新型膨胀珍珠岩模型沙及其制备方法
【专利摘要】新型膨胀珍珠岩模型沙及其制备方法，模型沙由改性的闭孔珍珠岩为原料制成，特征是其颗粒粒度在0.1～2.0mm之间、颗粒容重变化范围在1.12~1.42t/m3之间。其水下休止角在25～33°之间。制备方法：（1）选择改性闭孔珍珠岩为基材；（2）基材容重初选；（3）颗粒破碎；（4）颗粒大小筛分；（5）颗粒容重分选；（6）成品配制；（7）成品特性测试与验证。本发明的优点：①颗粒容重可人为调整、粒径范围广，颗粒形态与天然沙相同；②物化性质稳定、强度高、可重复利用；③水下休止角大，容易形成稳定的床面形态，并且具有良好规律的水力学参数；④基材生产工艺不复杂，可大量获取，产品能够大量制备，生产成本不高。
【专利说明】新型膨胀珍珠岩模型沙及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种水利实验使用的模型沙，具体设及一种新型膨胀珍珠岩模型沙。 发明还设及该种新型膨胀珍珠岩模型沙的制备方法、特性测试与验证。
【背景技术】
[0002] 在港口及航道工程的研究与设计过程中，泥沙物理模型试验是经常使用并且是非 常重要的手段之一，且需要使用模型沙。模型沙的选择是泥沙物理模型设计中的一项关键 技术，直接关系到模型的泥沙运动和河床变形相似性及模型试验成果的可靠性。根据泥沙 模型相似理论和试验场地和设备等现实条件，一般采用轻质颗粒材料作为模型沙，目前常 用的材料有木屑、煤粉、塑料沙等几种，但均存在一定的缺陷，或是物理力学特性欠佳，易产 生固结、起壳、起泡、霉变、细化、絮凝等现象，或是价格昂贵。运用新工艺和新技术，研制新 材料模型沙，具有很大的现实意义，也可促进泥沙模型试验技术水平的提高与发展。
[0003] 模型沙是伴随着泥沙模型试验理论和实践产生的，西方和前苏联在30年代末开 始泥沙模型试验，我国于20世纪50年代中期进行了第一个泥沙模型试验，60年代进行了轻 质沙试制及特性试验研究，70年代W后，在泥沙模型理论和大量实践的基础上，大大促进了 模型沙的发展，出现了多种模型沙应用于模型试验，现有技术中常用模型沙的性能指标，见 置于说明书附图中的表1。
[0004] 常用模型沙基本上可分为有机材料、无机材料和合成材料=类，表1中的前十种 为有机材料、塑料或合成塑料，颗粒容重小于1. 5t/m3,属轻质沙；后=种为无机材料，颗粒 容重大于1.5t/m3,属重质沙。该些模型沙均成功应用在有关泥沙模型试验中，并进行过物 理化学特性的测试颗粒粒径、容重、干容重的测试，W及水力学特性试验，包括沉降、起动、 输移、水下成形等等，同时，通过该些泥沙模型试验的实践，总结了该些模型沙的优缺点及 适应性，简述如下；（1)采用重质沙，要求模型沙颗粒很细小，不但加工困难且颗粒很细小， 会出现粘性过强和絮凝等现象，使试验结果失真，一般的平原河流泥沙模型是起动流速比 尺大、趟率比尺小的变态模型，则要求模型沙起动流速小，相对的床面趟率较大，因而大多 用轻质沙。
[0005] (2)有机材料的轻质沙，虽然水力学特性较好、适用性强，但一般木屑和核桃壳易 腐烂、变质，防腐处理工作量大，粒径较大时颗粒形状不好，不利于重复利用；塑料沙为憎水 材料，水下休止角小，形成的床面稳定性较差，造成塑造模型河床困难、床面巧塌而导致试 验精度不高；煤屑和电木粉颗粒容重大，往往为满足泥沙运动相似，模型沙过于细小而出现 粘性和絮凝现象，造成试验结果不准确。
[0006] (3)煤灰、白±粉、滑石粉等重质沙，存在颗粒细、物化性质不稳等缺点，仅适用于 某些累积性渺积为主的模拟试验。
[0007] (4)塑料沙，包括电木粉和合成塑料沙，价格昂贵。
[000引 （5)除合成塑料沙外，其余模型沙均为重率固定的材料，不能根据模型需求而调 整，往往为了满足模型沙某一特性而使得一部分相似条件偏离，给模型设计带来很大的限 制性。
[0009] (6)常用模型沙的适用性见表2。
[0010] 表 2 表2
【权利要求】
1. 一种新型膨胀珍珠岩模型沙，由"改性的闭孔珍珠岩"为原料制成，其特征在 于，该种新型膨胀珍珠岩模型沙的颗粒粒度在0. 1?2. Omm之间、颗粒容重变化范围在 1. 12~1. 42t/m3之间。
