新型膨胀珍珠岩模型沙及其制备方法

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/m

说明书

技术领域

本发明涉及一种水利实验使用的模型沙，具体涉及一种新型膨胀珍珠岩模型沙。发明还涉及这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

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。

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年代以后，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。

常用模型沙基本上可分为有机材料、无机材料和合成材料三类，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；后三种为无机材料，颗粒容重大于1.5t/m³，属重质沙。这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，以及水力学特性试验，包括沉降、起动、输移、水下成形等等，同时，通过这些泥沙模型试验的实践，总结了这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、糙率比尺小的变态模型，则要求模型沙起动流速小，相对的床面糙率较大，因而大多用轻质沙。

(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、床面坍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。

(3)煤灰、白土粉、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淤积为主的模拟试验。

(4)塑料沙，包括电木粉和合成塑料沙，价格昂贵。

(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。

(6)常用模型沙的适用性见表2。

表2

表2

综上，常用大部分模型沙最大的缺点是重率固定或水下塑性不好，不能根据模型需求而调整，使得在进行泥沙模型试验时，往往为了满足模型沙某一特性需要而使一部分相似条件偏离，给模型设计带来很大的限制性，或是引起模型试验结果的失真。因此，研制出一种重率和粒径均可以人为控制、物化性质稳定、价格低廉且能大量生产投入模型试验的模型沙，可很大程度上扩展模型设计的余地，提高模型试验的精度，对于泥沙模型试验理论和技术水平的提高和发展，具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型膨胀珍珠岩模型沙。通过一种改性闭孔珍珠岩产品选择、二次加工、物理力学特性和水力学特性测试，证明该种改性闭孔珍珠岩产品制作成的模型沙能够较好地模拟天然泥沙运动，可以应用为模型沙。本发明还涉及这种新型膨胀珍珠岩模型沙的生产制备方法。

完成上述发明任务的技术方案是，一种新型膨胀珍珠岩模型沙，由“改性的闭孔珍珠岩”为原料而制成，即，由小幅膨胀和半闭孔的珍珠岩产品作为基材制成。该新型膨胀珍珠岩模型沙的特征在于，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。

进一步限定，本发明所述的新型膨胀珍珠岩模型沙，其水下休止角为25～33°之间。最佳水下休止角为30°～32°之间。

膨胀珍珠岩产品有开孔珍珠岩(即传统膨胀珍珠岩)、闭孔珍珠岩、大颗粒珍珠岩等多种，已经有商业化生产。闭孔珍珠岩属于膨胀珍珠岩系列产品中的其中一种，闭孔珍珠岩粒度一般在0.1～3.0mm之间，散体堆放情况下，颗粒容重在0.07～0.2t/m³之间，产品表面一般呈现玻质化状态，吸水性差。

上述本发明的基材—“改性闭孔珍珠岩”已有商业化生产。

上述“改性闭孔珍珠岩”指其小幅膨胀和半闭孔的珍珠岩，与普通闭孔珍珠岩相比，该种闭孔珍珠岩具有膨胀幅度小和半闭孔(即表面呈现半玻质化状态)特征，因而颗粒容重大、吸水性略强。

上述“改性闭孔珍珠岩”，其颗粒粒度在0.1～3.0mm之间，散体堆放情况下，颗粒容重在0.2～0.7t/m³之间。

上述“颗粒容重变化范围：在1.12～1.42t/m³之间”是指其颗粒充分吸水后(表面不含水)的颗粒容重。 

更优化和更具体地说，本发明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0.55t/m³以上，或表面玻质化不高，吸水后颗粒容重大于1.0t/m³，可满足模型沙对颗粒容重的基本要求，则可不进行破碎(破碎目的是为了破坏颗粒表面玻质，使其吸水，增加颗粒容重，达到大于1.0t/m³的基本要求)；

(3)颗粒破碎：通过粉碎机械对该改性闭孔珍珠岩进行破碎，包括(破碎过程中自然产生的两种情况)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。

