Спосіб визначення об’ємної маси твердих пористих тіл у сипучому матеріалі
Власники патенту UA 2289130:
Використання: у виробництві легкого бетону, гранульованих каталізаторів, зернистих теплоізоляційних матеріалів, а також при оцінці якісних характеристик сипких пористих матеріалів будь-якого призначення. Сутність: визначають обсяг Vм монолітного матеріалу твердих пористих тіл і його щільність ρm, обсяг Vпус міжзернових порожнин в пористому сипучому матеріалі, а об'ємну масу ρn пористих твердих тіл у пористому сипучому матеріалі визначають за формулою
Технічний результат винаходу полягає у зниженні трудомісткості. 1 іл.
Винахід відноситься до галузі випробувань та визначення властивостей матеріалів і може бути використане у виробництві легкого бетону, гранульованих каталізаторів, зернистих теплоізоляційних матеріалів, а також при оцінці якісних характеристик сипких пористих матеріалів будь-якого призначення.
Відомі експериментальні методи визначення об'ємної маси пористих твердих тіл вимірюванням маси та їх об'єму (Веселівський B.C. Випробування горючих копалин. - М: Госгеолтехіздат, 1963, с.246-252, Берль-Лунге Хіміко-технічні методи дослідження, t.iv, випуск .- М., Л.: Держхіміздат, 1940, с.876).
Однак при визначенні величини об'ємної маси, що є відношенням маси до об'єму пористого тіла, необхідно вимірювати об'єм матеріалу з відомою масою. Пористі тіла неправильної геометричної форми є матеріальними об'єктами, вимірювання об'єму яких пов'язане з технічними труднощами, тому на практиці використовують кілька методів визначення величини їх об'єму (метод водонасичення, метод занурення в ртуть, пікнометричний метод визначення об'єму попередньо пористих зерен гідрофобізованих, гідростатичний метод зважуванняпарафінованих пористих тіл та ін.).
Лабораторні методи визначення обсягу твердих пористих тіл є складними, багатостадійними, особливо трудомісткою є попередня підготовка пористих матеріалів перед вимірюванням їх обсягу.
В основі створення винаходу лежить завдання з розробки такого способу, який дозволяє, не вдаючись до постановки експериментальних випробувань з безпосереднього визначення обсягу, визначати об'ємну масу твердих пористих тіл через характеристики пористого сипучого матеріалу.
Технічний результат досягається тим, що встановлений кількісний взаємозв'язок між величиною об'ємної маси пористих твердих тіл і величинами щільності та обсягу монолітного матеріалу твердих тіл, величиною обсягу міжзернових порожнин пористого сипучого матеріалу.
Поставлене завдання досягається тим, що визначають об'єм монолітного матеріалу твердих тіл, його щільність, об'єм міжзернових порожнин у пористому сипучому матеріалі, а об'ємну масу пористих твердих тіл визначають за формулою
де ρn - об'ємна маса пористих твердих тіл, що входять до складу сипучого матеріалу;
Vм – обсяг монолітного матеріалу твердих пористих тіл;
ρm – щільність монолітного матеріалу твердих пористих тіл;
Vпус - обсяг міжзернових порожнин пористого сипучого матеріалу.
Дослідження пористих сипких матеріалів показало, що між об'ємно-масовими характеристиками пористих твердих тіл і об'ємно-масовими характеристиками пористого сипучого матеріалу існують аналітично виражені кількісні взаємозв'язки, що випливають із співвідношення обсягів Vn=Vм+Vпор (об'єм пористого матеріалу дорівнює сумі об'ємів і рівності мас (маса пористих твердих тіл дорівнює масі пористого сипучого матеріалу).Крім того, встановлено, що об'ємна маса твердих пористих тіл має функціональну залежність від об'єму і об'ємної маси пористого сипучого матеріалу, тобто. ρn=f(V, γ), де ρn - об'ємна маса пористих твердих тіл, V - об'єм та γ - об'ємна маса пористого сипучого матеріалу.
Об'ємну масу пористих твердих тіл іноді називають «здається» щільністю, підкреслюючи тим самим наявність пір у вимірюваному обсязі.
На кресленні схематично зображено варіант кубічного пакування сферичних твердих тіл.
Спосіб здійснюється наступним чином.
Приклад 1. Є скляні кулі діаметром 2,5 мм (d1=2,5 мм) з внутрішньою порожниною розміром 2 мм і кварцовий пісок з розмірами зерен 0,14 мм (d2=0,14 мм).
На основі скляних куль і фракції піску з розмірами зерен d2=0,14 мм готується суміш в одиниці об'єму мірної судини (1 л) шляхом пошарового заповнення його скляними кулями і фракцією піску з розмірами зерен 0,14 мм. Для заповнення одиниці об'єму (1 л) витрата куль з діаметром 2,5 мм склала V2,5=0,849 л, а витрата фракції піску з розмірами зерен 0,14 мм - V0,14=0,471 л. Розмір розсунення куль зернами піску дорівнює α=1л/0,849л=1,178, безрозмірна величина.
З урахуванням отриманих експериментальних даних величина порожнечі порожнистих куль в одиниці об'єму суміші визначається за формулою
,
безрозмірна величина (відношення обсягу міжзернових порожнин до обсягу сипучого матеріалу).
