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Dichte von Schüttgütern

EN ISO 60; USP 616, Methode III

Die Schüttdichte b0 oder ρSch) ist das Verhältnis der Masse (m) des Schüttgutes zu dem eingenommenen Schüttvolumen (V) einschließlich der Hohlräume und Poren des Schüttgutes im unkonsolidiertem Zustand.
Zur Versuchsdurchführung, wird eine Stichprobe, möglichst homogen mit vorgegebener Fallhöhe in ein definiertes Probengefäß im Regenfüllverfahren gegeben und die Einwaage bestimmt. Die Schüttdichte wird durch Division der Masse der Einwaage durch das bekannte Volumen ermittelt. Sie wird oft in [kg/m³] bzw. in [g/cm³] angegeben.

 

Stampfdichte, Rütteldichte bzw. Klopfdichte (ρbK)

DIN EN ISO 787-11, ASTM B527

Die Stampfdichte ist definiert als die Dichte eines Schüttgutes nach der Verdichtung durch Rütteln, Stampfen oder Klopfen.

Je nach Norm kommen unterschiedliche Methoden zur Bestimmung der Stampfdichte zur Anwendung.
Ein bestimmtes Volumen oder Masse einer Stichprobe wird möglichst erschütterungsfrei in einen Messzylinder gegeben. Die resultierende Einwaage bzw. Schüttvolumen wird bestimmt. Die resultierende Ausgangsdichte (Schüttdichte oder auch Rohdichte) wird bestimmt.
Der Messzylinder mit Probe wird im Stampfvolumeter mit einer festgelegten Stampfhöhe und Anzahl an Wiederholungen aufgestampft. Die Stampfdichte errechnet sich anschließend aus dem Quotienten der eingewogenen Masse und dem resultierendem Stampfvolumen.

Aus den gewonnenen Daten lassen sich Kennwerte zur Charakterisierung berechnen:

Der Hausner-Faktor ist eine dimensionslose physikalische Kennzahl zur Charakterisierung von Schüttgütern. Dieser errechnet sich als Quotient des Stampfdichte zur Schüttdichte bzw. dessen Volumen.

Der Kompressibilitätsfaktor beschreibt die Prozentuale Veränderung des Volumens der Probe.

 

Kompressibilitätsfaktor 
(%)
Hausner-Faktor Fließeigenschaften
< 10 1.00 - 1.11 Hervorragend
11 - 15 1.12 - 1.18 Gut
16 - 20 1.19 - 1.25 Mittelmäßig
21 - 25 1.26 - 1.34 Ausreichend
26 - 31 1.35 - 1.45 Schlecht
32 - 37 1.46 - 1.59 Sehr schlecht
> 38 > 1.60 Sehr, sehr schlecht

 

 

 

 

Kompressionsdichte (einaxiale Verdichtung) (ρbC)

ASTM-D6682-B

Wird ein Schüttgut einer einaxialen Belastung ausgesetzt, z.B. durch sein Eigengewicht durch Aufhäufung, erhöht sich durch Umlagerung der Partikel die Packungsdichte der Partikel und die Porosität(ε) zwischen den einzelnen Partikeln nimmt ab. Die Dichte steigt.

Analog zur Bestimmung der Schüttdichte wird eine Probe möglichst homogen in einen definierten Probenzylinder gefüllt und die Einwaage bestimmt. Durch einaxiale Belastung wird eine Probe komprimiert, bis keine weitere Volumenänderung mehr auftritt. Dabei wird durch Messung der Probenhöhe das vom Schüttgut neu eingenommene Volumen bestimmt. Daraus berechnet man die Dichte (ρbC) der einaxial konsolidierten Probe in Abhängigkeit der aufgebrachten Normal-, Referenzspannung (σr). Dies wird Stufenweise bei mehreren steigenden Referenzspannungen durchgeführt damit ausrechend Messpunkte zur Bildung einer Dichtefunktion vorliegen.

Die sich durch elastische und plastische Verformung einstellende Schüttgutdichte ist oft nicht vollständig reversibel und hat eine Hysterese was dazu führt, dass auch nach Wegnahme der Last das Schüttgut seinen Packungszustand weitgehend beibehält.

 

 

 

 

 

Schüttgutdichte (ρbr) (mehraxiale Spannungen)

ASTM-D6682-A

Durch zusätzliche Scherung mit Materialfluss (plastische Verformung) können weiter Kräfte auf das Schüttgut einwirken, wodurch es zu einer weiteren Konsolidierung durch Umorientierung der Partikel zueinander kommen kann. Dabei stellt sich oft eine etwas größere Dichte als bei der einachsialen Verdichtung ein. Die resultierende Dichte ist immer abhängig von der aufgebrachten Referen- (σr) bzw. Konsolidierungspannung (σ1) und der Scherspannung.

Körnige Schüttgüter lassen sich oft nur dann plastisch verformen, wenn sich der Partikelabstand unter Einwirkung der Scherkräfte vergrößert, wodurch sich die Dichte in der Scherzone verkleinert. Dies wird auch als Dilatanz bezeichnet. In einem Schüttgut bestimmt die Interaktion der einzelnen Partikel zueinander das Verhalten des Kontinuums. Geringer Partikelabstand führt zu mehr Kontaktflächen und mehr Einfluss der Haftkräfte zwischen den einzelnen Partikeln. Durch resultierende größeren Partikelabstände nehmen auch die Scherkräfte mit beginnender plastischer Verformung ab, was sich auch durch eine anfänglich erhöhte Scherkraft der zuvor verdichteten Probe zeigt. Fließt das Schüttgut danach bei konstanter Spannung und konstanten Volumen spricht man von stationären Fließen. Die manchmal sogenannte Fließdichte (ρbF, ρrs) stellt sich beim stationären Fließen ein.
Mit wegnahme der Scherkraft steigt die Dichte (ρbr, ρm) in der Scherzone oft wieder an, da sich die Partikelabstände wieder verkleinern. Man erhält die Schüttgutdichte des nun "überkritisch" verdichteten Schüttgutes.

SHEAR STRESSES - MEASUREMENT ACCORDING ASTM D6682-A
σr Τrm ρrm Τrs ρrs σN Τm ρm
[Pa] [Pa] [g/cm³] [Pa] [g/cm³] [Pa] [Pa] [g/cm³]

14871 10758 1.499 9143 1.497 14871 10649 1.499
               
...              
               
14871 11132 1.501 9460 1.498 3103 2596 1.498

ρb0 = 1.286 g/cm³ bulk density
ρbr = 1.499 g/cm³ density(σr) = bulk density after consolidation

 

 

Beispiel einer Verdichtung bei einachsialer Verdichtung und Fließdichte eines Schüttgutes

 

density measurement graph

Bei der Messung der Fließorte, wird die Dichte unter Einwirkung von Druck- und Scherbelastung automatisch gemessen.
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