СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМНОЙ МАССЫ ТВЕРДЫХ ПОРИСТЫХ ТЕЛ В СЫПУЧЕМ МАТЕРИАЛЕ Российский патент 2006 года по МПК G01N33/38 

Изобретение относится к области испытаний и определения свойств материалов и может быть использовано в производстве легкого бетона, гранулированных катализаторов, зернистых теплоизоляционных материалов, а также при оценке качественных характеристик пористых сыпучих материалов любого назначения.

Известны экспериментальные методы определения объемной массы пористых твердых тел измерением массы и их объема (Веселовский B.C. Испытание горючих ископаемых. - М.: Госгеолтехиздат, 1963, с.246-252, Берль-Лунге Химико-технические методы исследования, t.iv, выпуск второй. - М., Л.: Госхимиздат, 1940, с.876).

Однако при определении величины объемной массы, представляющей собой отношение массы к объему пористого тела, необходимо измерять объем материала с известной массой. Пористые тела неправильной геометрической формы являются материальными объектами, измерение объема которых сопряжено с техническими трудностями, поэтому на практике используют несколько методов определения величины их объема (метод водонасыщения, метод погружения в ртуть, пикнометрический метод определения объема предварительно гидрофобизированных пористых зерен, гидростатический метод взвешивания парафинированных пористых тел и др.).

Лабораторные методы определения объема пористых твердых тел являются сложными, многостадийными, особенно трудоемкой является предварительная подготовка пористых материалов перед измерением их объема.

В основе создания изобретения лежит задача по разработке такого способа, который позволяет, не прибегая к постановке экспериментальных испытаний по непосредственному определению объема, определять объемную массу пористых твердых тел через характеристики пористого сыпучего материала.

Технический результат достигается тем, что установлена количественная взаимосвязь между величиной объемной массы пористых твердых тел и величинами плотности и объема монолитного материала твердых тел, величиной объема межзерновых пустот пористого сыпучего материала.

Поставленная задача достигается тем, что определяют объем монолитного материала твердых тел, его плотность, объем межзерновых пустот в пористом сыпучем материале, а объемную массу пористых твердых тел определяют по формуле

где ρ_n - объемная масса пористых твердых тел, входящих в состав сыпучего материала;

V_м - объем монолитного материала твердых пористых тел;

ρ_m - плотность монолитного материала твердых пористых тел;

V_пус - объем межзерновых пустот пористого сыпучего материала.

Исследование пористых сыпучих материалов показало, что между объемно-массовыми характеристиками пористых твердых тел и объемно-массовыми характеристиками пористого сыпучего материала существуют аналитически выраженные количественные взаимосвязи, вытекающие из соотношения объемов V_n=V_м+V_пор (объем пористого материала равен сумме объемов монолитного материала и пор) и равенства масс (масса пористых твердых тел равна массе пористого сыпучего материала). Кроме того, установлено, что объемная масса пористых твердых тел имеет функциональную зависимость от объема и объемной массы пористого сыпучего материала, т.е. ρ_n=f(V, γ), где ρ_n - объемная масса пористых твердых тел, V - объем и γ - объемная масса пористого сыпучего материала.

Объемную массу пористых твердых тел иногда называют «кажущейся» плотностью, подчеркивая тем самым наличие пор в измеряемом объеме.

На чертеже схематично изображен вариант кубической упаковки сферических твердых тел.

Способ осуществляется следующим образом.

Пример 1. Имеются в наличии стеклянные шары диаметром 2,5 мм (d₁=2,5 мм) с внутренней полостью размером 2 мм и кварцевый песок с размерами зерен 0,14 мм (d₂=0,14 мм).

На основе стеклянных шаров и фракции песка с размерами зерен d₂=0,14 мм готовится смесь в единице объема мерного сосуда (1 л) путем послойного его заполнения стеклянными шарами и фракцией песка с размерами зерен 0,14 мм. Для заполнения единицы объема (1 л) расход шаров с диаметром 2,5 мм составил V_2,5=0,849 л, а расход фракции песка с размерами зерен 0,14 мм - V_0,14=0,471 л. Величина раздвижки шаров зернами песка равна α=1л/0,849л=1,178, безразмерная величина.

С учетом полученных экспериментальных данных величина пустотности полых шаров в единице объема смеси определяется по формуле

,

безразмерная величина (отношение объема межзерновых пустот к объему сыпучего материала).

В процессе послойного совмещения фракции сферических тел и фракции кварцевого песка имеет место проявление двух физических явлений (явление уплотнения и явление раздвижки сфер зернами песка). Явление раздвижки снижает содержание сферических тел в единице объема смеси, а явление уплотнения обеспечивает повышение объемной массы смеси за счет заполнения части объема межзерновых пустот зернами песка. С использованием величины пустотности обеспечивается возможность определения характеристик пористого сыпучего материала.

С учетом полученной величины межзерновой пустотности объемная масса пористых твердых тел определяется по формуле

где ρ_n - объемная масса пористых твердых тел;

V_м - объем монолитного материала пористых твердых тел;

ρ_m - плотность монолитного материала;

V_пус - межзерновая пустотность пористого сыпучего материала.

Объемная масса пористого сыпучего материала на основе сферических тел равна γ=0,776 г/см³, плотность монолитного материала (стекло) равна ρ_m=2,65 г/см³.

