球形閉孔膨脹珍珠巖研究——產(chǎn)品性能與應(yīng)用

摘要：為解決珍珠巖礦產(chǎn)資源利用及傳統(tǒng)多孔膨脹珍珠巖在使用中存在的問題，研制成功一種強(qiáng)度高、吸水率低的球形閉孔膨脹珍珠巖。文中介紹了該產(chǎn)品的技術(shù)原理、結(jié)構(gòu)特征、產(chǎn)品性能和應(yīng)用領(lǐng)域。
　　關(guān)鍵詞：球形閉孔膨脹珍珠巖；絕熱材料；珍珠巖資源利用；膨脹珍珠巖

　  1　前　言

　　球形閉孔膨脹珍珠巖是國(guó)際上20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的一種新型珍珠巖保溫絕熱材料。該材料主要用于建筑保溫節(jié)能和工業(yè)輕質(zhì)填料領(lǐng)域，具有強(qiáng)度高、吸水率低、砂漿流動(dòng)性能優(yōu)良、生產(chǎn)無環(huán)境污染等顯著優(yōu)點(diǎn)。我院課題組經(jīng)過多年的設(shè)備、工藝攻關(guān)及工業(yè)化生產(chǎn)試驗(yàn)研究，成功地研制出珍珠巖電加熱膨脹爐和達(dá)到國(guó)際先進(jìn)技術(shù)水平的球形閉孔膨脹珍珠巖，并于1999年11月通過河南省科委組織的鑒定。

    2　課題研究背景

    2.1　資源利用出現(xiàn)的問題
　　我國(guó)生產(chǎn)膨脹珍珠巖保溫材料已有30年的歷史。在河南、東北、內(nèi)蒙古、河北等地均有豐富的珍珠巖礦產(chǎn)資源，特別是河南信陽上天梯特大型非金屬礦，珍珠巖儲(chǔ)量達(dá)1億多t，品質(zhì)為全國(guó)上乘，有著十分重要的開發(fā)和應(yīng)用價(jià)值。但是，30年來我國(guó)珍珠巖行業(yè)所用礦砂大多為18～55目(1.0～0.3 mm)的中粗砂，大量的小于60目尾砂得不到合理利用而被當(dāng)作“廢物”處理。這種資源的嚴(yán)重浪費(fèi)現(xiàn)象引起了我們的注意和思考，能否把小于60目尾礦加工成性能優(yōu)良的保溫材料?
    2.2　傳統(tǒng)產(chǎn)品出現(xiàn)的問題
　　我國(guó)膨脹珍珠巖的年產(chǎn)量已達(dá)600萬m³，但品種始終是單一的多孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，如圖1所示。多孔結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)產(chǎn)品存在著明顯的缺陷。

圖1　傳統(tǒng)多孔膨脹珍珠巖的掃描電鏡照片(×200)

