Плотность сыпучих грузов. Расчет тоннажа сыпучих грузов. Насыпная плотность песка Плотность в зависимости от разновидности песка

Но также производит и биологически активные добавки (БАД) к пище в таблетированной и капсулированной форме. В связи с этим кажется необходимым рассказать о некоторых похожих терминах и технологические свойствах этих продуктов.

Технологические свойства порошкообразных (таблетированных и капсулированных ) лекарственных веществ и биологически активных добавок к пище зависят от их физико-химических свойств. При производстве биологически активных добавок в форме таблеток и в форме твёрдых желатиновых капсул необходимо учитывать различные технологические характеристики, так как активные компоненты и многие экстракты лекарственных растений поступают в виде порошков или порошковых смесей.

Насыпная плотность

Базовой характеристикой всех сыпучих материалов является плотность. Существуют понятия истинной и насыпной плотности, которые измеряются в г/см 3 или кг/м 3 .

Истинная плотность – это отношение массы тела к объему этого же тела в сжатом состоянии, в котором не учитываются зазоры и поры между частицами. Истинная плотность – постоянная физическая величина, которая не может быть изменена.

В своем естественном состоянии (неуплотненном) сыпучие материалы характеризуются насыпной плотностью. Под насыпной плотностью различных сыпучих материалов понимают количество порошка (сыпучего продукта), которое находится в свободно засыпанном состоянии в определённой единице объема.

Насыпная плотность заданного порошка или любой сыпучей смеси (D нас. пл.) определяется отношением массы свободно засыпанного порошка (Mасса cып.) к объему этого порошка (Vcосуда) по формуле:

D нас.пл.= Mасса cып/Vcосуда

Насыпная плотность учитывает не только объем частиц материала, но и пространство между ними, поэтому насыпная плотность гораздо меньше, чем истинная. Например, истинная плотность каменной соли составляет 2,3 т/м 3 , а насыпная – 1,02 т/м 3 .

Зная насыпную плотность применяемых сыпучих материалов можно при проектировании емкостей или дозаторов, а так же капсул и таблеток рассчитать их объем и, соответственно, высоту засыпки. Понятно, что если нам частично известны некоторые параметры, а именно высота засыпки, а так же коэффициент засыпки, то можно рассчитать высоту предполагаемого объема, то есть высоту форматных частей, что очень важно при решении технологических задач. Конечно, если известна насыпная плотность порошка, тогда технологи могут легко рассчитать массу для одной дозы, порции или упаковки и тем самым определить величину дозировки для капсулятора или таблетпресса, а также для любого другого фасовочного оборудования.

Значение насыпной плотности определяется в соответствии со стандартом (ГОСТ 19440-94 «Порошки металлические. Определение насыпной плотности. Часть 1. Метод с использованием воронки. Часть 2. Метод волюмометра Скотта») с помощью прибора волюмометра, принцип действия которого основан на точном определении массы порошка, заполняющего мерную емкость. Волюмометр состоит из воронки с ситом и корпуса с несколькими наклонными стеклами, по которым порошок, пересыпаясь, падает в тигелек с измеренным объемом и весом.

Объемная или Насыпная плотность зависит от размера, формы, влажности и плотности частиц гранул или порошка. По значению этого показателя можно прогнозировать и рассчитывать объем матричных каналов. Процедуру измерения насыпной плотности порошковой смеси или монопорошка проводят на специальном приборе (рис. 1).

Производят навеску массой 5,0 г порошка. Точность навески до 0,001 г. Далее засыпают навеску в мерный цилиндр. Устанавливают на приборе амплитуду колебаний (35-40 мм) при помощи регулировочного винта. Устанавливают отметку по шкале и фиксируют положение при помощи контргайки. Далее, с помощью трансформатора устанавливают частоту колебаний. Частота устанавливается в интервале от 100 до 120 кол/мин, по счетчику. После включения прибора тумблером оператор следит за отметкой, по которой установлен уровень порошка в цилиндре. Как правило, при работе прибора в течение 10 минут, уровень порошка или смеси становится постоянным, и прибор необходимо отключить.

