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Effektive Methoden zur Messung der Korngre und Kornform

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Effektive Methoden zur Messung der Korngre und Kornform Powered By Docstoc
					Effektive Methoden zur Messung der Korngröße
und Kornform

Méthodes effectives de mesure de la granulométrie et                      Effective methods for
de la forme des grains
Métodos eficaces para la medición del tamaño y de la
                                                                          measurement of particle
forma del grano                                                           size and shape
Dr.-Ing. Ursula Stark, Prof. Dr.-Ing. habil. Anette Müller, Weimar *)

Zusammenfassung Die Zusammenhänge zwischen Korngrößen-                    Abstract The relationships between the results of measurements of
und Kornformmessergebnissen sowie den eingesetzten Messme-                particle size and particle shape and the measuring methods used are
thoden werden anhand grundlegender Definitionen erläutert. Die            explained using fundamental definitions. The extremely good po-
sehr guten Möglichkeiten der fotooptischen Analysemethoden, die           tentials possessed by photooptical analytical methods for determi-
Korngrößen- und Kornformverteilungen quantitativ mit einem ge-            nation of particle-size and particle-geometry distributions on a quan-
ringen Zeitaufwand zu ermitteln, werden an drei Beispielen für            titative basis and with only low time input are illustrated using three
Schüttgüter unterschiedlicher Dispersität deutlich gemacht. Es wird       examples of bulk materials of differing levels of dispersion. It is
gezeigt, dass mit Hilfe dieser Analysenmethode Unterschiede in            demonstrated that differences in the particle size and shape of com-
Korngröße und Kornform von Zerkleinerungsprodukten aus z.B.               minution products from jaw-type and impact crushers can be char-
einem Backen- oder Prallbrecher sehr gut charakterisiert werden           acterized extremely well using this analytical method. Changes in sur-
können. Veränderungen der Oberflächenbeschaffenheit, wie sie bei          face character, such as occur in the rounding off of comminuted ma-
der Rundung von zerkleinertem Mauerwerk zu Zierkies auftreten,            sonry to decorative gravel, can also be registered extremely well on
können anhand der Kornformparameter Sphärizität und L/B-Ver-              the basis of the particle-shape parameters of sphericity and L/W ra-
hältnis ebenfalls sehr gut erfasst werden. Am Beispiel von Zement         tio. The example of cement also made it possible to illustrate that
konnte aber auch deutlich gemacht werden, dass eine eindeutige In-        unequivocal interpretation of the newly obtained particle-mor-
terpretation der neu gewonnenen Kornformparameter noch nicht              phology parameters is still not always possible. A considerable need
immer möglich ist. Sowohl im Hinblick auf die Interpretation als          for research thus still remains, both in terms of interpretation and
auch auf die Auswirkungen der Kornform auf die Produkteigen-              of the effects of particle shape on product properties.
schaften besteht also noch erheblicher Forschungsbedarf.
                                                                          Resumen En este artículo se describe la relación entre los resulta-
Résumé Les corrélations entre les résultats de mesure de la granu-        dos de medición del tamaño y de la forma del grano así como los
lométrie et de la forme des grains ainsi que les méthodes de mesure       métodos de medición empleados, con base en las definiciones fun-
appliquées sont expliquées à l’aide de définitions fondamentales. Les     damentales. Se muestran las excelentes posibilidades de aplicar mé-
excellentes possibilités offertes par les méthodes d’analyse photo-       todos de análisis fotoópticos para calcular las distribuciones de los
optiques pour la détermination quantitative rapide des répartitions       tamaños y de la forma del grano de forma cuantitativa sin necesi-
granulométriques et de forme des grains sont présentées à l’aide de       dad de emplear mucho tiempo, presentando tres ejemplos de pro-
trois exemples de produits en vrac de différentes dispersions. Il est     ductos a granel con un diferente grado de dispersidad. Se muestra
montré qu’à l’aide de cette méthode d’analyse, il est parfaitement pos-   que, con la ayuda de este método de análisis, es posible caracteri-
sible de caractériser des différences de granulométrie et de forme de     zar de forma óptima las diferencias de tamaño y de la forma del gra-
grains pour des produits en provenance, par exemple, d’un concas-         no de los productos de trituración provenientes p.ej. de quebranta-
seur à mâchoires ou à percussion. Des modifications de structure          doras de mandíbulas o de trituradoras de impacto. Gracias a los pa-
de surface telles qu’elles se présentent pour la rondeur de matériaux     rámetros de conformidad de la esfericidad y de la relación L/B, es
de maçonnerie concassés en gravier ornemental peuvent également           posible captar de forma excelente los cambios en la estructura de la
très bien être saisies à l’aide des paramètres de grains sphéricité et    superficie, tal y como surjen en el redondeo de mampostería para
rapport longueur/largeur. L’exemple du ciment a toutefois aussi per-      obtener grava de decoración. Tomando como base el cemento, tam-
mis d’établir qu’une interprétation concluante des paramètres de          bién ha quedado patente que sigue imposible interpretar clarmente
forme des grains nouvellement acquis n’est pas toujours possible.         los nuevos parámetros de conformidad averiguados. Sigue exis-
Tant du point de vue interprétation que du point de vue incidence         tiendo la necesidad de llevar a cabo estudios adicionales tanto en lo
de la forme des grains sur les propriétés du produits, il existe donc     que se refiere a la interpretación como a los efectos que ejerce el ta-
encore un important besoin de recherche.                                  maño de grano sobre las características del producto.