　　從圖1中可看出，傳統(tǒng)膨脹珍珠巖為一種外形極不規(guī)則，表面有著許多孔洞、裂縫、凹凸不平和表面不相連貫的粒狀產(chǎn)品。正是由于上述結(jié)構(gòu)特征，導(dǎo)致了材料的易碎或密度穩(wěn)定性能差，制品加工中壓縮比大等不良后果。這種缺陷會(huì)使材料自身的輕質(zhì)和保溫效果在形成制品后受到嚴(yán)重影響。因此，在珍珠巖的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，從未涉及強(qiáng)度性能技術(shù)要求。
　　更為嚴(yán)重的是，由于多孔結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)膨脹珍珠巖的吸水率相當(dāng)驚人。水中浸泡2 h后，其自然吸水率可達(dá)自身重量的500％以上，這一缺陷大大影響產(chǎn)(制)品的長(zhǎng)期使用壽命和保溫質(zhì)量，同時(shí)也增大制品的烘干成本。人們?cè)猛扛苍魉畡┑霓k法來解決多孔產(chǎn)品吸水率大的問題，即人們所說的憎水膨脹珍珠巖產(chǎn)品。然而，這種辦法只能保證眼前的或短期的效果，混拌或壓力加工時(shí)，隨著顆粒的大量破碎，憎水膜層也隨之遭受破壞，因此吸水率大的問題仍然難以解決。針對(duì)以上存在問題，設(shè)想在膨化過程中使顆粒的孔隙封閉，改變其不規(guī)則形狀特征，使產(chǎn)品達(dá)到既有一定的強(qiáng)度，又可大大降低吸水率，這正是我們開展球形閉孔膨脹珍珠巖研究的又一原因。
    2.3　傳統(tǒng)生產(chǎn)方法上存在的問題
　　我國(guó)膨脹珍珠巖的生產(chǎn)絕大多數(shù)以煤和油為燃料，從而產(chǎn)生了大量有害煙氣，造成嚴(yán)重環(huán)境污染。采用電加熱方式生產(chǎn)高質(zhì)量的珍珠巖產(chǎn)品是解決環(huán)境污染的有效途徑之一。
    2.4　傳統(tǒng)產(chǎn)品在技術(shù)和市場(chǎng)方面存在的問題
　　傳統(tǒng)膨脹珍珠巖產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)落后，產(chǎn)品技術(shù)含量低是多數(shù)廠家存在的問題。若不以賤價(jià)銷售，其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力將會(huì)受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)。為實(shí)現(xiàn)我國(guó)珍珠巖行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，開發(fā)技術(shù)含量高，生產(chǎn)無環(huán)境污染，經(jīng)濟(jì)附加值得以提高的新產(chǎn)品以提高其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，是我們面臨的現(xiàn)實(shí)問題。那種以浪費(fèi)資源或以低微利潤(rùn)和環(huán)境污染為代價(jià)的生產(chǎn)局面不能再發(fā)展下去，這正是本課題的研究目標(biāo)。

    3　球形閉孔膨脹珍珠巖結(jié)構(gòu)特征和技術(shù)

    3.1　結(jié)構(gòu)特征
　　圖2是我院研制的球形閉孔膨脹珍珠巖的掃描電鏡照片。從圖2中，我們清楚地看到，該產(chǎn)品的外形比較規(guī)則，呈微球形，顆粒有著連續(xù)和比較平滑的表面，孔隙封閉，無裂紋和凹凸棱角之處。顯微鏡下觀察，每一顆粒都有著完整的?；鈿?，而內(nèi)部基本為透明的空心結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，放大倍數(shù)提高后，并非每一個(gè)顆粒都能如同圖2所示的那樣呈完全球狀，其中也包括有橄欖狀或近球狀的顆粒，但直觀效果均為微球形。實(shí)際上，近球狀的顆粒更有利于同其它材料的粘合。

圖2　球形閉孔膨脹珍珠巖掃描電鏡照片(×340)

    3.2　技術(shù)原理
　　傳統(tǒng)的珍珠巖膨化是由于其內(nèi)部所含水分蒸發(fā)引起的。在900 ℃以上的高溫下，礦砂的附著水與結(jié)合水急驟蒸發(fā)所產(chǎn)生的大量氣泡沖破顆粒表層，從而導(dǎo)致在體積膨脹的同時(shí)，在顆粒內(nèi)部和表面形成無數(shù)蜂窩狀的孔隙、裂縫，從而形成其不規(guī)則的形狀特征。有些顆粒還會(huì)炸裂成數(shù)個(gè)小塊，其形狀則更不規(guī)則。
　　如果將珍珠巖礦砂的含水量控制到一定程度，使其在爐內(nèi)受到由低溫到高溫的漸進(jìn)加熱，并通過一定的工藝手段，使其在爐內(nèi)滯留相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)間，則珍珠巖表面和內(nèi)部的水分就會(huì)相對(duì)緩慢地蒸發(fā)脫出。初期，顆粒表面雖會(huì)產(chǎn)生一些微小的孔隙，這主要是因顆粒表面的附著水蒸發(fā)而引發(fā)的現(xiàn)象，但隨著溫度的不斷升高，珍珠巖在受熱軟化過程中，表面物質(zhì)也會(huì)不斷變軟，粘度減少，不規(guī)則的凸凹部分在滾動(dòng)過程中會(huì)不斷擴(kuò)張并填充覆蓋到微細(xì)孔隙的口面上，從而形成一種玻璃質(zhì)化的外殼，形狀也趨向規(guī)則。當(dāng)內(nèi)部結(jié)合水蒸發(fā)時(shí)，開始會(huì)引發(fā)成數(shù)個(gè)氣泡，由于組成內(nèi)膜的物質(zhì)在控制溫度下粘度較小，較大的氣泡會(huì)沖破氣泡膜吞并周圍的小氣泡，最終會(huì)在內(nèi)部形成眾多氣泡合而為一的現(xiàn)象，即空心結(jié)構(gòu)。這就是形成球形閉孔膨脹珍珠巖的技術(shù)原理。