Насыпную плотность рассчитывают по формуле:

где: ρ н – насыпная плотность, кг/м 3 ;

m – масса сыпучего материала, кг;

V – объем порошка в цилиндре после уплотнения, м 3 .

В зависимости от насыпной плотности порошки классифицируют следующим образом:

ρ н > 2000 кг/м 3 – весьма тяжелые;

2000 > ρ н > 1100 кг/м 3 – тяжелые;

1100 > ρ н > 600 кг/м 3 – средние;

ρ н < 600 кг/м 3 – легкие.

Одним из приборов, на котором проводят измерение насыпной плотности (а также другие характеристики порошковой смеси или монопорошка), является прибор ВТ-1000.

Анализатор ВТ-1000 (Рис. 2) используется для определения свойств различных сыпучих материалов, связанных с текучестью. Порошок или порошковые смеси, по определению, являются двухфазными системами. Свойства поверхности частиц порошковой смеси или монопорошка, так же как и их плотность, все эти параметры определяет его поведение в потоке и их сыпучесть. Правильное определение параметров сыпучести очень важно для расчетов процессов обработки порошка, его упаковки, транспортировки и хранения.

С помощью ВТ-1000 (Рис.3) возможно определить не только насыпную плотность, но и дисперсность, угол падения, угол естественного откоса, угол на плоской пластине и плотность утряски. Из данных характеристик легко рассчитать угол разности, прессуемость, объем пустого пространства, сжимаемость, униформность. По характеристикам зафиксированным на приборе, можно рассчитать индекс Карра, что позволяет определить значения сыпучести и аэрируемости

(поведения порошка в аэродинамической струе).

Порошок засыпается в мерный цилиндр. Отношение занятого им объема к массе порошка является объемной или насыпной плотностью. Рис.3

Определение насыпной плотности говорит о количестве материала в одном кубометре сыпучего материала. Данную величину определяет, как количество пустот между отдельными элементами, так и размер имеющихся фракций. Нужно знать значение этого показателя для корректного произведения расчета при создании растворов и закупке материала. Единицы измерения - кг/м 3 .

Определение плотности

Известно, что в составе песка имеются зерна средней, крупной и мелкой фракции, влияющие на изменение объема насыпного материала с каждым разом. Условия, согласно которым изменяется показатель:

степень пористости;
структура отдельных песчинок;
количество и тип разнообразных примесей;
показатель процента влажности;
уровень увлажненности песка.

Больше всего на изменение объема влияет количество влаги. Чем выше этот показатель, тем меньше у строительного песка показатель плотности, что существенно отличает куб сухого материала от сырого по габаритам.

По размеру различают крупно-, средне - и мелкозернистый материал. Чем больше размер песчинки, тем выше насыпная плотность. Это происходит из-за наличия более существенных пустот. Для меньших песчинок в единице объема за счет большего уплотнения помещается их большее количество. Устранение примесей производится в результате промывания добытого песка, однако это существенно увеличивает его стоимость.

Величина пористости указывает на характер и количество пустот между отдельными крупицами. Чем больше это значение, тем ниже показатель уплотнения. У рыхлого песка эта величина равняется 47%, для утрамбованного - 37%. Влага позволяет уменьшить количество пустот, поскольку вода их заполняет. Количество пустот также уменьшается и в результате транспортировки, поскольку из-за вибрации, которая возникает при движении, материал проседает. Более уплотненный песок для целей строительства следует использовать при создании железобетонных и бетонных изделий с максимальной точностью. Они способны выдерживать самые большие нагрузки с равномерным их распределением.

От чего зависит степень уплотнения

Назначение материала сильно зависит от показателя его плотности, для каких типов зданий и видов конструкций допустимо его применение. Согласно данному показателю производится расчет расхода того количества, которое требуется для определенных целей. Ведь важно знать количество смеси, которая получится с использованием конкретного типа исходных материалов. Часто требуется преобразовать массу в кубометры и наоборот.