V_n=V_m+V_пор; V_пор=0,6-0,293=0,307 см³

V=V_пус+V_м+V_пус=0,4+0,293+0,307=1,0

Пример 2. Рассмотрим физическую модель системы, представляющей собой куб с твердыми пористыми сферическими телами диаметром 2,5 мм и с полостью диаметром 2 мм.

Сферические тела упакованы в кубе по кубическому варианту (см. фиг.1). Размеры куба 100×100×100 мм. По высоте куба размещается 100:2,5 мм=40 сфер диаметром 2,5 мм.

Объем куба равен V_k=(2,5 мм·40)³=1.000.000 мм³. Объем одной сферы равен Объем полости в сфере диаметром D=2,5 мм равен

Общее число сфер диаметром D=2,5 мм в кубе равно N_ш=40³=64.000 штук.

Общий объем сфер диаметром D=2,5 мм в кубе составляет V_ш=8,18 мм³·64. 000=523520 мм³.

Общий объем пустот в сферах диаметром D=2,5 мм составляет V_пор=4,188 мм³·64.000=268032 мм³.

Объем монолитного материала (стекло) всех сфер в кубе равен V_м=523520 мм³-268032 мм³=255488 мм³.

Объем межсферических пустот в кубе равен

V_пус=1.000.000 мм³-523520 мм³=476480 мм³.

При плотности стекла ρ_m=2,65 г/мм³ масса всех шаров в кубе равна G_ш=ρ_ш·V_м=2,65·255488=677043 г.

Объемная масса пористых (полых) твердых сферических тел, содержащихся в кубе, равна

Величина пустотности системы равна , безразмерная величина, доля единицы объема.

Объемная масса полых твердых сферических тел равна

Величина пористости системы равна , безразмерная величина, доля единицы объема.

Объемная доля монолитного материала шаров равна , безразмерная величина, доля единицы объема.

V_к=V_м+V_пус+V_пор=0,255488+0,476480+0,268032=1.000 (единица объема).

Проверка достоверности заявляемой формулы

Пример З. Рассмотрим изменение физических величин в сыпучей системе при свободной утряске полых шаров диаметром D=2,5 мм.

В процессе свободной утряски происходит более плотная упаковка шаров. Независимо от размеров шары одинакового диаметра уплотняются таким образом, что формируется сыпучая система с величиной межсферической пустотности, равной V_пус=0,4.

Общий объем сфер диаметром D=2,5 мм составляет V_ш=523520 мм³, общий объем пустот в сферах составляет V_пор=263032 мм³, объем монолитного материала (стекло) всех сфер составляет V_м=255488 мм³.

При плотности стекла ρ_м=2,65 г/мм³ масса всех шаров равна G_ш=677043 г.

С учетом изменения величины межсферической пустотности сыпучей системы требуется определить ее объем.

Объем пустот составляет V_пус=0,4, а объем шаров V_ш=0,6 объемной доли сыпучей системы.

Объем межсферических пустот составляет 0,6-523520 мм³

0,4-V_пусV_пус=349013 мм³.

Объем системы (пористого сыпучего материала) равен V=523520 мм³+349013 мм³=872533 мм³.

Объемная масса пористой сыпучей системы равна .

Объемная доля монолитного материала шаров равна , безразмерная величина.

Величина пористости системы равна безразмерная величина.

V=V_м+V_пус+V_пор=0,2928+0,4000+0,3072=1,0000 (единица объема)

Объемная масса полых твердых сферических тел равна

Проверка достоверности формулы

Экспериментальные испытания заявляемого способа, проведенные в ЦСЛ Тверского комбината крупнопанельного домостроения, показали, что результаты испытаний пористых заполнителей бетона (керамзит, перлит) по существующей методике и по заявляемому способу совпадали при определении величины пустотности и объемной массы пористых зерен заполнителей бетона. При этом отмечено, что в процессе испытания пористых материалов заявляемый способ обеспечивает снижение трудоемкости проводимых операций и ускорение их проведения.

При осуществлении заявляемого способа не учитывается природа испытуемого материала и геометрическая форма твердых пористых тел.

Величина объемной массы пористых твердых тел используется не только при оценке свойств сыпучих материалов, но в процессе проектирования сложных смесей, в состав которых в качестве составной части входят пористые сыпучие материалы.

Использование: в производстве легкого бетона, гранулированных катализаторов, зернистых теплоизоляционных материалов, а также при оценке качественных характеристик пористых сыпучих материалов любого назначения. Сущность: определяют объем V_м монолитного материала твердых пористых тел и его плотность ρ_m, объем V_пус межзерновых пустот в пористом сыпучем материале, а объемную массу ρ_n пористых твердых тел в пористом сыпучем материале определяют по формуле

Технический результат изобретения заключается в снижении трудоемкости. 1 ил.

Способ определения объемной массы твердых тел в пористом сыпучем материале, характеризующийся тем, что определяют объем монолитного материала и его плотность, объем межзерновых пустот в пористом сыпучем материале, а объемную массу пористых твердых тел определяют по формуле

где ρ_n - объемная масса пористых твердых тел, входящих в состав сыпучего материала, кг/м³;

V_м - объем монолитного материала твердых пористых тел;

ρ_m - плотность монолитного материала твердых пористых тел, кг/м³;

V_пус - объем межзерновых пустот пористого сыпучего материала.