    4　球形閉孔膨脹珍珠巖的產(chǎn)品性能

　　利用上述原理，我院在1998年成功地研制出珍珠巖電加熱膨化爐和球形閉孔膨脹珍珠巖產(chǎn)品。經(jīng)過一年的半工業(yè)化試生產(chǎn)，合格品重復(fù)率達(dá)100％，連續(xù)作業(yè)時(shí)間達(dá)120 h以上。
    4.1　球形閉孔膨脹珍珠巖產(chǎn)品性能
　　我國(guó)建材行業(yè)對(duì)膨脹珍珠巖的技術(shù)要求(JC 209－92)主要涉及產(chǎn)品的堆積密度，質(zhì)量含水率、粒度和導(dǎo)熱系數(shù)，其中最常使用的是堆積密度和導(dǎo)熱系數(shù)。研制球形閉孔膨脹珍珠巖的技術(shù)目標(biāo)是為了提高強(qiáng)度和降低吸水率，因此在產(chǎn)品的性能設(shè)計(jì)上，除了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的堆積密度、粒度和導(dǎo)熱系數(shù)外，我們還增加了成球率、閉孔率、漂浮率、吸水率和筒壓強(qiáng)度等5個(gè)項(xiàng)目，以便全面反映球形產(chǎn)品的技術(shù)性能，某些性能，如吸水率和筒壓強(qiáng)度是在國(guó)內(nèi)膨脹珍珠巖技術(shù)條件中首次采用的術(shù)語，國(guó)外同類產(chǎn)品中多數(shù)也未涉及或用數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行過說明。
　　表1中的數(shù)據(jù)分別為國(guó)家建材局保溫與密封材料質(zhì)檢中心、鄭州大學(xué)建筑材料測(cè)試中心和國(guó)家非金屬礦資源利用研究中心對(duì)送檢樣品的測(cè)試結(jié)果。個(gè)別項(xiàng)目，如漂浮率是在試驗(yàn)研究中自測(cè)的數(shù)據(jù)。

表1　球形閉孔膨脹珍珠巖性能檢測(cè)結(jié)果

注：(1)粒度均為0.25—0.42mm；(2)筒壓強(qiáng)度為1MPa壓力下的體積損失率

    4.2　性能比較(見表2)