З урахуванням отриманої величини міжзернової порожнечі об'ємна маса пористих твердих тіл визначається за формулою
де ρn – об'ємна маса пористих твердих тіл;
Vм – обсяг монолітного матеріалу пористих твердих тіл;
ρm – щільність монолітного матеріалу;
Vпус - міжзернова пустотність пористого сипучого матеріалу.
Об'ємна маса пористого сипучого матеріалу на основі сферичних тіл дорівнює γ=0,776 г/см 3 щільність монолітного матеріалу (скло) дорівнює ρm=2,65 г/см 3 .
Приклад 2. Розглянемо фізичну модель системи, що є кубом з твердими пористими сферичними тілами діаметром 2,5 мм і з порожниною діаметром 2 мм.
Сферичні тіла упаковані в кубі кубічного варіанту (див. фіг.1). Розмір куба 100×100×100 мм. По висоті куба розміщується 100:2,5 мм = 40 сфер діаметром 2,5 мм.
Об'єм куба дорівнює Vk = (2,5 мм 40) 3 = 1.000.000 мм 3 . Об'єм однієї сфери дорівнює Об'єм порожнини у сфері діаметром D=2,5 мм дорівнює
Загальна кількість сфер діаметром D=2,5 мм у кубі дорівнює Nш=40 3 =64.000 штук.
Загальний обсяг сфер діаметром D=2,5 мм у кубі становить Vш=8,18 мм 3 ·64. 000 = 523 520 мм 3 .
Загальний обсяг порожнеч у сферах діаметром D=2,5 мм становить Vпор=4,188 мм 3 ·64.000=268032 мм 3 .
Об'єм монолітного матеріалу (скло) всіх сфер у кубі дорівнює Vм=523520 мм 3 -268032 мм 3 =255488 мм 3 .
Об'єм міжсферичних порожнин у кубі дорівнює
Vпус = 1.000.000 мм 3 -523 520 мм 3 = 476 480 мм 3 .
При щільності скла ρm=2,65 г/мм 3 маса всіх куль у кубі дорівнює Gш=ρш·Vм=2,65·255488=677043 р.
Об'ємна маса пористих (порожнистих) твердих сферичних тіл, що містяться в кубі, дорівнює
Розмір порожнечі системи дорівнює , безрозмірна величина, частка одиниці обсягу.
Об'ємна маса порожнистих сферичних тіл дорівнює
Розмір пористості системи дорівнює , безрозмірна величина, частка одиниці обсягу.
Об'ємна частка монолітного матеріалу куль дорівнює безрозмірна величина частка одиниці об'єму.
Перевірка достовірності формули, що заявляється.
Приклад З. Розглянемо зміну фізичних величин у сипучій системі привільному утряску порожнистих куль діаметром D=2,5 мм.
У процесі вільної утряски відбувається більш щільне пакування куль. Незалежно від розмірів кулі однакового діаметра ущільнюються таким чином, що формується сипуча система з величиною міжсферичної порожнечі, що дорівнює Vпус=0,4.
Загальний обсяг сфер діаметром D=2,5 мм становить Vш=523520 мм 3 , загальний обсяг порожнеч у сферах становить Vпор=263032 мм 3 обсяг монолітного матеріалу (скло) всіх сфер становить Vм=255488 мм 3 .
При густині скла ρм=2,65 г/мм 3 маса всіх куль дорівнює Gш=677043 р.
З урахуванням зміни величини міжсферичної порожнечі сипучої системи потрібно визначити її обсяг.
Об'єм порожнеч становить Vпус=0,4, а об'єм куль Vш=0,6 об'ємної частки сипучої системи.
Об'єм міжсферичних порожнин становить 0,6-523520 мм 3
Об'єм системи (пористого сипучого матеріалу) дорівнює V = 523 520 мм 3 +349013 мм 3 = 872 533 мм 3 .
Об'ємна маса пористої сипучої системи дорівнює.
Об'ємна частка монолітного матеріалу куль дорівнює безрозмірна величина.
Розмір пористості системи дорівнює безрозмірна величина.
Об'ємна маса порожнистих сферичних тіл дорівнює
Перевірка достовірності формули
Експериментальні випробування заявляється способу, проведені в ЦСЛ Тверського комбінату великопанельного домобудування, показали, що результати випробувань пористих заповнювачів бетону (керамзит, перліт) за існуючою методикою і за заявляється способу збігалися при визначенні величини порожнистих пустотності і об'ємної маси пористих зерен. При цьому зазначено, що в процесі випробування пористих матеріалів спосіб забезпечує зниження трудомісткості проведених операцій і прискорення їх проведення.
При здійсненнізаявляється способу не враховується природа випробуваного матеріалу та геометрична форма твердих пористих тіл.
Величина об'ємної маси пористих твердих тіл використовується не тільки при оцінці властивостей сипких матеріалів, але в процесі проектування складних сумішей, до складу яких складовою частиною входять пористі сипучі матеріали.
Спосіб визначення об'ємної маси твердих тіл у пористому сипучому матеріалі, що характеризується тим, що визначають об'єм монолітного матеріалу і його щільність, об'єм міжзернових порожнин у пористому сипучому матеріалі, а об'ємну масу пористих твердих тіл визначають за формулою
де ρn - об'ємна маса пористих твердих тіл, що входять до складу сипучого матеріалу, кг/м 3 ;
Vм – обсяг монолітного матеріалу твердих пористих тіл;
ρm - густина монолітного матеріалу твердих пористих тіл, кг/м 3 ;
Vпус - обсяг міжзернових порожнин пористого сипучого матеріалу.