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(fā)明的優(yōu)點：①顆粒容重可人為調(diào)整、粒徑范圍廣，顆粒形態(tài)與天然沙相同；②物化性質(zhì)穩(wěn)定、強(qiáng)度高、可重復(fù)利用；③水下休止角大，容易形成穩(wěn)定的床面形態(tài)，并且具有良好規(guī)律的水力學(xué)參數(shù)；④基材生產(chǎn)工藝不復(fù)雜，可大量獲取，產(chǎn)品能夠大量制備，生產(chǎn)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(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種水利實驗使用的模型沙，具體設(shè)及一種新型膨脹珍珠巖模型沙。 發(fā)明還設(shè)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(shù)】
[0002] 在港口及航道工程的研究與設(shè)計過程中，泥沙物理模型試驗是經(jīng)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(shè)計中的一項關(guān)鍵 技術(shù)，直接關(guān)系到模型的泥沙運(yùn)動和河床變形相似性及模型試驗成果的可靠性。根據(jù)泥沙 模型相似理論和試驗場地和設(shè)備等現(xiàn)實條件，一般采用輕質(zhì)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(xué)特性欠佳，易產(chǎn) 生固結(jié)、起殼、起泡、霉變、細(xì)化、絮凝等現(xiàn)象，或是價格昂貴。運(yùn)用新工藝和新技術(shù)，研制新 材料模型沙，具有很大的現(xiàn)實意義，也可促進(jìn)泥沙模型試驗技術(shù)水平的提高與發(fā)展。
[0003] 模型沙是伴隨著泥沙模型試驗理論和實踐產(chǎn)生的，西方和前蘇聯(lián)在30年代末開 始泥沙模型試驗，我國于20世紀(jì)50年代中期進(jìn)行了第一個泥沙模型試驗，60年代進(jìn)行了輕 質(zhì)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(chǔ)上，大大促進(jìn)了 模型沙的發(fā)展，出現(xiàn)了多種模型沙應(yīng)用于模型試驗，現(xiàn)有技術(shù)中常用模型沙的性能指標(biāo)，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(jī)材料、無機(jī)材料和合成材料=類，表1中的前十種 為有機(jī)材料、塑料或合成塑料，顆粒容重小于1. 5t/m3,屬輕質(zhì)沙；后=種為無機(jī)材料，顆粒 容重大于1.5t/m3,屬重質(zhì)沙。該些模型沙均成功應(yīng)用在有關(guān)泥沙模型試驗中，并進(jìn)行過物 理化學(xué)特性的測試顆粒粒徑、容重、干容重的測試，W及水力學(xué)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(jié)了該些模型沙的優(yōu)缺點及 適應(yīng)性，簡述如下；（1)采用重質(zhì)沙，要求模型沙顆粒很細(xì)小，不但加工困難且顆粒很細(xì)小， 會出現(xiàn)粘性過強(qiáng)和絮凝等現(xiàn)象，使試驗結(jié)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(tài)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(zhì)沙。
[0005] (2)有機(jī)材料的輕質(zhì)沙，雖然水力學(xué)特性較好、適用性強(qiáng)，但一般木屑和核桃殼易 腐爛、變質(zhì)，防腐處理工作量大，粒徑較大時顆粒形狀不好，不利于重復(fù)利用；塑料沙為憎水 材料，水下休止角小，形成的床面穩(wěn)定性較差，造成塑造模型河床困難、床面巧塌而導(dǎo)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(yùn)動相似，模型沙過于細(xì)小而出現(xiàn) 粘性和絮凝現(xiàn)象，造成試驗結(jié)果不準(zhǔn)確。
[0006] (3)煤灰、白±粉、滑石粉等重質(zhì)沙，存在顆粒細(xì)、物化性質(zhì)不穩(wěn)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(jù)模型需求而調(diào) 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(shè)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(quán)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(chǎn)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(jìn)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(zhì)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(jìn)行破碎； (3) 顆粒破碎：通過粉碎機(jī)械對該改性閉孔珍珠巖基材進(jìn)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(jī)，進(jìn)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(jìn)行顆粒容重的分選，方法有兩種， 一種是通過設(shè)立風(fēng)道，在風(fēng)道中進(jìn)行風(fēng)選；另一種是通過設(shè)立水槽，在水槽中進(jìn)行水選； (6) 成品配制：根據(jù)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(jìn)行配置模型沙成品配制。
6. 權(quán)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(chǎn)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(jìn)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(zhì)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(jìn)行破碎； (3) 顆粒破碎：通過粉碎機(jī)械對該改性閉孔珍珠巖基材進(jìn)行破碎； (4) 顆粒大小篩分：將破碎后的基材投入篩分機(jī)，進(jìn)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(jìn)行顆粒容重的分選，方法有兩種， 一種是通過設(shè)立風(fēng)道，在風(fēng)道中進(jìn)行風(fēng)選；另一種是通過設(shè)立水槽，在水槽中進(jìn)行水選； (6) 成品配制：根據(jù)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(jìn)行配置模型沙成品配制。
7. 根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jìn)行物理力學(xué)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(tài)試 驗； (8) 成品驗證：依據(jù)模型沙成品測試結(jié)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(yōu)先權(quán)日:2014年11月17日
【發(fā)明者】張幸農(nóng), 張思和, 費(fèi)曉昕, 假冬冬, 陳長英, 竇希萍, 左其華, 應(yīng)強(qiáng), 葛瑤, 周遠(yuǎn)厚 申請人:水利部交通運(yùn)輸部國家能源局南京水利科學(xué)研究院