EP3820660B1 - Vorrichtung und verfahren zum ausbringen von spritzbeton - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum ausbringen von spritzbeton Download PDF

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EP3820660B1
EP3820660B1 EP19770021.4A EP19770021A EP3820660B1 EP 3820660 B1 EP3820660 B1 EP 3820660B1 EP 19770021 A EP19770021 A EP 19770021A EP 3820660 B1 EP3820660 B1 EP 3820660B1
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EP
European Patent Office
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sprayed
shotcrete
concrete
nozzle
sensor
Prior art date
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Active
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EP19770021.4A
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English (en)
French (fr)
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EP3820660A1 (de
EP3820660C0 (de
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Michael HÖSS
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Putzmeister Engineering GmbH
Original Assignee
Putzmeister Engineering GmbH
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Publication date
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Publication of EP3820660C0 publication Critical patent/EP3820660C0/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28C—PREPARING CLAY; PRODUCING MIXTURES CONTAINING CLAY OR CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28C5/00—Apparatus or methods for producing mixtures of cement with other substances, e.g. slurries, mortars, porous or fibrous compositions
    • B28C5/02—Apparatus or methods for producing mixtures of cement with other substances, e.g. slurries, mortars, porous or fibrous compositions without using driven mechanical means effecting the mixing
    • B28C5/026—Mixing guns or nozzles; Injector mixers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28C—PREPARING CLAY; PRODUCING MIXTURES CONTAINING CLAY OR CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28C7/00—Controlling the operation of apparatus for producing mixtures of clay or cement with other substances; Supplying or proportioning the ingredients for mixing clay or cement with other substances; Discharging the mixture
    • B28C7/04—Supplying or proportioning the ingredients
    • B28C7/0404—Proportioning
    • B28C7/0418—Proportioning control systems therefor
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04F—FINISHING WORK ON BUILDINGS, e.g. STAIRS, FLOORS
    • E04F21/00—Implements for finishing work on buildings
    • E04F21/02—Implements for finishing work on buildings for applying plasticised masses to surfaces, e.g. plastering walls
    • E04F21/06—Implements for applying plaster, insulating material, or the like
    • E04F21/08—Mechanical implements
    • E04F21/12—Mechanical implements acting by gas pressure, e.g. steam pressure
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D11/00—Lining tunnels, galleries or other underground cavities, e.g. large underground chambers; Linings therefor; Making such linings in situ, e.g. by assembling
    • E21D11/04—Lining with building materials
    • E21D11/10—Lining with building materials with concrete cast in situ; Shuttering also lost shutterings, e.g. made of blocks, of metal plates or other equipment adapted therefor
    • E21D11/105—Transport or application of concrete specially adapted for the lining of tunnels or galleries ; Backfilling the space between main building element and the surrounding rock, e.g. with concrete

Definitions

  • the invention relates to a device for applying shotcrete with a shotcrete nozzle and a mixing device associated with the shotcrete nozzle for metering setting accelerator into the shotcrete to be applied using the shotcrete nozzle.
  • the invention also relates to a method for applying shotcrete with a shotcrete nozzle and a computer program for carrying out the method.
  • Shotcrete systems are used, for example, in tunnel construction or in mines for expansion and backfilling purposes.
  • the shotcrete is conveyed to the installation site in a closed hose line, where it is applied pneumatically from a shotcrete nozzle and compacted by the impact energy.
  • the recipe is largely the same as that of normal concrete.
  • the addition of a setting accelerator increases the so-called early strength, so that the shotcrete sets quickly after the impact, at least in sections.
  • Powdered building materials, especially cement, additives and, if necessary, admixtures, are applied with the addition of mixing water and a setting accelerator that is liquid or transported in a liquid, usually water.
  • the setting accelerator that is added during the application process is usually a liquid component that leads to early strength of the hardening building material.
  • the necessary mixing water must also be added to the sprayed concrete nozzle.
  • the material is conveyed using compressed air through a conveying pipe to the sprayed concrete nozzle.
  • the dry mixture is only provided with the necessary mixing water shortly before the nozzle area.
  • the setting accelerator is then usually contained in the mixing water.
  • the powdered building materials are mixed with the mixing water and conveyed to a shotcrete nozzle using a concrete pump (dense phase conveying) or compressed air (thin phase conveying) (the thin phase process can also be used in the dry spraying process).
  • wet spraying the powdered building materials are mixed with the mixing water and conveyed to a shotcrete nozzle using a concrete pump (dense phase conveying) or compressed air (thin phase conveying) (the thin phase process can also be used in the dry spraying process).
  • hydraulic conveying the conveyed building material mixture is accelerated and broken up at the shotcrete nozzle using compressed air in order to introduce and distribute the setting accelerator.
  • the dose of the setting accelerator added is kept constant for reasons of simplicity or is regulated depending on the amount of shotcrete delivered.
  • the required amount of setting accelerator varies, among other things, with the position of the surface on which the shotcrete is applied.
  • the correct amount of setting accelerator to be added depends on many different parameters, including the position of the surface onto which the shotcrete is to be applied. In order to ensure that the shotcrete has sufficient hold on both the more vertical surfaces (lower part of the tunnel - also known as the bench) and the more horizontal surfaces (upper part of the tunnel - also known as the dome) of a tunnel, a different amount of setting accelerator is required. Incorrect additions (over- or under-dosing) of setting accelerator can lead to a reduction in the concrete strength, lower post-hardening or lower water impermeability and thus to a loss of quality of the shotcrete applied. Overdosing of the setting accelerator also leads to increased costs.
  • the JP 2011-140593 A discloses a spraying device for concrete, in which an added amount of an accelerating agent can be adjusted according to a spraying position/setting and the condition of the ground surface.
  • the spraying device comprises a mixing device for metering in a setting accelerator and a nozzle for dispensing the concrete material mixed with the setting accelerator.
  • the position of the nozzle is determined by a direction detection device having several sensors.
  • a control device controls the metering in depending on the angle.
  • the JP H04 126999 U discloses a device for dosing additives to liquid shotcrete, whereby the amount added is adjusted according to the tunnel area to be sprayed. Dosing is sensor-based and dependent on the angle of inclination of the shotcrete nozzle relative to the horizontal.
  • the JP 2002-013397 A discloses a device for applying concrete to an inner surface of a tunnel, wherein the amount of concrete applied and the amount of an additive are automatically adjusted depending on the tunnel area.
  • the known system comprises a spray nozzle attached to a spraying robot, a concrete delivery pump, an additive supply device and a control device.
  • the JP2857699B2 reveals the addition of a fast-setting additive when spraying shotcrete in a tunnel.
  • the addition is dependent on the height position of the nozzle and the measured concrete output quantity.
  • the EP 0 357 929 A2 discloses a dosing of liquid setting accelerator for dispensing shotcrete.
  • a mixing head is provided into which a dry line for supplying dry concrete and a water line for supplying a mixture of water and setting accelerator flow, whereby the flow rate of the water is continuously changed manually as required using a hand lever.
  • An automatic control is used for dosing the accelerator quantity, such that a relative accelerator quantity based on the relative cement quantity is only regulated as a target value when the amount of liquid supplied to the water line changes.
  • the invention proposes a device for applying shotcrete or a method for applying shotcrete and a computer program for carrying out the method with the features of the independent claims.
  • Setting accelerators are additives that accelerate the setting process and reduce the setting time, in other words, accelerate the setting process.
  • Alkaline aluminate or silicate based
  • alkali-free setting accelerators are used. Typical products contain alkali carbonates (potassium carbonate), alkali hydroxides or alkali aluminates as active ingredients.
  • setting accelerators By adding setting accelerators, the shotcrete sets faster and achieves a higher early strength. This means that the subsequent layers can be applied more quickly and in larger layers.
  • setting accelerators contribute significantly to an increase in production capacity.