表2　性能比較

注：筒壓強(qiáng)度為1MPa壓力下的體積損失率

　　為增加性能可比性，表2中的3類產(chǎn)品均取相同粒度(0.25～0.42 mm)的樣品。
    4.3　球形閉孔膨脹珍珠巖各項(xiàng)性能的具體說明
    4.3.1　粒度
　　我院研制的球形閉孔膨脹珍珠巖與國(guó)外同類產(chǎn)品均取小于60目尾砂原料加工而成。設(shè)計(jì)這種粒度的產(chǎn)品，一是為了充分利用尾砂，二是便于電爐膨化和降低能耗。實(shí)際上，0.15～1.50 mm粒度的產(chǎn)品均在我們的研究之列。
    4.3.2　堆積密度
　　球形產(chǎn)品的堆積密度普遍高于傳統(tǒng)多孔產(chǎn)品的堆積密度，這是由于顆粒間的空氣間隙減小和顆粒外殼?；兒袼?。值得注意的是，就真密度而言，在用砂粒度相同的情況下，球形產(chǎn)品反而小于傳統(tǒng)產(chǎn)品。如美國(guó)的一種球形產(chǎn)品，其用砂粒度為70～120目，堆積密度0.19 g/cm³，真密度為0.52 g/cm³。而同等粒度的多孔產(chǎn)品，堆積密度為0.1 g/cm³，真密度卻為1.47 g/cm³。這說明，多孔產(chǎn)品堆積密度小的原因主要是顆粒之間和孔隙中的空氣間隙所致，排除這部分空氣體積來測(cè)試真密度，顯然會(huì)比顆粒間隙小、孔隙封閉的球形產(chǎn)品大得多。目前，國(guó)內(nèi)一般不用真密度來表示膨脹珍珠巖的密度性能。
    4.3.3　導(dǎo)熱系數(shù)
　　導(dǎo)熱系數(shù)是反映珍珠巖材料保溫性能的一項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)。我院研制的球形產(chǎn)品，盡管堆積密度比傳統(tǒng)產(chǎn)品略大，但導(dǎo)熱系數(shù)卻在相應(yīng)標(biāo)號(hào)下的優(yōu)等品范圍之中。這說明，球形產(chǎn)品的玻化外殼和空心結(jié)構(gòu)對(duì)于保持和提高材料自身的保溫能力是非常有效的。
    4.3.4　成球率
　　成球率是材料中基本為球形顆粒的百分?jǐn)?shù)。成球率的大小與顆粒材料的抗碎能力或密度穩(wěn)定性能密切相關(guān)。所謂球形或球狀產(chǎn)品，關(guān)鍵在于顆粒的外殼?；Ч?，只要顆粒有著連續(xù)完整的表面，均可統(tǒng)計(jì)為球形顆粒數(shù)量。這種球形化的特征和其在材料中的比例構(gòu)成了球形閉孔膨脹珍珠巖的突出特性。表2顯示，本產(chǎn)品的成球率比國(guó)外同類產(chǎn)品提高了25個(gè)百分點(diǎn)(統(tǒng)計(jì)方法是一致的)。
    4.3.5　閉孔率
　　閉孔率是材料中封閉孔隙面積占材料總面積的百分?jǐn)?shù)。它是反映球形閉孔膨脹珍珠巖性能的又一項(xiàng)重要數(shù)據(jù)。該性能與材料的吸水率有著直接的關(guān)系，這就是閉孔率越高，吸水率越低。反之，通過吸水率的大小，也能反映出閉孔率的高低。表2中，球形產(chǎn)品與傳統(tǒng)多孔產(chǎn)品吸水率的差別相當(dāng)懸殊，這正是因?yàn)榍罢哳w粒表面產(chǎn)生?；鈿?，孔隙封閉所致。
    4.3.6　漂浮率
　　漂浮率是一定質(zhì)量的礦砂膨化后經(jīng)水中漂浮，再干燥的質(zhì)量與礦砂質(zhì)量的百分比，是反映礦砂膨化效果與合格品率的一項(xiàng)性能指標(biāo)。凡未膨脹、雜質(zhì)成分或膨脹不好的次品會(huì)沉于水底，充分膨脹的合格品均會(huì)浮于水面。通過漂浮率測(cè)試，可以隨時(shí)調(diào)整膨化溫度與礦砂含水量，以達(dá)到最佳膨化效果。
    4.3.7　吸水率

　　吸水率是進(jìn)入顆粒材料內(nèi)部的水分質(zhì)量與材料質(zhì)量之比的百分?jǐn)?shù)。這是反映球形產(chǎn)品性能優(yōu)勢(shì)的一項(xiàng)重要數(shù)據(jù)。進(jìn)一步地說，顆粒材料的吸水率越低，產(chǎn)品性能越好。傳統(tǒng)多孔產(chǎn)品基本為開放孔隙結(jié)構(gòu)，故可在短時(shí)間內(nèi)吸附自身質(zhì)量4～8倍的水分。在同等測(cè)試條件下，本產(chǎn)品的吸水率僅為多孔產(chǎn)品的1/5～1/9。吸水率的測(cè)試是將樣品浸水一定的時(shí)間并在真空抽濾器中除掉表層水后的計(jì)算結(jié)果。
    4.3.8　筒壓強(qiáng)度
　　它用一定壓力下顆粒材料的體積損失率或壓縮率表示。測(cè)試中使用的壓力為1 MPa，從表2中我們看到，球形產(chǎn)品與傳統(tǒng)多孔產(chǎn)品的壓縮率是十分懸殊的。該項(xiàng)性能與低吸水性能共同構(gòu)成球形產(chǎn)品的重要特性。
　　綜上所述，球形閉孔產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)在于低吸水率，較高的抗壓強(qiáng)度和良好的流動(dòng)性能，其保溫性能居于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)等品范圍。通過國(guó)內(nèi)外查新和專家評(píng)審，我院研制的球形閉孔膨脹珍珠巖在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了首創(chuàng)，產(chǎn)品性能達(dá)到了國(guó)際同類產(chǎn)品的先進(jìn)技術(shù)水平。