2. 根据权利要求1所述的新型膨胀珍珠岩模型沙，其特征在于，所述新型膨胀珍珠岩 模型沙的水下休止角在25?33°之间。
3. 根据权利要求2所述的新型膨胀珍珠岩模型沙，其特征在于，所述新型膨胀珍珠岩 模型沙的水下休止角为30?32°之间。
4. 根据权利要求1所述的新型膨胀珍珠岩模型沙，其特征在于，所述原料"改性的闭 孔珍珠岩"，其颗粒粒度在0. 1?3. 0mm之间，散体堆放情况下，颗粒容重在0. 2~0. 7 t/m3之 间。
5. 根据权利要求1-4之一所述的新型膨胀珍珠岩模型沙，其特征在于，所述新型膨胀 珍珠岩模型沙是采用以下制备方法得到的模型沙： (1) 基材选择：选择改性闭孔珍珠岩产品作为基材，其颗粒大小范围为0. 1~3. 0mm，散 体堆放情况下，容重在〇. 2~0. 7t/m3之间； (2) 基材初次分选：通过测试基材散体堆放容重，确定是否进行颗粒破碎，若基材散体 堆放容重在0. 55 t/m3以上，或表面玻质化不高，吸水后颗粒容重大于1. 0 t/m 3,可满足模 型沙对颗粒容重的基本要求，则可不进行破碎； (3) 颗粒破碎：通过粉碎机械对该改性闭孔珍珠岩基材进行破碎，包括将原颗粒破碎或 是仅破坏颗粒表层； (4) 颗粒大小筛分：将破碎后的基材投入筛分机，进行颗粒大小筛选，使其形成若干组 颗粒大小基本相近的基材均匀料； (5) 颗粒容重分选：对筛选后的若干组基材均匀料进行颗粒容重的分选，方法有两种， 一种是通过设立风道，在风道中进行风选；另一种是通过设立水槽，在水槽中进行水选； (6) 成品配制：根据所需模型沙颗粒容重和粒径的要求，选择颗粒容重相同、颗粒大小 不同的若干组基材均匀料，进行配置模型沙成品配制。
6. 权利要求1所述的改性的新型膨胀珍珠岩模型沙的制备方法，其特征在于，步骤如 下： (1) 基材选择：选择改性的闭孔珍珠岩产品作为基材，其颗粒大小范围为0. 1~3. 0mm， 散体堆放情况下，容重在0. 2~0. 7t/m3之间； (2) 基材初次分选：通过测试基材散体堆放容重，确定是否进行颗粒破碎，若基材散体 堆放容重在0. 55 t/m3以上，或表面玻质化不高，吸水后颗粒容重大于1. 0 t/m 3,可满足模 型沙对颗粒容重的基本要求，则可不进行破碎； (3) 颗粒破碎：通过粉碎机械对该改性闭孔珍珠岩基材进行破碎； (4) 颗粒大小筛分：将破碎后的基材投入筛分机，进行颗粒大小筛选，使其形成若干组 颗粒大小基本相近的基材均匀料； (5) 颗粒容重分选：对筛选后的若干组基材均匀料进行颗粒容重的分选，方法有两种， 一种是通过设立风道，在风道中进行风选；另一种是通过设立水槽，在水槽中进行水选； (6) 成品配制：根据所需模型沙颗粒容重和粒径的要求，选择颗粒容重相同、颗粒大小 不同的若干组基材均匀料，进行配置模型沙成品配制。
7. 根据权利要求6所述的新型膨胀珍珠岩模型沙的制备方法，其特征在于，步骤（3) 所述的颗粒破碎，是包括将原颗粒破碎或是仅破坏颗粒表层。
8. 根据权利要求6或7所述的新型膨胀珍珠岩模型沙的制备方法，其特征在于，增加 有以下步骤： (7) 成品特性测试：对配制后的模型沙成品进行物理力学特性和水动力特性测试，包 括有：颗粒容重和级配测试、沉速试验、起动流速试验、水下休止角试验、床面阻力和形态试 验； (8) 成品验证：依据模型沙成品测试结果，验证其可行性和适用性；可行性是指该成品 能否作为模型沙使用；适用性是指该成品可在何种泥沙模型试验中使用。
【文档编号】G01N33/00GK104502529SQ201410655629
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年11月17日 优先权日:2014年11月17日
【发明者】张幸农, 张思和, 费晓昕, 假冬冬, 陈长英, 窦希萍, 左其华, 应强, 葛瑶, 周远厚 申请人:水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院