新型膨脹珍珠巖模型沙及其制備方法
【專利摘要】新型膨脹珍珠巖模型沙及其制備方法，模型沙由改性的閉孔珍珠巖為原料制成，特征是其顆粒粒度在0.1～2.0mm之間、顆粒容重變化范圍在1.12~1.42t/m3之間。其水下休止角在25～33°之間。制備方法：（1）選擇改性閉孔珍珠巖為基材；（2）基材容重初選；（3）顆粒破碎；（4）顆粒大小篩分；（5）顆粒容重分選；（6）成品配制；（7）成品特性測試與驗證。本發明的優點：①顆粒容重可人為調整、粒徑范圍廣，顆粒形態與天然沙相同；②物化性質穩定、強度高、可重復利用；③水下休止角大，容易形成穩定的床面形態，并且具有良好規律的水力學參數；④基材生產工藝不復雜，可大量獲取，產品能夠大量制備，生產成本不高。
【專利說明】新型膨脹珍珠巖模型沙及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種水利實驗使用的模型沙，具體設及一種新型膨脹珍珠巖模型沙。 發明還設及該種新型膨脹珍珠巖模型沙的制備方法、特性測試與驗證。
【背景技術】
[0002] 在港口及航道工程的研究與設計過程中，泥沙物理模型試驗是經常使用并且是非 常重要的手段之一，且需要使用模型沙。模型沙的選擇是泥沙物理模型設計中的一項關鍵 技術，直接關系到模型的泥沙運動和河床變形相似性及模型試驗成果的可靠性。根據泥沙 模型相似理論和試驗場地和設備等現實條件，一般采用輕質顆粒材料作為模型沙，目前常 用的材料有木屑、煤粉、塑料沙等幾種，但均存在一定的缺陷，或是物理力學特性欠佳，易產 生固結、起殼、起泡、霉變、細化、絮凝等現象，或是價格昂貴。運用新工藝和新技術，研制新 材料模型沙，具有很大的現實意義，也可促進泥沙模型試驗技術水平的提高與發展。
[0003] 模型沙是伴隨著泥沙模型試驗理論和實踐產生的，西方和前蘇聯在30年代末開 始泥沙模型試驗，我國于20世紀50年代中期進行了第一個泥沙模型試驗，60年代進行了輕 質沙試制及特性試驗研究，70年代W后，在泥沙模型理論和大量實踐的基礎上，大大促進了 模型沙的發展，出現了多種模型沙應用于模型試驗，現有技術中常用模型沙的性能指標，見 置于說明書附圖中的表1。
[0004] 常用模型沙基本上可分為有機材料、無機材料和合成材料=類，表1中的前十種 為有機材料、塑料或合成塑料，顆粒容重小于1. 5t/m3,屬輕質沙；后=種為無機材料，顆粒 容重大于1.5t/m3,屬重質沙。該些模型沙均成功應用在有關泥沙模型試驗中，并進行過物 理化學特性的測試顆粒粒徑、容重、干容重的測試，W及水力學特性試驗，包括沉降、起動、 輸移、水下成形等等，同時，通過該些泥沙模型試驗的實踐，總結了該些模型沙的優缺點及 適應性，簡述如下；（1)采用重質沙，要求模型沙顆粒很細小，不但加工困難且顆粒很細小， 會出現粘性過強和絮凝等現象，使試驗結果失真，一般的平原河流泥沙模型是起動流速比 尺大、趟率比尺小的變態模型，則要求模型沙起動流速小，相對的床面趟率較大，因而大多 用輕質沙。
[0005] (2)有機材料的輕質沙，雖然水力學特性較好、適用性強，但一般木屑和核桃殼易 腐爛、變質，防腐處理工作量大，粒徑較大時顆粒形狀不好，不利于重復利用；塑料沙為憎水 材料，水下休止角小，形成的床面穩定性較差，造成塑造模型河床困難、床面巧塌而導致試 驗精度不高；煤屑和電木粉顆粒容重大，往往為滿足泥沙運動相似，模型沙過于細小而出現 粘性和絮凝現象，造成試驗結果不準確。
[0006] (3)煤灰、白±粉、滑石粉等重質沙，存在顆粒細、物化性質不穩等缺點，僅適用于 某些累積性渺積為主的模擬試驗。
[0007] (4)塑料沙，包括電木粉和合成塑料沙，價格昂貴。
[000引 （5)除合成塑料沙外，其余模型沙均為重率固定的材料，不能根據模型需求而調 整，往往為了滿足模型沙某一特性而使得一部分相似條件偏離，給模型設計帶來很大的限 制性。
[0009] (6)常用模型沙的適用性見表2。
[0010] 表 2 表2
【權利要求】
1. 一種新型膨脹珍珠巖模型沙，由"改性的閉孔珍珠巖"為原料制成，其特征在 于，該種新型膨脹珍珠巖模型沙的顆粒粒度在0. 1?2. Omm之間、顆粒容重變化范圍在 1. 12~1. 42t/m3之間。