    5　球形閉孔膨脹珍珠巖的應(yīng)用

　　新產(chǎn)品在北京中建建筑科學(xué)技術(shù)研究院中試基地，信陽雷諾新型建材有限公司等單位進(jìn)行了多項(xiàng)試用，根據(jù)應(yīng)用報(bào)告和市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)球形閉孔膨脹珍珠巖的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景分析如下：
    5.1　外墻保溫砂漿
　　試用結(jié)果表明，以噴漿和抹灰方法進(jìn)行外墻保溫試驗(yàn)，取得了理想的效果。由于球形閉孔產(chǎn)品吸水率低，并具有一定的強(qiáng)度，且灰漿的均質(zhì)性、流動(dòng)度好，保溫層經(jīng)過一冬(－10 ℃)一夏(室外15～45 ℃)的初步考驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)有龜裂、剝離跡象，層面密實(shí)，不掉灰，顏色仍保持潔白。內(nèi)保溫砂漿干混料的密度小于多孔珍珠巖干混料，其試件的抗折、抗壓強(qiáng)度均符合JC/T 517－93的技術(shù)要求。有關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)將進(jìn)一步測(cè)試。從先期的試用效果看，球形閉孔膨脹珍珠巖作為外墻內(nèi)、外保溫砂漿的應(yīng)用是具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和價(jià)值的。
    5.2　裝飾板
　　以球形閉孔膨脹珍珠巖為輕骨料，采取通用的膠結(jié)料和增強(qiáng)材料制成1200 mm×600 mm，厚8 mm的薄型裝飾板，面密度與愛特麗特板相近。端起一角，板不斷裂，說明了該板的實(shí)際抗折能力較強(qiáng)。經(jīng)初步核算，生產(chǎn)這種裝飾板的成本約為7～9 元/m²。從使用性能和效益角度分析，球形閉孔膨脹珍珠巖用于裝飾板或其它板材的減荷材料有著廣闊的市場(chǎng)發(fā)展前景。
    5.3　GRC隔墻板面層增強(qiáng)材料
　　該方面的應(yīng)用試驗(yàn)已取得圓滿成果。1000 m²隔墻板采用球形閉孔膨脹珍珠巖為面層材料后，板面的外觀質(zhì)量、密度、強(qiáng)度和硬度性能大大改善，板的斷裂載負(fù)荷由原來的1300 N提高至2200 N。今后，隨著GRC墻板的廣泛應(yīng)用，球形閉孔膨脹珍珠巖的用量也是極為可觀的。
    5.4　保溫板(磚)
　　屋面和室內(nèi)保溫板是膨脹珍珠巖的主要應(yīng)用領(lǐng)域。生產(chǎn)廠家采用球形閉孔膨脹珍珠巖后，原料的壓縮比由傳統(tǒng)膨脹珍珠巖的2.8∶1減至1.8∶1，板的強(qiáng)度性能仍大大高于傳統(tǒng)產(chǎn)品。水中浸泡12 h后，質(zhì)量無明顯變化，這說明板的抗水性能是十分顯著的。

    6　結(jié)束語

　　球形閉孔膨脹珍珠巖以其顯著的性能優(yōu)勢(shì)、高技術(shù)含量和無環(huán)境污染生產(chǎn)方式引起了建筑界和保溫材料行業(yè)的普遍關(guān)注，其用途將會(huì)不斷擴(kuò)大，市場(chǎng)發(fā)展前景廣闊。關(guān)于能耗和生產(chǎn)成本，經(jīng)濟(jì)效益分析，將在生產(chǎn)工藝和電膨化爐的續(xù)篇中加以闡述。

   本課題為河南省’97、’98重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目。

                    陳世富(河南信陽師范學(xué)院，河南 信陽　464000)