Одни строительные базы продают песок в тоннах, а другие - в кубах.

Чтобы перевести данные в другие единицы измерительной системы, следует воспользоваться школьной формулой для объема и плотности:

Р = m / V, где:

P - насыпная плотность или степень уплотнения;
m - расчетная масса сыпучего материала;
V - имеющийся объем.

Для примера рассчитаем плотность произвольного типа песка весом 3,2 т или 3200 кг, занимающий в объеме 2 м 3 . Количественное значение плотности согласно формуле находится как:

Р = 3200 / 2 = 1600 кг/м 3 .

Аналогично при наличии данных об объеме и известной степени плотности песка, можно найти его вес в сыром виде или в естественном состоянии влажности:

На показатель влияют следующие факторы:

Насыпанный обычным способом песок обладает значительно меньшей плотностью, чем уплотненный при укладке;
После слеживания материала определенного этапа песок различаться влажностью. Увеличение веса происходит в результате попадания в микропоры между песчинками воды;
На значение насыпной массы сыпучего материала влияет наличие органических добавок и грунтосодержащих примесей. Для большинства строительных растворов нужен согласно технологии приготовления мелкий наполнитель высокой степени очистки, что требует корректирования этого показателя с помощью просеивания или промывания;
В зависимости от породы происхождения, различают материал разной плотности, которая непосредственно влияет на вес;
Формы, а также фракции имеющихся зерен в большей степени определяют плотность песка. Чем более крупные фрагменты содержится в насыпи, тем большее потребуется расстояние между крупицами, заполненными воздушной прослойкой.

Расчет плотности

На стройплощадку доставляется разный тип песка. Использовать его можно как сразу после доставки, так и после определенной обработки. При хранении сыпучего материала без накрытия вне помещения постоянно меняется плотность песчинок.

На практике такие расчеты можно провести самостоятельно. Для этого берется емкость определенного объема. Например, это может быть ведро объемом 8 л. После засыпания материалов в ведро с помощью линейки выравнивается поверхность насыпной горки. Взвесив наполненное ведро, а также определив массу самой емкости, формула для расчета приобретает вид:

Р = (m 2 - m 1) / V , где:

m 1 — вес используемой для измерения плотности образца емкости;
m 2 — общая масса засыпанного песком ведра;
V — объем тары, в нашем случае 8л.

Сначала необходимо преобразовать объем в кубометры, 8 л - это 0,008 м 3 . В килограммах это 0,45 кг, а наполненное ведро с песком весит 12,65 кг. Результирующая плотность определяется как:

Р = (12,65 - 0,45) /0,008 = 1525 кг/м 3 .

С помощью коэффициента уплотнения, не взвешивая песок перед использованием, можно определять его фактическую массу, которая постоянно изменяется для разных типов зернистости материала.

Для получения искомого результата необходимо умножить на коэффициент среднюю плотность стройматериала. В таблице взяты коэффициенты самых популярных типов песка. Однако данное значение высокую точность не гарантирует, обладая погрешностью от 5%. Взвешивание, которое неудобно и порой вовсе не представляется возможным, является единственным наиболее достоверным способом определения показателя плотности. На месте стройплощадки специалистам доступны к использованию любые из имеющихся методов.

При покупке материала следует тщательно рассчитывать степень влажности приобретаемого песка.

Плотность в зависимости от разновидности песка

Чаще всего в строительстве применяется карьерный, речной или строительный материал. Естественным путем образовывается речной песок, поскольку порода подвергается дроблению естественным путем, что обеспечивает песчинкам округлую форму. В этом материале минимальное количество примесей, что перед применением не требует дополнительной обработки. В зависимости от размеров зерен выделяет несколько групп:

2,9 - 5 - крупные;
2 - 2,8 - средние;
до 2 - мелкие.

Среднее значение показателя насыпной плотности приблизительно 1650 кг/м 3 . Данный материал обладает главным преимуществом - экологичностью и безопасностью.