这样得到的产品即可以作为水利实验使用的新型模型沙。为了说明本模型沙的可行性和适用性，进一步优化，可以增加有以下步骤：

(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，主要包括：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等。

(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。

换言之，本发明所述的新型膨胀珍珠岩模型沙，是选择一种改性闭孔珍珠岩产品为基材，其颗粒粒度在0.1～3.0mm之间，散体堆放情况下，颗粒容重在0.2～0.7t/m³之间；该基材经过加工工艺流程而制成该种新型膨胀珍珠岩模型沙，其颗粒粒度在0.1～2.0mm之间，颗粒容重变化范围：1.12～1.42t/m³，水下休止角为25～33°之间。

完成本申请第二个发明任务的技术方案是，上述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0.55t/m³以上，或表面玻质化不高，吸水后颗粒容重大于1.0t/m³，可满足模型沙对颗粒容重的基本要求，则可不进行破碎(破碎目的是为了破坏颗粒表面玻质，使其吸水，增加颗粒容重，达到大于1.0t/m³的基本要求)；

(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。

为了说明本模型沙的可行性和适用性，可以增加有以下步骤：

(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，主要包括：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等。

(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。

膨胀珍珠岩是一种内部为蜂窝状结构的白色颗粒状的非金属矿产品材料，具有质轻而有耐腐蚀的特质。由于其含有大量亲水矿物，湿度变化时有较大体积变化，变形受约束时产生较大内应力，故称之为膨胀珍珠岩。

膨胀珍珠岩原料是由火山喷出的熔岩在地表水中急冷而成的矿物，具有类似玉髓的隐晶结构，属于软岩中的特殊类型，它的性状似岩非岩、似土非土，与水的关系极其密切，亲水性异常强烈，其化学成份大致为SiO₂70～75％/、AL₂O₃12～13％；此外还含有少量MgO、CaO、Fe₂O₃和Na₂O、K₂O(均在2％以下)等杂质。天然情况下颗粒形状与泥沙相同，组织结构中含有一定水份，比重在2.2～2.3L/m³之间。

膨胀珍珠岩材料的基本生产原理是：天然珍珠岩矿石经破碎形成一定粒度的矿砂，然后再预热焙烧，最终通过急速加热(1000℃以上)的瞬时高温焙烧。在此过程中，矿砂颗粒结构会产生很大的变化，结构水分汽化、脱离，从而在软化的含有玻璃质的矿砂颗粒内部膨胀，形成多孔结构，体积膨胀10～30倍，孔 隙增加、容重减小(因为是多孔结构，吸水后容重增加)。

膨胀珍珠岩产品有开孔珍珠岩(即传统膨胀珍珠岩)、闭孔珍珠岩、大颗粒珍珠岩等多种，均为颗粒状。膨胀珍珠岩为非有机物，不会腐烂变质，物化性质稳定，颗粒粒度范围广泛，颗粒形态与天然泥沙相同，如果其颗粒容重(颗粒充分吸水、表面不含水)在1.1～1.5t/m³之间，就可符合轻质模型沙的基本要求。显然，常规膨胀珍珠岩产品都不满足模型沙的要求，主要问题是各产品颗粒容重均远小于1.0t/m³，不会沉于水中。通过分析，开孔珍珠岩膨胀率高，颗粒容重小、吸水性强、强度较低，不易作为模型沙基材；闭孔珍珠岩在矿砂膨胀过程中，颗粒表层玻质化，吸水率很低，强度较高，如将闭孔珍珠岩生产工艺略作修改，控制其颗粒容重达到一定值，形成改性的闭孔珍珠岩产品，或将常规闭孔珍珠岩颗粒破碎使其吸水，均可使得颗粒容重大于1.0t/m³，从而达到轻质模型沙所要求的范围，就适合作为模型沙。膨胀珍珠岩在我国的分布较广，贮存量丰富，经过与有关珍珠岩生产企业探索，此种改性的闭孔珍珠岩产品生产工艺并不复杂，利用常规设备即可大量生产，生产成本不会高，低于塑料沙和电木粉的价格。