2. 根據權利要求1所述的新型膨脹珍珠巖模型沙，其特征在于，所述新型膨脹珍珠巖 模型沙的水下休止角在25?33°之間。
3. 根據權利要求2所述的新型膨脹珍珠巖模型沙，其特征在于，所述新型膨脹珍珠巖 模型沙的水下休止角為30?32°之間。
4. 根據權利要求1所述的新型膨脹珍珠巖模型沙，其特征在于，所述原料"改性的閉 孔珍珠巖"，其顆粒粒度在0. 1?3. 0mm之間，散體堆放情況下，顆粒容重在0. 2~0. 7 t/m3之 間。
5. 根據權利要求1-4之一所述的新型膨脹珍珠巖模型沙，其特征在于，所述新型膨脹 珍珠巖模型沙是采用以下制備方法得到的模型沙： (1) 基材選擇：選擇改性閉孔珍珠巖產品作為基材，其顆粒大小范圍為0. 1~3. 0mm，散 體堆放情況下，容重在〇. 2~0. 7t/m3之間； (2) 基材初次分選：通過測試基材散體堆放容重，確定是否進行顆粒破碎，若基材散體 堆放容重在0. 55 t/m3以上，或表面玻質化不高，吸水后顆粒容重大于1. 0 t/m 3,可滿足模 型沙對顆粒容重的基本要求，則可不進行破碎； (3) 顆粒破碎：通過粉碎機械對該改性閉孔珍珠巖基材進行破碎，包括將原顆粒破碎或 是僅破壞顆粒表層； (4) 顆粒大小篩分：將破碎后的基材投入篩分機，進行顆粒大小篩選，使其形成若干組 顆粒大小基本相近的基材均勻料； (5) 顆粒容重分選：對篩選后的若干組基材均勻料進行顆粒容重的分選，方法有兩種， 一種是通過設立風道，在風道中進行風選；另一種是通過設立水槽，在水槽中進行水選； (6) 成品配制：根據所需模型沙顆粒容重和粒徑的要求，選擇顆粒容重相同、顆粒大小 不同的若干組基材均勻料，進行配置模型沙成品配制。
6. 權利要求1所述的改性的新型膨脹珍珠巖模型沙的制備方法，其特征在于，步驟如 下： (1) 基材選擇：選擇改性的閉孔珍珠巖產品作為基材，其顆粒大小范圍為0. 1~3. 0mm， 散體堆放情況下，容重在0. 2~0. 7t/m3之間； (2) 基材初次分選：通過測試基材散體堆放容重，確定是否進行顆粒破碎，若基材散體 堆放容重在0. 55 t/m3以上，或表面玻質化不高，吸水后顆粒容重大于1. 0 t/m 3,可滿足模 型沙對顆粒容重的基本要求，則可不進行破碎； (3) 顆粒破碎：通過粉碎機械對該改性閉孔珍珠巖基材進行破碎； (4) 顆粒大小篩分：將破碎后的基材投入篩分機，進行顆粒大小篩選，使其形成若干組 顆粒大小基本相近的基材均勻料； (5) 顆粒容重分選：對篩選后的若干組基材均勻料進行顆粒容重的分選，方法有兩種， 一種是通過設立風道，在風道中進行風選；另一種是通過設立水槽，在水槽中進行水選； (6) 成品配制：根據所需模型沙顆粒容重和粒徑的要求，選擇顆粒容重相同、顆粒大小 不同的若干組基材均勻料，進行配置模型沙成品配制。
7. 根據權利要求6所述的新型膨脹珍珠巖模型沙的制備方法，其特征在于，步驟（3) 所述的顆粒破碎，是包括將原顆粒破碎或是僅破壞顆粒表層。
8. 根據權利要求6或7所述的新型膨脹珍珠巖模型沙的制備方法，其特征在于，增加 有以下步驟： (7) 成品特性測試：對配制后的模型沙成品進行物理力學特性和水動力特性測試，包 括有：顆粒容重和級配測試、沉速試驗、起動流速試驗、水下休止角試驗、床面阻力和形態試 驗； (8) 成品驗證：依據模型沙成品測試結果，驗證其可行性和適用性；可行性是指該成品 能否作為模型沙使用；適用性是指該成品可在何種泥沙模型試驗中使用。
【文檔編號】G01N33/00GK104502529SQ201410655629
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月17日 優先權日:2014年11月17日
【發明者】張幸農, 張思和, 費曉昕, 假冬冬, 陳長英, 竇希萍, 左其華, 應強, 葛瑤, 周遠厚 申請人:水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院