Стоимость такого типа песка очень высокая, поэтому согласно техническим нормам он легко может заменяться карьерным.

Этот вид материала содержит в составе различные породы - кварц, слюду, шпат. Название присваивается такое, какой именно элемент в нем преобладает. Главная область применения — это создание подсыпки, подушек для фундамента, прокладки автомобильных дорог.

Свойства песка

Различают также показатель истиной степени уплотнения. Данная величина определяется исключительно в лабораторных условиях. Для этого показателя пустоты и зазоры не учитывается.

Размер зерна влияет на количество вяжущего вещества для конкретного типа раствора. Чтобы конструкция получилась прочной, все пустоты должны закрываться цементом. Это повышает себестоимость бетонного или цементного состава. В карьерном песке нужно обратить внимание на степень радиоактивности. Для возведения жилых зданий необходимо пользоваться материалом этого типа только 1 класса качества.

Заключение

Показатель насыпной плотности - очень важный параметр песка, который влияет на качество и прочность будущих сооружений. Помимо этого его нужно знать для расчетов строительных смесей, требуемого количества материала. Именно поэтому данную величину игнорировать нельзя.

Насыпную плотность определяют взвешиванием массы высушенной пробы заполнителя в мерном сосуде.

10.1.1 Порядок проведения испытания

Определение средней насыпной плотности пористого гравия, щебня или песка производят в соответствии с работой № 2 .

Размер мерного сосуда и объем пробы для испытания в зависимости от крупности заполнителя принимают по таблице 28.

Насыпную плотность заполнителя вычисляют как среднее арифметическое значение результатов двух параллельных определений, при проведении которых каждый раз используют новую порцию заполнителя.

Таблица 32 - Размеры мерных сосудов и объем пробы

10.1.2 Обработка результатов

Насыпную плотность заполнителя (r н ) в кг/м 3 вычисляют с точностью до 10 кг/м 3 (песка марок по насыпной плотности 250 и менее – до 1 кг/м 3) по формуле:

где m 1 – масса мерного сосуда с заполнителем, кг;

m 2 – масса мерного сосуда, кг;

V – объем мерного сосуда, м 3 .

В зависимости от насыпной плотности гравий, щебень и песок подразделяют на марки, приведенные в таблице 33.

Таблица 33 - Марка по насыпной плотности неорганических пористых заполнителей

Предельные значения марок по насыпной плотности для различных видов пористых: гравия, щебня и песка – должны соответствовать требованиям ГОСТ 9757–90, приведенным в таблице34. При этом фактическая марка по насыпной плотности не должна превышать максимального значения, а минимальные значения приведены в качестве справочных.

Таблица 34 - Предельные значения марок по насыпной плотности

Примечание. По согласованию изготовителя с потребителем для приготовления конструкционных легких бетонов классов В20 и выше допускается изготовление керамзитового гравия и щебня марок 700 и 800.

Определение средней плотности зерен крупногозаполнителя

Среднюю плотность зерен крупного заполнителя определяют гидростатическим методом по разности массы контейнера с навеской до и после насыщения ее водой при взвешивании в воде и на воздухе.

10.2.1. Порядок проведения испытания

Из высушенной до постоянной массы пробы заполнителя объемом 3 л отсеивают частицы менее 5 мм на сите с отверстиями диаметром 5 мм. Затем сухой контейнер с крышкой предварительно взвешивают на воздухе и в воде на весах с приспособлением для гидростатического взвешивания. После чего в контейнер засыпают пробу заполнителя объемом 1 л, закрывают его крышкой и взвешивают. Затем контейнер с заполнителем постепенно погружают в сосуд с водой и встряхивают в воде для удаления пузырьков воздуха. Сосуд с заполнителем должен находиться в воде 1 ч, причем уровень воды должен быть выше крышки контейнера не менее чем на 20 мм. Контейнер с насыщенным водой заполнителем взвешивают на весах с приспособлением для гидростатического взвешивания. Далее контейнер с заполнителем вынимают из сосуда с водой, излишку воды в течение 10 мин дают стечь и взвешивают на воздухе.