  • the use of setting accelerators is particularly advantageous in tunnel construction, as it enables rapid section construction, high early strength and waterproofing.
  • the amount of setting accelerator to be added depends on various parameters and factors. The amount to be added depends largely on the type of setting accelerator used. Depending on the chemical composition of the setting accelerator, a dosage of between 3% and 15% is effective. In principle, the dosage varies with the amount of shotcrete being delivered.
  • the required amount of setting accelerator can also depend on the incline of the surface to which the shotcrete is applied - horizontal surfaces require a higher dosage of setting accelerator than vertical surfaces. It may therefore be necessary to change the dosage of shotcrete to be applied using the shotcrete nozzle depending on external parameters.
  • the shotcrete nozzle is usually aligned along the surface normal of the surface to be sprayed, whereby the angle of impact of the shotcrete on the surface to be sprayed is 90° (angle of attack).
  • the shotcrete nozzle is therefore ideally aligned parallel to the However, the spray cone created by the sprayed concrete exiting the sprayed concrete nozzle always results in slight deviations in the angle of impact.
  • a sensor-controlled metering of the setting accelerator is provided depending on an external parameter. This makes it possible to automatically adjust the metering of the setting accelerator depending on external parameters detected by the sensor. This opens up the possibility of adjusting or changing the metering during the spray application.
  • the sensor control replaces manual adjustment by an operator and thus enables greater reproducibility and traceability and, in particular, reliability when using setting accelerators.
  • the accelerator dosage can be adjusted immediately (i.e. in real time).
  • the external parameter can be, for example, the ambient temperature or the air humidity (for example in a tunnel vault).
  • the dosage can then be adjusted depending on the temperature or air humidity, which is measured by a sensor. It is also possible to adjust the dosage depending on the composition of the setting accelerator. It is also conceivable to use a sensor (acceleration sensor) to measure the relative movement of the shotcrete nozzle or to map the area to be sprayed, and thus to adapt the dosage to changing external circumstances during application.
  • the device has a sensor assigned to the shotcrete nozzle for determining an angle of inclination of the shotcrete nozzle during the spraying process.
  • This design thus allows the addition of the setting accelerator during the shotcrete application depending on an angle as an external parameter under which the shotcrete is applied.
  • the sensor-controlled dosing can depend on the angle of inclination of the shotcrete nozzle during the spraying process.
  • the angle of inclination of the shotcrete nozzle is the angle between the orientation of the shotcrete nozzle and the horizontal.
  • the angle of inclination is, so to speak, the angle that corresponds to the gradient of the direction of the shotcrete to be applied.
  • the angle of inclination can therefore take on values between +90° and -90°. If the shotcrete nozzle is aligned horizontally, the angle of inclination is 0°. If the shotcrete nozzle is aligned vertically upwards, for example because the area to be sprayed is a ceiling, the angle of inclination is 90°. If the shotcrete nozzle is aligned vertically downwards, for example because the area to be sprayed is the floor, the angle of inclination is -90°.
  • the device can thus distinguish by automatically determining the angle of inclination whether the surface to be sprayed is more horizontal or more vertical.
  • Horizontal and vertical surfaces or walls or wall sections represent the gravity acting on the applied shotcrete places different demands on the shotcrete.
  • This embodiment of the invention therefore enables the device to set different dosages of setting accelerator solely and automatically based on the determination of the angle of inclination by the inclination sensor.
  • the inclination sensor assigned to the shotcrete nozzle enables the machine to detect whether shotcrete is being applied to an upper or lower area of a vault or tunnel and automatically adjusts the accelerator proportion up or down.
  • the quality of the shotcrete applied in this way is therefore significantly improved compared to conventionally applied shotcrete.
  • the device is overall less prone to errors because it does not depend on dosage signals from an operator.
  • the angle of attack refers to the angle of impact of the sprayed concrete to be applied on the surface to be sprayed, i.e. the angle between the surface normal at the point of impact and the spray direction of the sprayed concrete.
  • the optimal angle of attack for sprayed concrete application is 90°. This is the case when the sprayed concrete nozzle is held perpendicular to the surface to be sprayed (i.e. parallel to the surface normal).
  • deviations from the optimal alignment can also occur during sprayed concrete application, for example if the surface to be sprayed has a more complex geometry that deviates from the ideal.
  • the addition of the solidification accelerator can therefore also be changed depending on deviations from the optimal angle of attack.
  • a suitable sensor to detect a surface inclination relative to the jet direction.
  • the sensor can be designed as a laser scanner or be part of a laser scanner that scans the profile of a contour to be sprayed (such as a tunnel) and the control device calculates an optimal spraying process / addition plan based on the scan data.
  • the sensor can also be an independent component that is installed anywhere on the spraying machine or nozzle.
  • the device according to the invention comprises a control device for the sensor data-dependent generation of metering signals for the mixing device.
  • the setting of the correct amount of solidification accelerator is thus carried out automatically in the mixing device and can be set in real time according to the sensor data via the control device.
  • the mixing device has a conveying line for conveying the mixture and a metering device (metering pump) arranged in the conveying line for introducing the additive into the mixture.
  • the dose can be set using corresponding metering signals.
  • the addition of setting accelerator with increasing angle of inclination of the shotcrete nozzle relative to the horizontal For example, in tunnel construction, relatively more setting accelerator is required in the area of the dome (compared to the area of the bench), since this is where gravity has the maximum effect on the fresh shotcrete.
  • the dosage is correspondingly higher in this area and is reduced according to the invention when moving to more vertical walls or wall sections. This makes it possible to use the setting accelerator in the required amount and to prevent overdosing.
  • Overdosing of setting accelerator leads not only to increased costs but also to a loss of quality in the applied shotcrete, for example to a reduction in concrete strength, lower post-hardening or lower water impermeability.
  • the increase in the addition of solidification accelerator occurs continuously or at intervals.
  • a minimum addition (in %) can be specified for an angle of inclination of 0° and a maximum addition (in %) for an angle of inclination of 90°.
  • the area in between can be approximated linearly or quadratically, for example, depending on the specific application, thus specifying a continuous addition of solidification accelerator.
  • special addition factors (in %) in certain angle ranges; these can be based on empirical values, for example. The addition factor only changes when these specified intervals are exceeded (for example every 10°, 20° or 30°).
  • the invention thus makes it possible to dosing of setting accelerator in a sensor-controlled manner in Depending on external conditions, this does not fall exclusively under the responsibility of an operator (the so-called “spray nozzle operator” or “nozzleman"), as was previously the case.
  • the sensor-controlled dosing is less prone to errors and offers a high level of reproducibility in different sections.
  • the sensor control replaces manual control by the operator, who in practice usually does not make any changes to the dosing during a spraying process.
  • the sensor-controlled dosing results in improved quality of the shotcrete, and subsequent layers can be applied more quickly and thus more effectively. In addition, there is less breakage of shotcrete from the fresh shotcrete layer.
  • the method according to the invention can be continued with the features described in connection with the device according to the invention for applying shotcrete.
  • the device according to the invention can be continued with the features described in connection with the method according to the invention.
  • the present invention also relates to a computer program with program code means according to claim 10.
  • FIG 1 shows a concrete spraying system, such as is used in tunnel construction, with a device 10 according to the invention for applying or spreading shotcrete S using a shotcrete nozzle 14 at a construction site.
  • a device 10 for applying or spreading shotcrete S using a shotcrete nozzle 14 at a construction site.
  • mobile devices so-called spray manipulators M, are preferably used to apply shotcrete S, as in Figure 4 is illustrated.
  • the concrete spraying system comprises a shotcrete machine 12, which is generally mobile in order to be moved flexibly from one location to the next.
  • the shotcrete machine 12 comprises a shotcrete pump, which is connected to the shotcrete nozzle 14 via a (flexible) delivery line 16 to deliver fresh concrete 15.
