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Experimental investigations of the mechanical properties of wet granular matter

dc.contributor.advisorHerminghaus, Stephan Prof. Dr.de
dc.contributor.authorScheel, Mariode
dc.date.accessioned2010-05-05T15:31:20Zde
dc.date.accessioned2013-01-18T13:32:13Zde
dc.date.available2013-01-30T23:51:03Zde
dc.date.issued2010-05-05de
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B4BC-4de
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-2677
dc.description.abstractBeispiele 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.de
dc.format.mimetypeapplication/pdfde
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de
dc.titleExperimental investigations of the mechanical properties of wet granular matterde
dc.typedoctoralThesisde
dc.title.translatedExperimente zur Untersuchung mechanischer Eigenschaften feuchter Granulatede
dc.contributor.refereeMüller, Marcus Prof. Dr.de
dc.date.examination2009-07-07de
dc.subject.dnb530 Physikde
dc.description.abstractengGranular media are omnipresent in every day life. Examples are the cereals we eat, pharmaceutical products, piece goods in industry, or sand on the beach. A dry granular material, like sand, turns into a sti ff and moldable material when it is mixed with a wetting liquid. Typically, the stiffness of a wet granulate is extremely robust against variations in the liquid content. To study this behavior we used submillimetric glass beads mixed with a wetting liquid and varied the liquid content between the dry and the completely submerged case. The mechanical properties of wet granular materials were measured by three different techniques: the critical fluidization acceleration for vertical shaking, the shear stiffness measured in a shear cell, and the tensile strength using a centrifuge. To understand the mechanical properties in terms of the liquid distribution within the granular pile, we investigated the emerging liquid morphologies by optical microscopy and 3D X-ray micro tomography and compared them to corresponding numerical results. Based on these results we have developed a complete picture explaining the liquid morphologies and the resulting mechanical properties of wet granulates. In addition, numerical results regarding the hysteretic transitions between certain liquid morphologies have been confirmed experimentally for different wettabilities and packing densities of the granulate. The mechanical properties are a result of the particular wetting morphology and are largely insensitive to the grain shape. This was confirmed with granulates consisting of nonspherical, wettable sand grains and spherical, nonwettable basalt beads.de
dc.subject.topicMathematics and Computer Sciencede
dc.subject.gerfeuchte Granulatede
dc.subject.gerSandde
dc.subject.engwet granular matterde
dc.subject.engsandde
dc.subject.bk33.00de
dc.subject.bk33.05de
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-webdoc-2444-0de
dc.identifier.purlwebdoc-2444de
dc.affiliation.instituteFakultät für Physikde
dc.subject.gokfullRFK 000: Rheologie {Physik: Mechanik}de
dc.subject.gokfullRDE 000: Experimentalphysikde
dc.identifier.ppn629825394de


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