieszarka intensywna Eirich lepiej rozprowadza składniki, często można zredukować
ilości dodatków. I to jest niezwykle ważne dla użytkownika. Mieszarka Eirich pracuje bardziej
wydajnie, optymalnie rozprowadzając nawet najmniejsze ilości domieszek. Jeśli trzeba, nawet w
zakresie ppm.
Ważnym aspektem jest również to, że używając mieszarki intensywnej Eirich zużywa się mniej
wody, przy niezmienionej konsystencji. Ma to określony wpływ na gęstość i wytrzymałość
gotowego betonu. W produkcji wyrobów betonowych nasi klienci mogą zredukować ilość cementu.
To coś, co nie cieszy z kolei producentów cementu. Na konkurencyjnych rynkach masowych
producenci wyrobów betonowych cieszą się jednak z każdego centa, który mogą zaoszczędzić, nie
rezygnując z jakości. W produkcji prefabrykatów ważną zaletą mieszanek uzyskiwanych w
mieszarkach intensywnych Eirich są wyższe wytrzymałości - wczesna i końcowa.
Kiedy opłaca się mieszarka intensywna Eirich, a kiedy wystarcza zwykła mieszarka?
Mieszarki intensywne Eirich stosowane są głównie do „betonów specjalnych”, takich jak
- beton dachówkowy,
- betony licowe,
- beton na podkłady kolejowe,
- pianobeton,
- beton zbrojony włóknami,
- beton o wysokiej wytrzymałości,
- beton o bardzo wysokiej wytrzymałości,
- beton polimerowy.
Przeprowadzono niezależne badania betonów licowych, które pokazują, że mieszarki intensywne
Eirich mieszają lepiej i zapewniają znacznie wyższą jednorodność mieszanki.
W przypadku wytwarzania wyrobów betonowych mieszarki intensywne Eirich sprawdzają się przy
produkcji betonów licowych, a do betonu konstrukcyjnego wystarczą zwykłe mieszarki.
Kostka brukowa,
produkowana bez
mieszarki
wysokowydajnej
Eirich
Biuro Usług Naukowo-Technicznych – przedstawicielstwo Maschinenfabrik Gustav EIRICH
ul. Różyckiego 5/1, 40-589 Katowice • tel. 721 363 111 lub 605 342848 • fax 32 729 7080
mail: [email protected] • www. bunt.katowice.pl
5
Przy wysokiej jakości betonie licowym zakup mieszarki intensywnej Eirich zwraca się bardzo
szybko dzięki znacznej redukcji wybraków. Nie ma wad powierzchni spowodowanych przez
gniazda piasku lub rozmazanie pigmentu. Wartości wytrzymałości są bardziej stabilne.
W przypadku rur/elementów szybów z ziarnem granicznym 16 mm zapotrzebowanie na wodę jest
nawet o 15% mniejsze. W efekcie, zgodnie z tym, co mówią klienci, można zmniejszyć ilość
cementu o 8% bez utraty wytrzymałości. Również w branży prefabrykatów klienci cieszą się z
większej jednolitości, nie ma tam bowiem dodatkowego mieszania w betoniarce samochodowej, co
dobrze wpływa na transportowaną masę betonową.
W przypadku betonu samozagęszczalnego Uniwersytet Techniczny w Monachium dowiódł, że
czas mieszania 240 s w mieszarce planetarnej można zredukować do 60 s w mieszarce
wysokowydajnej Eirich. Zaletą okazało się również to, że mieszanie może się odbywać z różnymi
prędkościami (wolno - szybko - wolno). Do tego jest jednak potrzebny system mieszania, który
może mieszać dowolnie wolno lub szybko, a więc mieszarka intensywna Eirich
Również w przypadku betonów o dużej wytrzymałości mieszarka intensywna Eirich w sposób
szczególny wykazuje swoje zalety. Zgodnie z badaniami Uniwersytetu w Lipsku w tym przypadku
optymalna jest prędkość narzędzia ok. 9 m/s i ten parametr zapewnia właśnie mieszarka Eirich.
Mieszarki intensywne Eirich są dzisiaj używane przez szkoły wyższe jako mieszarki do badań
służących do szczegółowych badań procesu mieszania.
Perspektywy na przyszłość
„Fikcyjne spojrzenie w przyszłość” – tak Martin Clarke zatytułował swój artykuł „Przemysł
prefabrykatów betonowych w roku 2050”.
Jego wizje są następujące:
„Beton jest najbardziej ekologicznym materiałem budowlanym. Beton jest jedynym
materiałem budowlanym z dodatnim bilansem CO2. Zastosowanie betonów
ultrawytrzymałych jest powszechne. Stal konstrukcyjna jest bardzo droga.
Zoptymalizowana zostanie zawartość cementu. Prefabrykaty betonowe będą najchętniej
wybieranym materiałem budowlanym”.
Clarke twierdzi, że jego wizja z niemal stuprocentową pewnością minimalizuje skalę zmian, które
faktycznie nastąpią. Można przewidzieć, że w przyszłości również technika mieszania bardzo
zyska na znaczeniu - tak jak już dzisiaj dla UHPC.
Opracowano na podstawie:
Sympozjum Heidelberger Betontage 2010
Dr Peter Nold, Technika mieszania - co jest najważniejsze? O czym trzeba pamiętać, aby dobrze i
równomiernie przygotowywać beton?
Maschinenfabrik Gustav Eirich, [email protected]
Pełna wersja artykułu dostępna jest na stronie www.bunt.katowice.pl/betony
Biuro Usług Naukowo-Technicznych – przedstawicielstwo Maschinenfabrik Gustav EIRICH
ul. Różyckiego 5/1, 40-589 Katowice • tel. 721 363 111 lub 605 342848 • fax 32 729 7080
mail: [email protected] • www. bunt.katowice.pl
6