  • the fresh concrete 15 is delivered to the shotcrete nozzle 14 using pumps (dense phase) or compressed air (thin phase).
  • the shotcrete S is sprayed out of the shotcrete nozzle 14 by spraying at high speed and is then compacted by the impact.
  • a connection for compressed air 22 is also provided on the shotcrete nozzle 14 via a compressed air line 20, 32.
  • a setting accelerator 24 is added or metered into the fresh concrete 15 at 34 via the compressed air line 20, 32.
  • Figure 2 shows a shotcrete nozzle 14 of the invention in an enlarged view.
  • the mixture of setting accelerator 24 and (compressed) air 22 is only fed/dosed into the shotcrete immediately before it exits the nozzle at 34 via an injector.
  • the fresh concrete 15 from the delivery line 16 is accelerated and broken up with supplied compressed air 22 in order to introduce and distribute the setting accelerator 24.
  • Good mixing is achieved by introducing the mixture (mixture lines 32) into the fresh concrete 15 in the shotcrete nozzle 14 from both sides.
  • a mixing device 18 is assigned to the compressed air line 20.
  • the setting accelerator 24 is fed to the compressed air line 20 via the mixing device 18 by means of a mixing or metering pump 19 and then dosed into the fresh concrete 15 via the mixture line 32 at the shotcrete nozzle 14.
  • the correct dosage amount of setting accelerator is set via the mixing device 18.
  • Setting accelerator 24 is fed from a storage container 26 via a feed line 28 to the mixing pump 19 and from there to the compressed air line 20 at 30.
  • the setting accelerator 24 and the compressed air 22 are only fed directly before the shotcrete exits the shotcrete nozzle 14 is mixed into the concrete 15.
  • the shotcrete S is finally pneumatically applied from the shotcrete nozzle 14 onto the surface to be coated and is compacted by the impact energy upon impact.
  • the addition of setting accelerator 24 to the shotcrete S to be applied by means of the shotcrete nozzle 14 via the mixing device 18 is sensor-controlled.
  • the sensor control provided allows a precise adjustment of the added setting accelerator 24 depending on a measured variable recorded by a sensor 40.
  • the measured variable is an external parameter, such as the temperature, air humidity or an angle of inclination ⁇ of the shotcrete nozzle 14 (see also Figure 3 ) or the layer thickness of the shotcrete on the wall (which can be determined, for example, using a laser scanning device as a sensor via before/after measurements; other scanner systems such as infrared scanners, ultrasound scanners, etc. are also possible - the selection of which is up to the skill of the expert).
  • a control device 50 is provided to generate corresponding metering signals, which is assigned to the mixing device 18.
  • the sensor 40 is connected to the control device 50 by means of a data or signal line 42 known per se. It goes without saying that the sensor is encapsulated, cast in or otherwise protected from environmental/dirt/water effects etc. in a suitable manner with regard to its application environment.
  • FIG 3 shows a schematic cross-sectional view of a tunnel vault in which shotcrete S is applied by means of a shotcrete nozzle 14 according to the invention.
  • the shotcrete nozzle 14 has according to the invention via a tilt sensor 40.
  • the shotcrete nozzle 14 In the position shown, the shotcrete nozzle 14 is inclined at an angle ⁇ of approximately 50° to a horizontal H, ie a spreading or spraying direction D of the applied shotcrete S is 50° to the horizontal H.
  • Figure 3 also illustrates the impact situation of the sprayed concrete S on the tunnel or vault wall at an angle of attack ⁇ .
  • the angle of attack refers to the angle of impact of the sprayed concrete S on the surface section of the vault wall, thus the angle ⁇ between a surface normal N at the point of impact and the spray direction D of the sprayed concrete S.
  • the dosage of setting accelerator 24 was set manually by the operator of the shotcrete system and remained unchanged during an application process.
  • the sensor control according to the invention allows an automatic change in the dosage factor (in %) continuously or interval-dependently during the application process and thus an optimization of the use of setting accelerator 24 and the associated quality of the applied shotcrete and a reduction in running costs by saving on accelerator.
  • the sensor 40 is assigned to the shotcrete nozzle 14 and is designed as an inclination sensor 40.
  • the inclination sensor 40 measures the inclination angle ⁇ , i.e. the angle of the shotcrete nozzle 14 to a horizontal H, as shown in Figure 3
  • the exact arrangement is exemplary and can vary depending on the measured value.
  • the inclination angle ⁇ can take any value between +90° and -90°.
  • the shotcrete nozzle 14 is aimed at an upper vault area at an angle of approximately 50°.
  • the angle of inclination can be up to -90°.
  • this spraying situation there are the lowest rebound losses and the best impact compaction.
  • a higher amount of setting accelerator can be metered into the shotcrete in a sensor-controlled manner as the angle of attack ⁇ increases.
  • an optimal dosing factor was determined for a horizontal surface (ceiling) of approximately 7% and for a vertical surface of approximately 5%. Little to no setting accelerator is added in the area of the floor. The dosing should be adjusted accordingly when the shotcrete nozzle is aligned/inclined vertically. This is achieved by the inclination sensor 40 and the control device 50 assigned to the sensor when dosing the setting accelerator 24. The optimization of the dosing allows good adhesion between the individual layers of applied shotcrete and ensures the durability of the shotcrete in the long term.
  • the values determined by the sensor 40 are transmitted via the data line 42 (or wirelessly) to the control device 50, which generates dosing signals depending on the determined sensor data and sends this via a line (not shown) or wirelessly to the mixing unit 18, which carries out the metering via the mixing pump 19.
  • the metering of setting accelerator is controlled and adjusted via metering signals via the mixing unit 18.
  • the metering of the setting accelerator takes place according to the invention as a function of external parameters recorded by the sensor. External parameters are, for example, angle of inclination, angle of attack, temperature, air humidity, nozzle movement, etc.
  • the control device 50 is designed such that it calculates the metering factor based on the measured variable of the sensor 40 designed to record external parameters.
  • the data signals recorded by the sensor according to the invention can be forwarded to a central data management system in the machine and processed and stored there with regard to controlling the accelerator dosage.
  • the data can be transferred from this data logger system (e.g. via USB stick or WIFI transmission) to a construction site planning software (e.g. BIM) or a process monitoring tool of the construction management and further processed there.
  • a construction site planning software e.g. BIM
  • an operator B (also spray nozzle operator) is shown applying shotcrete S using a spray manipulator M.
  • the spray manipulator M is preferably used as a mobile device for applying shotcrete S in a tunnel vault.
  • the operator B controls the shotcrete nozzle 14, which is attached to the spray manipulator M and can be pivoted in all directions, from a safe distance using a remote control F.
  • the sensor 40 assigned to the shotcrete nozzle 14 can be arranged both on the shotcrete nozzle 14 itself and on the shotcrete manipulator M.
  • the connections for compressed air (compressed air line 20) and setting accelerator (supply line 28) as well as the flexible conveyor line 16 intended for conveying fresh concrete can be suspended from an underside of the spray manipulator M.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausbringen von Spritzbeton mit einer Spritzbetondüse und einer der Spritzbetondüse zugeordneten Mischeinrichtung zum Zudosieren von Erstarrungsbeschleuniger zu mittels der Spritzbetondüse auszubringendem Spritzbeton. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Ausbringen von Spritzbeton mit einer Spritzbetondüse sowie ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens.
  • Spritzbetonsysteme kommen beispielsweise beim Tunnelbau oder in Minen für Ausbau- und Verfüllzwecke zum Einsatz. Der Spritzbeton wird in einer geschlossenen Schlauchleitung zur Einbaustelle gefördert, dort aus einer Spritzbetondüse pneumatisch aufgetragen und durch die Aufprallenergie verdichtet. Die Rezeptur entspricht weitgehend derjenigen von Normalbeton. Durch die Zugabe eines Erstarrungsbeschleunigers wird die sogenannte Frühfestigkeit erhöht, so dass der Spritzbeton schnell nach dem Aufprall zumindest abschnittsweise erstarrt.