1. Einleitung                                                             1. Introduction
Im Zeitalter der sich rasant entwickelnden Messtechnik zur                In an age of rapidly developing measuring technology for the
Bestimmung von Korngröße und Kornform rückt die granulome-                determination of particle size and particle morphology, granulo-
trische Charakterisierung von Schüttgütern besonders durch die            metric characterization of bulk goods is again coming to the fore-


*) Bauhaus-Universität Weimar, Fakultät Bauingenieurwesen, Professur      *) Bauhaus-University of Weimar, Faculty of Civil Engineering, Chair
   Aufbereitung von Baustoffen und Wiederverwertung (www.uni-wei-            and Department of Preparation and Processing of Building Materials
   mar.de/Bauing/aufber)                                                     and Recycling (www.uni-weimar.de/Bauing/aufber)



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möglich gewordene Charakterisierung der Kornform mit diskre-         ground of research activities thanks, in particular, to the charac-
ten Zahlenwerten wieder in den Vordergrund der Forschung. Es         terization of particle morphology with discrete numerical values
erschließen sich neue Möglichkeiten zur Formulierung von Eigen-      which it makes possible. New potentials for the formulation of
schaftsfunktionen, d. h. zur Formulierung der Zusammenhänge          property functions, i.e., the formulation of the relationships
zwischen den Einflussgrößen Korngröße und Kornform einerseits        between the influencing factors of particle size and particle
und den Eigenschaften der Schüttgüter bzw. der Produkte ande-        morphology, on the one hand, and the properties of the bulk
rerseits.                                                            materials and products studied, on the other hand, are opening
   Aus der Anwendung von Schüttgütern ist bekannt, dass bei-         up.
spielsweise eine Verwendung als Zuschlag für Beton, als Trag-           It is known from the use of bulk materials that utilization as an
schichtmaterial im Straßenbau oder als Füller bestimmte Korn-        additive for concrete, as a sub-base material in highway engineer-
größenzusammensetzungen und auch bestimmte Kornformen                ing and use as a “filler” or extender, for example, all necessitate
erfordern. Weiterhin ist bekannt, dass eine unterschiedliche Auf-    both specific particle-size compositions and specific particle mor-
bereitung, besonders die Zerkleinerungsart, unterschiedliche         phologies. It is also known that differing preparation methods and,
Korngrößenverteilungen und Kornformen der Produkte zur Folge         in particular, the method of comminution, result in differing
hat. Aber auch die Materialart, d. h. die Gesteinsart oder die Art   particle-size distributions and morphologies in the product. The
des Abbruchmaterials beim Recycling, beeinflussen die entste-        nature of the material, i.e., the type of rock or type of demolition
henden Korngrößen- und Kornformverteilungen. Um den Zu-              rubble in recycling also influence the resultant particle-size and
sammenhang zwischen den Erfordernissen aus der Anwendung             particle-morphology distributions. It is important, in order to har-
und den Möglichkeiten aus der Herstellung aufeinander abzu-          monize the relationship between the necessities arising from the
stimmen, ist es wichtig, die Korngrößen und ihre Verteilungen        application and the potentials offered by the production route, to
sowie die Kornformen zu messen und mit diskreten Zahlenwerten        measure particle sizes and their distributions, and also particle mor-
zu charakterisieren.                                                 phologies, and to characterize these using discrete numerical
   Es wird deshalb zunächst auf die grundlegenden Definitionen       values.
von Korngröße und Kornform und die neuen Messmethoden ein-              The fundamental definitions of particle size and particle mor-
gegangen. Anhand eigener Versuchsergebnisse werden anschlie-         phology, and modern measuring methods, are therefore firstly
ßend die Möglichkeiten der neuen Korngrößen- und Kornform-           examined. Our own test and experimental results are then used to
messmethoden erläutert.                                              explain the new methods for measurement of particle size and par-
                                                                     ticle morphology.
2. Korngröße und Kornform – Definitionen
2.1 Korngröße                                                        2. Particle size and particle morphology: Definitions
Unter einer Korngröße versteht man eine geometrische Abmes-          2.1 Particle size
sung eines beliebig geformten Teilchens, die                         The term “particle size” signifies for us a geometrical dimension
• für kolloiddisperse Teilchen im Größenbereich von 1 nm bis         of a particle of any geometry which extend
  etwa 1 µm,                                                         • in the case of colloidally dispersed particles in a size range from
• für feindisperse Teilchen zwischen 1 µm und etwa 100 µm liegen        1 nm to around 1 µm,
  und                                                                • in the case of finely dispersed particles between 1 µm and
• für grobdisperse Teilchen bzw. grobkörnige Schüttgüter von            around 100 µm and
  100 µm bis in den cm-Bereich reichen.                              • in the case of coarsely dispersed particles and coarse-particled
Um welche Teilchenabmessung es sich dabei handelt, hängt von            bulk materials from 100 µm into the cm range.
der Messmethode ab, d. h. davon, welches physikalische Teilchen-     The particle dimension involved depends on the measuring
oder Partikelmerkmal zur Korngrößenmessung genutzt wird.             method, i.e., on which physical feature of a particle is used for
   Der Zusammenhang zwischen dem Partikelmerkmal, bei-               measurement of its size.
spielsweise dem Größenvergleich mit der Maschenweite eines Sie-         The relationship between the particle feature, e.g., comparative
bes oder der Lichtstreuung am Teilchen, und der Partikelgröße        assessment of size against the mesh gauge of a screen, or the par-
selbst bezieht sich in der Regel auf kugelförmige Teilchen. Das      ticle’s light-scattering properties, and the particle size itself, gen-
bedeutet, der vom realen Teilchen gewonnene Messeffekt wird          erally relates to “spherical” particles. This means that the meas-
immer mit dem einer Kugel verglichen, die den gleichen Mess-         uring effect obtained from the real particle is always compared
effekt erzeugt hätte. Die Korngröße des Teilchens wird dann als      against a sphere which would have generated the same measuring
äquivalenter Durchmesser entsprechend dieser Vergleichskugel         effect. The particle’s size is then defined as an equivalent diame-
festgelegt. Diese Festlegung erklärt den Sachverhalt, dass unter-    ter corresponding to this reference sphere. This definition explains
schiedliche Messmethoden für unregelmäßig geformte Teilchen          the fact that differing measuring methods supply differing results
unterschiedliche Messergebnisse liefern. Je weiter die Kornform      for particles of irregular geometry. The more the particle mor-
von der Kugel bzw. einer kubischen Form abweicht, desto größer       phology diverges from a sphere or a cuboid, the larger these dif-
können diese Unterschiede sein. Nur bei kugelförmigen Teilchen       ferences may be. Only in the case of spherical particles of Diam-
mit dem Durchmesser d sollte das Messergebnis unabhängig von         eter d should the measured value exist independently of the meas-
der eingesetzten Messmethode sein.                                   uring method used.