对于轻质模型沙，一般要求其颗粒物化性质稳定，粒径在0.1～2mm(大约是70～160目之间)之间，颗粒容重1.0～1.5t/m³之间，水下休止角>30°，并且颗粒强度应达到一定要求，不会在试验操作中而轻易粉碎细化。因此，根据上述分析，通过选择改性闭孔珍珠岩产品作为基材，设计相应的颗粒破碎、大小筛选和比重分选等加工工艺流程，并且控制加工生产成本，就可制备形成所需颗粒容重和级配的新型膨胀珍珠岩模型沙。

本项专利针对长江中下游此类平原河流航道整治泥沙模型，以模拟河床冲淤变化为主，采用改性的闭孔珍珠岩为基材，通过后续加工生产工艺流程，研制出新型模型沙，达到以下特点：

(1)颗粒容重和粒径可进行调整，颗粒容重变化范围：1.12～1.42t/m³、粒径范围广，一般为0.1～2mm；(该颗粒性质为本发明所制作的模型沙的性质)

(2)颗粒形态与天然沙相同，水下休止角大，在25～33°之间，容易形成稳定良好的床面形态；

(3)具有良好规律的水力学特性，通过起动流速试验可得到个别动、少量动及大量动三种情况下的颗粒起动流公式；通过沉速试验拟合沙粒雷诺数R_ed与阻力 系数C_D的关系，可得到颗粒沉速公式，因而可满足多种泥沙模型设计需要；

(4)物化性质稳定、不会腐烂变质、强度较高、可重复利用；

(5)改性闭孔珍珠岩生产工艺不复杂，可大量获取，因而产品能够大量制备，生产成本不高。

本发明的优点及与其他模型沙的区别：

1、本次发明的新型膨胀珍珠岩模型沙属于轻质沙，适用于一般的泥沙模型，颗粒容重和粒径可进行调整，颗粒容重变化范围：1.12～1.42t/m³、粒径范围广，一般为0.1～2mm。而绝大多数模型沙均为重率固定的材料，不能根据模型需求而调整。

2、本次发明的新型膨胀珍珠岩模型沙物化性质稳定、不会腐烂变质、强度高、可重复利用。填补了煤灰、白土粉、滑石粉等重质沙，颗粒细、物化性质不稳的缺点，也填补了木屑易腐烂、变质，防腐处理工作量大，不利于重复利用的缺点。

3、本次发明的新型膨胀珍珠岩模型沙水下休止角大，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(起动流速、糙率、沉速等)。优于为憎水材料且水下休止角小、形成床面稳定性较差的塑料沙。

4、本次发明的新型膨胀珍珠岩模型沙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，与塑料沙、电木粉和合成塑料沙相比，有价格优势。

本发明新型膨胀珍珠岩模型沙集中了各家模型沙的优点，摒弃了不足，具有良好的发展前景。

附图说明

图1为现有技术中常用模型沙的性能指标。

具体实施方式

实施例1，新型膨胀珍珠岩模型沙及其制备方法，新型模型沙由“改性闭孔珍珠岩”制成，其颗粒粒度在0.1～2.0mm之间、其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。本发明的新型膨胀珍珠岩模型沙生产制备方法如下：

(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0.55t/m³以上，或表面玻质化不高，吸水后颗粒容重大于1.0t/m³，可满足模型沙对颗粒容重的基本要求，则可不进行破碎(破碎目的是为了破坏颗粒表面玻质，使其吸水，增加颗粒容重，达到大于1.0t/m³的基本要求)；

(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。

(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，主要包括：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等。

(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。

实施例2，与实施例1基本相同，但新型模型沙的水下休止角在30～32°之间。

图1中的表格为现有技术中常用模型沙的性能指标。