Dichte von Schüttgütern
DIN ISO 697
Die Schüttdichte (ρb0 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 unter definierter Fallhöhe in ein definiertes Probengefäß 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 oder das sich ergebene 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
Verdichtet sich ein Schüttgut durch vertikale Belastung z.B. durch sein Eigengewicht, erhöht sich die Packungsdichte der Partikel und die Porosität(e) zwischen den einzelnen Partikeln nimmt ab.
Bei Lagerung durch Aufhäufung eines Schüttgutes, steigt der Druck, dem das Schüttgut ausgesetzt ist, mit zunehmender Tiefe an. Im Gegensatz zu Flüssigkeiten, die idealerweise inkompressibel angenommen werden, steigt durch Umlagerung der Partikel die Packungsdichte eines Schüttgutes (die Dichte steigt).
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.
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.
Fließdichte
ASTM-D6682-A
Durch Scherung bei Materialfluss können weiter Kräfte auf das Schüttgut einwirken. Eine weitere Umorientierung der Partikel zueinander ist möglich, sodass sich eine andere Dichte auch nach Wegnahme der Scherkraft einstellt. Die Fließdichte (ρbF) stellt sich beim zweiachsigen stationären Fließen ein. Angegeben wird die Dichte des stationären Fließen bezogen auf die Konsolidierungsspannung.
| 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 = |
1.497 |
g/cm³ |
density(σr) = bulk density after consolidation |
Beispiel einer einachsialen und zweiachialer Verdichtung (Fließdichte) eines Schüttgutes
Bei der Messung der Fließorte, wird die Dichte unter Einwirkung von Druck- und Scherbelastung automatisch gemessen. Auch wenn die DIN nur die einachsige Verdichtung berücksichtigt, können beide Arten der Verdichtung später in die automatischen Auswertungen einbezogen werden.