2.2 Kornform                                                         2.2 Particle morphology
Für die Beurteilung der Kornform gibt es nach Stieß [1] eine Viel-   Stiess [1] names a large number of concepts for definition of indices
zahl von Ansätzen, um Maßzahlen für die Kornform festzulegen.        to permit assessment of particle morphology. The majority of exist-
Die meisten existierenden Definitionen lassen sich dabei auf ein     ing definitions can be traced back to a ratio of two particle dimen-
Verhältnis zweier Teilchenabmessungen, die unabhängig von-           sions which are determined independently of one another on a par-
einander an einem Teilchen ermittelt werden, zurückführen.           ticle.
   Für feindisperse Schüttgüter sind Formfaktoren wie die Sphä-         Morphological factors such as Wadell’s sphericity and the
rizität nach Wadell und der Heywoodfaktor eingeführt. Die Sphäri-    Heywood factor have been introduced for finely dispersed bulk
zität stellt dabei das Verhältnis der Oberfläche einer volumen-      materials. Wadell’s sphericity is the ratio of the surface area of a
gleichen Kugel zur tatsächlichen Oberfläche (≤ 1) dar. Der           sphere of identical volume to the actual surface area (≤ 1). The
Heywoodfaktor ist das Verhältnis aus der gemessenen spezifischen     Heywood factor is the ratio of measured specific surface area
Oberfläche und der spezifischen Oberfläche einer Kugel mit einem     and the specific surface area of a sphere with an equivalent



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    Äquivalentdurchmesser. Ist dieser Äquivalentdurchmesser gleich
    dem der volumengleichen Kugel, dann ergibt sich für den
    Heywoodfaktor der Kehrwert der Sphärizität. DIN 66141 definiert
    unter diesem Gesichtspunkt den Kornformfaktor als reziproken
    Wert der Sphärizität nach Wadell, der für die Kugel 1 und für alle
    unregelmäßig geformten Teilchen > 1 ist. Diese Kornformkenn-
    zahlen ergeben für ein bestimmtes Schüttgut grundsätzlich eine
    integrale Größe.
       Im grobdispersen Größenbereich wird die Kornformbeurteilung
    bisher nur auf die Grunddefinition – Verhältnis von Länge zu Brei-
    te der Teilchen – und die dazu gehörigen Mengenanteile zurück-
    geführt. Diese Beurteilung setzt voraus, dass die einzelnen Teilchen
    so groß sind, dass man sie einzeln vermessen kann, sie also als räum-
    liche Körper beurteilt. Bei der Vermessung der realen Teilchen
    wird das Verhältnis von größter zu kleinster Abmessung bestimmt.
    Zur Charakterisierung der Kornform hat sich für die Verwendung
    von Schüttgütern im Bauwesen ein L/B-Verhältnis von 3 als
    sinnvoller Grenzwert eingeführt. Die Mengenanteile der Körner
    L/B > 3 werden als Anzahl oder Masse bestimmt. Als Kornform-
    kennzahl wird das Verhältnis der Masse der nicht kubischen Kör-
    ner L/B > 3 zur Gesamtmasse aller Körner definiert. Diese Korn-
    formkennzahl (SI nach DIN EN 933-4) stellt somit nur einen
    Grenzwert für die entsprechende Anwendung dar. Analoge Aus-
    sagen erhält man über die Definition der Plattigkeitskennzahl
    (FI nach DIN EN 933-3), die mit Stabsieben ermittelt wird und
    ebenfalls das Verhältnis Länge/Breite des Teilchens widerspiegelt.
       Mit keiner der beiden Methoden erhält man eine numerische
    Beurteilung der Kornform der gesamten Gesteinskörnung. Glei-
    ches gilt für die Charakterisierung der Oberflächenbeschaffenheit,
    d. h. ob das Korn beispielsweise sehr kantig, kantig, kantengerun-
    det, fast gerundet, gerundet oder gut gerundet ist. Hier dominiert
    immer noch die augenscheinliche Beurteilung.
       Mit der fotografischen Erstellung von Schattenprojektionen der
    Teilchen durch hochauflösende und schnelle digitale Fotografie,
    die in den letzten Jahren in der Korngrößen- und Kornformmess-
    technik ein breites Anwendungsgebiet gefunden hat, und deren
    elektronischer Auswertung sind wesentlich mehr Informationen
    verfügbar. Bild 1 erklärt die Parameter, die für die Auswertung der
    Schattenprojektionen auf elektronischem Wege üblich sind. Mit
    jeweils zwei dieser Parameter können Kornformen beschrieben
    werden. Häufig verwendet werden die Quotienten L/B und
    U 2·        ·A. Letzterer wird als Sphärizität SPHT bezeichnet und
    ist das Verhältnis von gemessenem Umfang der Schattenprojek-
    tion des Teilchens zu dem des flächengleichen Kreises. Die Sphäri-
    zität stellt damit eine Übertragung des Kornformfaktors auf die
    Projektionsfläche dar. Die Zahlenwerte der Sphärizität sind ana-
    log zu ebenfalls ≥ 1. Einige Messgerätehersteller arbeiten aber
    auch mit dem Kehrwert dieser Sphärizität.
       Bei den fotooptischen Verfahren werden die Teilchen zweidi-
    mensional betrachtet. Eine ausreichende Anzahl der Teilchen und
    die Erstellung der Schattenprojektionen aus verschiedenen Rich-
    tungen (durch Rotation der Teilchen) ermöglichen statistisch
    sichere Aussagen und liefern auf der Basis der Bildauswertung
    numerische Beurteilungskriterien für die Kornform und die Ober-
    flächenbeschaffenheit. Weiterhin sind in der Regel eine Einteilung
    in Kornformklassen und eine Auszählung der Teilchen in der
    jeweiligen Formklasse sowie eine Zuordnung der Korn-
    formparameter zur Korngrößenklasse möglich. Derzeit sind Korn-
    formverteilungen für Korngrößen von 0,02 bis höchstens etwa
    150 mm messbar.

