[发明专利]新型膨胀珍珠岩模型沙及其制备方法

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。