  • Pulverförmige Baustoffe, insbesondere Zement, Zusatzstoffe und gegebenenfalls Zusatzmittel werden unter Zugabe von Anmachwasser und eines flüssigen oder in einer Flüssigkeit, üblicherweise Wasser, transportierten Erstarrungsbeschleuniger ausgebracht. Bei dem Erstarrungsbeschleuniger, der beim Ausbringvorgang beigemischt wird, handelt es sich in der Regel um eine flüssige Komponente, die zu einer Frühfestigkeit des härtenden Baustoffes führt.
  • Wird der Baustoff trocken gefördert (sogenannte Trockenspritzverfahren), so muss ihm auch das notwendige Anmachwasser an der Spritzbetondüse zugesetzt werden. Die Förderung erfolgt mittels Druckluft durch ein Förderrohr zur Spritzbetondüse. Erst kurz vor dem Düsenbereich wird das Trockengemisch mit dem nötigen Anmachwasser versehen. In der Regel ist dann der Erstarrungsbeschleuniger in dem Anmachwasser enthalten.
  • Es ist jedoch auch möglich, den mit dem Anmachwasser vermischten Baustoff beispielsweise hydraulisch zu fördern. Bei dem sogenannten Nassspritzverfahren werden die pulverförmigen Baustoffe mit dem Anmachwasser zusammengemischt und mittels einer Betonpumpe (Dichtstromförderung) oder Druckluft (Dünnstromförderung) zu einer Spritzbetondüse befördert (das Dünnstromverfahren kann auch im Trockenspritzverfahren angewandt werden). Bei der hydraulischen Förderung wird das geförderte Baustoffgemisch an der Spritzbetondüse mit zugeführter Druckluft beschleunigt und aufgebrochen, um den Erstarrungsbeschleuniger einzubringen und zu verteilen.
  • Mischeinrichtungen, welche eine effektive Vermischung eines zuzudosierenden Zusatzmittels in ein pumpfähiges Gemisch ermöglichen, sind aus dem Stand der Technik bekannt, wie bspw. aus der WO 2012/042012 A1 oder der DE 94 05 045 U1 .
  • In der Praxis wird bei der Applikation von Spritzbeton, bspw. in Tunneln, die Dosis des zugeführten Erstarrungsbeschleunigers aus Gründen der Einfachheit konstant gehalten bzw. in Abhängigkeit der Fördermenge des Spritzbetons geregelt. Die erforderliche Menge des Erstarrungsbeschleunigers variiert jedoch unter anderem mit der Position der Fläche, auf die der Spritzbeton aufgebracht wird.
  • Die richtige Menge von zudosiertem Erstarrungsbeschleuniger hängt von vielen verschiedenen Parametern ab, unter anderem der Position der Oberfläche auf die der Spritzbeton aufzubringen ist. Um sicherzustellen, dass der Spritzbeton sowohl an eher vertikal verlaufenden Flächen (unterer Bereich des Tunnels - auch als Strosse bezeichnet) als auch an eher horizontal verlaufenden Flächen (oberer Bereich des Tunnels - auch als Kalotte bezeichnet) eines Tunnels ausreichenden Halt hat, ist eine unterschiedliche Menge von Erstarrungsbeschleuniger notwendig. Falsche Zudosierungen (Über- oder Unterdosierungen) von Erstarrungsbeschleuniger können zu einer Minderung der Betonfestigkeit, geringeren Nacherhärtung oder geringer Wasserundurchlässigkeit führen und somit zu Qualitätsverlusten des aufgebrachten Spritzbetons. Bei der Überdosierung des Erstarrungsbeschleunigers kommt es außerdem zu erhöhten Kosten.
  • Die JP 2011-140593 A offenbart eine Spritzvorrichtung für Beton, bei der eine hinzugefügte Menge eines Beschleunigungsmittels entsprechend einer Spritzposition/-stellung und dem Zustand der Bodenoberfläche einstellbar ist. Die Spritzvorrichtung umfasst eine Mischeinrichtung zum Zudosieren eines Erstarrungsbeschleunigers und eine Düse zum Ausbringen des mit dem Erstarrungsbeschleuniger gemischten Betonmaterials. Die Position der Düse wird über eine mehrere Sensoren aufweisende Richtungserfassungseinrichtung ermittelt. Eine Steuereinrichtung steuert die Zudosierung winkelabhängig.
  • Die JP H04 126999 U offenbart eine Vorrichtung zum Zudosieren von Additiven zum flüssigen Spritzbeton, wobei die Zugabemenge entsprechend eines zu bespritzenden Tunnelbereichs eingestellt wird. Die Zudosierung erfolgt sensorbasiert und in Abhängigkeit eines Neigungswinkels der Spritzbetondüse gegenüber der Horizontalen.
  • Die JP 2002-013397 A offenbart eine Vorrichtung zum Auftragen von Beton an einer Innenfläche eines Tunnels, wobei die Menge des ausgebrachten Betons und die Menge eines Zusatzmittels je nach Tunnelbereich automatisch eingestellt werden. Das bekannte System umfasst eine an einem Spritzroboter angebrachte Spritzdüse, eine Betonförderpumpe, eine Zusatzmittel-Versorgungseinrichtung und eine Steuereinrichtung.
  • Die JP 2857699 B2 offenbart die Zudosierung eines schnell abbindenden Zusatzmittels bei der Ausbringung von Spritzbeton in einem Tunnel. Eine Zudosierung erfolgt in Abhängigkeit von der Höhenposition der Düse und der gemessenen Betonabgabemenge.
  • Die EP 0 357 929 A2 offenbart eine Dosierung von flüssigem Erstarrungsbeschleuniger zum Austragen von Spritzbeton. Hierfür ist ein Mischkopf vorgesehen, in den eine Trockenleitung zur Zufuhr von Trockenbeton sowie eine Wasserleitung zur Zufuhr einer Mischung aus Wasser und Erstarrungsbeschleuniger münden, wobei die Durchlaufmenge des Wassers mit Hilfe eines Handhebels manuell nach Bedarf laufend geändert wird. Für die Dosierung der Beschleunigermenge ist eine automatische Regelung eingesetzt, derart dass eine relative Beschleunigermenge bezogen auf die relative Zementmenge als Soll-Wert nur bei Änderung der zugeführten Flüssigkeitsmenge in die Wasserleitung zugeregelt wird.
  • Ausgehend hiervon wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung zum Ausbringen von Spritzbeton bzw. ein Verfahren zum Ausbringen von Spritzbeton und ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche vorgeschlagen.
  • Zunächst werden einige Begriffe erläutert.
  • Als Erstarrungsbeschleuniger werden abbindebeschleunigende Zusatzmittel bezeichnet, die die Erstarrungszeit verringern in anderen Worten eine Beschleunigung des Erstarrens bewirken. Es werden Alkalische (auf Aluminat- oder Silikatbasis) von Alkalifreien Erstar-rungsbeschleunigern unterschieden. Typische Produkte enthalten als Wirkstoff Alkalicarbonate (Kaliumcarbonat), Alkalihydroxide oder Alkalialuminate. Durch den Zusatz von Erstarrungsbeschleuniger bindet der Spritzbeton schneller ab und erreicht eine höhere Frühfestigkeit. Dadurch können die nachfolgenden Schichten schneller und in größeren Schichten aufgebracht werden. Bei größeren Bauvorhaben tragen Erstarrungsbeschleuniger erheblich zu einer Zunahme der Produktionskapazität bei. Der Einsatz von Erstarrungsbeschleuniger ist besonders vorteilhaft im Tunnelbau, da es einen schnellen Abschnittsaufbau, eine hohe Frühfestigkeit und Wasserabdichtung bewirkt.