    3. Neue und effektive Messmethoden von Korngröße und
       Kornform
    Der Zwang, möglichst wirtschaftlich mit hohen Anforderungen an
    die Qualitätssicherung (DIN ISO 9000) zu produzieren, gab der
    Weiterentwicklung bestehender und der Entwicklung neuer Mess-
    verfahren die entscheidenden Impulse und führte letztendlich auch
    zur Einführung der fotooptischen, computerunterstützten Analy-
    semethoden [2]. Die kommerziell vertriebenen Geräte verfügen



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diameter. The reciprocal of sphericity results for the Heywood fac-
tor if this equivalent diameter is equal to that of the sphere of equal
volume. On this criterion, DIN 66141 defines Particle Morpholo-
gy Factor as the reciprocal of Wadell’s sphericity, which is > 1 for
Sphere 1 and all irregularly shaped particles. These particle mor-
phology indices in all cases produce an integer for a certain bulk
material.
   In the coarsely-dispersed size range, assessment of particle mor-
phology has, up to now, been based on the fundamental definition
of “Ratio of particle length to particle width” and the resultant
fractions. This assessment method presupposes that the individual
particles are sufficiently large as to permit their individual meas-
urement, i.e., it assesses them as three-dimensional bodies. Meas-
urement of real particles determines the ratio of the largest to the
smallest dimension. An L/W ratio of 3 has proven rational as a lim-
it value for characterization of particle morphology for the use of
bulk materials in civil engineering. The fractions of particles of L/W
> 3 are determined as a number or as a mass. The ratio of the mass
of the non-cuboid particles of L/W > 3 to the total mass of all par-
ticles is defined as the particle morphology index. This particle
morphology index (SI as per DIN EN 933, Part 4) is thus only a
limit value for the corresponding application. Analogous infor-
mation can be obtained via definition of the flakiness index (FI as
per DIN EN 933, Part 3), which is determined using bar-type
screen decks and also reflects the length-to-width ratio of the par-
ticle.
   Neither of these two methods produces a numerical assessment
of the particle morphology of the entire particulate mass. The same
applies to description of surface character, i.e., whether the parti-
cle is, for example, very angular, angular, angular/rounded, prac-
tically rounded, rounded or well rounded. Visual assessment still
dominates here.
   The photographic generation and electronic evaluation of shad-
ow-projections of particles using high-resolution, high-speed dig-
ital photography, which has come into widespread use in recent
years, provides significantly more information. Fig. 1 explains the
parameters which are customary for evaluation of shadow-pro-
jections by electronic means. Particle morphologies can be
described using pairs of these parameters. The quotients L/W
and U 2 ·        ·A are frequently used. The latter is referred to as
Sphericity SPHT and is the ratio of the measured circumference of
the shadow-projection of the particle and the circumference of a
circle of the same area. Sphericity is thus an application of Parti-
cle Morphology Factor onto the projection area. Analogously
to , the numerical values for sphericity are also ≥ 1. A number of
measuring-instrument manufacturers also use the reciprocal of this
sphericity, however.




Bild 1: Sehnenlängen und weitere Parameter am Teilchen
Fig. 1: Chord lengths and other parameters on the particle



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     Bild 2: Schematischer Aufbau eines bildverarbeitenden Korn-
     größenanalysegerätes [3]
     Fig. 2: Schematic structure of an image processing particle-size
     analyzer [3]

