Zeitverfestigung von Schüttgütern: Messung und Kennwerte
Schüttgüter können bei Lagerung in Ruhe – unter Last, ohne geschert zu werden – zeitverfestigen. Ursachen sind physikalische und chemische Vorgänge, z. B. Kristallisations- und Sintervorgänge oder chemische Feststoffreaktionen.
Aus dem Zeitfließort erhalten Sie Kohäsion, Druckfestigkeit und Fließfähigkeit nach definierter Lagerzeit – die Grundlage für Auslauf und Schacht nach Stillstand und für die Wahl zulässiger Lagerzeiten.
Kennwerte aus der Zeitverfestigung
Jeder Zeitfließort liefert die Kennwerte des Fließortes nach der gewählten Lagerzeit.
| Kennwert | Formelzeichen | Verwendung |
|---|---|---|
| Zeitverfestigungsfaktor | – | Übertragung der Zeitverfestigung auf alle Fließorte |
| Zunahme der Kohäsion | Δτc | Zeitfließort aus dem direkten Fließort |
| Kohäsion nach Lagerzeit | τc + Δτc | Fließverhalten nach Stillstand |
| Druckfestigkeit nach Lagerzeit | σc,t | Brückenbildung nach Stillstand |
| Zeitfließfunktion | σc,t(σ1) | Brücken- und Schachtbildung nach Lagerzeit |
| Fließfähigkeit nach Lagerzeit | ffc,t = σ1 / σc,t | Vergleich von Schüttgütern und Lagerzeiten |
| Zeitverfestigungsfunktion | τ(t) | Wahl zulässiger Lager- und Stillstandszeiten |
Durchführung der Zeitverfestigungsmessung
Gemessen wird auf denselben standardisierten Schergeräten nach ASTM D6682-A wie der Fließort – ergänzt um Zeitversuche, bei denen die Probe eine definierte Zeit unter Last ruht.
- Direkter Fließort Zunächst wird der Fließort ohne Lagerzeit gemessen.
- Lagerzeit Die konsolidierte Probe ruht unter Last eine definierte Zeit – von wenigen Stunden bis zu mehreren Tagen, im Schergerät oder außerhalb.
- Abscheren Danach wird die größte Schubspannung gemessen und mit dem Versuch ohne Lagerzeit verglichen – daraus folgt der Zeitverfestigungsfaktor.
- Zeitfließort Über den Zeitverfestigungsfaktor wird der Anstieg auf alle Scherversuche übertragen – es entstehen die Zeitfließorte.
Messreihe über die Lagerzeit
Mit mehreren Lagerzeiten entsteht die Zeitverfestigungsfunktion: Sie zeigt, wie schnell die Kohäsion zunimmt und ob sie einen Endwert erreicht. Die Messreihe kann von wenigen Stunden bis zu mehreren Tagen reichen; wir legen sie anhand der Lager- und Stillstandszeiten Ihrer Anlage fest. Sofern nicht anders gewünscht, messen wir die Zeitverfestigung bei der größten Konsolidierungsspannung.
Belastung während der Lagerzeit
Bleibt die Scherzelle im Schergerät – bei Lagerzeiten bis 24 Stunden –, bleibt die Probe unter Normalkraft und Scherkraft beansprucht. Bei längeren Lagerzeiten, meist über 24 Stunden, wird die Probe außerhalb des Schergeräts unter einer Normalkraft entsprechend der größten Hauptspannung σ1 aus dem direkten Scherversuch gelagert.
Zeitverfestigungsfaktor
Zeitverfestigung erhöht vor allem die Haftkräfte zwischen den Partikeln und damit die Kohäsion; die Partikelreibung und mit ihr der Winkel der inneren Reibung bleiben weitgehend unverändert. Aus dem Zeitversuch ergibt sich der Zeitverfestigungsfaktor f – das Verhältnis der Schubspannung nach der Lagerzeit zur Schubspannung ohne Lagerzeit. Mit ihm wird der Anstieg anteilmäßig auf die Scherversuche aller Konsolidierungsspannungen übertragen: Jeder Fließort verschiebt sich um sein Δτc, und es entstehen Zeitfließorte und Zeitfließfunktion – ohne eigenen Zeitversuch für jeden Scherpunkt.
Dabei wird angenommen, dass die relative Zunahme der Schubspannung für alle Konsolidierungsspannungen gleich ist: Jeder Fließort verschiebt sich um Δτc = (f − 1) · τ, mit τ der Schubspannung im Anscherpunkt des jeweiligen Fließortes. Auf Wunsch messen wir Zeitversuche bei weiteren Konsolidierungsspannungen.