  • Die Zudosierung von Erstarrungsbeschleuniger hängt von verschiedenen Parametern und Faktoren ab. Die zuzudosierende Menge hängt wesentlich von der Art des verwendeten Erstarrungsbeschleunigers ab. Je nach chemischer Zusammensetzung des Erstarrungsbeschleunigers ist eine Zudosierung zwischen 3 % und 15 % zielführend. Grundsätzlich variiert die Zudosierung somit mit der Spritzbeton-Fördermenge. Der erforderliche Mengenanteil von Erstarrungsbeschleuniger kann außerdem von der Neigung der Fläche abhängen, auf die der Spritzbeton aufgebracht wird - eher horizontale Flächen erfordern gegenüber eher vertikalen Flächen eine höhere Zudosierung von Erstarrungsbeschleuniger. Es kann somit notwendig sein, die Dosis des mittels der Spritzbetondüse auszubringenden Spritzbetons in Abhängigkeit von äußeren Parametern zu verändern.
  • Die Spritzbetondüse wird gewöhnlich entlang der Flächennormalen der zu bespritzenden Fläche ausgerichtet, wobei der Auftreffwinkel des Spritzbetons auf die zu bespritzende Fläche 90° beträgt (Anstellwinkel). Die Spritzbetondüse ist also optimalerweise parallel zur Flächennormalen ausgerichtet. Durch den Spritzkegel, der durch den aus der Spritzbetondüse austretenden Spritzbeton gegeben ist, kommt es jedoch stets auch zu leichten Abweichungen des Auftreffwinkels.
  • Erfindungsgemäß ist eine sensorgesteuerte Zudosierung des Erstarrungsbeschleunigers in Abhängigkeit eines äußeren Parameters vorgesehen. Dies ermöglicht es, die Zudosierung des Erstarrungsbeschleunigers in Abhängigkeit von durch den Sensor erfassten äußeren Parametern automatisch anzupassen. Dies eröffnet die Möglichkeit die Zudosierung während der Spritz-Applikation anzupassen bzw. zu verändern. Die Sensorsteuerung tritt an die Stelle der manuellen Einstellung durch eine Bedienperson und ermöglicht somit eine höhere Reproduzierbarkeit und Nachverfolgbarkeit und insbesondere Zuverlässigkeit bei der Anwendung von Erstarrungsbeschleuniger. Je nach Stellungswinkel der Spritzdüse kann die Beschleunigerdosierung sofort (d.h. in Echtzeit) angepasst werden.
  • Bei dem äußeren Parameter kann es sich beispielsweise um die Umgebungstemperatur oder die Luftfeuchtigkeit (beispielsweise in einem Tunnelgewölbe) handeln. Die Zudosierung kann dann je nach Temperatur oder Luftfeuchtigkeit, welche durch einen Sensor gemessen wird, eingestellt werden. Es ist ebenfalls möglich, die Zudosierung abhängig von der Zusammensetzung des Erstarrungsbeschleunigers einzustellen. Es ist außerdem denkbar, über einen Sensor (Beschleunigungssensor) beispielsweise die relative Bewegung der Spritzbetondüse zu messen oder die zu bespritzende Fläche abzubilden und so die Zudosierung während der Applikation beliebig auf sich verändernde äußere Umstände anzupassen.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung zum Aufbringen von Spritzbeton weist die Vorrichtung einen der Spritzbetondüse zugeordneten Sensor zum Ermitteln eines Neigungs winkels der Spritzbetondüse beim Spritzvorgang auf.
  • Diese Ausgestaltung erlaubt somit die Zudosierung des Erstarrungsbeschleunigers bei der Spritzbeton-Applikation abhängig von einem Winkel als äußerem Parameter, unter dem der Spritzbeton ausgebracht wird.
  • Die sensorgesteuerte Zudosierung kann in Abhängigkeit eines Neigungswinkels der Spritzbetondüse beim Spritzvorgang erfolgen. Als Neigungswinkel der Spritzbetondüse wird der Winkel zwischen der Ausrichtung der Spritzbetondüse und der Horizontalen bezeichnet. Der Neigungswinkel ist sozusagen der Winkel, der der Steigung der Richtung des aufzubringenden Spritzbetons entspricht. Der Neigungswinkel kann daher Werte zwischen +90° und - 90° annehmen. Ist die Spritzbetondüse horizontal ausgerichtet beträgt der Neigungswinkel somit 0°. Ist die Spritzbetondüse senkrecht nach oben ausgerichtet, etwa weil es sich bei der zu bespritzenden Fläche um eine Decke handelt, beträgt der Neigungswinkel 90°. Ist die Spritzbetondüse senkrecht nach unten ausgerichtet, etwa weil es sich bei der zu bespritzenden Fläche um den Boden handelt, beträgt der Neigungswinkel -90°.
  • Bei einer optimalen Ausrichtung der Spritzbetondüse senkrecht zu der Fläche, auf die der Spritzbeton aufgebracht wird, kann die Vorrichtung durch automatische Ermittlung des Neigungswinkels somit unterscheiden, ob die zu bespritzende Fläche eine eher horizontale oder eher vertikale Ausrichtung hat. Horizontale und vertikale Flächen bzw. Wände bzw. Wandabschnitte stellen aufgrund der auf den aufgebrachten Spritzbeton wirkenden Schwerkraft unterschiedliche Anforderungen an den Spritzbeton. Diese Ausführungsform der Erfindung ermöglicht es der Vorrichtung daher, allein und automatisiert anhand der Bestimmung des Neigungswinkels durch den Neigungssensor unterschiedliche Zudosierungen von Erstarrungsbeschleuniger einzustellen. Durch den der Spritzbetondüse zugeordneten Neigungssensor erkennt die Maschine, ob Spritzbeton in einen oberen oder einen unteren Bereich eines Gewölbes bzw. Tunnels ausgebracht wird, und regelt dadurch automatisch den Beschleunigeranteil hoch oder runter. Die Qualität des so aufgebrachten Spritzbetons ist damit gegenüber herkömmlich aufgetragenem Spritzbeton deutlich verbessert. Die Vorrichtung ist insgesamt weniger fehleranfällig, da sie unabhängig von Zudosierungssignalen einer Bedienperson auskommt.
  • Erfindungsgemäß erfolgt eine Zudosierung in Abhängigkeit eines gemessenen Anstellwinkels Mit Anstellwinkel ist dabei der Auftreffwinkel des aufzubringenden Spritzbetons auf die zu bespritzende Fläche bezeichnet, mithin der Winkel zwischen der Flächennormalen am Auftreffpunkt und der Spritzrichtung des ausgebrachten Spritzbetons. Der für die Spritzbetonapplikation optimale Anstellwinkel beträgt 90°. Dies ist der Fall, wenn die Spritzbetondüse senkrecht zu der zu bespritzenden Fläche (also parallel zur Flächennormalen) gehalten wird. Während der SpritzbetonApplikation kommt es jedoch auch zu Abweichungen von der optimalen Ausrichtung, beispielsweise wenn die zu bespritzende Fläche eine vom Ideal abweichende komplexere Geometrie aufweist.