Среднюю плотность зерен крупного заполнителя каждой фракции вычисляют как среднее арифметическое значение результатов двух параллельных определений, каждое из которых производят на новой порции заполнителя.

10.2.2 Обработка результатов

Среднюю плотность зерен крупного заполнителя (r к ) в г/см 3 вычисляют по формуле

(58)

где m 1 – масса пробы сухого заполнителя, найденная по разности массы контейнера с высушенной пробой и массы контейнера при взвешивании на воздухе, г;

m 2 – масса пробы заполнителя, насыщенного водой, найденная по разности массы контейнера с насыщенной пробой заполнителя и без него при взвешивании на воздухе, г;

т 3 – масса заполнителя в воде, найденная по разности массы контейнера с насыщенной пробой заполнителя и без него при взвешивании в воде, г;r в – плотность воды, равная 1 г/см 3 .

Насыпная плотность - масса единицы объема рыхло насыпанных зернистых или волокнистых материалов (цемента, песка, гравия, щебня, гранулированной минеральной ваты и т.п.).

Определение насыпной плотности рыхло насыпанных зернистых или волокнистых материалов производится путем взвешивания определенного объема материала (методом мерных цилиндров или сосудов).

Насыпная плотность (г/см 3 , кг/м 3) вычисляется по формуле

, (9)

где - масса мерного цилиндра с материалом; - масса мерного цилиндра; - объем цилиндра.

Порядок выполнения работы при песчаном грунте рыхлого сложения . Песок высушивают в сушильном шкафу при температуре (110±5)°С до постоянной массы и просеивают через сито с отверстиями размерами 5 мм. Высушенный с высоты не более 5 см песок насыпают в предварительно взвешенный мерный цилиндр по наклонному лотку (рис. 5), по желобу, согнутому из листа бумаги или совком до образования над верхом цилиндра конуса. Конус песка (избыток материала) снимают вровень с краями цилиндра металлической линейкой. Цилиндр с материалом взвешивают.

Порядок выполнения работы при песчаном грунте плотного сложения . Опыты производятся аналогично предыдущему. Подготовленный песок насыпают небольшими порциями в мерный цилиндр и уплотняют с помощью резинового молоточка путем постукивания о стенки или дно цилиндра. По мере усадки материала в цилиндре его досыпают до тех пор, пока цилиндр полностью не наполнится.

Результаты опытов заносят в таблицу 6.

Таблица 6

Результаты определения насыпной плотности

Определение насыпной плотности указанными способами производят три-пять раз, при этом каждый раз берут новую порцию материала. Насыпную плотность материала вычисляют как среднее арифметическое результатов всех определений.

Определение пористости

Пористость (общая) - степень заполнения материала порами:

где - объем пор в материале; - объем материала в естественном состоянии.

Открытая пористость определяется как отношение суммарного объема пор, насыщающихся водой, к объему материала , т.е.

. (11)

Закрытая пористость :

. (12)

Для определения общей пористости существует экспериментальный и экспериментально-расчетный способ. Экспериментальный (прямой) способ основан на замещении порового пространства в материале сжиженным гелием и требует сложной аппаратуры для испытаний.

Экспериментально-расчетный метод определения пористости использует найденные опытным путем значения истинной плотности материала и его средней плотности в сухом состоянии.

Пористость (%) вычисляют по формуле

. (13)

Открытую пористость (%) определяют по формуле

где - объемное водопоглощение материала, % (см. п. 1.6).

Результаты вычислений пористости материала заносят в табл. 7.

Таблица 7

Результаты вычислений пористости материала

Определение влажности

Влажность материала характеризуется тем количеством воды, которое содержится в порах и адсорбировано на поверхности образца.

Влажность образца (%)вычисляется по формуле

, (15)

где - масса влажного образца, г; - масса сухого образца, г.