     über jeweils eine CCD-Kamera und besitzen im Wesentlichen den
     in Bild 2 dargestellten Aufbau. Dabei kann sowohl eine Matrix-
     kamera als auch eine Zeilenkamera zum Einsatz kommen. Als
     Ergebnis bieten alle Messgeräte Korngrößenverteilungen sowie
     Kornformparameter bzw. -verteilungen an.
        Für die hier untersuchten grobdispersen Schüttgüter wurden die
     Analysen mit dem Messgerät Haver CPA 4 durchgeführt. Es ist
     modular aufgebaut und verfügt über 2 Messbereiche mit je einer
     Dosiereinrichtung in unterschiedlichem Abstand von der Kame-
     ra. Die beiden Fokusebenen der Kamera ermöglichen
     2 Abbildungsverhältnisse, sodass die Korngrößenbereiche
     • 0,063 bis 15 mm und
     • 0,25 bis 100 mm
     für die Messungen zur Verfügung stehen. Die untere Grenze für
     eine aussagefähige Kornformbeurteilung wird durch die Pixel-
     größe der Kamera bestimmt und liegt bei etwa 120 µm. Die Pro-
     be wird über eine computergesteuerte Vibrationsrinne in die Fall-
     ebene gefördert, von wo sich die Teilchen im freien Fall durch die
     Messebene der CCD-Zeilenkamera bewegen. Im Gegenlicht
     (halogengespeiste Leuchtzeile) werden sie zeilenweise abgescannt
     und die Messdaten in 250 internen Größenklassen ausgewertet. Je
     Sekunde finden 10.000 Messungen statt. Der Messgutdurchsatz
     wird automatisch vom System gesteuert und beträgt in Abhän-
     gigkeit von der Korngröße etwa 20 bis 10.000 g/min [4]. Je nach
     dem Ziel der Messung kann zwischen 2 Messmodi gewählt werden.
     Interessant für die parallele Analyse von Korngröße und Korn-
     form ist der Kornformmodus. Hier erfolgen eine kontinuierliche
     Erfassung von Anzahl und Längen der Sehnen und eine zusätzli-
     che Registrierung der Sehnenadressen. Aus der Rekonstruktion
     der Bilder unter Berücksichtigung der Fallgeschwindigkeit der
     Teilchen und deren Auswertung nach geometrischen Merkmalen
     kann sowohl die Korngrößen- als auch die Kornformverteilung
     ermittelt werden. Als Menge wird die Anzahl der Teilchen in den
     Kornklassen bestimmt und über den Äquivalentdurchmesser die
     Volumenverteilung berechnet.
        Die Kornformanalyse feindisperser Schüttgüter wie beispiels-
     weise Zement wurde mit dem RapidVue von Beckman Coulter
     durchgeführt. Die Schüttgutprobe wird in einer Suspension durch
     die Messzelle transportiert; mit einer Matrixkamera werden die
     Schattenbilder aufgenommen. Als Gegenlicht dient eine strobos-
     kopische Beleuchtung. Die Probendispergierung erfolgt im
     geschlossenen Flüssigkeitskreislauf. Der Messbereich für die Korn-
     größen wird mit 20 µm bis 2.500 µm angegeben, wobei die Korn-
     formanalyse auf Grund der Pixelgröße der Kamera erst ab etwa
     40 µm aussagefähige Ergebnisse liefert. Das Länge/Breite-Ver-
     hältnis wird aus den Abmessungen des kleinsten die Form
     umschließenden Rechteckes ermittelt.

     4. Anwendungsbeispiele
     4.1 Einfluss verschiedener Zerkleinerungsprinzipien
     Unterschiedliche Zerkleinerungsprinzipien basieren auf unter-
     schiedlichen Beanspruchungen des Materials beim Zerkleinern,



10                                    AUFBEREITUNGS TECHNIK 45 (2004) Nr. 6
   In photo-optical methods, the particles are examined in two
dimensions. An adequate number of particles and generation of
their shadow-projections from a range of different directions (by
means of rotation of the particles) permit statistically reliable
derivation of information and, on the basis of image evaluation,
supply numerical assessment criteria for particle morphology and
the surface character of the particles. In addition, categorization
into particle morphology classes and counting of the particles in the
respective morphology class, plus assignment of particle mor-
phology parameters to the particle-size class, are generally also
possible. Particle morphology distributions for particle sizes rang-
ing from 0.02 up to a maximum of around 150 mm can currently
be measured.

3. New and effective methods for measurement of particle
   size and particle morphology
The necessity of producing as cost-effectively as possible and simul-
taneously meeting high demands for quality assurance (DIN ISO
9000) provided the decisive impulses for the further refinement of
existing measuring methods and the development of new ones, and
ultimately also resulted in the introduction of photooptical, com-
puter-assisted analytical methods [2]. The commercially available
systems all feature a CCD camera and are, essentially, of the struc-
ture shown in Fig. 2. Both matrix cameras and line-scanning cam-
eras may be used. All these systems supply results in the form of
particle-size distributions and particle-morphology parameters
and/or distributions.
   The analyses for the coarsely dispersed bulk materials under
examination here were performed using the Haver CPA 4 instru-
ment. This system has a modular structure and features two meas-
uring ranges, each with a metered-feed system at a differing dis-
tance from the camera. This camera’s focal planes permit two
depiction ratios, with the result that the
• 0.063 to 15 mm and
• 0.25 to 100 mm
   particle-size ranges are available for measurements. The lower
limit for an informationally useful assessment of particle mor-
phology is determined by the camera’s pixel size and is around
120 µm. The specimen is fed via a computer-controlled vibratory
conveyer into the drop plane, whence the particles drop in free fall
through the CCD line-scanning camera’s measuring plane. They
are scanned line-by-line against backlighting (halogen-fed lamp
array) and the measured data is evaluated in 250 internal size cat-
egories. The measuring rate is 10,000 measurements per second.
Measured-material throughput is controlled automatically by the
system and is around 20 to 10,000 g/min., depending on particle size
[4]. Two measuring modes can be selected, depending on the
objective of measurement. Particle Morphology mode is of inter-
est for parallel analysis of particle size and morphology. This mode
involves continuous registration of the number and lengths of the
chords and additional registration of the chord addresses. Recon-
struction of the images taking account of the rate of descent of the
particles and evaluation on geometrical criteria permits determi-
nation of both the particle-size and particle-morphology distribu-
tion. The number of particles in the particle categories is deter-
mined as a fraction and volumetric distribution computed via the
equivalent diameter.
   The particle-morphology analysis of finely dispersed bulk mate-
rials, such as cement, for example, was performed using Beckman
Coulter’s RapidVue. The specimen of bulk material is moved
through the measuring cell in a suspension and the shadow images
are recorded using a matrix camera. A stroboscopic lighting system
provides backlighting. Specimen dispersion takes place in a closed
liquid circuit. The measuring range for particle sizes is stated to be
20 µm to 2,500 µm, the particle-morphology analysis supplying
informationally useful results only from around 40 µm upward, due
to the camera’s pixel size. The length-to-width ratio is determined
from the dimensions of the smallest rectangle which encloses the
particle image.