  • Die Zudosierung des Erstarrungsbeschleunigers kann somit erfindungsgemäß auch in Abhängigkeit von Abweichungen gegenüber dem optimalen Anstellwinkel verändert werden. Dies erfolgt durch Verwendung eines geeigneten Sensors zur Erkennung einer Flächenneigung gegenüber der Strahlrichtung. Bspw. kann der Sensor als Laserscanner ausgebildet bzw. Teil eines Laserscanners sein, der das Profil einer zu bespritzenden Kontur (wie eines Tunnels) scannt und die Steuereinrichtung auf der Grundlage der Scandaten einen optimalen Spritzprozess / Zudosierungsplan berechnet. Der Sensor kann aber auch ein eigenständiges Bauteil sein, das an einem beliebigen Ort an der Spritzmaschine oder der Düse verbaut ist.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Steuereinrichtung zur sensordatenabhängigen Erzeugung von Zudosierungssignalen für die Mischeinrichtung. Die Einstellung der richtigen Menge von Erstarrungsbeschleuniger erfolgt somit automatisiert bereits in der Mischeinrichtung und kann in Echtzeit gemäß der Sensordaten über die Steuereinrichtung eingestellt werden.
  • Mischeinrichtungen zur Zudosierung eines Zusatzmittels in ein pumpfähiges Gemisch, insbesondere ein pumpfähiges hydraulisch abbindendes Gemisch (beispielsweise eine flüssige Spritzbetonzusammensetzung) sind aus dem Stand der Technik an sich bekannt. Die Mischeinrichtung weist eine Förderleitung zur Förderung des Gemischs und eine in der Förderleitung angeordnete Dosiervorrichtung (Dosierpumpe) zum Einbringen des Zusatzmittels in das Gemisch. Die Dosis kann über entsprechende Zudosierungssignale eingestellt werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform nimmt die Zudosierung von Erstarrungsbeschleuniger mit zunehmendem Neigungswinkel der Spritzbetondüse gegenüber der Horizontalen zu. Beispielsweise wird im Tunnelbau im Bereich der Kalotte verhältnismäßig mehr Erstarrungsbeschleuniger benötigt (im Vergleich zum Bereich der Strosse), da hier die Schwerkraft maximal auf den frischen Spritzbeton einwirkt. Die Zudosierung ist in diesem Bereich entsprechend höher und wird gemäß der Erfindung beim Übergang zu eher vertikalen Wänden bzw. Wandabschnitten reduziert. Dies ermöglicht es, den Erstarrungsbeschleuniger in erforderlicher Menge gezielt einzusetzen und einer Überdosierung vorzubeugen. Überdosierung von Erstarrungsbeschleuniger führt neben erhöhten Kosten auch zu Qualitätsverlusten des aufgebrachten Spritzbetons, etwa zu einer Minderung der Betonfestigkeit, geringeren Nacherhärtung oder geringer Wasserundurchlässigkeit.
  • Vorzugsweise erfolgt die Zunahme der Zudosierung von Erstarrungsbeschleuniger kontinuierlich oder intervallabhängig. Dabei kann beispielsweise für einen Neigungswinkel von 0° eine minimale Zudosierung (in %) und für einen Neigungswinkel von 90° eine maximaler Zudosierung (in %) vorgegeben werden. Der Bereich dazwischen kann je nach spezieller Anwendung beispielsweise linear oder quadratisch approximiert werden und so eine kontinuierliche Zudosierung von Erstarrungsbeschleuniger vorgeben. Um ein stetiges und ständiges Nachjustieren zu vermeiden, ist es ebenfalls möglich, in gewissen Winkelbereichen spezielle Zudosierungsfaktoren (in %) vorzugeben, diese können beispielsweise auf Erfahrungswerten beruhen. Nur beim Überschreiten dieser vorgegebenen Intervalle (beispielsweise alle 10°, 20° oder 30°) ändert sich dann der Zudosierungsfaktor.
  • Die Erfindung ermöglicht es somit, die Zudosierung von Erstarrungsbeschleuniger sensorgesteuert in Abhängigkeit von äußeren Gegebenheiten anzupassen, ohne dass dies wie bisher ausschließlich in die Verantwortung einer Bedienperson (dem sogenannten "Spritzdüsenführer" oder "Nozzleman") fällt. Die sensorgesteuerte Zudosierung ist weniger anfällig für Fehler und bietet eine hohe Reproduzierbarkeit in verschiedenen Abschnitten. Die Sensorsteuerung ersetzt die manuelle Steuerung durch die Bedienperson, die in der Praxis gewöhnlicherweise keine Veränderungen an der Zudosierung während eines Spritzvorgangs vornimmt. Durch die sensorgesteuerte Zudosierung wird eine verbesserte Qualität des Spritzbetons erreicht, und darauffolgende Schichten können schneller und somit effektiver aufgebracht werden. Zudem kommt es zu weniger Niederbruch von Spritzbeton aus der frischen Spritzbetonlage.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit den im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aufbringen von Spritzbeton beschriebenen Merkmalen fortgeführt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann mit den im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Merkmalen weiter fortgeführt werden.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln nach Anspruch 10.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsformen beispielhaft beschrieben.
    • Figur 1 zeigt eine schematische blockdiagrammartige Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aufbringen von Spritzbeton.
    • Figur 2 zeigt eine vergrößerte schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Spritzbetondüse.
    • Figur 3 veranschaulicht in schematischer Weise eine erfindungsgemäße Neigungswinkelmessung in einem Tunnelquerschnitt.
    • Figur 4 zeigt eine Bedienperson bei der Applikation von Spritzbeton mittels eines Spritzmanipulators.
  • Figur 1 zeigt ein Betonspritzsystem, wie es beispielsweise im Tunnelbau zum Einsatz kommt, mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zum Aufbringen bzw. Ausbringen von Spritzbeton S (engl. "shotcrete") mittels einer Spitzbetondüse 14 an einer Baustelle. Im Tunnelbau kommen zum Aufbringen von Spritzbeton S bevorzugt mobile Vorrichtungen, sogenannte Spritzmanipulatoren M, zum Einsatz, wie es in Figur 4 veranschaulicht ist.
  • Das Betonspritzsystem umfasst eine Spritzbetonmaschine 12, die in der Regel beweglich ist, um flexibel von einem Einsatzort zum nächsten bewegt zu werden. Die Spritzbetonmaschine 12 umfasst eine Spritzbetonpumpe, die zur Förderung von Frischbeton 15 über eine (flexible) Förderleitung 16 mit der Spritzbetondüse 14 verbunden ist. Der Frischbeton 15 wird mit Pumpen (Dichtstrom) oder mit Druckluft (Dünnstrom) zu der Spritzbetondüse 14 gefördert. Aus der Spritzbetondüse 14 wird der Spritzbeton S durch Spritzen mit hoher Geschwindigkeit ausgebracht und aufgespritzt und durch den Aufprall verdichtet.
  • An der Spritzbetondüse 14 ist außerdem ein Anschluss für Druckluft 22 über eine Druckluftleitung 20, 32 vorgesehen. Über die Druckluftleitung 20, 32 wird dem Frischbeton 15 bei 34 ein Erstarrungsbeschleuniger 24 zugegeben bzw. zudosiert. Durch die Zugabe des Erstarrungsbeschleunigers 24 an der Spritzbetondüse 14 wird die Frühfestigkeit des Spritzbetons S erhöht, wodurch der Spritzbeton nach dem Aufprall besser anhaftet und schneller erstarrt.
  • Figur 2 zeigt eine Spritzbetondüse 14 der Erfindung in vergrößerter Ansicht. Das Gemisch aus Erstarrungsbeschleuniger 24 und (Druck-)Luft 22 wird dem Spritzbeton erst unmittelbar vor Austritt aus der Düse bei 34 über einen Injektor zugeführt/zudosiert. Der Frischbeton 15 aus der Förderleitung 16 wird mit zugeführter Druckluft 22 beschleunigt und aufgebrochen, um den Erstarrungsbeschleuniger 24 einzubringen und zu verteilen. Eine gute Durchmischung wird durch das beidseitige Einbringen des Gemisches (Gemischleitungen 32) in den Frischbeton 15 in der Spritzbetondüse 14 erzielt.