Влажность бетона определяют по образцам или пробам, полученным дроблением образцов после их испытания на прочность. Размер кусков после дробления должен быть не больше 5 мм. Путем квартования отбирают пробу 100 г, которую сушат при температуре (105±5)°С до постоянной массы. Чтобы установить в процессе высушивания достижение пробой постоянной массы, производят взвешивания не менее чем через 4 часа. Массу считают постоянной, если разница между повторными взвешиваниями оказалась не более 0,1 %.

Результаты опытов заносят в табл. 8.

Для сыпучих материалов (цемент, песок, щебень, гравий и др.) определяют насыпную плотность. В объеме таких материалов имеются не только поры в самом материале, но и пустоты между зернами или кусками материала. Это определение выполняют с помощью прибора (рис 1.5), который представляет собой стандартную воронку в виде усеченного конуса. Внизу конус переходит в трубку диаметром 20 мм с задвижкой. Под трубкой устанавливают заранее взвешенный мерный цилиндр объемом 1 литр (1000 см 3). Расстояние между верхним обрезом цилиндра и задвижкой должно быть не более 50 мм.

В воронку насыпают сухой исследуемый материал , затем открывают задвижку и заполняют цилиндр с избытком, закрывают задвижку и металлической или деревянной линейкой срезают от середины в обе стороны излишек материала вровень с краями цилиндра. При этом линейку держат наклонно, плотно прижимая к краям цилиндра. Необходимо, чтобы цилиндр был неподвижным, так как при толчках сыпучий материал может уплотниться, что увеличит его среднюю плотность. Затем цилиндр взвешивают с точностью до 1 г. Испытание повторяют пять раз и среднюю плотность материала в рыхлонасыпанном состоянии r н , кг/м 3 , вычисляют как среднее арифметическое пяти определений по формуле:

ρ н = (m 1 - m 2)/V, (1.9)

где: m 1 - масса цилиндра с материалом, кг; m 2 - масса цилиндра без материала, кг; V - объем цилиндра, м 3 .

Рис. 1.5. Стандартная воронка

1 - корпус; 2 - трубка; 3 - задвижка; 4 - мерный цилиндр

При транспортировании и хранении сыпучие материалы уплотняются, при этом значение их насыпной плотности оказывается на 15-30% выше, чем в рыхлонасыпном состоянии. Определяют насыпную плотность материала в уплотненном состоянии по приведенной выше методике, однако после заполнения цилиндра его уплотняют путем вибрации в течение 30-60 с на виброплощадке или путем легкого постукивания цилиндра с материалом о стол 30 раз. В процессе уплотнения материал досыпают, поддерживая некоторый избыток его в цилиндре. Затем избыток срезают и определяют массу материала в цилиндре, после чего вычисляют насыпную плотность в уплотненном состоянии.

Для влажного материала насыпная плотность вычисляется по формуле

ρ w н = ρ н (W + 1), (1.10)

где: W - влажность материала, отн.ед.

Вопрос: Всегда ли верна эта формула?

Да, если увлажнение не приводит к изменению объема материала (это учитывается при выводе формулы (1.10)). Но для тонкодисперсного материала (к нему не относится песок, т.к. его мелкая фракция должна быть не менее 0,14 мм) при увлажнении вначале это условие будет выполняться, а затем объем будет увеличиваться вследствие раздвижки зерен адсорбированной водой. При этом будет происходить уменьшение ρ w н с ростом W (т.к. плотность воды меньше песка).

Вывод формулы (1.10).

1. Влажность материала: W = (m вл. – m)/m , где: m вл. – масса влажного материала, г; m – масса сухого материала, г.

Отсюда находим m вл. = m (1 + W) .

По определению ρ w н = m вл. /V , где V – объем влажного сыпучего материала (здесь негласно принимается, что объемы сухого и влажного сыпучего материала равны!).

После подстановки имеем: ρ w н = m вл. /V = m(1 + W)/V = ρ н (1 + W).