AUFBEREITUNGS TECHNIK 45 (2004) Nr. 6                                    11
     die wiederum sowohl unterschiedliche
     Korngrößenverteilungen als auch unter-
     schiedliche Kornformen der Zerkleine-
     rungsprodukte zur Folge haben.
        Als Beispiel wurde ein ausgewählter
     Mauerwerkbruch mit einem Backenbrecher
     und einem Prallbrecher zerkleinert. Die
     Maschineneinstellungen wurden so gewählt,
     dass die Zerkleinerungsprodukte etwa eine
     gleiche maximale Korngröße besitzen. Für
     die Bewertung der Zerkleinerung wurde der
     Feinanteil < 1 mm abgesiebt und hier nicht
     näher betrachtet. Die Korngrößenermittlung
     für das Material > 1 mm erfolgte durch Sieb-
     analyse und fotooptische Partikelanalyse mit
     Haver CPA 4. Mit dem CPA-Gerät wurde
     der Kornform-Modus genutzt, wodurch
     sowohl die Korngrößenverteilung als auch
     die Kornformverteilung analysiert werden
     konnten.
        Eine Gegenüberstellung der Ergebnisse
     von Sieb- und CPA-Analyse zeigt Bild 3.
     Der Vergleich macht deutlich, dass die Dif-
     ferenzen bei den im Backenbrecher erzeug-
     ten Körnungen größer sind als bei den Prall-
     brecherprodukten. So beträgt der Unter-
     schied der mittleren Korngrößen etwa 39 %
     beim Backenbrecher und nur 14 % beim
     Prallbrecher – jeweils bezogen auf das
     Ergebnis der Siebanalyse. Ursache für diese
     Unterschiede dürften die systematischen
     Unterschiede der Kornformen sein.
        Die unterschiedlichen Korngrößenvertei-
     lungen als Resultat der Beanspruchungsart
     sind in Bild 4 gegenübergestellt. Bei etwa
     gleicher Kornbandbreite entsteht im
     Backenbrecher eine Korngrößenverteilung
     mit hohem Grob- und geringem Feinanteil.
     Beim Prallbrecher sind die einzelnen Korn-
     größen gleichmäßig über das gesamte Korn-
     band verteilt.
        Die Quantifizierung der Kornform zeigt
     die Auswertung der CPA-Kornformanalyse
     in Bild 5. Es ist deutlich zu erkennen, dass
     der Prallbrecher im Unterschied zu den im
     Backenbrecher entstehenden splittrigen bis
     plattigen Körnern vorwiegend kubisch
     geformte Körner erzeugt. Das äußert sich
     sowohl in der mittleren Sphärizität mit
     einem Wert von 1,353 gegenüber dem
     Backenbrecher mit 1,512 als auch in dem
     Länge-Breite-Verhältnis von 1,086 gegenü-
     ber 1,113. Die Klammerwerte in den Grafi-
     ken bedeuten die Kehrwerte der Sphärizität.
     Diese Aussage bestätigt damit die unter-
     schiedlichen Abweichungen der Korn-
     größenverteilungen für die Produkte aus
     Prall- und Backenbrecher in Bild 3, die mit
     Sieb- bzw. CPA-Analyse ermittelt wurden.
        Neben der Kornformverteilung der Zer-
     kleinerungsprodukte können aber auch
     Aussagen über die Form der Körner in
     den Korngrößenklassen gemacht werden
     (Bild 6). Sowohl die Sphärizitätswerte als
     auch die Länge/Breite-Verhältnisse nehmen
     für beide Zerkleinerungsprinzipien in Rich-
     tung größerer Körner zu. Das L/B-Verhält-
     nis der Körner beim Backenbrecher wird
     jedoch mit zunehmenden Korngrößen



12              AUFBEREITUNGS TECHNIK 45 (2004) Nr. 6
                               xm3




                               xm3




Bild 3: Ergebnisse der Sieb- und CPA-Analyse der Zerkleinerungsprodukte aus
Backen- und Prallbrecher
Fig. 3: Results of sieve and CPA analysis of the comminution products from jaw and
impact-type crushers




                         x3




                         xm3




Bild 4: Korngrößenverteilungen der Zerkleinerungsprodukte von Backen- und Prall-
brecher
Fig. 4: Particle-size distributions in comminution products from jaw and impact-type
crushers