  • Wie in Figur 1 gezeigt, ist der Druckluftleitung 20 eine Mischeinrichtung 18 zugeordnet. Über die Mischeinrichtung 18 wird der Erstarrungsbeschleuniger 24 mittels einer Misch- oder Dosierpumpe 19 der Druckluftleitung 20 zugeführt und dann über die Gemischleitung 32 an der Spritzbetondüse 14 dem Frischbeton 15 zudosiert. Die Einstellung der richtigen Zudosierungsmenge von Erstarrungsbeschleuniger erfolgt über die Mischeinrichtung 18. Erstarrungsbeschleuniger 24 wird aus einem Vorratsbehälter 26 über eine Zuführleitung 28 der Mischpumpe 19 und von dort bei 30 der Druckluftleitung 20 zugeführt. Der Erstarrungsbeschleuniger 24 und die Druckluft 22 werden erst unmittelbar vor Austritt des Spritzbetons aus der Spritzbetondüse 14 dem Beton 15 zugemischt. Der Spritzbeton S wird schließlich aus der Spritzbetondüse 14 pneumatisch auf die zu beschichtende Fläche ausgebracht und beim Aufprall durch die Aufprallenergie verdichtet.
  • Die Zudosierung von Erstarrungsbeschleuniger 24 zu mittels der Spritzbetondüse 14 auszubringendem Spritzbeton S über die Mischeinrichtung 18 erfolgt sensorgesteuert. Die vorgesehene Sensorsteuerung erlaubt eine präzise Einstellung des zudosierten Erstarrungsbeschleunigers 24 in Abhängigkeit einer mittels eines Sensors 40 erfassten Messgröße. Bei der Messgröße handelt es sich um einen äußeren Parameter, wie beispielsweise die Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder einen Neigungswinkel α der Spritzbetondüse 14 (vgl. auch Figur 3) oder aber auch die Schichtdicke des Spritzbetons an der Wand (die bspw. mittels einer Laserscanvorrichtung als Sensor über Vorher-/Nachher-Messungen ermittelbar ist; andere Scannersysteme wie bspw. Infrarot-Scanner, Ultraschallscanner usw. sind ebenfalls möglich - deren Auswahl obliegt dem Können des Fachmanns). Zur Erzeugung entsprechender Zudosierungssignale ist eine Steuereinrichtung 50 vorgesehen, die der Mischeinrichtung 18 zugeordnet ist. Der Sensor 40 ist mit der Steuereinrichtung 50 mittels einer an sich bekannten Daten- bzw. Signalleitung 42 verbunden. Es versteht sich von selbst, dass der Sensor im Hinblick auf seine Einsatzumgebung in geeigneter Weise gekapselt, eingegossen oder in anderer Art und Weise vor Umwelt/Schmutz-/Wasser-Einwirkungen u.dgl. geschützt ist.
  • Figur 3 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Tunnelgewölbes, in dem mittels einer erfindungsgemäßen Spritzbetondüse 14 Spritzbeton S ausgebracht wird. Die Spritzbetondüse 14 verfügt erfindungsgemäß über einen Neigungssensor 40. In der in Figur 3 dargestellten Position ist die Spritzbetondüse 14 unter einem Neigungswinkel α von ca. 50° zu einer Horizontalen H geneigt, d.h. eine Ausbring- oder Spritzrichtung D des ausgebrachten Spritzbetons S beträgt 50° zur Horizontalen H.
  • Figur 3 veranschaulicht darüber hinaus die Aufprallsituation des ausgebrachten Spritzbetons S an der Tunnel- bzw. Gewölbewandung unter einem Anstellwinkel ϕ. Mit Anstellwinkel ist dabei der Aufprallwinkel des ausgebrachten Spritzbetons S auf den Flächenabschnitt der Gewölbewandung bezeichnet, mithin der Winkel ϕ zwischen einer Flächennormalen N am Aufprallpunkt und der Spritzrichtung D des ausgebrachten Spritzbetons S.
  • Bislang ist die Zudosierung von Erstarrungsbeschleuniger 24 manuell vom Bedienpersonal des Spritzbetonsystems eingestellt worden und während eines Applikationsvorgangs unverändert geblieben. Die erfindungsgemäße Sensorsteuerung erlaubt eine automatische Veränderung des Zudosierungsfaktors (in %) kontinuierlich oder intervallabhängig während des Applikationsvorgangs und somit eine Optimierung des Einsatzes von Erstarrungsbeschleuniger 24 und der damit verbundenen Qualität des aufgebrachten Spritzbetons und Reduzierung der laufenden Kosten durch die Einsparung von Beschleuniger.
  • In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Sensor 40 der Spritzbetondüse 14 zugeordnet und als Neigungssensor 40 ausgebildet. Der Neigungssensor 40 misst den Neigungswinkel α, also den Winkel der Spritzbetondüse 14 zu einer Horizontalen H, wie dies in Figur 3 veranschaulicht ist. Die genaue Anordnung ist exemplarisch und kann je nach Messgröße variieren. Der Neigungswinkel α kann beliebige Werte zwischen +90° und -90° annehmen. Zur Bestimmung des Neigungswinkels α der Spritzbetondüse 14 gegenüber einer Horizontalen H ist es zweckmäßig, den Neigungssensor 40 direkt an der Spritzbetondüse 14 anzuordnen. In der in Figur 1 gezeigten Position ist die Spritzbetondüse 14 mit der Horizontalen H ausgerichtet und der Neigungswinkel beträgt 0°. In der in Figur 3 dargestellten Position zielt die Spritzbetondüse 14 mit einem Winkel von ca. 50° in einen oberen Gewölbebereich. Bei der Aufbringung von Spritzbeton im Bereich der Tunnelsohle oder des Bodens kann der Neigungswinkel entsprechend bis zu -90° betragen.
  • Zur Erzielung optimaler Ergebnisse ist man im Betrieb bestrebt, die Spritzbetondüse 14 wo möglich im Wesentlichen senkrecht zu der zu bespritzenden Fläche auszurichten, also parallel zu der Flächennormalen N (vgl. Figur 3), mithin unter einem Anstellwinkel von ϕ = 0°. In dieser Spritzsituation gibt es die geringsten Rückprallverluste und die beste Aufprallverdichtung. Allerdings gibt es in der Praxis viele Situationen, in denen sich ein Anstellwinkel von ϕ = 0° nicht realisieren lässt, so bspw. aufgrund spezifischer Geometrien der zu bespritzenden Wandung oder auch in den obersten Gewölbeabschnitten. Um in solchen Situationen eine trotz schlechterer Aufprallverdichtung ausreichend gute und schnelle Verfestigung des Spritzbetons zu erreichen, kann erfindungsgemäß dem Spritzbeton sensorgesteuert bei zunehmendem Anstellwinkel ϕ eine höhere Menge von Erstarrungsbeschleuniger zudosiert werden. Hierfür kann der Spritzbetondüse 14 ein weiterer (nicht dargestellter) an sich bekannter Anstellsensor zugeordnet sein, der dazu geeignet ist, eine Neigung γ der zu bespritzenden Fläche am Aufprallpunkt zu bestimmen (bspw. unter Einsatz von Lasertechnik, Ultraschalltechnik und/oder CCD-Sensorentechnik), aus der wiederum der Anstellwinkel über ϕ = 90° - γ berechnet werden kann.
  • Beim Aufbringen von Spritzbeton auf einen eher vertikalen Wandabschnitt wird grundsätzlich weniger Erstarrungsbeschleuniger 24 benötigt als beim Aufbringen des Spritzbetons auf einen eher horizontalen Wandabschnitt (Decke). Überdosierung von Erstarrungsbeschleuniger 24 führt zu Qualitätsverlusten des aufgebrachten Spritzbetons. Aufgrund der Schwerkraft ist bei der Aufbringung von Spritzbeton auf eine Überkopffläche (horizontale Fläche) die Zugabe von mehr Erstarrungsbeschleuniger erforderlich. Bei der Aufbringung von Spritzbeton auf die Tunnelsohle bzw. den Boden wird wenig bis gar kein Erstarrungsbeschleuniger zudosiert.
