Experimental investigations of the mechanical properties of wet granular matter

Abstract

Beispiele für Granulate sind überall zu finden: In Nahrungsmitteln, pharmazeutischen Produkten, Stückgut in der Industrie oder Sand am Meeresstrand. Trockener Sand wird durch Zugabe von benetzenden Flüssigkeiten, bespielsweise Wasser, zu einem Material, mit dem Sandburgen gebaut werden können. Die Steifigkeit des Granulats ändert sich kaum, wenn der Flüssigkeitsanteil variiert wird. Um diese Eigenschaften zu untersuchen verwendenten wir submilimeter Glaskugeln, die wir gleichmäßig mit Flüssigkeit vermischten. Der untersuchte Flüssigkeitsbereich reichte vom trockenen zum vollständig gesättigten Granulat. Die Auswirkungen des Flüssigkeitsanteils auf die mechanischen Eigenschaften des Granulats wurden mit drei unterschiedlichen Messmethoden untersucht. Wir verwendeten die Fluidisierungsschwelle eines vertikal geschüttelten Granulats, die Schersteifigkeit des Granulats gemessen in einer Scherzelle und die Zerreißkraft des Granulats gemessen mit einer Zentrifuge. Um die mechanischen Eigenschaften eines feuchten Granulats zu verstehen, untersuchten wir die Flüssigkeitsverteilung mit optischer Mikroskopie und 3D Röntgenmikrotomographie und verglichen die Strukturen mit Ergebnissen aus numerischen Untersuchungen. Basierend auf diesen Ergebnissen entwickelten wir ein vollständiges Model, welches die auftretende Flüssigkeitsverteilung und die damit verbundenen mechanischen Eigenschaften feuchter Granulate erklärt. Insbesondere wurden numerisch bestimmte Hystereseschleifen, die bei der Umwandlungen zwischen einzelnen Flüssigkeitsstrukturen auftreten, mit experimentellen Beobachtungen verglichen. Zusätzlich wurde der Einfluss der Benetzbarkeit des Granulats durch die beigemischte Flüssigkeit sowie der Packungsdichte experimentell untersucht. Die mechanischen Eigenschaften der feuchten Granulate sind ein Ergebnis der sich ausbildenden Flüssigkeitsstrukturen. Diese sind stark von der Benetzbarkeit der Körner mit der Flüssigkeit, jedoch nur gering von der Form der Körner abhängig. Diesen Einfluss konnten wir an Granulaten aus benetzbaren Sandkörnern und nicht benetzbaren Basaltkugeln zeigen.