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                                                                                             4. Typical applications
                                                                                             4.1 The influence of various
                                                                                                 comminution principles
                                                                                            The various comminution principles are
                                                                                            based on a range of different loads applied
                                                                                            to the material during comminution which,
                                                                                            for their part, result in both differing parti-
                                                                                            cle-size distributions and differing particle
                                                                                            morphologies in the comminution prod-
                                                                                            ucts.
                                                                                               A selected masonry rubble was commin-
                                                                                            uted using a jaw crusher and an impact
                                                                                            crusher by way of example. The machines’
                                                                                            settings were selected in such a way that the
                                                                                            comminution products would have approx-
                                                                                            imately the same maximum particle size. In
                                                                                            addition, the < 1 mm fines fraction was
                                                                                            screened off for evaluation of comminution,
                                                                                            and is not examined here in any more
                                                                                            detail. Determination of particle size for the
                                                                                            > 1 mm material was accomplished by
                                                                                            means of sieve analysis and by means of
                                                                                            photooptical particle analysis using the
                                                                                            Haver CPA 4. The CPA instrument’s parti-
                                                                                            cle-morphology mode was used, making
                                                                                            it possible to analyze both particle-size dis-
                                                                                            tribution and particle-morphology distribu-
                                                                                            tion.
                                                                                               Fig. 3 shows a comparative assessment of
                                                                                            the results of the sieve analysis and the CPA
                                                                                            analysis. Comparison illustrates that the dif-
                                                                                            ferences are greater in the case of the parti-
Bild 5: Kornformverteilungen und Schattenbilder der Zerkleinerungsprodukte von              cle sizes ranges produced in the jaw-type
Backen- und Prallbrecher                                                                    crusher than in the products of the impact
Fig. 5: Particle-morphology distributions and shadow-images of comminution products         crusher. The difference in the average
from jaw and impact-type crushers                                                           particle sizes is around 39 % for the jaw
                                                                                            crusher and only 14 % for the impact
wesentlich größer als das des Produkts aus dem Prallbrecher. Die-  crusher, referred in each case to the result of the sieve analysis. The
se Partikel, besonders die gröberen, sind deutlich scharfkantiger  cause of these differences is probably the systematic differences in
und plattiger als die feineren, die in der Regel mehrfach bean-    particle morphology.
sprucht worden sind.                                                  The differing particle-size distributions resulting from the dif-
                                                                   fering modes of load application are compared in Fig. 4. With an
                                                                   approximately equal particle bandwidth, a high coarse and low
                                                                   fines fraction are produced in the jaw crusher. In the impact crush-
                                                                   er, the particle sizes are uniformly distributed across the entire par-
                                                                   ticle band.
                                                                      The evaluation of the CPA particle-morphology analysis in
                                                                   Fig. 5 shows quantification of the particle morphology. It is clear-
                                                                   ly apparent that the impact crusher produces predominantly
                                                                   cuboid particles, in contrast to the gritty to flaky particles leaving
                                                                   the jaw crusher. This is apparent both in average sphericity,
                                                                   at a value of 1.353, compared to the jaw crusher’s 1.512, and in the
                                                                   length-to-width ratio of 1.086 vis-à-vis 1.113. The figures in
                                                                   parentheses in the graphs indicate the reciprocals of sphericity.
                                                                   This statement thus confirms the differing deviations in par-
                                                                   ticle-size distributions for the impact-crusher and jaw-crusher
                                                                   products in Fig. 3, determined by means of sieve and CPA
                                                                   analysis.
                                                                      It is, however, also possible to provide information not only on
Bild 6: Abhängigkeit der Kornformparameter von der Korngröße       particle-morphology distribution in the comminution products, but
Fig. 6: Particle-morphology parameters as a function of particle   also on the morphology of the particles in the various particle-size
size                                                               classes (Fig. 6). Both the sphericity values and the length-to-width
4.2 Herstellung von Zierkies aus den Grobfraktionen von            ratios increase in both comminution principles as particles become
     aufbereitetem Mauerwerkbruch                                  larger. The L/W ratio of the particles from the jaw crusher becomes
Auf der Suche nach Verwertungsmöglichkeiten für die Grob-          significantly greater as particle size increases than is the case with
fraktionen (Fraktionen > 8 mm) von aufbereitetem Mauerwerk-        the particles from the impact crusher. These particles, and the
bruch entstand die Idee der Herstellung von Zierkies für eine Nut- coarser particles, in particular, are considerably more angular and
zung als Dränageschüttung oder für die Gartengestaltung. Die       flakier than the finer particles, which have generally been repeat-
Anforderungen an das Produkt bestehen in der Frostbeständigkeit    edly exposed to comminuting load.



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und in dem ästhetisch schönen Aussehen,
d. h. gut gerundeten Körnern. Die Umset-
zung dieser Idee wird erzielt durch eine
Behandlung des zerkleinerten Abbruchma-
terials in rotierenden Trommeln ohne Mahl-
körper [5]. Der Rundungsvorgang geht
zwangsläufig mit der Entstehung von
Abrieb einher. Bei den durchgeführten
Untersuchungen mit unterschiedlichen tech-
nologischen Konzepten konnte der Run-
dungsvorgang mit Hilfe der Kornformana-
lyse mit dem CPA-Gerät kontrolliert und
quantitativ beschrieben werden. Gleichzei-
tig wurde die Abriebmenge gemessen, um
einen sinnvollen Kompromiss zwischen
Rundungsgrad und Mengenausbringen von
Zierkies aus dem Herstellungsprozess zu fin-
den.
   Die Ergebnisse der Technikumsuntersu-
chungen sind in Bild 7 zusammenfassend
dargestellt. Unter Produktmenge ist hier die
Gesamtmasse > 8 mm zu verstehen.             Bild 7: Einfluss der Beanspruchungsdauer auf die Kornformänderung der Kornklasse
   Das Bild zeigt deutlich, dass die Abrun-  16/32 mm und auf die Gesamtproduktmenge > 8 mm, [5, 6]
dung der Körner zu einer Verbesserung der    Fig. 7: The influence of duration of exposure to load on change in particle morphology
Oberflächenqualität bei etwa gleich blei-    in the 16/32 mm particle class and on total product yield > 8 mm [5, 6]
bendem Erscheinungsbild führt. Nach einer
Beanspruchungsdauer von etwa 45 min ist
auf Grund der Tendenz des Kurvenverlaufes keine weitere wesent-    4.2 Production of decorative gravel from the coarse
liche Verbesserung erreichbar. Der Abrieb würde hingegen wei-          fractions of processed masonry rubble
ter zunehmen und damit die Produktmenge abnehmen. Für die          The search for rational potential uses for the coarse fractions
Kornklassen 8/16 und 32/63 mm ergaben sich gleiche Tendenzen.      (> 8 mm) of processed masonry rubble led to the idea of using
Vergleicht man die erreichten Sphärizitätswerte mit denen defi-    them for the production of fine gravel for use as drainage or filter
nierter Projektionsflächen, so wurden durch den Rundungsvor-       beds or as decorative gravel for garden design. The demands made