  • In einem Fall wurde ein optimaler Zudosierungsfaktor bei einer horizontalen Fläche (Decke) von ca. 7 % und bei einer vertikalen Fläche von ca. 5 % ermittelt. Im Bereich des Bodens wird wenig bis gar kein Erstarrungsbeschleuniger hinzudosiert. Die Zudosierung sollte dementsprechend bei einer Ausrichtung/Neigung der Spritzbetondüse in die Vertikale angepasst werden. Dies wird durch den Neigungssensor 40 und die dem Sensor zugeordnete Steuereinrichtung 50 bei der Zudosierung von Erstarrungsbeschleuniger 24 realisiert. Die Optimierung der Zudosierung erlaubt eine gute Haftung zwischen den einzelnen Schichten aufgebrachten Spritzbetons und sichert die Haltbarkeit des Spritzbetons auf lange Sicht.
  • Die anhand des Sensors 40 ermittelten Werte werden über die Datenleitung 42 (oder drahtlos) an die Steuereinrichtung 50 übermittelt, die abhängig von den ermittelten Sensordaten Zudosierungssignale erzeugt und diese über eine nicht dargestellte Leitung oder auch drahtlos an die Mischeinheit 18 sendet, die über die Mischpumpe 19 die Zudosierung vornimmt. Somit wird erfindungsgemäß sensorgesteuert die Zudosierung von Erstarrungsbeschleuniger über Zudosierungssignale über die Mischeinheit 18 kontrolliert und eingestellt. Insbesondere erfolgt die Zudosierung des Erstarrungsbeschleunigers erfindungsgemäß in Abhängigkeit von durch den Sensor erfassten äußeren Parametern. Äußere Parameter sind bspw. Neigungswinkel, Anstellwinkel, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Düsenbewegung, u.a.m. Die Steuereinrichtung 50 ist so ausgebildet, dass sie den Zudosierungsfaktor anhand der Messgröße des zur Erfassung äußerer Parameter ausgebildeten Sensors 40 berechnet. Dies kann beispielsweise durch Vorgabe eines Maximal- und eines Minimalwertes geschehen, wobei der Bereich zwischen den Extremwerten linear oder quadratisch approximiert wird. In der Regel wird die genaue Zuordnung zwischen Messwert und Zudosierungsfaktor (in Abhängigkeit des Erstarrungsbeschleunigers) in jedem individuellen Fall und vor der Spritzbeton-Applikation durch die Bedienperson einzustellen sein. Die Anpassung der Zudosierung während der Spritzapplikation erfolgt dann automatisch sensorgesteuert.
  • Die von dem erfindungsgemäßen Sensor erfassten Datensignale, wie bspw. Bewegungen des Spritzarmes bzw. Spritzdüse, können an ein zentrales Datenmanagementsystem in der Maschine weitergeleitet und dort hinsichtlich Steuerung der Beschleunigerdosierung verarbeitet und gespeichert werden. Von diesem Datenlogger-System können die Daten (bspw. mittels USB-Stift oder WIFI-Übertragung) an eine Baustellen-Planungssoftware (z.B. BIM) oder ein Prozessüberwachsungstool der Bauleitung übertragen und dort weiter verarbeitet werden.
  • In Figur 4 ist eine Bedienperson B (auch Spritzdüsenführer) bei der Applikation von Spritzbeton S mittels eines Spritzmanipulators M gezeigt. Der Spritzmanipulator M wird bevorzugt als mobile Vorrichtung zum Aufbringen von Spritzbeton S in einem Tunnelgewölbe eingesetzt. Die Bedienperson B steuert die in alle Richtungen schwenkbar am Spritzmanipulator M angebrachte Spritzbetondüse 14 aus sicherer Entfernung mit einer Fernbedienung F. Es versteht sich, dass der der Spritzbetondüse 14 zugeordnete Sensor 40 sowohl an der Spritzbetondüse 14 selbst als auch am Spritzbetonmanipulator M angeordnet sein kann. Die Anschlüsse für Druckluft (Druckluftleitung 20) und Erstarrungsbeschleuniger (Zuführleitung 28) sowie die zur Förderung von Frischbeton vorgesehene flexible Förderleitung 16 können an einer Unterseite des Spritzmanipulators M aufgehängt sein.

Claims (10)

  1. Vorrichtung (10) zum Aufbringen von Spritzbeton (S), mit einer Spritzbetondüse (14), einem zur Erfassung äußerer Parameter ausgebildeten Sensor (40) und einer der Spritzbetondüse (14) zugeordneten Mischeinrichtung (18), die zum Zudosieren von Erstarrungsbeschleuniger (24) zu mittels der Spritzbetondüse (14) auszubringendem Spritzbeton (S) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der der Spritzbetondüse (14) zugeordnete Sensor (40) zum Ermitteln eines Anstellwinkels (ϕ) der Spritzbetondüse (14) beim Spritzvorgang ausgebildet ist und die Vorrichtung (10) eine Steuereinrichtung (50) zur sensordatenabhängigen Erzeugung von Zudosierungssignalen für die Mischeinrichtung (18) aufweist , wobei die Zudosierung des Erstarrungsbeschleunigers (24) sensorgesteuert in Abhängigkeit eines Anstellwinkels (ϕ) der Spritzbetondüse (14) gegenüber einer Flächennormalen (N) einer mit Spritzbeton (S) zu bespritzenden Fläche beim Spritzvorgang erfolgt.
  2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, bei der die Zudosierung des Erstarrungsbeschleunigers (24) sensorgesteuert in Abhängigkeit eines äußeren Parameters erfolgt und der äußere Parameter eine sensorerhobene Umgebungstemperatur oder Luftfeuchtigkeit ist.
  3. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der der Spritzbetondüse (14) zugeordnete Sensor (40) zum Ermitteln eines Neigungswinkels (α) der Spritzbetondüse (14) beim Spritzvorgang ausgebildet ist.
  4. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Zudosierung von Erstarrungsbeschleuniger (24) mit zunehmendem Neigungswinkel (α) der Spritzbetondüse (14) gegenüber einer Horizontalen (H) zunimmt.
  5. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Zudosierung von Erstarrungsbeschleuniger (24) mit zunehmendem Anstellwinkel (ϕ) zunimmt.
  6. Vorrichtung (10) nach Anspruch 4 oder 5, bei der die Zunahme der Zudosierung mit Erstarrungsbeschleuniger (24) kontinuierlich oder intervallabhängig erfolgt.
  7. Verfahren zum Aufbringen von Spritzbeton (S) mit einer Spritzbetondüse (14), bei dem auszubringendem Spritzbeton (S) sensorgesteuert Erstarrungsbeschleuniger (24) in Abhängigkeit eines Anstellwinkels (ϕ) der Spritzbetondüse (14) gegenüber einer Flächennormalen (N) einer mit Spritzbeton (S) zu bespritzenden Fläche beim Spritzvorgang zudosiert wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem in Abhängigkeit eines äußeren Parameters zudosiert wird, wobei der äußere Parameter eine sensorerhobene Umgebungstemperatur oder Luftfeuchtigkeit ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem mittels eines Sensors (40) ein Neigungswinkel (α) der Spritzbetondüse (14) beim Spritzvorgang gemessen und mittels einer zugeordneten Steuereinrichtung (50) eine dem Spritzbeton (S) zuzudosierende entsprechende Menge von Erstarrungsbeschleuniger (24) ermittelt wird.
  10. Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um ein Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9 durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf der der Mischeinrichtung (18) der Spritzbetondüse (14) zugeordneten Steuereinrichtung (50) der Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgeführt wird.
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