Die Zunahme über die Lagerzeit wird logarithmisch genähert; daraus lässt sich der Faktor auch für Lagerzeiten zwischen den Messungen ablesen.
Prüfbericht und Kundenportal
Im Prüfbericht stehen direkter Fließort und Zeitfließorte mit allen Kennwerten. Im Kundenportal lassen sich verschiedene Lagerzeiten und Messungen gegenüberstellen und vergleichen.
Einflussgrößen und Folgen der Zeitverfestigung
Einflussgrößen
Wie stark ein Schüttgut zeitverfestigt, hängt vom Material, von der Normalspannung während der Lagerung und von der Lagerdauer ab. Meist erreicht die Zunahme nach einer materialspezifischen Zeitspanne einen Endwert; danach nimmt die Kohäsion kaum noch zu.
Wandreibung nach Lagerzeit
Auch an der Wand kann die Reibung nach einer Ruhezeit zunehmen – bis hin zu Anbackungen. Wir messen die Zeitverfestigung an der Wand als Haftreibung nach definierter Ruhezeit und übertragen sie analog über einen Zeitverfestigungsfaktor auf die Wandfließorte; sie ist für das Anfahren nach Stillstand und das Fließprofil nach Lagerung maßgebend (Wandreibung).
Folgen im Silo
Mit der Kohäsion steigt die Druckfestigkeit des ruhenden Schüttguts. Ein Auslauf, der im laufenden Betrieb ausreicht, kann nach einem Stillstand zu klein sein: Brücken und Schächte bilden sich leichter, und das Silo läuft nach dem Stillstand nicht mehr selbsttätig an.
Zeitverfestigung und DIN EN 1991-4
Die Lastermittlung nach DIN EN 1991-4 bezieht die Zeitverfestigung nicht ein. Für die technologische Auslegung – Auslaufdurchmesser, Schachtdurchmesser und zulässige Lagerzeiten – ist sie dagegen oft ausschlaggebend. Mit den über den Zeitverfestigungsfaktor gewonnenen Zeitfließorten lässt sich die Siloberechnung auch unter Zeitverfestigung durchführen.
Häufige Fragen zur Zeitverfestigung
- Welche Lagerzeiten werden gemessen?
- Die Messreihe kann von wenigen Stunden bis zu mehreren Tagen reichen; wir legen sie anhand der Lager- und Stillstandszeiten Ihrer Anlage fest. Sofern nicht anders gewünscht, wird die Zeitverfestigung bei der größten Konsolidierungsspannung gemessen.
- Muss für jede Konsolidierungsspannung ein eigener Zeitversuch gemessen werden?
- Nein. Aus dem Zeitversuch ergibt sich der Zeitverfestigungsfaktor – das Verhältnis der Schubspannung nach der Lagerzeit zur Schubspannung ohne Lagerzeit. Mit ihm wird der Anstieg durch Zeitverfestigung anteilmäßig auf die Scherversuche aller Konsolidierungsspannungen übertragen. So entstehen Zeitfließorte und Zeitfließfunktion, und die Siloberechnung lässt sich auch unter Zeitverfestigung durchführen – ohne einzelne Zeitversuche je Scherpunkt.
- Berücksichtigt DIN EN 1991-4 die Zeitverfestigung?
- Nein, die Lastermittlung nach DIN EN 1991-4 bezieht die Zeitverfestigung nicht ein. Für die technologische Auslegung – Brücken- und Schachtbildung nach Stillstand, Anfahren aus der Ruhe, Wandreibung nach Lagerung – ist sie dagegen oft ausschlaggebend.
- Wie lange dauert die Messung?
- In der Regel liegen die Ergebnisse ca. zwei Wochen nach Probeneingang vor – je nach Laborauslastung und Anzahl der Proben. Versuche zur Zeitverfestigung können die Regellaufzeit entsprechend erhöhen.
Zeitverfestigung messen lassen
Nennen Sie uns die Lager- und Stillstandszeiten Ihrer Anlage – wir legen die Messreihe fest und erstellen Ihnen ein unverbindliches Angebot.
- Zeitfließorte und Zeitfließfunktion σc,t(σ1) über den Zeitverfestigungsfaktor
- Zeitverfestigung an der Wand
- Ergebnisse online im Kundenportal und als Prüfbericht