AUFBEREITUNGS TECHNIK 45 (2004) Nr. 6                                                                                               15
                                                                      on such a product consists essentially of frost-resistance and an
                                                                      attractive appearance, i.e., well rounded particles. This idea was
                                                                      made reality by treating the comminuted rubble in rotating drums
                                                                      with no comminuting internals [5]. The “rounding-off” process is
                                                                      inevitably accompanied by the production of abraded dust. In the
                                                                      tests performed using various technological concepts, it was pos-
                                                                      sible to describe the rounding-off process quantitatively and in a
                                                                      controlled manner, by means of particle-morphology analysis using
                                                                      the CPA instrument. The quantity of abraded material produced
                                                                      was measured simultaneously, in order to find a rational compro-
                                                                      mise between degree of rounding and quantitative decorative
                                                                      gravel yield from the production process.
                                                                         The results of the pilot-scale tests are summarized in Fig. 7.
                                                                      “Quantity of product” signifies here the total mass of particles
                                                                      > 8 mm.
                                                                         This figure illustrates clearly that rounding-off of the particles
                                                                      achieves an improved surface quality with an approximately
Bild 8: Kornformverteilung für CEM I 32,5 R > 40 µm                   unchanged habit. After exposure to load for some 45 min., the
Fig. 8: Particle-morphology distribution for CEM I 32.5 R > 40 µm     trend in the plot of the curve indicates that no further significant
                                                                      improvement is achievable. Abrasion, on the other hand, would
gang Werte von Ellipsen mit D:d = 2,5:1 erzeugt, was in den rechts    continue to increase and would reduce product yield. The same
in Bild 7 dargestellten Abbildungen gut zu erkennen ist. Die          trends also resulted for the 8/16 and 32/63 mm particle classes.
Gesamtmenge an gerundetem Zierkies, d.h. die Menge > 8 mm,            Comparison of the sphericity values achieved against those of
bewegt sich nach dieser Zeit in der Größenordnung von 40 % des        defined projection surfaces indicates that the rounding-off
gesamten Mauerwerkbruchs.                                             process generates values of ellipses of D:d = 2.5:1, as is clearly
   Als Schlussfolgerung für die Kornformbeurteilung zeigt das Bei-    apparent in the illustrations shown on the right in Fig. 7. The total
spiel, dass bei etwa gleich bleibendem Erscheinungsbild, d.h. glei-   yield of “rounded” decorative gravel, i.e., the > 8 mm fraction, is
chem L/B-Verhältnis, die Oberflächenbeschaffenheiten sehr gut         of an approximate order of magnitude of 40 % of the total mason-
mit dem Parameter SPHT beschrieben werden können.                     ry rubble after this processing period.
                                                                         This example illustrates, by way of conclusion for assessment of
5. Kornformanalyse von Zement                                         particle morphology that, with an approximately unchanged habit,
Als Beispiel für die Analyse eines feindispersen Schüttgutes wur-     i.e., an unchanged L/W ratio, surface characteristics can be
de ein Portlandzement CEM I 32,5 R ausgewählt und bei 40 µm           described extremely well by the SPHT parameter.
getrennt. Das Untersuchungsergebnis des Anteils > 40 µm mit dem
Messgerät RapidVue ist in Bild 8 dargestellt.                         5. Particle-morphology analysis of cement
   Zum jetzigen Stand der Forschung ist eine Interpretation der       A CEM I 32.5 R Portland cement was selected and graded at
aus den Versuchsergebnissen berechneten Zahlenwerte der mitt-         40 µm to provide an example of analysis of a finely dispersed bulk
leren Kornformparameter von L/B = 1,392 und SPHT = 1,162 nicht        product. The result of tests on the > 40 µm fraction using the
eindeutig möglich.                                                    RapidVue measuring system is shown in Fig. 8.
   Die Grafiken zur Korngrößen- und Kornformbewertung dieses             Interpretation of the numerical values for average particle-mor-
Beitrages wurden mit der Software PMP-compact der Firma               phology parameters of L/W = 1.392 and SPHT = 1.162 calculated
GRAINsoft GmbH in Freiberg erstellt.                                  from the test results is not unequivocally possible given the present
                                                                      status of this research work.
                                                                         The particle-size and particle-morphology evaluation graphs for
                                                                      this article were drafted using the PMP-compact software package
Schrifttum/References                                                 supplied by GRAINsoft GmbH, of Freiberg, Germany.
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[2] Fischer, M.: Analysensiebung, Rhewum Siebfibel – eine Über-
    sicht über das Sieben, Ausgabe 1995 Rhewum GmbH Rem-
    scheid
[3] Reinhold, M.: Messung von Korngröße und Kornform grob-
    und feindisperser Schüttgüter; Vortrag, Erster Weimarer Gra-
    nulometriekursus mit Vorträgen und Praktika; Korngröße und
    Kornform, 15. und 16. Oktober 2002
[4] Haver-CPA-4 Photooptisches Online-Partikelanalysegerät
    Firmenprospekt Haver & Boecker Drahtweberei und Maschi-
    nenfabrik Oelde
[5] Stark, U. u. Müller, A.: Korngrößenspezifische Verwertung von
    Mauerwerksabbruch; Schüttgut 8 (2002) 1, S. 19/23
[6] Harrland, Th.: Selektive Zerkleinerung von Mauerwerksab-
    bruch mit Kornformbeeinflussung – Herstellung von Zierkies,
    Studienarbeit, Bauhaus-Universität Weimar, Fakultät Bau-
    ingenieurwesen, Professur ABW, 2002




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